BG65345B1

BG65345B1 - Тримерен векторен сензор на хол

Info

Publication number: BG65345B1
Application number: BG108015A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН
Original assignee: Чавдар РУМЕНИН
Priority date: 2003-07-21
Filing date: 2003-07-21
Publication date: 2008-02-29
Also published as: BG108015A

Abstract

Тримерният векторен сензор на Хол се прилага в областта на контролно-измервателната технология, слабополевата магнитометрия, сензориката и микросистемите, безконтактната автоматика, уредостроенето, енергетиката, електротехниката, военното дело и други. С него се отстраняват основни недостатъци на аналогичните решения - висока стойност на офсетите в отделните изходни канали и същественият им температурен дрейф. Сензорът съдържа полупроводникова подложка (1) с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг две двойки еднакви правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни. Контактите от едната двойка са секциониранипо на две равни части (2, 3 и 4, 5), като частите(4 и 5) на единия от секционираните контакти са разположени между несекционираните правоъгълни омични контакти (6 и 7). Откъм късите страни на контактите (6 и 7) и на равни разстояния от тях са формирани по една двойка Холови контакти (8, 9 и 10, 11). Частите (2, 3 и 4, 5) на секционираните контакти са свързани съответно с крайните изводи на два тримера (12 и 13), средните изводи на които са свързани през товарни резистори (14 и 15) съответно с двата извода на токоизточник (16). Всеки от контактите (6 и 7), съответно през два последователно свързани товарни резистора (17, 18 и 19, 20), е свързан с двата извода на токоизточника (16). Двете равни части (2, 3 и 4, 5) на всеки от секциониранитеомични контакти са свързани

Description

Изобретението се отнася до тримерен векторен сензор на Хол, приложимо в областта на контролно-измервателната технология, слабополевата магнитометрия, сензориката и микросистемите, безконтактната автоматика, уредостроенето, енергетиката, електротехниката, военното дело и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е тримерен векторен сензор на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг три еднакви правоъгълни омични контакти - един централен и два крайни, разположени успоредно на дългите си страни. Откъм късите страни на централния правоъгълен омичен контакт и на равни разстояния от него са формирани по един Холов контакт. В правоъгълните области между централния и двата крайни омични контакти, странично и на равни разстояния от тях, има още по един Холов контакт, които два по два са свързани напречно. Централният омичен контакт през токоизточник и съответен товарен резистор е свързан с двата крайни правоъгълни контакти. Изходът за едната паралелна на повърхността на подложката компонента на магнитното поле са двата Холови контакти, разположени откъм късите страни на централния правоъгълен контакт, изходът задругата паралелна на повърхността на подложката компонента на магнитното поле са двата крайни омични контакти, а изходът за ортогоналната към повърхността на подложката компонента на вектора на магнитното поле са напречно свързаните други Холови контакти. Външното магнитно поле е с произволна посока спрямо полупроводниковата подложка [1].

Недостатъци на този тримерен векторен сензор на Хол са високите стойности на офсетите (паразитните остатъчни сигнали на трите сензорни изхода в отсъствие на магнитно поле) в резултат на неминуеми дефекти, нееднородности и механични напрежения в кристалната струк тура на полупроводниковата подложка, нарушена геометрична симетрия при формирането на съответните изходни контакти и др. както и същественият температурен дрейф на офсетите на трите изхода в широк интервал делтаТ, поради различното въздействие на температурата Т върху трите сензорни канали, произтичащо от указаните по-горе неминуеми дефекти и нехомогенности.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде тримерен векторен сензор на Хол с ниски стойности на изходните офсети и силно редуциране на температурния им дрейф в широк температурен интервал.

Тази задача се решава с тримерен векторен сензор на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг две двойки еднакви правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни. Контактите от едната двойка са секционирани на по две равни части, като частите на единия от секционираните контакти са разположени между несекционираните омични контакти. Откъм късите страни на несекционираните правоъгълни контакти и на равни разстояния от тях са формирани по една двойка Холови контакти. Частите на всеки от секционираните контакти са свързани съответно с крайните изводи на два тримера, средните изводи на които са свързани през товарни резистори съответно с двата извода на токоизточник. Всеки от несекционираните омични контакти съответно през два последователно свързани товарни резистори е свързан с двата извода на токоизточника. Двете равни части на всеки от секционираните омични контакти са свързани със съответен вход на първи усилвателен блок, изходът на който е изход за ортогоналната към повърхността на подложката компонента на магнитното поле. Двойките Холови контакти, разположени откъм късите страни на несекционираните омични контакти са свързани със съответен вход на втори усилвателен блок, изходът на който е изход за едната паралелна на повърхността на подложката компонента на магнитното поле. Средният извод на всеки от двата тримера

65345 Bl и общата точка на всеки от последователно свързаните товарни резистори са свързани със съответен вход на трети усилвателен блок, изходът на който е изход за другата паралелна на повърхността на подложката компонента на магнитното поле. Външното магнитно поле е с произволна посока спрямо полупроводниковата подложка.

Предимства на изобретението са ниските стойности на остатъчните офсети на трите изхода и силно редуцираните им температурни дрейфове в резултат на схемна обработка и изваждане на първоначални офсети с почти една и съща стойност и знак от формираните върху полупроводниковата подложка двойни изходни канали за всяка една от трите ортогонални компоненти на магнитния вектор.

Описание на приложените фигури

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

Примери за изпълнение на изобретението

Тримерният векторен сензор на Хол съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг две двойки еднакви правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни. Контактите от едната двойка са секционирани на по две равни части 2 и 3, и 4 и 5, като частите 4 и 5 на единия от секционираните контакти са разположени между несекционираните омични контакти 6 и 7. Откъм късите страни на несекционираните правоъгълни контакти 6 и 7, и на равни разстояния от тях са формирани по една двойка Холови контакти 8 и 9, и 10 и 11. Частите 2 и 3, и 4 и 5 на всеки от секционираните контакти са свързани съответно с крайните изводи на два тримера 12 и 13, средните изводи на които са свързани през товарни резистори 14 и 15 съответно с двата извода на токоизточник 16. Всеки от несекционираните омични контакти 6 и 7 съответно през два последователно свързани товарни резистори 17 и 18, и 19 и 20 е свързан с двата извода на токоизточника 16. Двете равни части 2 иЗ, и4 и 5 насекциониранитеомични контакти са свързани със съответен вход 21 и 22 на първи усилвателен блок 23, изходът на който е изход 24 за ортогоналната към повърхността на подложката 1 компонента на магнитното поле 33. Двойките Холови контакти 8, 9, и 10, 11, разположени откъм късите страни на несекционираните омични контакти 6 и 7 са свързани със съответен вход 25 и 26 на втори усилвателен блок 27, изходът на който е изход 28 за едната паралелна на повърхността на подложката 1 компонента на магнитното поле 33. Средният извод на всеки от двата тримера 12 и 13 и общата точка на всеки от последователно свързаните товарни резистори 17 и 18, и 19 и 20 са свързани със съответен вход 29 и 30 на трети усилвателен блок 31, изходът на който е изход 32 за другата паралелна на повърхността на подложката 1 компонента на магнитното поле 33. Външното магнитно поле 33 е с произволна посока спрямо полупроводниковата подложка 1.

Действието на тримерния векторен сензор на Хол, съгласно изобретението, е следното.

При включване на токоизточника 16 съответно през омични контакти 6 и 2-3, и 4-5 и 7 протичат два противоположно насочени тока 1_{6 2 3}и - 1_{4 5 7}. Чрез подбор на резисторите в мостовите схеми, образувани от тримери 12 и 13, и резистори 14,15,17,18,19 и 20, стойностите на тези две токови компоненти се изравняват I ₃ = |-1_{4 5 7}|. Също така токовите компоненти през съответните секционирани контакти 2иЗ,и4и5са равни помежду си. Поради еквипотенциалността на захранващите омични контакти 2, 3, 6, 4, 5 и 7 в отсъствие на магнитно поле В 33, първоначално токовите траектории 1₆ и 1_{4 5 7} са перпендикулярни на горната повърхност на полупроводниковата подложка 1, съдържаща всичките омични контакти 2, 3, 6, 8, 9, 4, 5, 7, 10 и 11. Те проникват дълбоко в обема й, като в областите между контакти 6 и 2-3, и 4-5 и 7 те са успоредни на повърхността на подложката 1. Така реализираните приборна конструкция и мостова схема на включване позволяват да се постигне електрическа симетрия в лявата и дясната част на тримерния векторен сензор на Хол, определени от контакти 6-8-9-2-3 и 4-5-7-10-11. Прилагането на външно магнитно поле В 33 с произволна посока спрямо полупроводниковата подложка 1 чрез трите си ортогонални компоненти В_х, В_у и B_z генерира върху съответните

65345 Bl двойки изходни канали (за Β_χ: холови контакти 8 и 9, и 10 и 11; за В_у: средният извод на тример 12 и общата точка на двата резистора 19 и 20, и съответно средният извод на тример 13 и общата точка на резисторите 17 и 18; за B_z: двойките секционирани омични контакти 2 и 3, и съответно 4 и 5) информационни сигнали за трите ортогонални магнитни компоненти. Произходът на тези сигнали е ефектът на Хол. Магнитното поле Β_χ оказва отклоняващо въздействие чрез силата на Лоренц върху перпендикулярната на повърхността на подложката 1 компонента на скоростта на токоносителите. В резултат в областите откъм двете къси страни на правоъгълните несекционирани контакти 6 и 7 се генерират съответно две напрежения на Хол с противоположна полярност, именно там, където са разположени двойките омични контакти 8 и 9, и съответно 10 и 11, т.е. V₈₉(B_x) = |-V_{10 н}(В_х)|. Различните знаци на Ходовите сигнали са в резултат на противоположните посоки на токовете през омичните контакти 6 и 7. Магнитното поле В_у вследствие същия сензорен механизъм и силата на Лоренц генерира две противоположни по знак напрежения на Хол съответно между контакти 6 и 4-5, и между 2-3 и 7, т.е. V_{64 5}(В_у) = |-V_{2 3 7}(В_у)|. Тези два Холови сигнала се регистрират, обаче, между общата точка на двата последователно свързани товарни резистора 17 и 18 и средния извод на тримера 13, както и между средния извод на тримера 12 и общата точка на свързване на двата товарни резистора 19 и 20. Така осъщественият способ на измерване магнитната компонента В_учрез резисторни мостове обезпечава симетричност и потенциална равнопоставеност на изходните точки на двата В_у-сензорни канали, независимо че те са изградени от секционирани 2 и 3, и 4 и 5, и несекционирани 6 и 7 омични контакти. Магнитното поле B_z оказва чрез силата на Лоренц латерално (странично) отклоняващо въздействие върху успоредната на повърхността на подложката 1 компонента на скоростта на токоносителите. Вследствие противоположните посоки на успоредните на повърхността токови компоненти I,,, и -1.«, в магнитно поле В , токовете през контактите 2 и 5 едновременно нарастват (намаляват), а през контактите 3 и 4 едновременно намаляват (нарастват). Чрез тримерите 12 и 13 се настройват да са равни по стойност противоположните по знак Холови нап режения V_{2 3}(B_z) = I - V_{10 (},(B_z) I на В_г-сензорните канали. Следователно, иновативността на техническото решение е, че съответните двойки изходни диференциални канали зададена магнитна компонента са така формирани, че Ходовите им сигнали са равни по стойност и са с противоположен знак. Същевременно съответните двойки канали имат обща преобразувателна зона, което определя еднаквата им и противоположна по знак магниточувствителност, и почти едни и същи по стойност офсети. Друга характерна особеност е, че офсетите за дадена двойка изходни канали са с един и същ знак. Ако началните изходни сигнали, съответстващи нададена компонента на магнитното поле В 33 се извадят един от друг, ще се осъществи удвояване на съответния магниточувствителен сигнал (изважданите сигнали са с противоположен знак). Едновременно остатъчният офсет драстично ще се редуцира. Тъй като отделните Холови канали на тримерния векторен сензор са функционално интегрирани в една и съща преобразувателна област на полупроводниковата подложка 1, неминуемите дрейфове на индивидуалните офсет-сигнали на В_х, В_у и B_z каналите са перфектно съгласувани и изравнени в широк температурен диапазон делтаТ. Обработката и изваждането на изходните напрежения за даден векторен канал се осъществява от съответен усилвателен блок 23, 27 или 31, съдържащ подходящи за целта диференциални усилватели. В резултат информационните сигнали 24, 28 и 32 за трите векторни компоненти В_х, В_у и B_z са със съществено минимизиран офсет и силно редуциран температурен дрейф. Абсолютната стойност на магнитния вектор В 33 се определя с добре известния израз | В | = В²х + В²у + B² _z, като стойностите на трите магнитни компоненти са получени чрез калибриране на изходите 24, 28 и 32.

Проведените експерименти с образци на тримерния векторен сензор на Хол, реализирани на основата на стандартна силициева интегрална технология, съгласно изобретението, показват, че редуцирането едновременно на остатъчния офсет и неговия температурен дрейф и на трите изхода 24,28 и 32 е повече от два порядъка (около 150 пъти) в широк температурен интервал - 20 < Т < 80°С. Ето защо метрологичните възможности на новия векторен сензор са драстично подобрени, особено за целите на слабополевата маг5

65345 Bl нитометрия. Този неочакван положителен ефект на тримерния векторен преобразувател на Хол произтича от оригиналната приборна конструкция, съдържаща по два физически канала за всяка магнитна компонента. Двойката канали за дадена векторна компонента генерират равни по стойност, но с противоположен знак Холови напрежения. Същевременно съответните офсети имат почти една и съща стойност и са с един и същ знак. При необходимост магниточувствителността на сензорните канали може да се повиши, ако върху подложката с п-тип проводимост се формира дълбок р-тип ринг, заобикалящ всички омични контакти, или ако активната сензорна зона се ограничи чрез микромашининг или друг подобен подход на силициевата интегрална технология. Тримерният магнитометър може да се произвежда серийно чрез различните модификации на силициевата интегрална технология, включително и CMOS процеси. Тримерният векторен магнитометър и обработващите сигналите от него електронни блокове могат да се реализират върху обща интегрална схема, формирайки З-D векторна микросистема за магнитно поле.

Claims

Патентни претенции

1. Тримерен векторен сензор на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг четири еднакви правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни, откъм късите страни на два от правоъгълните омични контакти и на равни разстояния от него са формирани по един Холов контакт, токоизточник, а външното магнитно поле е с произволна посока спрямо полупроводниковата подложка, характеризиращ се с това, че правоъгълните омични контакти са обединени в две двойки, като в едната двойка те са секционирани на по две равни части (2 и 3), и (4 и 5), като частите (4 и 5) на единия от секционираните контакти са разположени между несекционираните омични контакти (6 и 7), Ходовите контакти (8 и 9) и съответно (10 и 11) са разположени при несекционираните правоъгълни контакти (6 и 7), частите (2 и 3), и (4 и 5) на секционираните контакти са свързани съответно с крайните изводи на два тримера (12 и 13), средните изводи на които са свързани през товарни резистори (14 и 15) съответно с двата извода на токоизточника (16), като всеки от несекционираните омични контакти (6 и 7) съответно през два последователно свързани товарни резистори (17 и 18), и (19 и 20) е свързан с двата извода на токоизточника (16), а двете равни части (2 и 3), и (4 и 5) на всеки от секционираните омични контакти са свързани със съответен вход (21 и 22) на първи усилвателен блок (23), изходът на който е изход (24) за ортогоналната към повърхността на подложката (1) компонента на магнитното поле (33), като двойките Холови контакти (8 и 9), и (10 и 11), разположени откъм късите страни на двата несекционирани омични контакти (6 и 7), са свързани със съответен вход (25 и 26) на втори усилвателен блок (27), изходът на който е изход (28) за едната паралелна на повърхността на подложката (1) компонента на магнитното поле (33), а средният извод на всеки от двата тримера (12 и 13) и общата точка на всеки от последователно свързаните товарни резистори (17и 18)и(19и 20) са свързани със съответен вход (29 и 30) на трети усилвателен блок (31), изходът на който е изход (32) за другата паралелна на повърхността на подложката (1) компонента на магнитното поле (33).