BG66234B1 - Двукомпонентен магниточувствителен сензор - Google Patents

Abstract

Двукомпонентният магниточувствителен сензор съдържа полупроводникова подложка (1) с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран n-тип епитаксиален слой (2), и токоизточник (7), като магнитното поле (10) лежи в равнината на подложката (1). Епитаксиалният слой (2) е съставен от две взаимно перпендикулярни части. До двете къси страни на n-тип слоя (2) са формирани по един Холов контакт (3 и 4) и на разстояния от тях още по един захранващ контакт (5 и 6). Контактите (5 и 6) са съединени с токоизточника (7), към който са свързани още два тримера (8 и 9). Изходи (11 и 12) за двете ортогонални компоненти на полето (10) са средните точки на тримерите (8 и 9) и съответно Холовите контакти (3 и 4).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до двукомпонентен магниточувствителен сензор, приложим в областта на слабополевата магнитометрия, позиционирането на обекти в пространството, магнитната биодетекция, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, автоматиката, контролно-измервателната технология, сензориката, микросистемите, медицината, военното дело, и други.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е двукомпонентен магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, като на едната й повърхност е формиран п-тип епитаксиален слой във вид на равностранен кръст с фиксирана дебелина. Върху п-тип слоя са реализирани един централен омичен електрод, на разстояния и симетрично спрямо него на четирите рамене на кръстовидния п-слой са разположени последователно по един Холов контакт и още по един краен омичен електрод. Четирите крайни омични електроди са свързани и през токоизточник са съединени с централния омичен електрод. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка и е с произволна ориентация. Изходите за двете му взаимно перпендикулярни компоненти са съответно срещуположните спрямо централния електрод Холови контакти, [1,2,3].

Недостатък на този двукомпонентен магниточувствителен сензор е високото ниво на собствения нискочестотен шум, влошаващ съществено както отношението сигнал/шум, така и основния параметър - разделителна способност (резолюция), дефиниращ най-ниската измервана от сензора стойност на магнитното поле.

Друг недостатък е усложнената конструкция, съдържаща девет контакта и оттук значителните размери на активната преобразувателна зона, неподходящи за прецизно определяне разпределението на магнитната индукция.

Освен това недостатък е и наличието на начални паразитни напрежения (офсети) на двата изхода в отсъствие на външно магнитно поле, понижаващи точността на измерване на двете магнитни компоненти.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде двукомпонентен магниточувствителен сензор с ниско ниво на собствения нискочестотен шум, опростена конструкция и отсъствие на начални паразитни напрежения (офсети) на двата изхода.

Тази задача се решава с двукомпонентен магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е реализиран п-тип епитаксиален слой с правоъгълна форма и фиксирана дебелина, съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В близост до късите страни на п-тип слоя и върху него са формирани по един Холов контакт, на еднакви разстояния от тях, не по-големи от дебелината на слоя и не по-малки от ширината на Ходовия контакт, има още по един захранващ омичен контакт. Двата захранващи контакта са съединени с токоизточник, към който са свързани още и два тримера. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка и е с произволна ориентация, а изходи за двете му взаимно перпендикулярни компоненти са по една от средните точки на тримерите и съответно по един Холов контакт.

Предимство на изобретението е ниското ниво на собствения нискочестотен шум едновременно с високата разделителна способност, тъй като захранващият ток не преминава под Ходовите контакти.

Друго предимство е опростената конструкция, съдържаща само четири контакта, а оттук и малките размери измервателна зона на двумерния сензор.

Освен това предимство е и отсъствието на офсети на двата изхода, компенсиращи се с двата тримера.

Описание на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Двукомпонентният магниточувствителен сензор съдъожа полупповолникпия пппплжкя 1

66234 Bl c р-тип проводимост, върху едната страна на която е реализиран п-тип епитаксиален слой 2 с правоъгълна форма и фиксирана дебелина, съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В близост до късите страни на п-тип слоя 2 и върху него са формирани по един Холов контакт 3 и 4, на еднакви разстояния от тях не поголеми от дебелината на слоя 2 и не по-малки от ширината на Ходовия контакт 3 или 4, има още по един захранващ омичен контакт 5 и 6. Двата захранващи контакта 5 и 6 са съединени с токоизточник 7, към който са свързани още и два тримера 8 и 9. Измерваното външно магнитно поле 10 лежи в равнината на полупроводниковата подложка 1 и е с произволна ориентация, а изходи 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 3 и 4.

Действието на двукомпонентния магниточувствителен сензор, съгласно изобретението, е следното.

При включването на омични контакти 5 и 6 към токоизточника 7, през двете взаимно перпендикулярни части на сензора протича захранващият ток 1_{5 6} като I_{5 6} ~ където е средната дрейфова скорост на електроните в п-тип епитаксиалния слой 2. Протичането на тока 1_{5 6} е добре ограничено в двата дяла на сензора, т.е. в двете равни и взаимно перпендикулярни части на п-слоя 2. Траекторията на токовата компонента 1₅, например от захранващия омичен контакт 5, който представлява еквипотенциална равнина, първоначално е насочена вертикално надолу в епитаксиалния п-слой 2. След това токовите линии 1_{5 6} стават успоредни на равнината на п-слоя 2 в двете му взаимно перпендикулярни части. Под другия омичен контакт 6, който също е еквипотенциална равнина, токът отново променя посоката си като компонента 1₆ е вертикално насочена нагоре към повърхността на п-слоя 2. Очевидно всичките три токови компоненти са равни 1₅ = 1_{5 б} = 1₆. Фактически това е един и същ ток 1_{5 6}, но с променяща се в различните части на п-слоя посока.

Съгласно теорията и експерименталните изследвания на шумовите процеси в полупроводниковите елементи и структури, в обхвата честоти до f ? 1000 Hz доминира добре известния нискочестотен Ι/f собствен шум. Той е об ратно пропорционален на честотата f, т.е. колкото е по-ниска честотата f, толкова амплитудите на хаотичните шумови флуктуации са по-големи. В резултат на тези паразитни сигнали разделителната способност, например, на магниточувствителния сензор, е съществено редуцирана. При честота f ~ 0 негативната роля на шума Ι/f е максимална. Първопричина за този вид шум е протичащият ток като спектралната плътност на шума е квадратична функция от него. Именно в повърхностната област с регистриращите Холови сонди хаотичните флуктуации на токоносителите генерират паразитни шумови потенциали, влошаващи разделителната способност на Холовия сензор в магнитно поле. Иновативната идея, заложена в новото решение на двукомпонентния магниточувствителен сензор е отстраняване на паразитното влияние на Ι/f шума върху сензорните характеристики чрез изнасяне на Холовите контакти 3 и 4 извън зоната, в която тече захранващият ток 1_{5 6}. Предполагаме, че този тип шум се определя от преминаването на тока директно под измервателните контакти, както това е в известното техническо решение. Тук за първи път се използва подход за редуциране на Ι/f шума в елементи на Хол чрез местоположението на измервателните електроди 3 и 4.

Токът 1_{5 6}, респективно резистивният пад на захранващото напрежение V_{5 6}, създава на изходи 11 и 12 в отсъствие на магнитно поле В 10 напрежения (офсети), нямащи отношение към метрологичното предназначение на 2D сензора. Тези паразитни сигнали са най-често в резултат на технологични несъвършенства и структурна асиметрия. Чрез вариране на двата тримера 8 и 9 се постига компенсиране (нулиране) на офсетите на изходи 11 и 12. Такава възможност в известното решение не съществува и офсетите редуцират точността на двата изходни канала.

За преобразуването на двете ортогонални компоненти В_х и В_у на вектора на магнитното поле В 10, който лежи в равнината х-у на подложката 1 и е с произволна посока (В = В_х + В_у), са отговорни двете вертикални към повърхността на п-слоя 2 токови компоненти 1₅ и 1₆. Магнитният вектор Β_χ чрез съпътстващото го странично (по оста у) Лоренцово отклонение F_L ~ I₆x В_х ~ V_dr χΒ_χ генерира върху горната повърхност на п-слоя 2 в зоната, където е разположен Холов контакт 4 допълнителни електрически товари. Този пара

66234 Bl лелно-магнитополеви ефект на Хол създава поле на Хол Е_{н 4} и съответен Холов потенциал V_{H 4} върху контакт 4. Както е добре известно, напрежението V_H4 (Β_χ) е линейна и нечетна функция на компонентата В_х на магнитното поле В10. Същият сензорен механизъм генерира Ходовото напрежение V„, (В) от компонентата В на магнитния вектор В 10. Разполагането на захранващите омични контакти 5 и 6 са формирани на еднакви разстояния от Ходовите електроди 3 и 4, не поголеми от дебелината на n-епитаксиалния слой 2 и не по-малки от ширината на Ходовия контакт 3 или 4. Целта е от една страна да се създадат условия за постигане на максимална стойност на Холовото напрежение в зоната, където е формиран съответният Холов контакт 3 или 4, а от друга да се минимизира окъсяването на самото Ходово напрежение V_H3 (В_у) или V_H4 (Β_χ) от съответните захранващи контакти 3 и 4. Указаните съотношения са оптималните.

Върху контакти 3 и 4, освен Холов сигнал, се генерира също квадратично и четно от посоката на компоненти В и В геометрично магнитоX у ^г съпротивление V_MR ~ В². Магниторезистивният сигнал влошава метрологичните качества на изходи 11 и 12. Той е силно нелинеен и не се влияе от посоката на полето В 10. За да останат само линейните Ходови напрежения V_H3 (В_у) и V_{H 4} (Β_χ) е наложително магнитосъпротивлението да бъде напълно компенсирано. В нашия случай това се постига автоматично, и е в резултат на подходящо включените към токоизточника 7 тримери 8 и 9. Ако офсетите са предварително нулирани чрез тримери 8 и 9, магниторезистивните потенциали, генерирани едновременно както върху Ходовите контакти 3 и 4, 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 V . Този положителен ефект е неочакван в рамките на поставената задача. В резултат на симетричното разположение спрямо захранващи електроди 5 и 6 Ходови контакти 3 и 4, и общият за двата сензорни канала ток 1_{5 6} магниточувствителностга на изходи 11 и 12 е една и съща. Това е допълнително предимство на новото решение.

Намаляването броя на контактите на четири (т.е. повече от два пъти) в новия двукомпонентен магниточувствителен сензор е в резултат от оригиналната му геометрична конструкция. Също така с тримери 8 и 9 лесно се нулира неминуемият офсет на изходи 11 и 12, и напълно се потиска нелинейното магнитосъпротивление. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле 10 В и ъгъла на полето В 10 в х-у равнината на полупроводниковата подложка 1 се дават с изразите: |В| = (В_х ² + В ²)'^/2 и = tan '(V(B_y)/V(B_x)).

Проведени са експериментални изследвания на спектралната плътност на Ι/f шума с образци на новия двукомпонентен магниточувствителен сензор, реализирани със стандартна силициева биполярна технология, съгласно изобретението. Те са сравнени с резултатите за известното решение и затриконтактен сензор на Хол, близък по конструкция с единия от каналите на новия 2D магнитометър, на който Ходовият контакт е разположен в средата на разстоянието между двата захранващи електрода. Установено е еднозначно, че собствения Ι/f шум на новия 2D магнитометър е с около два порядъка по-нисък от другите два силициеви елементи. Двумерната магниточувствителна микросистема също може да се реализира със CMOS или микромашининг технологии. Повишаване чувствителността на двата Β_χ- и В_уканали се постига, ако в зоните на п-слоя 2, разположени под захранващите контакти 5 и 6, се формират “вкопани” (buried) силно легирани п⁺ подслоеве. Тези п⁺ области са със съществено по-висока проводимост, което подобрява вертикалността на токовите компоненти I. и L.

и Следователно напреженията на Хол в магнитни полета В и В нарастват.

Неочакваният положителен ефект в новото техническо решение е доказаната възможност чрез подходящо разполагане на измервателните Ходови сонди 3 и 4 да се постига съществено редуциране на основен сензорен недостатък, какъвто е Ι/f шумът. При това е значително подобрена разделителната способност на двата сензорни канала 11 и 12 както и отношението сигнал/шум.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Двукомпонентен магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на

   66234 Bl която е формиран п-тип епитаксиален слой с фиксирана дебелина, захранващи омични контакти и Холови контакти, токоизточник, като измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка и е с произволна ориентация, характеризиращ се с това, че п-тип епитаксиалният слой (2) е с правоъгълна форма и е съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части, в близост до късите страни на п-тип слоя (2) и върху него са формирани по един Холов контакт (3 и 4), а на еднакви разстояния от тях, не по-големи от дебелината на слоя (2) и не по-малки от ширината на Холовия контакт (3 или 4), има още по един захранващ контакт (5 и 6), двата захранващи контакта (5 и 6) са съединени с токоизточника (7), към който са свързани още два тримера (8 и 9), а изходи (11 и 12) за двете взаимно перпен дикулярни компоненти на измерваното магнитно поле (10) са по една от средните точки на тримерите (8 и 9), и съответно по един Холов контакт (3 и 4).