BG65970B1 - Микросистема за измерване на трите компоненти на магнитното поле - Google Patents

Abstract

Микросистемата за измерване на трите компоненти на магнитното поле съдържа квадратна полупроводникова подложка (1) с примесен тип проводимост. По четирите края на едната й страна са формирани последователно еднакви омични контакти - първи (2), втори (3), трети (4) и четвърти (5), като първият (2) и третият (4), и съответно вторият (3) и четвъртият (5) са разположени диагонално. Магнитно поле (6) е с произволна посока спрямо подложката (1). С три последователни комбинации на свързване на контактите, всяка от които съдържа два омични контакта, включени към токоизточник (7) и съответно другата двойка контакти като изход се измерват последователно трите взаимноперпендикулярни компоненти на магнитното поле - първа (8), втора (9) и трета (10). Изходът (11) за компонентата (8) са вторият (3) и третият (4) омичен контакт, изходът (12) за компонентата (9) - третият (4) и четвъртият (5), и за компонентата (10) - вторият (3) и четвъртият (5) контакт.

Description

Изобретението се отнася до микросистема за измерване на трите компоненти на магнитното поле и по-специално до микросистема за последователно измерване на трите компоненти на магнитното поле, приложимо в областта на сензорната електроника, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, безконтактната автоматика, микросистемите, сканиране топологията на полето в близост до магнитни повърхности (постоянни магнити, дефектоскопия, биомагнетизъм), медицината, енергетиката, автомобилостроенето, позиционирането на обекти в пространството, военното дело и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известна е микросистема за последователно измерване на трите компоненти на магнитното поле, съдържаща правоъгълна полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната равнина на която са формирани седем контакта - първа и втора база, които са еднакви и с правоъгълна форма, разположени до късите страни на подложката, а в областта между базите има емитер и четири еднакви правоъгълни колектори - първи, втори, трети и четвърти. Емитерът е до първата база и е по средата, на ширината на подложката, в близост до емитера и първата база по протежение на дългите страни на подложката са разположени първият и вторият колектор, а в близост до втората база и по протежение на дългите страни на подложката са третият и четвъртият колектор. Разстоянието между първия и втория, и съответно между третия и четвъртия колектор е колкото дължината на базите. Емитерът през първи генератор на ток е включен в права посока към втората база, двете бази са съединени е втори генератор на ток така, че полярността на емитера и на първата база да съвпадат. Външното магнитно поле е с произволна посока спрямо подложката. С три последователни комбинации на свързване на колекторите така, че всяка да съдържа по две двойки колектори, които през съответен резистор и трети токоизточник са включени в обратна посока към втората база се дефинират трите изхода за последователно измерване на взаимноперпендикулярните компоненти на магнитното поле - първа, втора и трета. Изходът за първата компонента на магнитното поле са двете общи точки на свързване на първи и четвърти, и съответно на втори и трети колектор, изходът за втората компонента са общите точки на свързване на първи и трети, и съответно на втори и четвърти колектор, а изходът за третата компонента са общите точки на свързване на първи и втори, и съответно на трети и четвърти колектор [1].

Недостатъци на тази микросистема за измерване на трите компоненти на магнитното поле е сложната конструкция, съдържаща седем контакта и три токоизточника, и увеличените й размери, водещи до ниска пространствена разделителна способност.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде микросистема за измерване на трите компоненти на магнитното поле с опростена конструкция и малки размери.

Тази задача се решава с микросистема за измерване на трите компоненти на магнитното поле, съдържаща квадратна полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, по четирите края на едната й страна са формирани последователно по часовниковата стрелка еднакви омични контакти първи, втори, трети и четвърти като първият и третият, и съответно вторият и четвъртият са разположени диагонално. Външното магнитно поле е с произволна посока спрямо подложката. С три последователни комбинации на свързване на контактите, всяка от които съдържа два омични контакта, включени към токоизточник и съответно другата двойка контакти като изход се измерват последователно трите взаимноперпендикулярни компоненти на магнитното поле - първа, втора и трета. Изходът за първата компонента са вторият и третият омичен контакт, а първият и чегвъртият са включени към токоизточника, изходът за втората компонента третият и четвъртият, а първият и вторият контакт

65970 ΒΙ са включени към токоизточника, и за третата компонента - вторият и четвъртият, а първият и третият контакт са включени към токоизточника.

Предимства на изобретението са опростената конструкция, съдържаща само подложка с четири контакта и един токоизточник, и малките размери, позволяващи съществена миниатюризация на микросистемата, водеща до висока пространствена разделителна способност.

Пояснение на приложените фигури

По-подробно изобретението се пояснява с приложените фигури, където:

фигура 1 представлява конструкция на микросистемата за измерване на трите компоненти на магнитното поле;

фигури 2,3 и 4 - трите различни комбинации на свързване на омичните контакти с токоизточника и изходите за последователно измерване на взаимноперпендикулярните компоненти на магнитното поле.

Примери за изпълнение на изобретението

Микросистемата за измерване на трите компоненти на магнитното поле съдържа квадратна полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, по четирите края на едната й страна са формирани последователно по часовниковата стрелка еднакви омични контакти първи 2, втори 3, трети 4 и четвърти 5 като първият 2 и третият 4, и съответно вторият 3 и четвъртият 5 са разположени диагонално. Външното магнитно поле 6 е с произволна посока спрямо подложката 1. С три последователни комбинации на свързване на контактите 2,3,4 и 5, всяка от които съдържа два омични контакта, включени към токоизточник 7 и съответно другата двойка контакти като изход се измерват последователно трите взаимноперпендикулярни компоненти на магнитното поле - първа, 8, втора 9 и трета

10. Изходът 11 за първата компонента 8 са вторият 3 и третият 4 омичен контакт, а първият 2 и четвъртият 5 са включени към токоизточника 7, изходът 12 за втората компонента 9 - третият 4 и четвъртият 5, а първият 2 и вторият 3 контакт са включени към токоизточника 7, и за третата компонента 10 - вторият 3 и четвъртият 5, а първият 2 и третият 4 контакт са включени към токоизточника 7.

Действието на микросистемата за измерване на трите компоненти на магнитното поле, съгласно изобретението, е следното. При включване на два от контактите 2 и 5, 2 и 3 или 2 и 4 към токоизточника 7, в обема на квадратната полупроводникова подложка 1 възниква ток 1₂₅, 1_{2 3} или 1_{2 4}. Ефективната траектория на носителите, поради планарността на захранващите контакти при трите комбинации на свързване 2 и 5, 2 и 3, и 2 и 4 е криволинейна (траекторията започва и завършва върху горната повърхност на подложката 1). В резултат на еквипотенциалността на омичните контакти 2, 3,4 и 5, първоначално токовите линии са перпендикулярни към горната страна на подложката 1 с контактите 2, 3,4 и 5, фигура 1. Ето защо в п ози участък от траекторията на носителите доминира вертикалната компонента на дрейфовата им скорост У^, У_у ~ и токът прониква дълбоко в активната сензорна зона, в случая подложката 1. При това посоките на векторите на скоростта У_у под двата захранващи контакти 2 и 5, 2 и 3, или 2 и 4 са противоположни. На траекторията между захранващите контакти 2 и 5, 2 и 3, или 2 и 4 съществува участък, при който доминира хоризонталната компонента У_ь на дрейфовата скорост V на носителите, успоредна на равнината на подложката 1, У_ь - ν^. В останалите участъци на токовите линии за скоростта У^ са определящи вертикалната У_у и хоризонталната У_ь компонента, У_л=

V + У.

ν Ь

При наличие на външното магнитно поле В 6 с ортогоналните компоненти В_х 8, В_у 9 и Β_ζ 10 възникват едновременно сили на Лоренц Р , съответстващи на взаимодействието на компонентите 8, 9 и 10 с вертикалната У_у и хоризонталната У_ь скорост на токоносителите. Векторната сума на компоненти Β_χ 8, В_у 9 и Β_ζ 10 обуславя магнитния вектор В 6, т.е. В = В_х + В + Β_ζ, а стойността му е |В| = (Β_χ ² + Ву² + Βζ²)^ι/2. Отклоняващите сили на Лоренц Р_ь са едновременно перпендикулярни както на магнитните компоненти В_х 8, В 9 и Β_ζ 10, така и на скоростите У_у и У_ь. Именно тези латерални (странични) Лоренцови отклонения на движещите се носители са причина за генериране върху горната гранична повърхност на полупроводниковата подложка 1, там където са контактите 2, 3, 4 и 5, на ефект на Хол, т.е. там възникват допълнителни

65970 В1 електрически товари, респективно поле на Хол Е_н и напрежение на Хол У_н. При фиксиран захранващ ток 1₂₅ = сопзр 1₂₃ = соп51 и 1₂₄ = СОП31 напреженията на Хол са линейни и нечетни функции на магнитните компоненти Β_χ 8, В 9 и Β_ζ

10. Измерването на Ходовите сигнали дава еднозначна информация за магнитните компоненти 8, 9 и 10.

Неочакваният положителен ефект на техническото решение, в сравнение с известното е, че е създадена такава приборна конструкция на микросистемата, която позволява с последователни комбинации от свързване на минимален брой контакти 2, 3, 4 и 5, т.е. само 4, да се екстрахира пълната информация във вид на линейно и нечетно Ходово напрежение за съответната ортогонална компонента В_х 8, В_у 9 и Β_ζ 10 на магнитното поле В 6. Тази информация съдържа както стойността на магнитната компонента 8,9 или 10, така и неговия знак, респективно посоката. Първата магнитна компонента В_х 8 се измерва на изхода 11 с напрежението на Хол У_{нз 4}(В_х), т.е. напрежението между втория 3 и третия 4 омичен контакт при постоянен захранващ ток 1_{2 5} = соп51, фигура 2. Произходът на сигнала У_{нз 4}(В_х) е в резултат от противоположните вертикални скорости У_у и - У_у на носителите под захранващите първи 2 и четвърти 5 контакт. Съответстващите им отклоняващи сили на Лоренц са също противоположни и върху повърхностната област при изходните контакти 3 и 4 се генерира напрежението на Хол У_{нз 4}(В_х). То е еднозначно свързано с първата компонента В_х

8. Втората магнитна компонента В_у 9 се измерва с последващата комбинация на свързване - захранващите контакти са първият 2 и вторият 3, а изходът 12 са третият 4 и четвъртият 5, фигура 3. Произходът на напрежението на Хол У_{Н4 5}(В_у) е същият както на вече описания за първата компонента В_х 8. Третата магнитна компонента Β_ζ 10 се измерва с третата комбинация на свързване захранващи контакти са диагоналните първи 2 и трети 4, а изходът 1 3 са другите два диагонални контакта 3 и 5, фигура 4. Напрежението на Хол У_{Н2 4}(В ) се генерира от хоризонталната компонента У_ь на скоростта У^ на токоносителите.

Оригинално е преодолян и проблемът с паразитното влияние върху даден изход 11, 12 или 13 на другите магнитни компоненти, за които той не е предназначен. Решението се съдържа в подходящия избор на изходните контакти. Например, ако се измерва компонента Β_χ 8, върху изхода 11 другите две компоненти В_у 9 и Β_ζ 10 генерират едновременно синфазни съставляващи (потенциали с един и същ знак и еднакви по стойност). Тъй като изходът 11 е диференциален, паразитните потенциали се компенсират и не променят полезното в случая Холово напрежение У_{нз 4}(В_х). Аналогично се компенсира негативното влияние на компонентите В_х 8 и Β_ζ 10 върху изхода 12, т.е. върху напрежението на Хол У_{Н4 5}(В_у), е което се измерва компонента В_у 9. Въздействието на компонентите В_х 8 и В_у 9 чрез съответните сили на Лоренц върху диференциалния изход 13, респективно върху напрежението на Хол У_{нз 5}(Β_ζ), е също синфазно и практически не се променя.

Преобразувателната ефективност на съответните магнитни компоненти 8,9 и 10 в напрежения на Хол 11, 12 и 13 за отделните канали е различна при един и същ захранващ ток 1_{2 5} = 1_{2 3} = 1_{2 4} = сопзЕ Тяхното изравняване, опростяващо последващата обработка на сензорните сигнали, може да се постигне с установяването на различни по стойност захранващи токове 1_{2 5}, 1₂₃ и 1₂₄. За постигане на висока преобразувателна ефективност подложката 1 трябва да е с птип проводимост, тъй като подвижността ппсго_п на електроните е по-голяма от тази на дупките.

Решението на техническата задача само с полупроводникова подложка 1, четири контакта и един токоизточник съществено опростява известната микросистема за последователно измерване на компонентите 8, 9 и 10 на магнитното поле В 6. Едновременно с това размерите на новия магнитометър са значително редуцирани и е повишена разделителната му способност. По същество информацията за трите компоненти на магнитното поле В 6 се екстрахира от една и съща „точка” в пространството. Друго предимство е технологичното опростяване при реализацията на микросистемата, тъй като не се налага формиране на диодни р-п преходи за емитер, колектори и т.н. Размяната на функциите на контакти 2, 3, 4 и 5 от захранващи в измервателни, или обратно при последователното измерване на компонентите 8, 9 и 10 може да се осъществи чрез мултиплексор с фиксирана честота. Честотата се определя от евентуалната динамика на измерваното магнитно поле В 6. Неминуемият

65970 В1 офсет (паразитното напрежение на изходите 11, 12 и 13 в отсъствие на магнитно поле В 6) може лесно да се компенсира на следващ етап от обработката на напреженията на Хол.

Възможност за повишаване чувствителността на новия сензор е използването на криогенна среда, например течен азот, течен неон и др. При ниските температури подвижността ппсго на токоносителите нараства многократно. Това води до рязко увеличаване на дрейфовата скорост на електроните, оттук на отклоняващите сили на Лоренц Р_ь и ефекта на Хол, а следователно и магниточувствителностга на отделните канали.

Предпочитаните технологии за реализиране на новата микросистема за измерване на трите компоненти на магнитното поле са СМО5, ΒϊΟΜΟδ или микромашининг процеси. Те предоставят оптимална възможност за интегрирането в общ силициев чип на магнитометъра заедно с обработващите изходните сигнали 1С схеми. Такива интелигентни микросистеми са с многофункционално приложение.

Claims (1)

1. Микросистема за измерване на трите компонента на магнитното поле, съдържаща полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани омични контакти, токоизточник, три изхода, като с три последователни комбинации на свързване на контактите се измерват трите вза5 имноперпендикулярни компонента на магнитно поле с произволна посока спрямо подложката, характеризираща се с това, че подложката (1) е квадратна, по четирите края на едната й страна са формирани последователно по часовниковата стрелка еднакви омични контакти първи (2), втори (3), трети (4) и четвърти (5), като първият (2) и третият (4), и съответно вторият (3) и четвъртият (5), са разположени диагонално, изходът (11) за първата компонента (8) на магнитното поле (6) са вторият (3) и третият (4) омичен контакт, а първият (2) и четвъртият (5) са включени към токоизточника (7), изходът (12) за втората компонента (9) са третият (4) и четвъртият (5), а първият (2) и вторият (3) контакт са включени към токоизточника (7) и изходът (13) за третата компонента (10) са вторият (3) и четвъртият (5) контакт, а първият (2) и третият (4) са включени към токоизточника (7).