BG112687A

BG112687A - Магниточувствителен елемент

Info

Publication number: BG112687A
Application number: BG112687A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Станоев Руменин Чавдар; Чавдар РУМЕНИН; Вълчева Лозанова Сия
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2019-08-30
Also published as: BG67188B1

Abstract

Магниточувствителният елемент съдържа две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа (1) и втора (2), успоредни една спрямо друга, формирани върху трета подложка (3) от същия полупроводник С р-тип проводимост. Върху горните страни на подложки (1) и (2) и на равни разстояния има по два правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - първи (4) и (5), и втори (6) и (7), всичките перпендикулярни на дългите страни на подложки (1) и (2). Контакт (4) от подложка (1) и контакт (7) от подложка (2) през товарни резистори (8) и (9) са свързани с крайните изводи на нискоомен тример (10), средната точка на който е съединена с единия извод на токоизточник '(11). Контакт (6) от подложка (1) и контакт (5) от подложка (2) са свързани с другия извод на токоизточника (11). Контакт (4) и контакт (7) са диференциалният изход (12) на елемента, а измерваното магнитно поле (13) лежи в равнината на подложки (1), (2) и (3), и е успоредно на дългите страни на контакти (4), (5), (6) и (7).

Description

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЕН ЕЛЕМЕНТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до магниточувствителен елемент, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, автоматиката, енергетиката, безконтактното позициониране на обекти в равнината и пространството, биомедицинските изследвания, автомобилната индустрия в това число електромобилостроенето, навигацията, безпилотните летателни платформи и системи, военното дело и сигурността включително подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция, контратероризма и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е магниточувствителен елемент, съдържащ правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояние един от друг два правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни и перпендикулярно на дългите страни на подложката. Единият контакт през товарен резистор е свързан с извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с оставащия контакт. Магнитното поле е с произволна ориентация спрямо подложката, като двата контакта са изходът на елемента, [1 - 3].

Недостатък на този магниточувствителен елемент е ниската измервателна точност поради квадратичната нелинейност на изходната характеристика в резултат на доминиращия в елемента сензорен механизъм квадратичното обемно магнитосъпротивление.

Недостатък е също невъзможността да се определи полярността (знака или посоката) на магнитното поле, тъй като изходното напрежение на елемента е винаги положително (четно) поради обемцото геометрично магнитосъпротивление, независимо от полярността на магнитното поле.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде магниточувствителен елемент с повишена измервателна точност и нечетна изходна характеристика, съдържаща информация за полярността на магнитното поле.

Тази задача се решава с магниточувствителен елемент, съдържащ две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, успоредни една спрямо друга, формирани върху обща трета подложка от същия полупроводник с р-тип примесна проводимост. Върху горните страни на първата и втората подложка, и на равни разстояния има по два правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни — първи и втори, всичките перпендикулярни на дългите страни на първата и втората подложка. Първият контакт от първата подложка и вторият контакт от втората подложка през товарни резистори са свързани с крайните изводи на нискоомен тример, средната точка на който е съединена с единия извод на токоизточник. Вторият контакт от първата подложка и първият контакт от втората подложка са свързани с другия извод на токоизточника. Първият контакт от първата подложка и вторият контакт от втората са диференциалният изход на елемента, а измерваното магнитно поле лежи в равнината на трите подложки и е успоредно на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е повишената измервателна точност в резултат на линейната изходна характеристика на елемента, генерирана от ефект на Хол, който е доминиращият сензорен механизъм.

Предимство е също възможността да се определя полярността на магнитното поле поради нечетната зависимост на изходното напрежение от полярността на магнитното поле.

Предимство е още пълното компенсиране на неминуемото паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсет) чрез тримера, повишавайки още повече точността на елемента.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Магниточувствителният елемент съдържа две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с и-тип примесна проводимост - първа 1 и втора 2, успоредни една спрямо друга, формирани върху обща трета подложка 3 от същия полупроводник с р-тип примесна проводимост. Върху горните страни на първата 1 и втората 2 подложка, и на равни разстояния има по два правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни първи 4 и 5, и втори 6 и 7, всичките перпендикулярни на дългите страни на подложки 1 и 2. Първият контакт 4 от подложка 1 и вторият контакт 7 от подложка 2 през товарни резистори 8 и 9 са свързани с крайните изводи на нискоомен тример 10, средната точка на който е съединена с единия извод на токоизточник 11. Вторият контакт 6 от подложка 1 и първият контакт 5 от подложка 2 са свързани с другия извод на токоизточника 11. Първият контакт 4 от подложка 1 и вторият контакт 7 от подложка 2 са диференциалният изход 12 на елемента, а измерваното магнитно поле 13 лежи в равнината на подложки 1, 2 и 3, и е успоредно на дългите страни на контакти 4, 5, 6 и 7.

Действието на магниточувствителния елемент, съгласно изобретението, е следното. При включване на контакти 5 и 6 към единия извод на токоизточника 11 и на средната точка на тримера г 10 към другия му извод, в обема на подложките 1 и 2 протичат токови компоненти Ц,в -Wlsj. Планарните омични контакти 4 и 6, и съответно 5 и 7 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 13, В = 0, токовете през тях Ц и Д, и съответно /? и Ιη са винаги перпендикулярни спрямо горните страни на подложки 1 и 2, прониквайки дълбоко в обемите им. Токовите линии и Ι₅,η в останалите части на подложките 1 и 2 са успоредни на горните им повърхности. Ето защо двете траектории и Is,η на токоносителите са криво линейни. В резултат на еднаквостта на двете подложки 1 и 2, както и на контакти 4, 6, 5 и 7 двата тока 7д,б и А,7 са равни, Д,б = Zs,7· Ако в резултат на технологични несъвършенства, механични напрежения при корпусирането на чиповете, температурни градиенти и т.н. [3], на изхода 12 на елемента в отсъствие ва магнитно поле В 13 съществува офсет РЪС# = 0) / 0 (паразитно изходно напрежение, не носещо метрологична информация), въпреки че товарните резистори Ri 8 и R2 9 са равни, Ri = R2, варирайки стойността на нискоомния тример г 10 се постига пълното компенсиране на негативния офсет на диференциалния изход 12, Vi₂(B = 0) = 0. Стойността на товарните резистори 8 и 9 е най-малко на порядък по-голяма от ефективното съпротивление между омичните контакти 4-6 и 5-7. Изолирането на електрическите процеси в двете подложки 1 и 2 се осъществява чрез формирането им върху третата подложка 3, която за съвместимост е от същия полупроводник, но с /?-тип примесна проводимост, Фигура 1.

Прилагането на измерваното магнитно поле В 13 успоредно на подложките 1, 2 и 3, и на дългите страни на контакти 4, 6, 5 и 7, води до максимално деформиране с противоположен знак на токовите линии и /5 7 по цялото протежение на нелинейните траектории, т.е. нарушава се електрическата симетрия на токовите траектории. Това се дължи на действието на силата на Лоренц F^, F^ = qV_dr x В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложки 1 и 2. При така избраното свързване посоките на двата тока и - Цр са противоположни. Следователно в резултат на Лоренцовото отклонение от силата F^, в зависимост от конкретните посоки на токовете Z₄₎₆ и - Z5 7 и на магнитното поле ± В 13, нелинейните траектории се свиват и съответно разширява. По тази причина в обемите на подложки 1 и 2 и на повърхностите с планарни контакти 4 и 6, и съответно 5 и 7 се генерират едновременно два ефекта. Единият е квадратичният четен магниторезистивен ефект MR ~ В², свързан с геометричното магнитосъпротивление, водещо до нарастване дължината на траекториите на токоносителите, [3]. Другият сензорен механизъм е линейният и нечетен ефект на Хол ~ ± В, произтичащ от допълнителните неравновесни токоносители върху повърхностите с контакти 4 и 6, и съответно 5 и 7 на подложки 1 и 2. Ключова особеност на новото решение е, че двете подложки функционално си взаимодействат и представляват единна сензорна система, въпреки че преобразувателните области са отделени една от друга. В известното решение елементът има само два планарни контакта и на изхода присъства само нелинейното квадратично магнитосъпротивление, обуславящо съществената метрологична грешка. Избраното оригинално накръстно свързване на двете двойки магниторезистори 1 и 2, и формираният чрез двата товарни резистори Ri 8 и R2 9 диференциален изход 12 осъществява синфазно подтискане (компенсиране) на паразитното в случая квадратичното напрежение MR ~ В² на изхода 12. Така линейното и нечетно напрежение на Хол У_н ~ ± В е изходният сигнал 12 на елемента, носещ метрологична информация едновременно за стойността на индукцията В и за посоката (знака) на магнитния вектор ± В 13. Линейното изходно напрежение 12 на сензора от Фигура 1 повишава съществено метрологичната точност и едновременно определя посоката на магнитното поле ± В 13.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативната конструкция и способът на свързване, чрез които при един токоизточник 11 и два функционално интегрирани структури 1 е 2 е реализиран магниточувствителен елемент с нови свойства — генерира се линейно и нечетно напрежение на диференциалния му изход 12. Фактически за първи път с два отделни и нелинейни магниторезистори е осъществен линеен сензор на Хол.

Магниточувствителният елемент се реализира на основата на силициевите CMOS или BiCMOS интегрални процеси. В този случай като подложки 1 и 2 се формират двойка отделни п-тип „джобове” в //-Si пластини. Тази сепарация позволява да се елиминират взаимните негативни влияния при работата на така сформирания елемент на Хол. Планарните омични контакти 4, 5, 6 и 7 се осъществяват, например, с йонна имплантация и са силно легирани п⁺- области в n-Si „джобове” (епитаксиални слоеве). Силициевите планарни технологии позволяват едновременното реализиране върху общ чип заедно с елемента и съответните интерфейсни схеми за обработка и нормиране на изходния сигнал 12. В такова изпълнение новия елемент представлява интегрална схема. За целите на безконтактната автоматика, когато е от значение само нивото на изходното напрежение в магнитно поле В 13, може да се използва и квадратичен изход, формиран с контакти 4 - 6 или 5-7. Магниточувствителният елемент може да функционира и при криогенни температури, което повишава чувствителността му за целите на слабополевата магнитометрия.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] С.В. Лозанова, А.Й. Иванов, Ч.С. Руменин, Полупроводников магниторезистор, Патент № BG 66432 В1/02.06.2014 г.

[2] C.S. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sensors and Actuators, A 30 (1992) 77-87.

[3] C. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Chapter 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: 08155-1497-2.

Claims

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ ή, Магниточувствителен елемент, съдържащ правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху горната й страни и на разстояние има два правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни и перпендикулярни на дългите страни на подложката, има още токоизточник и товарен резистор, свързан с единия от контактите като измерваното магнитно поле лежи в равнината на подложката и е успоредно на дългите страни на двата контакта, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има още втора полупроводникова подложка (2), еднаква с първата (1), двете подложки (1) и (2) са успоредни и са формирани върху обща трета подложка (3) от същия полупроводник с р-тип примесна проводимост, върху горната страна на втората подложка (2) на същото разстояние както при първата (1) има два правоъгълни омични контакти (5) и (7), успоредни на дългите си страни и перпендикулярни на дългите страни на подложка (2), първият контакт (4) от подложка (1), който е съединен с товарния резистор (8) и вторият контакт (7) от подложка (2) през втори товарен резистор (9) са свързани с крайните изводи на нискоомен тример (10), средната точка на който е съединена с единия извод на токоизточник (11), вторият контакт (6) от подложка (1) и първият контакт (5) от подложка (2) са свързани с другия извод на токоизточника (И), контакт (4) от подложка (1) и контакт (7) от подложка (2) са диференциалният изход (12) на елемента.