BG66624B1

BG66624B1 - Двумерен магнитометър

Info

Publication number: BG66624B1
Application number: BG111199A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Станоев Руменин Чавдар; Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова София Сия
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2017-11-30
Also published as: BG111199A

Abstract

Двумерният магнитометър съдържа полупроводникова n-тип подложка, върху едната страна на която са формирани два квадратни омични контакта (2 и 3), разположени в близост един до друг. Симетрично спрямо четирите им страни има последователно по часовниковата стрелка по един правоъгълен омичен контакт - първи (4 и 5), втори (6 и 7), трети (8 и 9), и четвърти (10 и 11). Всичките с еднакви размери. Всяка от двете групи, съдържаща квадратен (2 и 3) и четири правоъгълни контакта (4 и 5), (6 и 7) и съответно (8 и 9), (10 и 11) е обградена с дълбок p-тип ринг (12). Контактите (2 и 3) са съединени с токоизточник (13). Първите (4 и 5) и вторите (6 и 7) контакти от всяка група са свързани съответно помежду си. Четвъртите (10 и 11) и съответно третите (8 и 9) контакти от всяка група са изходите (14 и 15) на двумерния магнитометър за двете ортогонални компоненти на магнитното поле (16), лежащо в равнината на n-тип подложката (1).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до двумерен магнитометър, приложим в областта на сензориката микро- и нано-технологиите, системното инженерство, включително биоинженерството, роботиката и мехатрониката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, биомедицинските изследвания, енергетиката и енергийната ефективност, позиционирането на обекти, автоматиката, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е двумерен магнитометър, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт с квадратна форма като на разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има последователно по един правоъгълен вътрешен омичен контакт и по един външен омичен контакт. Четирите външни контакта са съединени и през токоизточник са свързани с централния контакт. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на п-тип подложката, като всяка двойка срещуположни вътрешни контакти спрямо централния са изходите на двумерния магнитометър за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле [1,2].

Недостатък на този двумерен магнитометър е редуцираната точност на отделните сензорни канали при измерване на равнинните компоненти на магнитното поле в резултат на паразитното междуканално влияние от повърхностното разтичане на четирите захранващи тока между централния и четирите крайни контакти.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде двумерен магнитометър с висока измервателна точност на двата сензорни канала.

Тази задача се решава с двумерен магнитометър, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани в близост един до друг два еднакви с квадратна форма омични контакти като на разстояния и симетрично спрямо четирите страни на всеки един от тях има разположени последователно по часовниковата стрелка по един правоъгълен омичен контакт - първи, втори, трети и четвърти, всичките с еднакви размери. Всяка от двете групи, съдържаща квадратен и четири правоъгълни контакта е обградена с дълбок р-тип ринг. Двата квадратни контакта са съединени с токоизточник. Първите и съответно вторите контакти от всяка група са свързани помежду си. Четвъртите и съответно третите контакти от всяка група са изходите на двумерния магнитометър за двете ортогонални компоненти на магнитното поле, лежащо в равнината на п-подложката.

Предимство на изобретението е високата измервателна точност на двата сензорни канала поради силно редуцираното повърхностно разтичане на захранващия ток, постигнато с обграждащия двете групи контакти р-тип ринг.

Предимство е също повишената магниточувствителност на двата сензорни канала в резултат на последователното свързване на изходите на двата магнитопреобразувателя, формирани от двете групи омични контакти и от наличие на обграждащия ги дълбок р-тип ринг.

Предимство е още повишеното съотношение сигнал/шум и резолюцията на измерваната магнитна индукция от нарасналата чувствителност на сензорните канали.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Двумерният магнитометър съдържа п-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която са формирани в близост един до друг два еднакви с квадратна форма омични контакти 2 и 3 като на разстояния и симетрично спрямо четирите страни на всеки един от тях има разположени последователно по часовниковата стрелка по един правоъгълен омичен контакт - първи 4 и 5, втори 6 и 7, трети

66624 В1 и 9 и четвърти 10 и 11, всичките с еднакви размери. Всяка от двете групи, съдържаща квадратен 2 и 3 и четири правоъгълни контакта 4 и 5, 6 и 7, и съответно 8 и 9, 10 и 11 е обградена с дълбок р-тип ринг 12. Двата квадратни контакта 2 и 3 са съединени с токоизточник 13. Първите 4 и 5 и съответно вторите 6 и 7 контакти от всяка група са свързани помежду си. Четвъртите 10 и 11 и съответно третите 8 и 9 контакти от всяка група са изходите 14 и 15 на двумерния магнитометър за двете ортогонални компоненти на магнитното поле 16, лежащо в равнината на п-тип подложката 1.

Действието на двумерния магнитометър, съгласно изобретението, е следното.

При включване на двата квадратни контакта 2 и 3 към токоизточника 13, между тях протича захранващ ток 1₂₃. Неговата траектория в областите под контакти 2 и 3 първоначално е перпендикулярна на горната повърхност на п-подложката 1, тъй като квадратните нискоомни контакти 2 и 3 представляват еквипотенциални равнини. Другата част от ефективната траектория на тока 1_{2 3} е в обема на п-подложката 1 и е успоредна на горната й страна. Важна особеност е, че посоките на тока 1₂₃ под квадратните контакти 2 и 3 са противоположни, 1₂ = |-1₃| = 1_{2 3}. Дълбокият р-тип ринг, обграждащ достатъчно близко омичните контакти 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 драстично редуцира разтичането по повърхността на подложката 1 на захранващия ток 1₂₃.

Външното магнитно поле В 16, което е с произволна ориентация в равнината на подложката 1, чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти Β_χ и В_у води до възникване на съответни латерално отклоняващи движещи се токоносители 1₂₃ сили на Лоренц, Р_Е = ц У_0г х В, където ς е елементарния товар на електрона, а У_0г е векторът на средната дрейфова скорост на токоносителите, в нашия случай електроните. В резултат на тази Лоренцова дефлекция в повърхностните зони, там където са разположени омични контакти 4 и 8, и съответно би 10 от едната група и 5 и 9, и съответно 7 и 11 от другата, се генерират противоположни по знак електрически товари. Това води до поява на напрежения на Хол върху тези контакти както следва: У₄₈(В_х) и У₆₁₀(В_у), и съответно У₅₉(В_х) и У_{7 и}(В_у). Поради структурната симетрия на двете групи контакти и противоположната посока на тока 1_{2 3} под контакти 2 и 3, тези напрежения са еднакви по стойност и са с противоположна полярност, У_{4 8}(В_х) = |- У_{5 9}(В_х)| и У_6ю(В_у) = |- У₇ „(В )|. Когато двата първи 4 и 5 и двата втори 6 и 7 контакта от всяка група са свързани съответно помежду си, се осъществява сумиране на напреженията на Хол: У_{8 9}(Β_χ) = У_{4 8}(Β_χ) + У_{5 9}(В_х) и У_{6 ]},(В ) = \₁₀(В_у) + У₇₁,(В ). Ето защо върху диференциалните изходи У_Ш|1(В_у) 14 и У₈₉(В_х) 15 на двуосния векторен магнитометър се генерират двойно по-големи напрежения на Хол, отколкото ако се използва само един магнитопреобразувател, конфигуриран от една група омични контакти, например 2,4,6, 8 и 10. Двата изходни Ходови сигнали 14 и 15 са линейни и нечетни функции от стойностите и посоките на компонентите Β_χ и В_у на полето В 16, и следователно гарантират високо метрологично качество на 2-Ό сензора. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 16 в равнината х-у на п-подложката 1 и ъгълът Θ на полето В 16 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина се дават с изразите: |В| = (В_х ² + Ву²)^1/2 и Θ = 1ап-’(У(Ву)/У_х(В_х)).

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във възможността с един и същ захранващ ток 1₂ чрез две максимално опростени конфигурации омични контакти да се генерират две по две линейни и нечетни Холови напрежения, регистриращи компонентите на равнинния магнитен вектор В(В ,В ). След сумиране на изходните сигнали без допълнителна схемотехника магниточувствителността на двата изхода 14 и 15 практически се удвоява. От съществено значение за опростяване на последващата обработка на изходните напрежения 14 и 15 е, че избраната симетрична структура определя равенство на магниточувствителностите на изходи 14 и 15. Чрез специфичната геометрия на р-тип ринга 12 драстично са минимизирани повърхностните паразитни токове. Разтичането им по повърхността практически е отстранено и измервателната точност на двата сензорни канала е съществено подобрена. Дълбокият р-ринг 12 подобрява също ортогоналността на токове 1₂ и 1₃ през двата квадратни захранващи контакта 2 и 3 в отсъствие на магнитно поле В 16 спрямо горната равнина на подложката 1. Така токовите линии 1_{2 3} проникват дълбоко в обема на п-полупроводниковата подложка 1. Следователно въздействието на двете компоненти В и В на магнитното поле В 16 чрез

X у силите на Лоренц Р_ь върху токове 1₂ и 1₃ е значително повишено, и магниточувствителността на двата канала също.

66624 В1

Проведените експерименти с прототипи на новия двумерен магнитометър, реализирани на основата на силициева биполярна технология съгласно изобретението и сравняването на резултатите с тези за известното решение показват, че при фиксирана стойност на захранващия ток 1_{2 3} = сопз! и определена посока на магнитното поле В 16 в равнината на η-δϊ подложка 1, магниточувствителностите на двата х- и у-сензорни канали 14 и 15 са равни и двойно по-големи. Подобрен е също и един от най-важните сензорни параметри на х- и у-каналите - съотношението сигнал/шум δ/Ν. Установено е, че паразитното влияние между двата сензорни канали е съществено минимизирано като измервателната точност на двумерния магнитометър е значително повишена. При необходимост 2-Ό магнитометърът може да се реализира с микромашининг силициева технология.

Claims

Патентни претенции

1. Двумерен магнитометър, съдържащ полупроводникова п-тип подложка, върху едната страна на която са формирани омичен контакт с квадратна форма и симетрично спрямо него правоъгълни омични контакти, токоизточник, като външното магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка, характеризиращ се с това, че квадратните омични контакти са два (2 и 3) и са разположени в близост един до друг, на разстояния и симетрично спрямо четирите страни на всеки един от тях има последователно по часовниковата стрелка по един правоъгълен омичен контакт - първи (4 и 5), втори (6 и 7), трети (8 и 9) и четвърти (10 и 11), всичките с еднакви размери, като всяка от двете групи, съдържаща квадратния (2 и 3) и четирите правоъгълни контакта (4 и 5), (6 и 7) и съответно (8 и 9), (10 и 11) е обградена с дълбок р-тип ринг (12), като двата квадратни контакта (2 и 3) са съединени с токоизточника (13), а първите (4 и 5) и съответно вторите (6 и 7) контакти от всяка група са свързани помежду си, при което четвъртите (10 и 11) и съответно третите (8 и 9) контакти от всяка група са изходите (14 и 15) на двумерния магнитометър за двете ортогонални компоненти на магнитното поле (16), лежащо в равнината на п-тип подложката (1).