BG65079B1

BG65079B1 - Тримерна магниточувствителна микросистема

Info

Publication number: BG65079B1
Application number: BG107076A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Димитър НИКОЛОВ
Original assignee: Чавдар РУМЕНИН; Димитър НИКОЛОВ
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2007-01-31
Also published as: BG107076A

Abstract

Тримерната магниточувствителна микросистема е създадена на основата на функционалния принцип.За неяса характерни висока канална магниточувствителност на перпендикулярната към подложката компонента на магнитното поле, намалени размери и повишена пространствена разделителна способност, както и редуцирано паразитно междуканално влияние. Системата съдържа полупроводникова подложка с n-тип проводимост, върху едната страна на която са формирани централен омичен токов контакт с квадратна форма. На равни разстояния и успоредно на четирите му страни еразположен по един захранващ омичен контакт, а наеднакви разстояния от централния омичен контакт и успоредно на четирите му страни - още по един Холов контакт. Външното магнитно поле е с произволна ориентация спрямо полупроводниковата подложка. Четирите захранващи омични контакта са разположени между централния омичен токов контакт (2) и четирите Холови контакта (11, 12, 13 и 14). Всеки един от четирите захранващи омични контакта е секциониран на по две равни части - първа и втора. Всички първи(3, 5, 7 и 9) и всички втори (4, 6, 8 и 10) частина четирите захранващи омични контакта са непосредствено свързани, като двете им общи точки са свързани с електронен блок (15), осигуряващ постоянно захранващо напрежение за двете групи контакти (3, 5, 7 и 9) и (4, 6, 8 и 10), и измерване на токовете през тях. Блокът (15) е свързан и с контакта (2), на който осигурява постояннотоково захранване. Изходът (16) на блока (15) е

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до тримерна магниточувствителна микросистема, приложима в сензориката, безконтактната автоматика, позиционирането на обекти в равнината и пространството, в свободни от износване инструменти за линейни и ъглови премествания, за определяне пространственото разпределение на магнитното поле, в контролно-измервателната технология, военното дело и енергетиката.

Предшестващо състояние на техниката

Известна е тримерна магниточувствителна микросистема, съдържаща полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която е формиран централен омичен токов контакт с квадратна форма. На равни разстояния и успоредно на четирите му страни са формирани още по един Холов контакт, секциониран на по две равни части. На еднакви разстояния от тези четири двойки Холови контакти и успоредно на тях са разположени по един външен захранващ омичен контакт. Четирите еднакви външни контакти са свързани помежду си и с единия извод на токоизточник, другият извод на който е свързан с централния омичен токов контакт. Измерваното външно магнитно поле е с произволна посока спрямо полупроводниковата подложка. Изходите за двете му равнинни ортогонални компоненти са Ходовите напрежения, снети съответно от срещуположните спрямо централния омичен контакт двойки Холови контакти, а за перпендикулярната към подложката магнитна компонента изход е Ходовото напрежение между двете равни части на която и да е от четирите двойки Холови контакти [1].

Тази тримерна магниточувствителна микросистема е: с ниска чувствителност по отношение на перпендикулярната към подложката магнитна компонента; с повишени размери и редуцирана пространствена разделителна способност, наложени от окъсяващото действие на омичните контакти върху трите Холови напрежения; и с повишено паразитно влияние между трите сензорни канали, произтичащо от повърхностните паразитни токове вследствие различните по стойност Холови напрежения.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде тримерна магниточувствителна микросистема с повишена чувствителност по отношение на перпендикулярната към подложката магнитна компонентата, която да е с намалени линейни размери и с редуцирано паразитното междуканално влияние.

Тази задача се решава с тримерна магниточувствителна микросистема, съдържаща полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която е формиран централен омичен токов контакт с квадратна форма. На равни разстояния и успоредно на четирите му страни са формирани още по един захранващ омичен контакт, секциониран на по две равни части - първа и втора. На еднакви разстояния от тези четири двойки захранващи контакти и успоредно на тях са разположени по един външен Холов контакт. Всичките първи и съответно всичките втори части на захранващите омични контакти са непосредствено свързани. Двете им общи точки са свързани към електронен блок, обезпечаващ постоянно захранващо напрежение за двете групи контакти и измерване на токовете през тях. Електронният блок е свързан също с централния омичен токов контакт, на който осигурява постояннотоково захранване. Изходът на електронния блок е по ток и е изход за перпендикулярната към подложката магнитна компонента. Срещуположните спрямо централния омичен контакт двойки Холови контакти са свързани съответно с по един токоизмервателен блок с нискоомен вход, изходите на които са изходи за двете равнинни ортогонални компоненти на магнитното поле. Външното магнитно поле е с произволна посока спрямо полупроводниковата подложка.

Предимства на изобретението са високата канална магниточувствителност към перпендикулярната на подложката компонента на магнитното поле; намалените размери и повишената пространствена разделителна способност; редуцираното паразитно междуканално влияние.

Описание на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с приложената фигура, представляваща едно негово примерно изпълнение.

Описание на примери за изпълнение на изобретението

Тримерната магниточувствителна микросистема съдържа полупроводникова подложка 1 с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която е формиран централен омичен токов контакт 2 с квадратна форма. На равни разстояния и успоредно на четирите му страни са формирани още по един захранващ омичен контакт, секциониран на по две равни части -първа 3, 5, 7 и 9, и втора 4, 6, 8 и 10. На еднакви разстояния от тези четири двойки захранващи контакти и успоредно на тях са разположени по един външен Холов контакт 11, 12, 13 и 14. Всичките първи 3,5,7 и 9, и съответно всичките втори 4,6,8 и 10 части на захранващите омични контакти са непосредствено свързани. Двете им общи точки са свързани към електронен блок 15, обезпечаващ постоянно захранващо напрежение за двете групи контакти 3, 5, 7 и 9, и съответно 4; 6, 8 и 10, и измерване на токовете през тях. Електронният блок 15 е свързан също с централния омичен контакт 2, на който осигурява постояннотоково захранване. Изходът 16 на електронния блок 15 е по ток и е изход за перпендикулярната към подложката магнитна компонента 17. Срещуположните спрямо централния омичен контакт двойки Холови контакти 11 и 13, и12и 14 са свързани съответно с по един токоизмервателен блок 18 и 19 с нискоомен вход, изходите 20 и 21 на които са изходи за двете равнинни ортогонални компоненти 22 и съответно 23 на магнитното поле 24. Външното магнитно поле 24 е с произволна посока спрямо полупроводниковата подложка 1.

Действието на тримерната магниточувствителна микросистема, съгласно изобретението, е следното. При включване на захранванията чрез електронния блок 15 и в отсъствие на външно магнитно поле 24, вследствие симетрията на микросистемата всичките осем токови компоненти между централния захранващ контакт 2 и другите контакти 3, 5, 7,9,4, 6, 8 и 10 са равни по стойност. По тази причина офсетите (наличието на сигнали на съответните изходи 16,20 и 21 в отсъствие на магнитно поле 24) отсъстват в първо приближение. При наличие на външно магнитно поле 24 с произволна посока спрямо полупроводниковата подложка 1 и съответни компоненти по трите ортогонални оси В_х 22 В_у23 и B_z 17 води до отклонения чрез силата на Лоренц в съответните ортогонални направления на основните токоносигели. Така генерираните едновременно три отделни напрежения на Хол върху горната повърхност на полупроводниковата подложка 1 са мярка за магниточувствителностите на трите отделни сензорни канали. Трансформирането на режима на напрежение на Хол в режим на ток на Хол на трите изхода 16,20 и 21 чрез електронния блок 15 и измервателните блокове 18 и 19 запазва едни и същи потенциали върху горната страна на полупроводниковата подложка 1 със и без магнитните компоненти В 22, В 23 и В 17. Именно този подход редуцира съществено паразитното междуканално влияние, което повишава от своя страна точността на измерването на трите магнитни компоненти 17,22 и 23.

Свързването на първите 3, 5,7 и 9, и съответно на вторите 4, 6, 8 и 10 равни части на четирите захранващи контакти осъществява сумиране в магнитно поле B_z 17 на изменения на токове с един и същ знак (само нараствалия и съответно само намалявания, предизвикани от силата на Лоренц). Това води до четирикратно усилване на изходния сигнал от перпендикулярната към повърхността на подложката 1 компонента B_z 17 на магнитното поле 24. Следователно, магниточувствителността на Β,-канала се повишава значително. Стойността на вектора на полето В 24, изразена чрез трите ортогонални компоненти 17,22 и 23 се получава с добре известната релация: |В| = VB²x + B²y+B² _z.

Външното разполагане на Холовите контакти 11, 12, 13 и 14, вместо формирането им между четирите двойки захранващи контакти 3, 4, 5,6,7, 8, 9 и 10, и централния омичен токов контакт 2 (както е в известното техническо решение) намалява около два пъти окъсяващото действие на омичните контакти върху ефекта на Хол. Ето защо фиксирани стойности на трите магниточувствителности ще се постигнат при по-малки линейни размери на микросистемата, в сравнение с известното решение от [1].

Така формираните външни Холови терминали 11, 12, 13 и 14 позволяват да се повиши пространствената разделителна способност на магнитометричната микросистема.

Индустриалната реализация на векторната микросистема за магнитно поле е на основата на различните модификации на добре усвоената силициева интегрална технология. Съгласно експерименталните резултати с образци на базата на n-Si подложката 1 с концентрация на примесите η ~ 10¹⁵ cm ³, положителните ефекти от тримерната магниточувствителна микросистема, съгласно изобретението са: редуциране на паразитното междуканално влияние с около 45 %; намаляване на общите й размери с около 25 % и четирикратно усилване на чувствителността на В_г-канала. Тези резултати потвърждават перспективността на принципа на функционалната интеграция, използван в изграждането на векторната микросистема за магнитно поле. В нашия случай функционално са интегрирани два паралелно-полеви сензора на Хол с контакти 23-4-7-8-11-13 и съответно 2-5-6-9-10-12-14, и четири ортогонални елементи на Хол съответно с контакти 2-3-4,2-5-6,2-7-8 и 2-9-10. По същество от една и съща преобразувателна зона става добиването на сензорна информация едновременно и независимо за трите векторни компоненти на магнитното поле 24.

Claims

Патентни претенции

Тримерна магниточувствителна микросистема, съдържаща полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани централен омичен токов контакт с квадратна форма, на равни разстояния и успоредно на четирите му страни по един захранващ омичен контакт и на еднакви разстояния от централния омичен контакт и успоредно на четирите му страни - още по един Холов контакт, като външното магнитно поле е с произволна посока спрямо полупроводниковата подложка, характеризираща се с това, че четирите захранващи омични контакта са разположени между централния омичен токов контакт (2) и четирите Холови контакта(11,12,13е 14), като всеки един от четирите захранващи омични контакта е секциониран на по две равни части - първа и втора, като всички първи (3, 5, 7 и 9), и всички втори (4,6,8 и 10) части на четирите захранващи омични контакта са непосредствено свързани, като двете им общи точки са свързани с електронен блок (15), осигуряващ постоянно захранващо напрежение за двете групи контакти (3, 5, 7 и 9), и съответно (4, 6, 8 и 10), и измерване на токовете през тях, като електронният блок (15) е свързан и с централния омичен токов контакт (2), на когото осигурява постояннотоково захранване, като изходът (16) на електронния блок (15) е по ток и е изход за перпендикулярната към подложката компонента (17) на магнитното поле (24), при което срещуположните спрямо централния омичен контакт двойки Холови контакти (11 и 13,12 и 14) са свързани съответно с по един токоизмервателен блок (18 и 19) с нискоомен вход, изходите (20 и 21) на които са изходи за двете равнинни ортогонални компоненти (22) и съответно (23) на магнитното поле (24).