BG112385A

BG112385A - Двуосен микросензор за магнитно поле

Info

Publication number: BG112385A
Application number: BG112385A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия; Чавдар РУМЕНИН; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2018-03-30
Also published as: BG67039B1

Abstract

Двуосният микросензор за магнитно поле съдържа р-тип полупроводникова подложка (1), върху едната страна на която е формиран дълбок n-тип слой (2) във формата на малтийски равно странен кръст с четири равни правоъгълни страни. Върху късите страни на n - слоя (2) са разположени омични контакти - първи (3), втори (4), трети (5) и четвърти 6 като (3) и (5), и съответно (4) и (6) са противоположни. Контакти (3) и (4) през еднакви по стойност товарни резистори (7) и (8) са свързани с изводите на токоизточник (9), а контакти (5) и (6) през товарни резистори (10) и (11) със стойност както другите два (7) и (8) са съединени с токоизточника (9) така, че полярностите на контакти (3) и (5), и съответно на (4) и (6) да съвпадат. Измерваното външно магнитно поле (12) е с произволна ориентация и лежи в равнината на подложката (1) като двойките контакти - (3) и (5), и съответно (4) и (6) са изходите (13) и (14) за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле (12).

Description

(54) ДВУОСЕН МИКРОСЕНЗОР ЗА МАГНИТНО ГЮЛЕ (57) Двуосният микросензор за магнитно поле съдържа р-тип полупроводникова подложка (1), върху едната страна на която е формиран дълбок п-тип слой (2) във формата на малтийски равно странен кръст с четири равни правоъгълни страни. Върху късите страни на η - слоя (2) са разположени омични контакти - първи (3), втори (4), трети (5) и четвърти 6 като (3) и (5), и съответно (4) и (6) са противоположни. Контакти (3) и (4) през еднакви по стойност товарни резистори (7) и (8) са свързани с изводите на токоизточник (9), а контакти (5) и (6) през товарни резистори (10) и (11) със стойност както другите два (7) и (8) са съединени с токоизточника (9) така, че полярностите на контакти (3) и (5), и съответно на (4) и (6) да съвпадат. Измерваното външно магнитно поле (12) е с произволна ориентация и лежи в равнината на подложката (1) като двойките контакти - (3) и (5), и съответно (4) и (6) са изходите (13) и (14) за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле (12).

претенция, 1 фигура

Сия Вълчева Лозанова Чавдар Станоев Руменин

София

ДВУОСЕН МИКРОСЕНЗОР ЗА МАГНИТНО ПОЛЕ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до двуосен микросензор за магнитно поле, приложимо в областта на безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в равнината, роботиката и мехатрониката, слабополевата магнитометрия, когнитивните системи и автоматиката, електромобилостроенето, контролно-измервателната технология, биомедицинските изследвания, енергетиката и енергийната ефективност, военното дело и сигурността, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е двуосен микросензор за магнитно поле, съдържащ /z-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт с квадратна форма като на разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има последователно по един правоъгълен вътрешен омичен контакт и по един външен омичен контакт. В близост до всички контакти е формирана дълбока обграждаща ги //-тип зона. Четирите външни контакта са съединени и през токоизточник са свързани с централния контакт. Измерваното външно магнитно поле е с произволна ориентация и лежи в равнината на п-тип подложката като всяка двойка срещуположни вътрешни контакти спрямо централния са изходите за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле, [1 - 6].

Недостатък на този двуосен микросензор за магнитно поле е редуцираната чувствителност на двата сензорни изхода при измерване на равнинните компоненти на магнитното поле в резултат на обемното разтичане на четирите захранващи тока между централния и крайните омични контакти.

Недостатък е също редуцираната точност на микросензора в резултат на паразитните изходни напрежения на двата изхода (офсети) в отсъствие на магнитно поле, породени от електрическа асиметрия в резултат на геометрична асиметрия в разположението на вътрешните и външните контакти спрямо централния, неминуеми технологични несъвършенства, механични напрежения при корпусирането на чипа и др.

Недостатък е още усложнената конструкция, съдържаща девет омични контакта, което повишава значително габаритите на структурата и се понижава нейната разделителна способност (резолюция) и се затруднява реализацията на микросензора.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде двуосен микросензор за магнитно поле с висока магниточувствителност, повишена измервателна точност на двата сензорни канала и опростена конструкция чрез редуциране броя на омичните контакти.

Тази задача се решава с двуосен микросензор за магнитно поле, съдържащ р-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която е формиран дълбок /z-тип слой във формата на малтийски кръст с четири равни правоъгълни страни (равностранен кръст). Върху късите страни на п - тип слоя има съответно по един омичен контакт - първи, втори, трети и четвърти като първият и третият, и съответно вторият и четвъртият са противоположни. Първият и вторият контакти през еднакви по стойност товарни резистори са свързани с изводите на токоизточник, а третият и четвъртият през товарни резистори със стойност както другите два резистора са съединени с токоизточника така, че полярностите на първия и третия, и съответно на втория и четвъртия контакти да съвпадат. Измерваното външно магнитно поле е с произволна ориентация и лежи в равнината на р-тип подложката като двойките срещуположни контакти първият и третият, и съответно вторият и четвъртият са изходите за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност на двата сензорни канала в резултат на отстраненото разтичане на компонентите на захранващия ток от формираната в р-подложката дълбок п-тип епитаксиален слой.

Предимство е също високата измервателна точност на двата сензорни канала поради драстично намаленото паразитно влияние между компонентите на захранващия ток посредством п-тип слоя и възможността за нулиране на офсетите на двата изхода чрез промяна в стойностите на четирите товарни резистора.

Предимство е още съществено опростената приборна конструкция ва двуосния микросензор за магнитно поле, съдържаща само четири, вместо девет контакта.

Предимство е и отпадане на необходимостта от специално разположение във фиксирана координатна система на микросензора по отношение на източника на магнитното поле поради подобрената ортогоналност на двете части на и-слоя във формата на кръст в резултат от прецизността на микроелектронната технология.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Двуосният микросензор за магнитно поле съдържа р-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която е формиран дълбок /7-тип слой 2 във формата на малтийски кръст с четири равни правоъгълни страни (равностранен кръст). Върху късите страни на и - слоя 2 има съответно по един омичен контакт - първи 3, втори 4, трети 5 и четвърти 6 като първият 3 и третият 5, и съответно вторият 4 и четвъртият 6 са противоположни. Първият 3 и вторият 4 контакти през еднакви по стойност товарни резистори 7 и 8 са свързани с изводите на токоизточник 9, а третият 5 и четвъртият 6 през товарни резистори 10 и 11 със стойност както другите два 7 и 8 са съединени с токоизточника 9 така, че полярностите на първия 3 и третия 5, и съответно на втория 4 и четвъртия 6 контакти да съвпадат. Измерваното външно магнитно поле 12 е с произволна ориентация и лежи в равнината на р-тип подложката 1 като двойките срещуположни контакти - първият 3 и третият 5, и съответно вторият 4 и четвъртият 6 са изходите 13 и 14 за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле 12.

Действието на двуосния микросензор за магнитно поле, съгласно изобретението, е следното.

При включване на контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6 към токоизточника 9, протичат четири равни и две по две противоположно насочени токови компоненти /₃ и - Is, и съответно /₄ и - 1₆. Тази специфична особеност се дължи на включването на контакти 3, 4, 5 и 6 през еднаквите товарни резистори 7, 8, 10 и 11 към токоизточника 9 по начин, че токовете между противоположните контакти 3 и 5, и съответно 4 и 6 да са противоположно насочени спрямо центъра на ц-тип епитаксиалния слой 2. Понеже стойностите на товарните резистори 7, 8, 10 и 11 са многократно по-големи от вътрешното съпротивление на отделните участъци на п-тип симетричния кръст 2, режимът на функциониране на микросензора е генератор на ток. Създаденият дълбок епитаксиален и-слой 2 във формата на равностранен (малтийски) кръст еднозначно ограничава областите, в които протичат токовите компоненти /₃ и - /5, и съответно Ц и -1₆. Така паразитното обемно и повърхностно разтичане на захранващия ток е отстранено. Траекториите на компонентите /₃ и -1₅, и съответно /₄ и /б в областите под омичните контакти 3 и 5 както 4 и 6 в отсъствие на магнитно поле 12 B(B_XJB_y) = 0 първоначално са перпендикулярни на горната повърхност на подложката 1. Причината е, че нискоомните контакти 3, 4, 5 и 6 представляват еквипотенциални равнини за тока. Ето защо токовете проникват значително в обема на п-слоя 2. След това ефективните траектории 1₃ и -1₅, и съответно Ц и -1₆ в обема на п-слоя 2 стават почти успоредни на горната му повърхност. Тази важна за действието на микросензора топология на токовите траектории е продиктувана от относително дълбокия кръстовиден п-слой и неголямите му линейни размери. Ако в случай на структурна асиметрия възникне неравенство на тези токове, тяхното изравняване става чрез тримиране съответна промяна в стойностите на товарните резистори 7, 8, 10 или 11. Така неминуемите офсети V_i3(0) и Vi₄(0) на диференциалните изходи 13 и 14 в отсъствие на магнитно поле В 12 (В = 0) лесно се компенсират (нулират).

Външното магнитно поле В 12, което лежи в равнината на подложката 1 и е с произволна ориентация, чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти В_х и В_у генерира съответни латерално отклоняващи движещите се токоносители сили на Лоренц -Рщ = ^V_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се токоносителите, в нашия сучай електроните в п-слоя 2. В резултат на Лоренцовите дефлекции F_L>i траекториите в отделните си части - под контактите 3, 4, 5 и 6 и между тях за всяка от противоположно насочените токови компоненти Ли- 1₅, и съответно Ц и - 1₆ едновременно се деформират като се “свиват” и/или ’’разширяват”. В зависимост от посоката на магнитния вектор В 12, всеки един в двойките срещуположни токове нараства, респективно намалява. Поради режимът на функциониране генератор на ток /₃ = -1₅ = Ц = - /₆ = const, вместо изменения на отделните токови компоненти през контактите 3 и 5, и съответно 4 и 6, се генерират противоположни по знак Холови потенциали. Така чрез ефекта на Хол върху двата диференциални изхода 13 и 14 възникват напрежения на Хол: F₃,5(B_x) = V]₃(B_X) 13 и У₄,б(В_у) = УнС-Ву) 14. Изходните сигнали 13 и 14 са линейни и нечетни функции от магнитните вектори В_х и В_у и съдържат метрологичната информация. Повишаването на магниточувствителността се дължи на ограничения в подложката 1 епитаксиален п-слой 2 чрез технологична реализация. Този оригинален подход отстранява разтичането на захранващия ток. Също така взаимно перпендикулярните страни на пкръста значително подобряват ортогоналността на токовите компоненти I₃, - Is, /₄ и - /₆ спрямо двата равнинни вектора В_х и В_у на магнитното поле В 12. Перфектно ограничената в р-тип подложката 1 кръстовидна активна зона 2 максимално редуцира паразитното взаимно влияние на двата сензорни канала В_х и В_у. Следователно в резултат магниточувствителността и метрологичната точност нарастват. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 13 в равнината х-у на подложката 1 и ъгълът Θ на полето В 14 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина се дават с добре известните изрази: |В| = (В_х + В_у ²)^1/2 и Θ = tanXv/B_y)!V,(B,)).

Чрез предложената иновативна конструкция е постигнато за първи път драстично опростяване на векторните магнитометри. Данните за двете ортогонални компоненти В_х и В_у на вектора В 12 се получават само с четири 3, 4, 5 и 6, вместо девет омични контакти както е в известното решение. Анализът на действието на този необичаен и максимално опростен 2D микросензор показва, че така осъщественото му захранване и архитектура формират виртуален омичен контакт (сорс) в централната зона на п- епитаксиалния кръст.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативната приборна конструкция, съдържаща само четири омични контакти 3, 4, 5 и 6, ограничаващия разтичането на тока епитаксиален п- слой 2, и оригиналното включване на двойките контакти 3 и 5, и съответно 4 и 6 към токоизточника 9, осигуряващо противоположно насочени токови компоненти, генериращи двете изходни напрежения на Хол V₁₃(B_X) 13 и У₁₄(В_у) 14.

Този 2D магнитометър може да се реализира е различните модификации на планарната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг силициеви процеси.

Claims

[1] Ch.S. Roumenin, “Solid State Magnetic Sensors”, Elsevier, Amsterdam, 1994, p. 450; ISBN: 0 444 89401.
[2] R. Popovic, “Integrated Hall element”, US Patent № 4 782 375/01.11.1988.
[3] F. Burger, P.-A. Besse, R.S. Popovic, “New fully integrated 3-D silicon Hall sensor for precise angular-position measurements”, Sensors and Actuators, A 67 (1998) pp. 72-76.
[4] M. Paranjape, L.M. Landsberger, M. Kahrizi, “A CMOS-compatible 2-D vertical Hall magnetic-field sensor using active carrier confinement and postprocess micromachining”, Sensors and Actuators, A 53 (1996) 278 -283.
[5] Ch.S Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Ch. 9, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.
[6] R.S. Popovic, “The vertical Hall-effect device”, IEEE Electron Device Lett., EDL-5 (1984), pp. 357-358.