BG112676A - Сензор за магнитно поле - Google Patents

Abstract

Сензорът за магнитно поле съдържа две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост - първа (1) и втора (2), перпендикулярни една спрямо друга, които са формирани върху обща трета подложка (3) от същия полупроводник с р-тип проводимост. Върху горните страни на подложките (1 и 2) и на разстояния един от друг има последователно по четири правоъгълни омични контакта, успоредни на дългите си страни - първи (4 и 5), втори (6 и 7), трети (8 и 9), и четвърти (10 и 11), като всичките са перпендикулярни на дългите страни на подложките (1 и 2). Четвъртият контакт (10) от подложката (1) е свързан с първия контакт (5) от втората подложка (2) и с единия извод на токоизточник (12). Вторият контакт (6) от подложката (1) е съединен с третия контакт (9) от подложката (2) и с другия извод на токоизточника (12). Третият контакт (8) от подложката (1) е свързан с четвъртия контакт (11) от втората подложка (2), а контактът (4) от подложката (1) - с контакта (7) от втората подложка (2). Контактите (4 и 8) от подложката (1) са изход (13) на сензора, като измерваното магнитно поле (14) лежи в равнините на подложките (1, 2 и 3), и е с произволна ориентация спрямо контактите (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11).

Description

СЕНЗОР ЗА МАГНИТНО ПОЛЕ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до сензор за магнитно поле, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; микро- и нано-електрониката; контролно-измервателната технология; навигацията; безконтактната автоматика; слабополевата магнитометрия; енергетиката; автомобилната промишленост в това число електромобилостроенето; биомедицинските изследвания; позиционирането на обекти в равнината и пространството; военното дело и сигурността включително подводни, наземни и въздушни системи за наблюдение и превенция, контратероризма и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е сензор за магнитно поле, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост и правоъгълна форма. Върху една й страна на разстояния един от друг са формирани последователно четири правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - първи, втори, трети и четвърти като всичките едновременно са перпендикулярни на двете дълги страни на подложката. Първият и третият контакт са свързани с изводите на токоизточник, а вторият и четвъртият - са диференциалният изход на сензора. Измерваното магнитно поле лежи в равнината на подложката и е успоредно на дългите страни на контактите, [1 - 5].

Недостатък на този сензор за магнитно поле е метрологичната грешка на изхода поради наличие на офсет (паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле вместо отсъствие на изходен сигнал) от технологични несъвершенства в реализацията и най-вече от механични напрежения (свиване, разтягане, огъване) в подложката, възникващи най-често в процеса на корпусирането ва чиповете със сензорите.

Недостатък е също необходимостта от механична настройка в ориентацията на подложката на сензора спрямо източника на магнитното поле така, че магнитният вектор да не е успореден на късите страни на контактите положение, при което отсъства изходно метрологично напрежение.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде сензор за магнитно поле с редуцирана метрологична грешка от офсета и да отпадне механичната настройка на сензора спрямо посоката на магнитното поле.

Тази задача се решава със сензор за магнитно поле, съдържащ две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, перпендикулярни една спрямо друга, които са формирани върху обща трета подложка от същия полупроводник с р-тип проводимост. Върху горните страни на първата и втората подложка и на разстояния един от друг има последователно по четири правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - първи, втори, трети и четвърти като всичките са перпендикулярни на дългите страни на първата и втората подложка. Четвъртият контакт от първата подложка е свързан с първия контакт от втората и с единия извод на токоизточник. Вторият контакт от първата подложка е съединен с третия контакт от втората и с другия извод на токоизточника. Третият контакт от първата подложка е свързан с четвъртия контакт от втората, а първият контакт от първата подложка - с втория контакт от втората. Първият и третият контакт от първата подложка са изходът на сензора като измерваното магнитно поле лежи в равнините на подложките и е с произволна ориентация спрямо контактите.

Предимство на изобретението е редуцираната метрологична грешка от офсета поради перпендикулярно разположените една спрямо друга първа и втора подложка, компенсирайки така основната първопричина - неминуемите напрежения (механични свивания, разтягания, огъвания) в самите тях при корпусирането като тези негативни въздействия при избраната ортогонална ориентация на подложките в общия случай са с противоположен знак и в първо приближение се компенсират и неутрализират.

Предимство е също отпадане на необходимостта от механична настройка в ориентацията на сензора спрямо източника на измерваното магнитно поле, тъй като от ортогоналното разположение на първата и втората подложка и свързването на съответните контакти, на изхода винаги присъства метрологичен сигнал.

Предимство е още редуцираното негативно въздействие на напреженията (свиване, разтягане, огъване) в първата и втората подложка върху магниточувствителността на сензора поради ортогоналната им ориентация и способът на свързване на контактите.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Сензорът за магнитно поле съдържа две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с и-тип примесна проводимост - първа 1 и втора 2, перпендикулярни една спрямо друга, които са формирани върху обща трета подложка 3 от същия полупроводник с р-тип проводимост. Върху горните страни на подложки 1 и 2 и на разстояния един от друг има последователно по четири правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни първи 4 и 5, втори 6 и 7, трети 8 и 9, и четвърти 10 и 11 като всичките са перпендикулярни на дългите страни на подложки 1 и 2. Четвъртият контакт 10 от подложка 1 е свързан с първия контакт 5 от втората 2 и с единия извод на токоизточник 12. Вторият контакт 6 от подложка 1 е съединен с третия контакт 9 от втората 2 и с другия извод на токоизточника 12. Третият контакт 8 от подложка 1 е свързан с четвъртия контакт 11 от втората 2, а контакт 4 от подложка 1 - с контакт 7 от втората 2. Контакти 4 и 8 от подложка 1 са изходът 13 на сензора като измерваното магнитно поле 14 лежи в равнините на подложки 1, 2 и 3, и е с произволна ориентация спрямо контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10и 11.

Действието на сензора за магнитно поле, съгласно изобретението, е следното. В съответствие с Фигура 1, подложки 1 и 2 заедно С контакти 4, 6, 8 и 10, и съответно с 5, 7, 9 и 11 представляват четириконтактни елементи на Хол с равнинна магниточувствителност. При свързване на захранващите контакти 5 и 10 с единия извод на токоизточника 12, и контакти 6 и 9 с другия му извод, в ортогонално разположените подложки 1 и 2 протичат два независими и равни по стойност тока 7_5>9 и/ю,б, /5,9 = До,6· Омичните контакти 5, 9, 6 и 10 представляват еквипотенциални равнини. В резултат токовите траектории /_5>9 и I_w$ в обемите на подложки 1 и 2 са криволинейни. Първоначално те са перпендикулярни към контакти 5 и 10, след това променят посоката си, ставайки успоредни на горните повърхности на подложки 1 и 2, след което отново са ортогонални на горните равнини на подложки 1 и 2 в областите с контакти 6 и 9. Понеже подложки 1 и 2 с контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 са топологично еднакви се предполага, че в отсъствие на магнитно поле В 14 електричните потенциали върху контакти 8 и 7 от една страна, и съответно 4 и 11 от друга при токове /5,9 = /щб са равни по стойност, Vs ~ V₇ и V4 ~ ¥ц. Свързването на контакти 8и11,ина4и7в първо приближение уравновесява изходния сигнал 13 по начин, че офсетът V^siP = 0) ~ 0. Друго важно условие на свързването на контакти 8 и 11, и на 4 и 7, при ортогоналност на подложки 1 и 2 е, че механичните напрежения (свиване, разтягане, огъване), генериращи офсет на изхода 13 при корпусирането или от температурно въздействие взаимно се компенсират. Електрическата изолация на двата елемента на Хол 1 и 2 с равнинна магниточувствителност се осъществява чрез третата подложка 3 от същия полупроводник, но с 72-тип проводимост.

Сензорният механизъм за измерване на магнитното поле В 14, след компенсирането или балансирането на офсета чрез свързване на контактите 8 11, и 4 - 7, Фигура 1, е ефектът на Хол. Измерваното магнитно поле В 14, лежащо в равнината на подложки 1, 2 и 3 води до възникване на отклоняваща електроните сила на Лоренц = qV_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е средната дрейфова скорост на носителите в подложки 1 и 2, [3-5]. Тази дефлекция свива или разгъва траекторията на силовите линии /5,9 и /10,6· В резултат се генерират допълнителни неравновесни електрични товари върху горните повърхности на подложки 1 и 2, там, където са формирани омичните контакти 4 и 8, и съответно 7 и 11. Тъй като магнитното поле В 14 въздейства върху токовите линии /5,9 и /_10>6 чрез компонентите В_х и В_у, Фигура 1, потенциалите V₈ и V^, и съответно V₄ и V₇ са с една и съща полярност +У₈ ^и +V11, -V₄ и -Vq. Следователно свързването на контакти 4 и 7, и съответно 8 и 11 формира диференциалния изход Тддо 13 на сензора за магнитно поле.

До неотдавна в теорията на ефекта на Хол се приемаше, че допълнителните електрони, концентрирани от силата върху определена зона на повърхността на елементите на Хол (Фигура 1) също са неподвижни както „оголените” от същата сила F^ положителни донорни йони N_D+ върху реципрочна нейна част. Съгласно изследванията на Руменин, Лозанова и др. [6], е открито съществуването на магнитноуправляем повърхностен ток Μ₅(Ι_οβ) в струкурите на Хол, където /₀ е захранващият ток. Токът е фундаментална закономерност, доизяснаваща явлението на Хол и допринасяща за повишаване на магниточувствителността, какъвто е случаят за елементите от Фигура 1. Тя е открита в резултат на концепцията за подвижни, а не статични токоносители (електрони), генерирани от силата на Лоренц F_L върху съответната Холова зона.

Промяната в ориентацията на измерваното магнитно поле В 14 спрямо контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 в равнината х-у на подложките 1, 2 и 3 води до едновременно намаляване на едната векторна компонента, например В_х за сметка на другата В_у. Съгласно предложеното свързване на контактите 4-7, и съответно 8 - 11, на диференциалния изход 13 няма да се констатира нулево напрежението УдДВ) = θ (единият потенциал нараства за сметка на другия), както е в известното решение. Напрежението V₄$(B} 14 е функция на силата на магнитното поле В и на протичащите в двете подложки 1 и 2 токове Д.ч и Взаимното ортогонално разположение на подложки 1 и 2 съществено редуцира влиянието на механичните напрежения, отговорни за произхода както на офсета, така и на промяната в магниточувствителността. Новият сензор съществено балансира чувствителността, за да остава тя непроменана от негативните (вътрешни) напрежения.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че в метрологията на магнитното поле се предлага сензор, при който промяната в ориентацията на вектора В 14 не води никога до нулев изходен сигнал 13. Чрез ортогоналното разположение на подложки 1 и 2 успешно се преодолява както офсетът, така и изменението на магниточувствителността. Негативните механични напрежения генерират изменения в електрическото състояние на подложки 1 и 2 с противоположен знак, които в първо приближение се неутрализират. Компенсирането на сензорните недостатъци е резултат също и от оригиналното свързване на контактите в двата елемента на Хол. С цел повишаване на метрологичната точност посоките на захранващите токове /5,9 и Zio,6 могат да се комутират като резултатите на изхода 13 се сумират алгебрично.

При необходимост регистрирането на посоката на магнитното поле В 14 може да се осъществи чрез измерване на двете отделни магнитни компоненти В_х и В_у като се прекъснат връзките между контакти 4-7, и 8-11. Тогава всеки от ортогонално разположени елементи на Хол от подложки 1 и 2, притежаващи една и съща магниточувствителност ще генерира индивидуални изходни напрежения УддС-ву) ^и V7,n(B_x). Те са мярка за стойностите и посоките на равнинните компоненти В_х и В_у, т.е. на магнитния вектор В 14.

Технологично сензорът за магнитно поле може да ре реализира с методите на силициевата микроелектроника, например с CMOS или BiCMOS процеси, формиращи елементите на Хол в епитаксиални и-Si слоеве или „джобове”, разположени върху />-Si подложка.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Датчик на Хол, Авт. свидза изобретение № BG 41974 с приоритет от 06.05.1986.

[2] Ch.S. Roumenin, Parallel-field Hall microsensor, Compt. rendus ABS, 40(11) (1987) 59-62.

[3] Ch.S. Roumenin, „Solid State Magnetic Sensors” - Handbook of Sensors and Actuators, Elsevier, Amsterdam-Lausanne-New York-Oxford-ShannonTokyo, 1994, pp. 450; ISBN: 0 444 89401.

[4] Ch.S. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, Ch. 9, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.

[5] S.V. Lozanova, Ch.S. Roumenin, Paralell-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors Journal, 9(7) (2009) 761-766.

[6] C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sensors and Actuators, A 175 (2012) 45-52.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Сензор за магнитно поле, съдържащ правоъгълна полупроводникова подложки с п-тип примесна проводимост, върху едната й страна на разстояния един от друг са формирани последователно четири правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни — първи, втори, трети и четвърти като всичките едновременно са перпендикулярни на двете дълги страни на подложката, вторият и четвъртият контакт са свързани с изводите на токоизточник, а първият и третият - са диференциалният изход на сензора като измерваното магнитно поле лежи в равнината на подложката, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има още втора полупроводникова подложка (2) с п-тип примесна проводимост, еднаква с първата (1) и перпендикулярна на нея, двете подложки (1) и (2) са формирани върху обща трета подложка (3) от същия полупроводник с_а р-тип проводимост, върху едната страна на подложка (2) на разстояния един от друг имц.последователно четири правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни първи (5), втори (7), трети (9) и четвърти (11) като всичките едновременно са перпендикулярни на двете дълги страни на подложка (2), четвъртият контакт (10) от подложка (1) е свързан с първия контакт (5) от втората (2), вторият контакт (6) от подложка (1) е съединен с третия контакт (9) от втората (2), третият контакт (8) от подложка (1) е свързан с четвъртия контакт (11) от втората (2), а контакт (4) от подложка (1) - с контакт (7) от втората (2), магнитното поле (14) е с произволна ориентация спрямо контакти (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10) и (11).