BG65231B1

BG65231B1 - Магниточувствителен сензор

Info

Publication number: BG65231B1
Application number: BG106877A
Authority: BG
Original assignee: РУМЕНИН Чавдар
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2007-08-31
Also published as: BG106877A

Abstract

Магниточувствителният сензор е с паралелна ос на магниточувствителност, функциониращ на основата напринципа на Хол. С него е възможно електрическотоуправление (включително нулиране) на неминуемия офсет чрез промяна стойностите на токовете през първия и втория токоизточник. Той има два равнозначниизхода, редуциран температурен дрейф на изходите и повишена точност на измерване. Двата отделни изхода позволяват да се извадят инвертираните изходнисигнали, което води до удвояване на изходното напрежение и до сериозно редуциране стойността на офсета и на температурния му дрейф. Сензорът съдържа полупроводникова подложка (1), върху едната странана която са формирани четири омични контакти с правоъгълна форма, разположени успоредно на дългите си страни. Контактите са свързани подходящо с два независими токоизточника (6, 7), които функционират в режим генератор на ток. Изходи на магниточувствителния сензор са съответно вторият (3) и третият(4), и първият (2) и четвъртият (5) омични контакти, а външното магнитно поле (10) е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката (1).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до магниточувствителен сензор, приложим в контролно-измервателната техника, магнитометрията, системите за управление, микросистемите, сензориката, безконтактната автоматика, позиционирането на обекти в пространството, уредостроенето, военното дело и енергийната област.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно четири омични контакта с правоъгълна форма - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и третият омични контакти са захранващи и са свързани с клемите на токоизточник, а вторият и четвъртият омични контакти са изход на сензора. Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката [1,2].

Недостатък на този магниточувствителен сензор е невъзможността за електрическо нулиране (или управление) на неминуемия остатъчен паразитен сигнал на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет), съществено редуциращ точността на измерване и повишаващ температурния дрейф на изхода.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде магниточувствителен сензор с електрически отстраним (или управляем) офсет, минимизиран температурен дрейф на изхода и с повишена точност на измерване.

Тази задача се решава с магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно четири омични контакта с правоъгълна форма - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и третият омичен контакт са свързани през първи токоизточник в ре жим генератор на ток. Вторият и четвъртият омичен контакт са свързани през втори токоизточник в режим генератор на ток. Полярностите на захранване на втория и третия омичен контакт съвпадат. Изходи намагниточувствителния сензор са съответно вторият и третият, и първият и четвъртият омични контакти. Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката.

Предимства на изобретението са възможността за електрическо управление (включително нулиране) на неминуемия офсет чрез промяна стойностите на двата тока през първия и втория токоизточници, наличието на два равнозначна изхода, редуцирани офсет и температурен дрейф, и повишена точност на измерване.

Описание на приложените фигури

По-подробно изобретението се пояснява с приложените фигури, където фигура 1 представлява едно негово примерно изпълнение и фигура 2 илюстрира схемно решение, минимизиращо едновременно стойността на офсета и на температурния му дрейф.

Примери за изпълнение на изобретението

Магниточувствителният сензор съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно четири омични контакти с правоъгълна форма - първи 2, втори 3, трети 4 и четвърти 5, разположени успоредно на дългите си страни. Първият 2 и третият 4 омични контакти са свързани през първи токоизточник 6 в режим генератор на ток. Вторият 3 и четвъртият 5 омични контакти са свързани през втори токоизточник 7 в режим генератор на ток. Полярностите на захранване на втория 3 и третия 4 омичен контакт съвпадат. Изходи 8 и 9 са съответно вторият 3 и третият 4, и първият 2 и четвъртият 5 омичен контакт. Външното магнитно поле 10 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката 1.

Действието на магниточувствителния сензор, съгласно изобретението, е следното. При включване на първия 6 и втория 7 токоизточници в обема на сруктурата 1 възникват два тока 1_{2 4} и 1₃₅. Поради еквипотенциалността на захран ващите омични контакти 2.3,4 и 5. траекториите на токовете през тях първоначално са перпендикулярни на повърхността на подложката 1 и проникват дълбоко в обема й. По тази причина кинетичните процеси в сензора са обемни. Двата захранващи тока 1_{2 4} и 1_{3 5} са независими един от друг, въпреки че протичат в една и съща област. Това се постига чрез режимите генератор на ток. Външното магнитно поле 10 индуцира върху граничните равнини ефект на Хол чрез силата на Лоренц, действаща върху двата независими тока 1₂₄ и 1_{3 5}. В резултат, върху горната повърхност на подложката 1, в зоните, където са разположени съответно контакти 3 и 4, и 2 и 5 възникват едновременно електрически товари с противоположен знак. Тяхната физическа регистрация става именно с изходи 8 и 9. Специфична особеност на този преобразувател е, че всички сензорни контакти 2,3,4 и 5 са едновременно и захранващи. За да се развият напълно напреженията на Хол, генерирани в структурата 1, посоките на токовете трябва да са съпосочни, т.е. контакти 3 и 4 да са с една и съща полярност. Осъществяването на това условие автоматически води до еднаква полярност и за другите два омични контакти 2 и 5.

Освен ефект на Хол, в поле 10 в структурата 1 възниква и магниторезистивен ефект, който е квадратична и четна функция на полето В. Това явление за сензора на Хол следва да се разглежда като паразитно, внасящ: силна нелинейноств предавателните характеристики. Двата диференциални изхода 8 и 9, обаче неутрализират синфазния (с един и същ знак) магниторезистивен сигнал. Следователно, равнозначните изходни напрежения V, ₄(В) и V_{2 3}(В) на новия сензор са линейни и знакът им зависи едновременно от посоките на магнитното поле 10 и на двата тока 1₂₄ и 1_3>5. Друга важна особеност на двата изхода 8 и 9 е, че при фиксирани посоки на магнитното поле 10 и на токове 1_{2 4} и 1₃₃ те са инвертирани, т.е. полярностите им са с противоположен знак.

Неочакваният положителен ефект от предложеното техническо решение се заключава във възможността чрез стойностите на двата независими тока 1₂,₄ и 1_{3 5} през захранващите/Холовите контакти 3 и 4, и 2 и 5 да се неутрализира (нулира) напълно паразитния офсет в отсъствие на магнитно поле 10. Основна причина за въз никването на офсета са неизбежните геометрични грешки в симетричното разположение на контактите при технологичната реализация на Хол елементите. Проведените експерименти показват, че двете изходни характеристики на новия магниточувствителен сензор при параметър захранващите токове 1_{2 4} и 1_{3 5}, реализиран на основата на подложка 1 от n-Si с концентрация на легиращата примес η ~ 10¹⁵ сит³ са линейни и нечетни функции на магнитното поле 10. Това доказва еднозначно, че действието на новия преобразувател е ефектът на Хол. Чрез двата независими тока 1_{2 4} и 1_{3 5} се постига лесно нулиране на неминуемия офсет на двата изхода 8 и 9. Ако конкретно приложение изисква наличието на фиксирана стойност на офсета (например за целите на безконтактните ключови устройства), тя лесно се установява чрез вариране на двата тока през токоизточници 6 и 7. Нулирането на офсета на двата изхода 8 и 9 повишава точността на измерване на магнитната индукция 10, което е сериозно предимство за целите на слабополевата магнитометрия. Тъй като температурният дрейф на диференциалните изходи на магниточувствителните полупроводникови сензори е пропорционален на стойността на самия офсет, възможността за нулиране на този паразитен остатъчен сигнал подобрява с повече от порядък температурната стабилност на изходи 8 и 9.

Наличието на два равнозначни, но с противоположна полярност изходи 8 и 9 предоставя една друга неочаквана възможност за минимизиране едновременно на самия офсет и на температурния му дрейф. За двете Холови напрежения от изходи 8 и 9 чрез токовете 1₂₄ и 1₃₅ се установява съотношението V₃₄(B) =’- V₂₅(lt). Освен това генерирането на двата изходни сигнала става от една и съща сензорна област. По тази причина офсетите на двата изхода 8 и 9 са почти с една и съща стойност. За тях е в сила съотношението V_{3 4}(В = 0) V_{2 5}(В = 0) като температурните им дрейфове са перфектно взаимно уеднаквени. В крайния изходен сигнал офсетът е неотличим от полезния магниточувствителен сигнал. Следователно, ако схемно от едното изходно напрежение V₃₄(B) се извади другото V_{2 5}(В), ще се получи удвоено Ходово напрежение с почти елиминиран офсет: V_H=V_{3 4}(В) - (-V_{3 4}(В)) = 2V₃₄(В) + (V₃₄(B = 0) - V₂₅(В = 0)). Ето защо остатъчният офсет след изваждане на два та изходни сигнала се очаква да бъде твърде нисък по стойност. Схемата, с която се решава тази задача, е показана на фигура 2. Тя съдържа магниточувствителния сензор, описан по-горе, двата изхода 8 и 9 на който са свързани съответно с двата входа на два операционни усилватели 11 и 12. Изходите 13 и 14 на тези операционни усилватели 11 и 12 са свързани с входа на трети операционен усилвател 15, изходът 16 на който е изход на магниточувствителния сензор. Експериментите показват, че остатъчният офсет на изхода 16 на операционен усилвател 15 е с около два порядъка по-нисък от този на изход 8 или 9, а температурното поведение на изход 16 съставлява около 20 - 30 микроУ/°С, което е също с около два порядъка по-ниско в сравнение със собствения температурен дрейф на изход 8 или 9 на сензора.

Индустриалната реализация на новия сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност е на основата на стандартна силициева планарна технология. Също така могат да се използват различни модификации на CMOS процеси и микромашининг, ограничаващи активната преобразувателна област и водещи до по-нататъшна миниатюризация на магниточувствителния сензор. Перспективен полупроводников материал е също и n-GaAs.

Claims

Патентни претенции

1. Магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последова телно четири омични контакти с правоъгълна форма - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни, като първият и третият омични контакти са свързани през първи токоизточник, а външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката, характеризиращ се с това, че вторият (3) и четвъртият (5) омични контакти са свързани през втори токоизточник (7), като токоизточникът (6) и (7) са в режим генератор на ток, при което полярностите на захранване на втория (3) и третия (4) омични контакти съвпадат, а изходи (8) и (9) на магниточувствителния сензор са съответно вторият (3) и третият (4), и първият (2) и четвъртият(5) омични контакти.
2. Магниточувствителен сензор, съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че двата му изхода (8 и 9) са свързани съответно с двата входа на два операционни усилватели (11 и 12), като изходите (13 и 14) на тези операционни усилватели (11 и 12) са свързани с входа на трети операционен усилвател (15), изходът (16) на който е изход на магниточувствителния сензор.