BG66433B1

BG66433B1 - Двумерен векторен магнитометър

Info

Publication number: BG66433B1
Application number: BG110676A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Сия ЛОЗАНОВА
Original assignee: Скейл Фокус Ад
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2014-05-30
Also published as: BG110676A

Abstract

Създаден е двукомпонентен векторен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка (1) с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран n-тип епитаксиален слой (2), съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В краищата на n-тип слоя (2) и върху него са формирани на равни разстояния един от друг по два еднакви омични контакта (3 и 4) и съответно (5 и 6). Двойките контакти (3 и 4) и (5 и 6) през еднакви по стойност резистори (7, 8, 9 и 10) са свързани с по един от изводите на токоизточник (11). Измерваното външно магнитно поле (12) лежи в равнината на подложката (1), а диференциалните изходи (13 и 14) за двете му взаимно перпендикулярни равнинни компоненти са двойките омични контакта (3 и 4), и съответно (5 и 6).

Description

(54) ДВУМЕРЕН ВЕКТОРЕН МАГНИТОМЕТЪР

Област на техниката

Изобретението се отнася до двумерен векторен магнитометър, приложимо в областта на сензориката и микросистемите, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти, системното инженерство, автоматичното управление, контролно-измервателната технология, биомедицинските изследвания и биопроцесите. слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е двукомпонентен векторен 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 [1].

Недостатък на този двукомпонентен векторен магнитометър е ниската му чувствителност при измерване на компонентите на вектора на магнитното поле в резултат от генериране на двата му изхода само половините от стойностите на двете развиващи се напрежения на Хол в епитаксиалния слой.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде двукомпонентен векторен магнитометър с висока магниточувствителност.

Тази задача се решава с двукомпонентен векторен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран п-тип епитакси ален слой, съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В близост до двата края на п-тип слоя и върху него са формирани на равни разстояния един от друг по два еднакви омични контакти. Всяка двойка омични контакти през еднакви по стойност товарни резистори е свързана съответно с по един от изводите на източник на напрежение. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка, а диференциалните изходи за двете му взаимно перпендикулярни равнинни компоненти са съответно двойките омични контакти.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност поради измерване с двете двойки изходни контакти на пълните напрежения на Хол, генерирани в п-тип епитаксиалния слой от двете магнитни компоненти.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Двукомпонентният векторен магнитометър съдържа полупроводникова подложка 1 с р-тип проводи мост, 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 на равни разстояния един от друг по два еднакви омични контакти 3 и 4. и съответно 5 и 6. Всяка двойка омични контакти 3 и 4, и 5 и 6 през еднакви по стойност товарни резистори 7, 8,9 и 10 е свързана съответно с по един от изводите на източник на напрежение 11. Измерваното външно магнитно поле 12 лежи в равнината на полупроводниковата подложка 1. а диференциалните изходи 13 и 14 за двете му взаимно перпендикулярни равнинни компоненти са двойките омични контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6.

Действието на двукомпонентния векторен магнитометър, съгласно изобретението, е следното.

При включване на двойките омични контакти 3 и 4. и 5 и 6 през еднакви по стойност товарни резистори (R₍) 7, (Щ) 8 и съответно(R,) 9 и (R₄) 10 (R₁ = R, = R₃= R₄) към източника на

66433 Bl напрежение 11, в п-слоя 2 вследствие структурната и електрическата симетрия на микросензора протичат четири еднакви по стойност компоненти I„ I₄, L и 1₆ на захранващия ток I , 1,+1₄+ I. + 1₍ = 1₅ Индивидуалните траектории на компоненти I, 1₄, I. и 1₆ са криволинейни в областите под съответните контакти 3, 4, 5 и 6. В останалата част на п-тип епитаксиалния слой 2 захранващият ток I е успореден на страните му, като I ~ V_dr, където V_dr е средната дрейфова скорост на електроните в п-слоя 2. При това посоката на тока I е строго регламентирана в двете взаимно перпендикулярни части на сензора от добре дефинираната преобразувателна област в п-слоя 2, т.е. в двете равни части на пслоя 2 посоките на тока 1 . са също взаимно перпендикулярни. В резултат на симетрията на двукомпонентния векторен магнитометър и в отсъствие на външно магнитно поле В 12, В = 0, на двата сензорни изхода V (Bj 13 и V (В ) 14 отсъстват паразитни напрежения (офсети). В случай на офсет/офсети чрез подбор на един или два от товарните резистори (R ) 7, (К,) 8, (RJ 9 или (R₄) 10 се постига нулиране, т.е. пълно компенсиране на паразитните напрежения на изходи 13 и 14.

Когато се приложи външно магнитно поле В 12, лежащо в равнината на р-тип полупроводниковата подложка 1, двете му ортогонални компоненти Β_χ и В (В = Β_χ + В ) чрез съответните сили на Лоренц F_Lx = qV_d Β_χ и F_)y = qV_dB отклоняват движещите се със скорост V_dr електрони в двете взаимно перпендикулярни части на епитаксилния слой 2. При фиксирана посока на захранващия ток I . в зависимост от посоките на магнитните компоненти В и В , тези отклонения са или нагоре, където са формирани контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6, или в противоположна посока - към р-подложката 1, фигура 1. В резултат върху контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6 се развиват пълните напрежения на Хол V_Hx(B_y) и V (B_v), генерирани в двете взаимно перпендикулярни части на п-тип епитаксиалния слой 2. Именно тези два Ходови сигнали формират двете изходни диференциални напрежения на магнитометъра V (В ) 13 и съответно V (В ) 14. Диференциалните изходи 13 и 14 потискат напълно четното квадратично магнитосъпротивление MR ~ В², възникващо в полупроводниковите структури едновременно с ли нейния и нечетен от магнитното поле В 12 ефект на Хол. Ето защо двата изходни Холови сигнали 13 и 14 салинейни и нечетни функции от стойностите и посоките на компонентите В и В на полеX у то 12, и следователно гарантират високо метрологично качество на двата сензорни изхода 13 и 14.

Неочакваният положителен ефект на предложеното техническо решение се заключава във възможността да се “извадят” навън от обема на активната сензорна зона 2 чрез нетрадиционно разположените двойки контакти 3 и 4. и 5 и 6 пълните, а не само половините, от генерираните в п-тип епитаксиалния слой 2 напрежения на Хол. Друга иновативна особеност на решението е, че двойките контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6 са едновременно захранващи (входни) и изходни (Ходови). Важна характеристика на двумерния векторен магнитометър е, че знаците (полярностите) на двете изходни напрежения V (В ) 13 и V_v(B_v) 14 съвпадат, което сериозно облекчава последващата им електронна обработка. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 12 и ъгъла Θ на полето В 12 в х-у равнината нар-подложката 1 се давате изразите: |В| = (Β_χ ²+ Ву²)^|2и 0 = tan '(V (Bx)/V(BJ).

Проведените експерименти с образци на новия двукомпонентен векторен магнитометър, реализирани на основата на стандартна силициева биполярна технология, съгласно изобретението, и сравняване на резултатите с тези за известното решение показват: при фиксирана стойност на захранващия ток 1 , и определена посока на магнитното поле В 12 в равнината на подложката 1, магниточувствителностите на двата X- и Y-сензорни канали е еднаква и двойно поголяма. Подобрен е също и един от най-важните сензорни параметри на X- и Y-каналите отношението сигнал/шум. Двумерният векторен магнитометър може да се осъществи и с CMOS или микромашининг технологии. Паразитното влияние между X- и Y-сензорните канали е достатъчно минимизирано. Силите на Лоренц F и F , в контекста на предложеното техническо решение, действат върху вертикалните участъци на криволинейните токови компоненти 1,, 1 I. и Ι_(ι под контакти 3. 4, 5 и 6. Същевременно влиянията респективно на Вх и By магнитни компоненти върху токове I и I, и съответно върху токове 1, и 1₄ е синфазно. Ето защо в първо приб

66433 Bl лижение влиянието на полета В и В върху изходни напрежения V (В ) 14 и VJBJ 13 е максимално потиснато. Стойностите на товарните резистори (RJ 7, (1<() 8, (R.) 9 и (R₄) 10 следва да надвишават най-малко с един порядък вътрешното съпротивление R на п-тип епитаксиалния слой 2 между контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6. Това условие гарантира режим на функциониране на 2D микросензора генератор на ток I = const.

Claims

1. Двукомпонентен векторен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с ртип проводимост, върху едната страна на която е формиран п-тип епитаксиален слой, съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части и източник на напрежение, като измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупро водниковата подложка, характеризиращ се с това, че в близост до двата края на п-тип епитаксиалния слой (2) и върху него са формирани на равни разстояния един от друг по два еднакви омични контакта (3 и 4), и съответно (5 и 6), всяка двойка омични контакти (3 и 4), и (5 и 6) през еднакви постойност товарни резистори (7, 8. 9 и 10) е свързана съответно с по един от изводите на източника на напрежение (11), а диференциалните изходи (13 и 14) за двете взаимно перпендикулярни равнинни компоненти на магнитното поле (12) са двойките омични контакти (3 и 4), и съответно (5 и 6).

Приложение: 1 фигура

Литература

1. Roumenin, Ch., Lozanova, S. CMOS 2D Hall microsensor with minimal design complexity, Electronics Letters, vol. 43(9) 2007, pp. 511-513.