BG112966A - Двумерен микросензор за магнитно поле - Google Patents

Abstract

Двумерният микросензор за магнитно поле съдържа p-тип полупроводникова подложка (1), върху едната страна на която е формиран дълбок n-тип слой (2) във формата на малтийски кръст с четири равни правоъгълни страни (равно странен кръст). Върху всяка от четирите страни на кръста (2) има последователно и на разстояние по един външен и по един вътрешен омичен контакт - по часовниковата стрелка съответно първи (3) и втори (4), трети (5) и четвърти (6), пети (7) и шести (8), и седми (9) и осми (10), като всичките контакти са симетрични спрямо центъра на кръста (2). Първият (3) и вторият (4), и петият (7) и шестият (8), и съответно третият (5) и четвъртият (6), и седмият (9) и осмият (10) контакти са разположени срещуположно. Първият (3) и петият (7) контакт са свързани с единия извод на токоизточник (11), другият извод на който е съединен с четвъртия (5) и седмия (9) контакт. Измерваното външно магнитно поле (12) е с произволна ориентация и лежи в равнината на подложката (1), като двойките срещуположни вътрешни контакти - втори (4) и шести (8), и съответно четвърти (6) и осми (10) са диференциалните изходи (13) и (14) за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (12).

Description

ДВУМЕРЕН МИКРОСЕНЗОР ЗА МАГНИТНО ПОЛЕ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до двумерен микросензор за магнитно поле, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, квантовата комуникация и инженерство, биомедицинските изследвания включително роботизираната хирургия, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в равнината, слабополевата магнитометрия, електронните компаси и навигацията, автоматизация на производството, електромобилостроенето, контролно-измервателната технология, енергетиката, военното дело и сигурността, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е двумерен микросензор за магнитно поле, съдържащ и-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 р -тип зона с формата на равностранен кръст. 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 и-тип подложката като всяка двойка срещуположни вътрешни контакти спрямо централния са изходите за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле, [1 -6].

Недостатък на този двумерен 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 контакти.

Недостатък е също редуцираната точност на микросензора в резултат на паразитните изходни напрежения на двата изхода в отсъствие на магнитно поле (офсети), 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 метализацията, и др.

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

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде двумерен 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 двумерен микросензор за магнитно поле, съдържащ р-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която е формиран дълбок и-тип слой във формата на малтийски кръст с четири равни правоъгълни страни (равностранен кръст). Върху всяка от четирите страни на п - тип слоя има последователно и на разстояние по един външен и по един вътрешен омичен контакт — по часовниковата стрелка съответно първи и втори, трети и четвърти, пети и шести, и седми и осми, всичките симетрични спрямо центъра на кръста. Първият и вторият, и петият и шестият, и съответно четвъртият и петият, и седмият и осмият контакти са разположени срещуположно. Първият и петият контакт са свързани с единия извод на токоизточик, другият извод на който е съединен с третия и седмия контакт. Измерваното външно магнитно поле е с произволна ориентация и лежи в равнината на р-тип подложката като двойките срещуположни вътрешни контакти - втори и пети, и съответно трети и седми са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле.

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

Предимство е също високата измервателна точност на двата сензорни канала поради драстично намаленото паразитно влияние между компонентите на захранващия ток в правоъгълните п-тип страни на кръста.

Предимство е още опростената приборна конструкция на двумерния микросензор за магнитно поле, съдържаща осем вместо девет контакта.

Предимство е и отпадане на необходимостта от специално разполагане на микросензора по отношение на източника на магнитното поле за постигане на високи стойности изходните сигнали поради подобрената ортогоналност на п-тип страните на кръста от прецизността на микроелекгронните технологии.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Двумерният 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 кръст с четири равни правоъгълни страни (равностранен кръст). Върху всяка от четирите страни на п - тип слоя има последователно и на разстояние по един външен и по един вътрешен омичен контакт - по часовниковата стрелка съответно първи 3 и втори 4, трети 5 и четвърти 6, пети 7 и шести 8, и седми 9 и осми 10, всичките симетрични спрямо центъра на кръста 2. Първият 3 и вторият 4, и петият 7 и шестият 8, и съответно третият 5 и четвъртия 6, и седмият 9 и осмият 10 контакти са разположени срещуположно. Първият 3 и петият 7 контакт са свързани с единия извод на токоизточик 11, другият извод на който е съединен с четвъртия 5 и седмия 9 контакт. Измерваното външно магнитно поле 12 е с произволна ориентация и лежи в равнината нар-тип подложката 1 като двойките срещуположни вътрешни контакти - втори 4 и шести 8, и съответно четвърти 6 и осми 10 са диференциалните изходи 13 и 14 за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле 12.

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

При включване на контакти 3 и 5, и съответно 7 и 9 към токоизточника 11, протичат четири равни и две по две противоположно насочени токови компоненти 1₃ и — /7, и съответно А и /9· Тази специфична особеност се дължи на включването на контакти 3, 5, 7 и 9 към токоизточника 11 по начин, че токовете между противоположните контакти 3 и 7, и съответно 5 и 9 да са противоположно насочени спрямо центъра на ч-тип кръста 2. Създаденият дълбок епитаксиален п-слой 2 във формата на равностранен (малтийски) кръст еднозначно ограничава областите, в които протичат токовите компоненти /₃ и - /₇, и съответно /₅ и — /9. Така паразитното обемно и повърхностно разтичане на захранващия ток е напълно отстранено. В предложеното решение на Фигура 1 конструкцията и способът на захранване на външните контакти 5 и 3, и съответно 7 и 9 осъществява протичането на два тока /₅,з и /_7>9, които съдържат по две двойки взаимно перпендикулярни компоненти. Посоките на тези двойки компоненти са противоположни като в страните на кръста 2, където са контакти 3 и 7, и съответно 5 и 9 протичат противоположни токове. На практика този необичаен случай е еквивалентен на решение, при което в центъра на кръста 2 е формиран омичен захранващ контакт, обезпечаващ нъпросните токови компоненти за четирите страни.

Траекториите на компонентите /₃ и — /₇, и съответно /5 и - А в областите под омични контакти 3 и 7 както 5 и 9 в отсъствие на магнитно поле 12 В(В^у) = 0 първоначално са перпендикулярни на горната повърхност на кръста 2. Причината е, че контакти 3, 5, 7 и 9 са нискоомни и представляват еквипотенциални равнини за протичащите през тях токове. Ето защо тези компоненти проникват значително в обема на епитаксиалния п-слой 2. След това ефективните траектории 1₃ и - Ι_Ί, и съответно 1₅ и -1₉ в обема на п-кръста 2 стават почти успоредни на горната му повърхност. Тази важна за действието на микросензора топология на токовите траектории е продиктувана от относително дълбокия епитаксиален п-слой 2 и неголемите му линейни размери, което редуцира евентуална структурна асиметрия и офсети Vi₃(0) и V_]4(0) на диференциалните изходи 13 и 14 на микросензора в отсъствие на магнитно поле В 12, В = 0.

Външното магнитно поле В 12, което лежи в равнината на р-тип подложката 1 и е с произволна ориентация, чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти В* и В^ генерира съответни латерално отклоняващи движещите се токоносители сили на Лоренц

F_Li = qV_dT x В, където q е елементарният товар на електрона, a V* е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се токоносителите, в нашия сучай електроните в и-кръста 2. В резултат на Лоренцовите дефлекции траекториите в отделните си части под контактите 3, 5, 7 и 9 и между тях за всяка от противоположно насочените токови компоненти /₃ и - /₇- и съответно /₅ и - /₉ едновременно се деформират като се “свиват и/или ’’разширяват” в обема на кръста 2. В зависимост от посоката на магнитния вектор В_у) 12, всеки един в двойките срещуположни токове нараства, респективно намалява. В резултат се генерират противоположни по знак Холови потенциали в зоните, където са формирани изходните контакти 4 и 8, и съответно 6 и 10. Така чрез ефекта на Хол върху двата диференциални изхода 13 и 14 възникват напрежения на Хол. Рзд(В_у) — У₁₃(В_у) 13 и У₄,_б(Ю ^Ξ V14(BX) 14. Изходните сигнали 13 и 14 са линейни и нечетни функции от магнитните вектори Вх и Ву, и съдържат метрологичната информация за стойността и посоката на магнитните компоненти. Повишаването на магниточувствителността се дължи на добре ограничения чрез /2-подложката 1 епитаксиален л-слой 2 посредством технологичната реализация. Този оригинален подход отстранява разтичането на захранващия ток. Също така взаимно перпендикулярните страни на п-кръста 2 значително подобряват ортогоналността на токовите компоненти /3, - Λ, Д и - /9 спрямо двата равнинни вектора Вх и Ву на магнитното поле В 12. Перфектно ограничената в р-тип подложка 1 кръстовидна активна зона 2 максимално редуцира паразитното взаимно влияние на двата сензорни канала за полета Вх и Ву. Следователно магниточувствителността и метрологичната точност нарастват. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 12 в равнината х-у на подложката 1 и ъгълът Θ на полето В 12 спрямо фиксирана реперна ос на координатна система в същата равнина, се дават с добре известните изрази: |В| = (Вх + Ву²)¹² и Θ = tan (Vy(B_y)/V_x(B_x)), [1,5].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативната приборна конструкция. Формираният кръстовиден епитаксиален слой 2 ограничава разтичането на тока и е предпоставка за повишената чувствителност и високата метрологична точност. Оригиналният способ на свързване към токоизточника 11 с контакти 3, 5, 7 и 9, осигуряващ противоположно насочени токови компоненти, генериращи двете изходни напрежения на Хол УвСВу) 13 и У₁₄(В_Х) 14, се прилага за първи път в сензориката и редуцира броя на контактите. Така без централен захранващ електрод се осъществяват два взаимно перпендикулярни равнинно-магниточувствителни елементи на Хол. Друго съществено предимство на микросензора от Фигура 1 е, че той изцяло се реализира в единен технологичен цикъл с процесите на интегралната микроелектронна технология. Това решение минимизира драстично паразитните сигнали, включително офсетите и дрейфът на параметрите. Постигната е пълна термична, технологична и структурна съвместимост на сензорните канали.

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

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] C.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.

15] C.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- .

[6] R.S. Popovic, “The vertical Hall-effect device”, IEEE Electron Device Lett., EDL-5 (1984), pp. 357-358.

Claims (1)

1. /Двумерен микросензор за магнитно поле, съдържащ токоизточник и полупроводникова подложка, върху едната й страна е формиран дълбок полупроводников п-тип малтийски кръст с четири равни правоъгълни страни (равностранен кръст), върху всяка от четирите страни на п - тип кръста има последователно и на разстояние по един външен и по един вътрешен омичен контакт - по часовниковата стрелка съответно първи и втори, трети и четвърти, пети и шести, и седми и осми като двойките срещуположни вътрешни контакти - втори и шести, и съответно четвърти и осми са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на измерваното външно магнитно поле, което е с произволна ориентация и лежи в равнината на подложката, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това че полупроводниковата подложка (1) е с р-тип примесна проводимост, първият (3) и вторият (4), третият (5) и четвъртият (6), петият (7) и шестият (8), и седмият (9) и осмият (10) - всичките са съответно симетрични спрямо центъра на кръста (2) като първият (3) и петият (7) и съответно третият (5) и седмият (9) контакти са разположени срещуположно, първият (3) и петият (7) контакт са свързани с единия извод на токоизточика (11), другият извод на който е съединен с четвъртия (5) и седмия (9) контакт.