BG112694A - Двуосен интегрален сензор за магнитно поле - Google Patents

Abstract

Двуосният интегрален сензор за магнитно поле съдържа полупроводникова подложка (1) с р-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани две еднакви структури от същия полупроводник, но с n-тип примесна проводимост и с форма на равностранен кръст - първа (2) и втора (3), успоредни помежду си. Всяка от структурите (2 и 3) съдържа още по един централен омичен контакт (4 и 5) с квадратна форма, като симетрично спрямо четирите му страни има по един външен правоъгълен омичен контакт - съответно по часовниковата стрелка първи (6 и 7), втори (8 и(9), трети (10 и 11), и четвърти (12 и 13). Контактите (4 и 5) са свързани с изводите на токоизточник (14). Контактът (6) от първата структура (2) е съединен с контакта (11) от втората структура (3), контактът (8) от структурата (2) е свързан с контакта (13) от втората структура (3), контактът (10) от структурата (2) е съединен с контакта (7) от втората структура (3), и контактът (12) от структурата (2) е свързан с контакта (9) от втората структура (3). Измерваното магнитно поле (15) е в равнината на подложка (1) и е с произволна ориентация. Контактите (6 и 10) от структурата (2) са диференциалният изход (16) за едната ортогонална равнинна компонента на магнитното поле (15), а контактите (9 и 13) от структурата (3) са диференциалният изход (17) за другата ортогонална равнинна компонента на магнитното поле (15).

Description

ДВУОСЕН ИНТЕГРАЛЕН СЕНЗОР ЗА МАГНИТНО ПОЛЕ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до двуосен интегрален сензор за магнитно поле, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; контролноизмервателната технология; слабополевата магнитометрия; навигацията; автоматиката, включително безконтактната автоматика; микро- и нанотехнологиите; 2-D позициониране на обекти в равнината; енергетиката; автомобилната промишленост, в това число електромобилостроенето; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; биомедицинските изследвания; военното дело и сигурността, включително подводни, наземни и въздушни системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др. , · *

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е двуосен интегрален сензор за магнитно поле, съдържащ п-тип полупроводникова структура (силициева), върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт с квадратна форма. На разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има последователно по един правоъгълен вътрешен омичен контакт и по един правоъгълен външен омичен контакт. Четирите външни контакти са съединени и през токоизточник са свързани с централния контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на структурата и е с произволна орентацйя като всяка двойка срещуположни спрямо централния вътрешни контакти са изходите за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле, [1-3].

Недостатък на този двуосен интегрален сензор за магнитно поле е редуцираната чувствителност на двата изхода от повърхностно разтичане на четирите захранващи токови компоненти между централния и крайните контакти, водещо до непълно генериране от тях на съответните Ходови напрежения, формиращи метрологичната информация на двата сензорни канала.

Недостатък е също ниската измервателна точност в резултат на паразитното взаимно междуканално влияние в процеса на измерването на двете ортогонални магнитни компоненти.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде двуосен интегрален сензор за магнитно поле с висока чувствителност и висока измервателна точност на двата сензорни канала.

Тази задача се решава с двуосен интегрален сензор за магнитно поле, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани две еднакви структури от същия полупроводник, но с п-тип примесна проводимост и с форма на равностранен кръст - първа и втора, успоредни помежду си. Всяка от л-тип структурите съдържа още по един централен омичен контакт с квадратна форма и симетрично спрямо четирите му страни има по един външен правоъгълен омичен контакт - съответно по часовниковата стрелка първи, втори, трети и четвърти. Двата квадратни контакта са свързани с изводите на токоизточник. Първият контакт от първата структура е съединен с третия контакт от втората, вторият контакт от първата структура е свързан с четвъртия контакт от втората, третият контакт от първата структура е съединен с първия контакт от втората, и четвъртият контакт от първата структура е свързан с втория контакт от втората. Измерваното магнитно поле е в равнината на р-тип подложката и е с произволна ориентация като първият и третият контакт от първата структура са диференциалният изход за едната ортогонална равнинна компонента на магнитното поле, а вторият и четвъртият контакт от втората структура са диференциалният изход за другата ортогонална равнинна компонента на магнитното поле.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност на двата сензорни изхода, поради генериране от четирите компоненти на захранващите токове във всяка от двете структури на пълните напрежения на Хол в резултат неутрализираното повърхностно разтичане на токове в двете структури.

Предимство е също високата измервателна точност на двата сензорни канала, тъй като отсъства взаимно междуканално влияние в резултат на добре локализираните части на захранващите токове в двете кръстовидни структури, генериращи напрежения на Хол единствено от съответните ортогонални компоненти на магнитното поле в равнината на подложката.

Предимство е още съществено редуцираното паразитно напрежение на двата изхода в отсъствие на магнитно поле (офсети), поради оригиналното свързване на съответните крайни контакти от двете структури, което води до усредняване на евентуални негативни сигнали, свързани с геометрични и технологични несъвършенства, нарушаващи симетрията на структурите.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Двуосният интегрален сензор за магнитно поле съдържа полупроводникова подложка 1 с р-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани две еднакви структури от същия полупроводник, но с п-тип примесна проводимост и с форма на равностранен кръст - първа 2 и втора 3, успоредни помежду си. Всяка от структурите 2 и 3 съдържа още по един централен омичен контакт 4 и 5 с квадратна форма и симетрично спрямо четирите му страни има по един външен правоъгълен омичен контакт - съответно по часовниковата стрелка първи 6 и 7, втори 8 и 9, трети 10 и 11, и четвърти 12 и 13. Двата контакта 4 и 5 са свързани с изводите на токоизточник 14. Първият контакт 6 от първата структура 2 е съединен с третия контакт 11 от втората 3, вторият контакт 8 от първата структура 2 е свързан с четвъртия контакт 13 от втората 3, третият контакт 10 от първата структура 2 е съединен с първия контакт 7 от втората 3, и четвъртият контакт 12 от първата структура 2 е свързан с втория контакт 9 от втората 3. Измерваното магнитно поле 15 е в равнината на р-тип подложката 1 и е с произволна ориентация като първият 6 и третият контакт 10 от първата структура 2 са диференциалният изход 16 за едната ортогонална равнинна компонента на магнитното поле 15, а вторият 9 и четвъртият контакт 13 от втората структура 3 са диференциалният изход 17 за другата ортогонална равнинна компонента на магнитното поле 15.

Действието на двуосния интегрален сензор за магнитно поле, съгласно изобретението, е следното. При включване на централните контакти 4 и 5 на двете еднакви кръстовидни структури 2 и 3 към токоизточника 14 и при така осъществените връзки между крайните контакти 6 - 11, 8 - 13, 10 - 7 и 12 - 9, протичат по четири еднакви компоненти = /4,10 = А,8 = Лдг = /5,7 = Д,п = ^5,9 = /5,13 на общия захранващ ток /_4>5. Предвид така реализираното свързване на омичните контакти 6 11, 8 - 13, 10 - 7 и 12 - 9, токовите компоненти са противоположно насочени: /4,6 = - /4,10; А,8 = - А,12; ^5,7 = - /5,11 ^и ^5,9 = - /5,13· Технологичната интегрална реализация на двете и-тип структури 2 и 3 с форма на равностранен кръст върху р-подложката 1 обезпечава от . една страна електрическата им изолация, предотвратяваща паразитно влияние между тях, а от друга - напълно ограничено протичане на токовите компоненти в кръстовидните структури 2 и 3. Също така се отстранява повърхностното разтичане на захранващия ток на сензора, водещо до множество негативни последствия, както това е в известното решениие. Избраното съединение на контакти 6 - 11, 8-13, 10 - 7 и 12 - 9 редуцира съществено неминуемото паразитно напрежение на двата изхода 16 и 17 в отсъствие на магнитно поле В 15 (офсети). Причината за това предимство на решението от Фигура 1 е усредняването и минимизирането на евентуални паразитни сигнали, произтичащи от геометрични и технологични несъвършенства, нарушаващи електрическата симетрия в структури 2 и 3. Важен резултат е, че двете сензорни субсистеми 2 и 3 функционират в режим генератор на ток. Това е постигнато чрез последователното им свързване към токоизточника 14 - вътрешните омични съпротивления на съответните страни на двете кръстовидни структури 2 и 3 се сумират, обезпечавайки постоянна стойност на токовите компоненти /_4;6 = /_4>10 = Л,8 = h,n = /5.7 = /₅₎₁₁ = /5,9 = /5,13· Ето защо метрологичната информация на двата изхода 16 и 17 на сензора е фъв формат напрежение и е удобно за последваща обработка. Траекторията на осемте токови компоненти на тока /4,5 в областите под контакти 4, 6, 8, 10 и 12 за структура 2, и съответно 5, 7, 9, 11, 13 за структура 3 първоначално е перпендикулярна на горните им повърхности, тъй като тези контакти са нискоомни и представляват еквипотенциални равнини. Токовите линии проникват в обема на структури 2 и 3, след което ефективните им траектории са успоредни на горните повърхности.

Външното магнитно поле В 15, което е в равнината х-у на подложката 1 и е с произволна ориентация, чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти В_х и В_у води до възникване на съответни отклоняващи движещите се носители в токовите компоненти сили на Лоренц, F_L>i = gV_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните. Тъй като всички токови компоненти са ограничени в страните на кръстовидните структури 2 и 3, действието на силите на Лоренц F[ е максимално ефективно. В резултат на Лоренцовата дефлекция F[ траекториите на противоположно насочените токови компоненти = - Ало; Д.8 = - 412; /5,7 = - Дп И 1₅,₉ = - А,13 се “свиват” и съответно “разширяват”. В зависимост от посоката на магнитния вектор В(В_Х,В^ 15, всеки в двойките срещуположни токове нараства, респективно намалява за сметка на другия. Този сензорен механизъм е проява на добре известният ефект на Хол [1,3]. Поради режимът на функциониране генератор на ток, вместо изменения на отделните токови компоненти през омичните контакти на двете структури 2 и 3, върху тези терминали се генерират противоположни по знак Холови потенциали. Тези потенциали формират в диференциалните изходи 16 и 17 напрежения на Хол Vn/B) и УДВ), които са информационните индикатори за двете ортогонални компоненти В_х и В_у на вектора на магнитното поле В 15. Свързването на контакти 6-11, 8 - 13, 10 - 7 и 12-9 обезпечава успоредно съединяване на Холови потенциали с един и същ знак. Изходните напрежения У1б(В) и Vi7(B) са линейни и нечетни функции на магнитните полета В_х и В_у. Повишаването на магниточувствителността се дължи на ограничаващите протичането на компонентите на тока /4,5 през кръстовидните зони. Този иновативен подход отстранява разтичането на токове в приповърхностните области, подобрявайки ортогоналността на съответните токови компоненти спрямо двата равнинни вектора В_х и В_у на магнитното поле В 15. Така силата F] въздейства максимално ефективно върху цялата компонента, генерирайки чрез нея максимален Холов потенциал върху повърхността. Освен това чрез магнитноуправляемия повърхностен ток i_s допълнително се постига по-висока преобразувателна ефективност [4]. Ограничените токови компоненти в кръстовидните области на структури 2 и 3 елиминират един от съществените недостатъци на векторната магнитометрия — взаимното междуканално влияние при измерване на магнитните полета В_х и В_у. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 15 в равнината х-у и ъгълът Θ на полето В 15 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина се дават с изразите: |В| = (В_х + В_у ²)^1/2 и Θ = 1ап^л(У_у{В_у)1У_х{ВД), [1,3].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналността на избраната кръстовидна конструкция, ограничаваща повърхностното токово разтичане. Освен това конфигурацията и иновативното свързване на контактите 6-11, 8-13,

- 7 и 12 - 9 води до едновременно повишаване на магниточувствителността, точността на 2-D сензора и отстраняване на паразитното междуканално влияние.

Двуосният сензор за магнитно поле може да се реализира с различните модификации на интегралната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг силициеви процеси. Освен в интегрално изпълнение, двуосният микросензор за магнитно поле при необходимост допуска и дискретна реализация. Новият 2-D магнитометър функционира и в областта на криогенните температури, което повишава чувствителността на двата канала, особено за целите на слабополевата магццтометрия и контратероризма.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] 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.

[2] R. Popovic, Hall effect devices, 2^nd ed., ser. The Adam Hilger series on sensors, Bristol, IOP Publ. Ltd, 2004.

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

[4] 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

   Двуосен интегрален сензор за магнитно поле, съдържащ полупроводникова структура с п-тип примесна проводимост, върху която са формирани един централен омичен контакт с квадратна форма и симетрично спрямо четирите му страни по един външен правоъгълен омичен контакт - по часовниковата стрелка съответно първи, втори, трети и четвърти, има и токоизточник като измерваното магнитно поле е в равнината на структурата и е с произволна ориентация, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има още втора полупроводникова структура (3) с п-тип примесна проводимост, еднаква с първата (2) като двете са с форма на равностранен кръст и са успоредни помежду си, по същия начин както върху първата структура (2), така и върху втората (3) също са формирани един централен квадратен и омичен контакт (5) и симетрично спрямо четирите му страни има по един външен правоъгълен омичен контакт - по часовниковата стрелка съответно първи (7), втори (9), трети (11) и четвърти (13), структури (2) и (3) са разположени върху полупроводникова подложка (1) от същия полупроводник, но с р-тип примесна проводимост, двата квадратни контакта (4) и (5) са свързани с изводите на токоизточника (14), първият контакт (6) от първата структура (2) е съединен с третия контакт (11) от втората (3), вторият контакт (8) от първата структура (2) е свързан с четвъртия контакт (13) от втората (3), третият контакт (10) от първата структура (2) е съединен с първия контакт (7) от втората (3), и четвъртият контакт (12) от първата структура (2) е свързан с втория контакт (9) от втората (3), първият (6) и третият контакт (10) от първата структура (2) са диференциалният изход (16) за едната ортогонална равнинна компонента на магнитното поле (15), а вторият (9) и четвъртият контакт (13) от втората структура (3) са диференциалният изход (17) за другата ортогонална равнинна компонента на магнитното поле (15).