BG65750B1

BG65750B1 - Двукомпонентен магнитометър

Info

Publication number: BG65750B1
Application number: BG109750A
Authority: BG
Original assignee: Институт По Управление И Системни Изследвания При Бан
Priority date: 2006-11-23
Filing date: 2006-11-23
Publication date: 2009-09-30
Also published as: BG109750A

Abstract

Двукомпонентният магнитометър съдържа полупроводникова подложка (1) с p-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран n-тип епитаксиален слой (2), токоизточник (7), като измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка. Сензорът се характеризира с това, че n-тип eпитаксиалният слой (2) е съставен от две равни и взаимноперпендикулярни части, в близост додвата края на n-тип слоя (2) и върху него са формирани по един захранващ омичен контакт (3 и 4), а по средите на взаимноперпендикулярните части има по един Холов контакт (5 и 6), двата захранващи контакта (3 и 4) са съединени с токоизточника (7) и към него са свързани още два тримера (8 и 9), а изходите (11 и 12) за двете взаимноперпендикулярни компоненти на измерваното магнитно поле (10) са по една от средните точки на тримерите (8 и 9), и съответно по един от Холовите контакти (5 и 6).

Description

Изобретението се отнася до двукомпонентен магнитометър, приложимо в областта на безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, автоматиката, контролно-измервателната технология, сензориката, микросистемите, слабополеватамагнитометрия, позиционирането на обекти, военното дело и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е двукомпонентен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, като на едната й повърхност е образуван п-тип епитаксиален слой с форма на равностранен кръст. Върху п-тип слоя са реализирани един централен омичен контакт, на разстояния и симетрично спрямо централния контакт на четирите страни на кръстовидния п-слой са разположени последователно по един Холов контакт и още по един краен омичен контакт. Четирите крайни омични контакти са свързани и през токоизточник са съединени с централния омичен контакт. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка, а изходите за двете му взаимно перпендикулярни компоненти са съответно срещуположните спрямо централния омичен контакт Холови контакти [1-3].

Недостатъци на този двукомпонентен магнитометър са усложнената конструкция, съдържаща девет на брой контакти и оттук понижената разделителна способност, свързана с необходимостта от значителен размер на кръстовидната сензорна област, и наличие на начални паразитни напрежения (офсети) на двата изхода в отсъствие на външно магнитно поле, понижаващи точността на измерваните магнитни компоненти.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде двукомпонентен магнитометър с опростена конструкция и отсъствие на начални паразитни напрежения (офсети) на двата изхода.

Тази задача се решава с двукомпонентен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран п-тип епитаксиален слой, съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В близост до двата края на птип слоя и върху него са формирани по един захранващ омичен контакт, а по средите на взаимно перпендикулярните части по един Холов контакт. Двата захранващи контакта са съединени с генератор на постоянен ток, към който са свързани още и два тримера. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка, а изходите за двете му взаимно перпендикулярни компоненти са по една от средните точки на тримерите и съответно по един Холов контакт.

Предимства на изобретението са опростената конструкция, съдържаща само четири контакта, а оттук и повишената разделителна способност, както и отсъствието на офсети на двата изхода в отсъствие на магнитно поле, които се нулират с помощта на двата тримера.

Пояснение на приложените фигури

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

Примери за изпълнение на изобретението

Двукомпонентният магнитометър съдържа полупроводникова подложка 1 с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран п-тип епитаксиален слой 2, съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В близост до двата края на п-тип слоя 2 и върху него са формирани по един захранващ омичен контакт 3 и 4, а по средите на взаимно перпендикулярните части по един Холов контакт 5 и 6. Двата захранващи контакта 3 и 4 са съединени с генератор на постоянен ток 7, към който са свързани още и два тримера 8 и 9. Измерваното външно магнитно поле 10 лежи в равнината на полупроводниковата подложка 1, а изходите 11 и 12 за двете му взаимно перпендикулярни компоненти са по една от средните точки на тримерите 8 и 9, и съответно по един Холов контакт 5 и 6.

Действието на двукомпонентния магнитометър, съгласно изобретението, е следното.

При включването на омични контакти 3 и 4 към генератора 7, протича захранващият ток ξ ₄ през взаимно перпендикулярните части на сен

65750 Bl зора като 1_{3 4} ~ У_л, където V* е средната дрейфова скорост на електроните в п-тип епитаксиалния слой 2. При това посоката на токовите линии 1_{3 4} е строго регламентирана в двете части на сензора от добре дефинираната преобразувателна област в п-тип епитаксиалния слой 2, т.е. в двете равни части на п-слоя 2 посоките на тока 1_{3 4} са взаимно перпендикулярни и преминават под съответните Холови контакти 5 Н₍ и 6 Н₂. Токът 1_{3 4} генерира върху омичните Холови контакти 5 Н] и 6 Н₂ паразитни напрежения (офсети), нямащи отношение към метрологичното предназначение на сензора. Произходът им е от резистивния пад на захранващото напрежение V_{3 4}върху контактите 5 Н_; и 6 Н₂. Чрез вариране на двата тримера 8 и 9 се постига нулиране (компенсиране) на тези две паразитни напрежения на изходите 11 и 12. Такава възможност в известното до сега решение не съществува и паразитните офсети редуцират точността на двата изходни канала.

Когато се приложи външно магнитно поле 10 В, лежащо в равнината на полупроводниковата подложка 1, двете му ортогонални компоненти В_х и В_у (В = В_х + В_у) чрез съответните сили на Лоренц F_Lх и F_Ly отклоняват движещите се със скорост електрони в двете взаимно перпендикулярни части на епитаксиалния слой 2. Тези отклонения са или нагоре, където са формирани Холови контакти 5 H_t и 6 Н₂, или в противоположна посока - към подложката 1. В резултат върху Ходовите контакти 5 Н_; и 6 Н₂ едновременно се генерират както напрежения на Хол V_H1(В) и съответно У_т (В), които са линейни и нечетни от посоката на магнитни компоненти 10 В

X и В_у, така и квадратично и четно от посоката на компоненти 10 В_х и В_у геометрично магниторезистивно напрежение У_ш ~ В². Магниторезистивният сигнал влошава метрологичното качество на изходи 11 и 12, тъй като е квадратичен и не се влияе от посоката на полето 10. За да останат само линейните Холови напрежения е наложително напрежението V_MR да бъде напълно компенсирано. В нашия случай това се постига автоматично, и е в резултат на подходящо включените тримери 8 и 9 и използваното захранване с генератор на постоянен ток 7. Ако офсетите на изходи 11 и 12 са предварително (в отсъствие на магнитно поле 10) нулирани чрез включените към захранващи контакти 3 и 4 тримери и 9, магниторезистивните потенциали, генерирани едновременно както върху Холовите контакти 5 и 6, така и върху средните точки на тримери 8 и 9 са еднакви по стойност. Ето защо на двата диференциални изхода 11 и 12 се постига пълно компенсиране на квадратичното магнитосъпротивление. Този положителен ефект ' е неочакван в рамките на поставената иновативна задача. Тъй като Холовите контакти 5 и 6 в двете части на епитаксиалния слой 2 са симетрично разположени, магниточувствителността на двата канала е една и съща, което е допълнително предимство на решението. Намаляването на броя на контактите повече от два пъти в новия 2D магнитометър е резултат от необичайната му геометрична форма. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле 10 В и ъгъла О на полето 10 В в х-у равнината на полупроводниковата подложка 1 се дават с изразите: |В| - (В_х ² + в;)¹'² и О = tan⁴ (V(B_y)/V(B_x)).

Проведените експерименти с образци на новия двукомпонентен магнитометър, реализирани на основата на стандартна силициева биполярна технология, съгласно изобретението, и сравняването на резултатите с тези за известното решение показват, че една и съща стойност на магниточувствителността се постига с новото техническо решение само с 4 контакта, докато за нивото тя е с 9. В резултат разделителната способност в нашия случай нараства многократно от силно редуцираните размери на сензорната област. Геометричната форма на 2D сензора и технологичната му реализация драстично подобряват перпендикулярността на двата канала, което влияе положително върху точността на измерване на двете компоненти В и В на магнитния вектор 10 В. Също така офсетите в новия преобразувател лесно и стабилно се нулират с тримери 8 и 9.2D магнитометърът може да се осъществи също с CMOS или микромашининг технологии.

Допълнително намаляване на размерите на двукомпонентния магнитометър може да се осъществи, ако се разменят местата на токовите 3 и 4 контакти с тези на Холовите 5 и 6, и под тях се формира «вкопан» (buried) п⁺ слой. Схемотехниката е същата както на вече описаното ново решение. Тогава магниточувствителността на X- и Y-каналите се определя от вертикалността на тока 1₅ и 1₆ в двете взаимно перпендикулярни

65750 Bl части на п-тип епитаксиалния слой 2. Вкопаната п⁺ област окъсява съпротивлението на п-тип епитаксиалния слой 2 поради по-високата си проводимост. Това е причината за вертикалността на тока 1₅ и 1₆, който вече не минава под Ходовите 5 контакти 3 и 4, а е разположен странично спрямо тях. Магнитни компоненти В_х и В_у действат чрез силите на Лоренц именно върху двата вертикални участъка на протичащия ток 1_{5 6}. Така върху контакти 3 и 4 се генерира едновременно 10 напрежение на Хол и магниторезистивно напрежение. Чрез тримери 8 и 9 и генераторът на постоянен ток 7 се постига пълно компенсиране както на офсетите, така и на квадратичното магнитосъпротивление. Описаното алтернативно реше- 15 ние, обаче изисква по-сложни технологични процеси за реализация на допълнителния п⁺ вкопан слой.

Claims

Патентни претенции 2θ

1. Двукомпонентен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран п-тип епитаксиален слой, токоизточник като измерваното външно магнитно поле лежи в 25 равнината на полупроводниковата подложка, характеризиращ се с това, че п-тип епитаксиалният слой (2) е съставен от две равни и взаимно пер пендикулярни части, в близост до двата края на п-тип слоя (2) и върху него са формирани по един захранващ омичен контакт (3 и 4), а по средите на взаимно перпендикулярните части има по един Холов контакт (5 и 6), двата захранващи контакта (3 и 4) са съединени с токоизточника (7), който е генератор на постоянен ток и към него са свързани още два тримера (8 и 9), а изходи (11 и 12) за двете взаимно перпендикулярни компоненти на измерваното магнитно поле (10) са по една от средните точки на тримерите (8 и 9), и съответно по един Холов контакт (5 и 6).

Приложение: 1 фигура