BG66640B1

BG66640B1 - Полупроводников трикомпонентен магнитометър

Info

Publication number: BG66640B1
Application number: BG111329A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Вълчева Лозанова Сия; Сия ЛОЗАНОВА; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2018-02-15
Also published as: BG111329A

Abstract

Полупроводниковият трикомпонентен магнитометър съдържа n-тип полупроводникова подложка (1) с правоъгълна форма, като на повърхността й има два продълговати омични контакти (3 и 4), които са свързани през източник на постоянен ток (9). Магнитното поле (10) е с произволна посока спрямо подложката (1), а правоъгълната n-подложка (1) е оградена с дълбок p-ринг (2). По дължината на дългите страни на вътрешната зона има още четири еднакви продълговати омични контакти - първи (5), втори (6), трети (7) и четвърти (8), като първият (5) е разположен срещу втория (6), а третият (7) е срещу четвъртия (8). Всички омични контакти (3, 4, 5, 6, 7 и 8) са симетрични спрямо центъра на оградената от p-ринга (2) вътрешна зона. За измерване на първата ортогонална компонента на магнитно поле първият (5) и четвъртият (8), и съответно вторият (6) и третият (7) контакти са свързани помежду си, като вторият (6) и четвъртият (8) контакт са изходът (11) за първата ортогонална компонента. За измерване на втората ортогонална компонента първият (5) и третият (7), и съответно вторият (6) и четвъртият (8) контакт са свързани помежду си, като изходът (12) за втората компонента са двете точки на свързване. За измерване на третата ортогонална компонента на магнитното поле четирите омични контакти (5, 6, 7 и 8) са свързани, като контакти (3 и 4) са съединени през високоомен тример (13), средната точка на който и точката на свързване на контакти (5, 6, 7 и 8) са изходът (14) за третата ортогонална компонента.@

Description

(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВ ТРИКОМПОНЕНТЕН МАГНИТОМЕТЪР

Област на техниката

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

Предшестващо състояние на техниката

Известен е полупроводников трикомпонентен магнитометър, измерващ последователно трите взаимноперпендикулярни компоненти на вектора на магнитното поле, съдържащ п-тип полупроводникова подложка с правоъгълна форма, върху едната страна на която откъм късите й страни, са формирани по един продълговат омичен базов контакт - първи и втори. В близост до първия базов контакт и симетрично на него е разположен р-тип емитер. По дължините на дългите страни на правоъгълната п-подложка са формирани по два продълговати с еднакви размери р-тип колектори - първият и вторият са от едната страна, а третият и четвъртият от другата. Двата базови контакта са свързани през първи токоизточник, емитерът е включен в права посока през втори токоизточник спрямо втория базов контакт. Магнитното поле е с произволна посока спрямо полупроводниковата п-тип подложка. За измерване на първата ортогонална компонента на магнитното поле първият и четвъртият, и съответно вторият и третият р-колектори са свързани помежду си като двете точки на свързване са съединени с по един товарен резистор и през трети токоизточник двойките колектори са включени в обратна посока спрямо втория базов контакт. Изходът за първата ортогонална компонента са двете точки на свързване на колекторите. За измерване на втората ортогонална компонента на магнитното поле първият и вторият, и съответно третият и четвъртият р-колектори са свързани помежду си като двете точки на свързване са съединени с по един товарен резистор и през третия токоизточник двойките колектори са включени в обратна посока спрямо втория базов контакт. Изходът за втората ортогонална компонента са двете точки на свързване на колекторите. За измерване на третата ортогонална компонента на вектора на магнитното поле първият и третият, и респективно вторият и четвъртият р-колектори са свързани помежду си като точките на свързване са съединени с по един товарен резистор и през третия токоизточник двойките колектори са включени в обратна посока спрямо втория базов контакт. Изходът за третата ортогонална компонента са двете точки на свързване на колекторите /1, 3/.

Недостатък на този полупроводников трикомпонентен магнитометър е твърде усложнената конструкция, изискваща три отделни токоизточника и товарни резистори.

Недостатък е също редуцираното отношение сигнал/шум и резолюцията на отделните изходни канали при измерване на магнитната индукция в резултат на повишения собствен шум от биполярното транзисторно действие на този магнитометър.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде полупроводников трикомпонентен магнитометър с опростена конструкция, висока резолюция и отношение сигнал/шум.

Тази задача се решава с полупроводников трикомпонентен магнитометър, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която е формиран дълбок правоъгълен р-ринг; на повърхността на оградената от този ринг вътрешна зона и в близост до късите й страни има два продълговати омични контакти - първи и втори; по дължината на дългите страни на вътрешната зона има още четири еднакви продълговати омични контакти - първи, втори, трети и четвърти. Първият е разположен срещу втория, а третият е срещу четвъртия като всички омични контакти са симетрични спрямо центъра на оградената от р-ринга вътрешна зона. Захранващите контакти са свързани през източник на постоянен ток. Магнитното поле е с произволна посока в пространството спрямо полупроводниковата п-тип подложка. За измерване на първата ортогонална компонента на магнитно поле

Описания на издадени патенти за изобретения № 03.1/15.03.2018 първият и четвъртият, и съответно вторият и третият контакти, разположени по дължината на дългите страни на вътрешната зона са свързани помежду си като вторият и четвъртият контакти са изходът за първата ортотонална компонента. За измерване на втората ортогонална компонента на магнитното поле първият и третият, и съответно вторият и четвъртият контакти, разположени по дължината на дългите страни на вътрешната зона са свързани помежду си, като изходът за втората ортогонална компонента са двете точки на свързване на двойките контакти. За измерване на третата ортогонална компонента на вектора на магнитното поле четирите омични контакта, разположени по дължината на дългите страни на вътрешната зона са свързани като, първият и вторият захранващи контакти са съединени през високоомен тример, средната точка на който и точката на свързване на четирите контакти са изходът за третата ортогонална компонента.

Предимство на изобретението е опростената конструкция, поради отпадането на два от трите захранващи токоизточника и на товарните резистори, а също така общият брой контакти е намален с един.

Предимство е също повишеното отношение сигнал/шум и резолюцията на отделните изходни канали при измерване на магнитната индукция поради отсъствието на биполярно транзисторно действие, заменено със стабилния и еднозначен като сензорен механизъм на функциониране ефект на Хол и за трите канала.

Предимство е още редуцираното паразитно междуканално влияние при последователното измерване на магнитните компоненти в резултат на подобрената структурна и електрическа симетрия на магнитометъра.

Описание на приложените фигури

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложените фигури:

фигура 1 представлява неговата принципна конструкция;

фигура 2 (а), (б) и (в) - трите последователни свързвания на четирите продълговати контакти по дължината на дългите страни на вътрешната правоъгълна п-тип зона на подложката за последователното измерване на трите ортогонални компоненти на вектора на магнитното поле.

Примери за изпълнение на изобретението

Полупроводниковият трикомпонентен магнитометър съдържа п-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която е формиран дълбок правоъгълен р-ринг 2. На повърхността на оградената от този ринг 2 вътрешна зона и в близост до късите й страни има два продълговати омични контакта - първи 3 и втори 4, а по дължината на дългите страни на вътрешната зона има още четири еднакви продълговати омични контакта - първи 5, втори 6, трети 7 и четвърти 8, като първият 5 е разположен срещу втория 6, а третият 7 е срещу четвъртия 8, като всички омични контакти 3, 4, 5, 6, 7 и 8 са симетрични спрямо центъра на оградената от р-ринга 2 вътрешна зона. Захранващите контакти 3 и 4 са свързани през източник на постоянен ток 9. Магнитното поле 10 е с произволна посока в пространството спрямо полупроводниковата п-тип подложка 1. За измерване на първата ортогонална компонента на магнитно поле първият 5 и четвъртият 8, и съответно вторият 6 и третият 7 контакти са свързани помежду си, като вторият 6 и четвъртият 8 контакти са изходът 11 за първата ортогонална компонента. За измерване на втората ортогонална компонента на магнитното поле първият 5 и третият 7, и съответно вторият 6 и четвъртият 8 контакт са свързани помежду си, като изходът 12 за втората ортогонална компонента са двете точки на свързване на двойките контакти 5 и 7, и съответно 6 и 8. За измерване на третата ортогонална компонента на вектора на магнитното поле четирите омични контакти 5, 6, 7 и 8 са свързани, при което първият 3 и вторият 4 захранващ контакт са съединени през високоомен тример 13, средната точка на който и точката на свързване на четирите контакти 5, 6, 7 и 8 са изходът 14 за третата ортогонална компонента.

Действието на полупроводниковия трикомпонентен магнитометър, съгласно изобретението, (фигура 1) е следното. При включване на двата контакта 3 и 4 към източника 9, между тях протича постоянен захранващ ток I₃ = const, ефективната траектория на който е криволинейна. Тя стартира и завършва върху нискоомните планарни контакти 3 и 4, като в областите под тях траекторията първоначално е № 03.1/15.03.2018

Описания на издадени патенти за изобретения перпендикулярна на горната повърхност на п-подложката 1. Нискоомните захранващи контакти 3 и 4 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 10 токовите линии 1₃ са винаги перпендикулярни. Ефективната траектория на тока 1₃ в останалата част от обема на п-подложката 1 е успоредна на горната й страна. Важна особеност е, че посоките на тока 1₃ под контактите 3 и 4 са противоположни, I₃ = |-11 = 1_{3 4}. Дълбокият р-ринг 2, ограждащ достатъчно близко омичните контакти 3,4, 5, 6, 7 и 8 драстично редуцира разтичането на тока 1₃ по повърхността на подложката 1. Предвид избраната структурна симетрия на всичките омични контакти 3, 4, 5, 6, 7 и 8 по отношение на центъра на вътрешната правоъгълна п-тип зона (точката на пресичане на диагоналите на тази област), траекторията на захранващия ток 1₃ е също симетрична спрямо този център в равнината х-у (фигура 1).

Външното магнитно поле В 10, което е с произволна ориентация в пространството спрямо подложката 1, чрез трите си взаимно перпендикулярни компоненти Β_χ, В_у и Β_ζ води до възникване на три латерално отклоняващи движещите се електрони 1₃ сили на Лоренц, F_L = qV_|r х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_di е векторът на средната дрейфова скорост на носителите по оста у [3]. В резултат на тази Лоренцова дефлекция в равнината, в повърхностните зони, там където са разположени контактите 5, 6, 7 и 8 се генерират допълнителни електрически товари от ефекта на Хол (фигура 1). Това води до поява на съответни потенциали на Хол върху тези контакти от трите взаимно ортогонални компоненти на вектора на магнитното поле В 10 Β_χ, В_у и Β_ζ както следва: V_{5 6}(Β_χ) и |- V_7g(B_x)|; V₅₇(B_y) и |- V_6g(B )|, h±V_{5 678}(B_z). Последователното във времето свързване по определен начин на Холовите контакти 5, 6, 7 и 8 цели селективно извличане на метрологична информация за трите отделни ортогонални компоненти Β_χ, В_у и Β_ζ на магнитния вектор В 10.

В поле Β_χ силата на Лоренц F_L = q\'_{dl y} х Β_χ въздейства върху вертикалните компоненти на дрейфовата скорост v_||y на електроните (фигура 1). При съединяване на четирите еднакви контакти 5, 6, 7 и 8 накръстно (фигура 2(a)) се осъществява връзка на контакти, чиито потенциали, генерирани в магнитно поле Β_χ от ефекта на Хол са с един и същ знак и са равни по стойност, V₅ (Β_χ) =|- V₆₇(В )|. В този случай диференциалният изход V_{6 8}(В ) 11 между контактите 6 и 8 дава метрологична информация за ортотоналната магнитна компонента Β_χ.

В поле В силата на Лоренц F_L = qv_drx х Β_χ въздейства върху вертикалните компоненти на дрейфовата скорост v_drx на електроните (фигура 1). Паралелното свързване на контактите 5 и 7, и съответно 6 и 8 осъществява връзка на контактите, чиито потенциали, генерирани в магнитно поле В_у от ефекта на Хол са с един и същ знак и са равни по стойност, V_{5 7}(В ) = |- 7_{6 g}(B )|, (фигура 2(6)). Диференциалният изход V_5g(B_y) 12 между контактите 5 и 8 дава метрологична информация за ортогоналната магнитна компонента В.

у

Магнитно поле B_z въздейства върху латералната дрейфова скорост v_drx и вертикалната компонента на скоростта v^. (фигура 1).Така съответната сила на Лоренц F_L премества траекторията 1_{3 4}в средната област на подложката 1 в равнината х-у или към горната й повърхност или към обема й (в зависимост от посоките на тока I и магнитното поле B_z), т.е. силата на Лоренц F_L “свива” или “удължава” ефективната токова траектория 1₃ в равнината х-у. Свързването на всички Холови контакти 5, 6, 7 и 8 осъществява сумиране на равни по стойност потенциали, генерирани от ортогоналната магнитна компонента B_z (фигура 2(b)). Така върху всички контакти 5, 6, 7 и 8, в зависимост от посоката на полето B_z се генерира едновременно линеен и полярен (нечетен) Холов потенциал ± V_{5 6 7 g}(B_z) и квадратичен и четен от магнитното поле B_z магниторезистивен сигнал MR ~ B²z. Пълното компенсиране на паразитното, в този случай, квадратично магнитосъпротивление (квадратичното напрежение върху тези Холови контакти 5, 6, 7 и 8 от магнитната индукция Βζ 10) се осъществява с включения към захранващи контакти 3 и 4 и токоизточника 9 високоомен тример 13. Тъй като захранването на магнитометъра е в режим на постоянен ток I34 = const, квадратичното магниторезистивно напрежение V3 4(В ) ~ B²z върху захранващите контакти 3 и 4 се разпределя в средната точка на делителя (тримера 13) съобразно стойностите на съпротивленията на двете части на тримера 13. Така потенциалът върху средната точка на тримера 13 съвпада с генерирания в поле B_z квадратичен потенциал V_{5 6 7} върху непосредствено свързаните контакти 5, 6, 7 и 8, върху

Описания на издадени патенти за изобретения № 03.1/15.03.2018 които също възниква квадратично напрежение от ефекта на магнитосъпротивление (фигура 2(b)). Пълната компенсация на това паразитно квадратично напрежение се постига с нулиране на изхода 14 в отсъствие на магнитно поле B_z = 0. Тогава на изход 14 остава линейното и полярно напрежение на Хол V_{5 6 7 g}(B_z) ~ B_z, носител на информацията за третата ортогонална магнитна компонента B_z.

Важна особеност е, че всяка една от трите последователни конфигурации на свързване на контактите 5, 6, 7 и 8 (фигура 2), съответстваща за конкретна ортогонална магнитна компонента осъществява потискане на изхода напреженията от другите две компоненти на вектора В 10. Тези сигнали се явяват синфазни добавки в съответния диференциален изход и там се компенсират. Структурната симетрия на новия З-D магнитометър минимизира съществено паразитното междуканално влияние - един от основните проблеми на векторната магнитометрия. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 10 се дава с израза: |В| = (Β_χ ² + By²+Bz²)^1/2 [3].

Неочакваният положителен ефект на магнитометъра се заключава във възможността само с шест омични контакти, един и същ захранващ ток 1₃ (един токоизточник 9) и три различни способа на включване на четирите контакти 5, 6, 7 и 8, осъществени последователно (фигура 2 (а), (б) и (в)) да се извлече информация за пълния магнитен вектор В 10. Понеже сензорният механизъм за конвертиране на магнитното поле В 10 в електрически сигнал е стабилният и еднозначен като действие ефект на Хол, отношението сигнал/шум и резолюцията на новия З-D магнитометър са високи. Дълбокият р-ринг 2 минимизира повърхностното разтичане на тока 1₃ и подобрява ортогоналността на токове 1₃ и I през двата захранващи контакта 3 и 4 спрямо горната равнина на подложката 1 в отсъствие на магнитното поле В 10. Така токовите линии 1₃ проникват дълбоко в обема на η-полупроводниковата подложка 1 и върху тях по-ефективно действат латералните отклоняващи сили на Лоренц. Следователно, въздействието на компонентите Β_χ и Β_ζ на магнитното поле В 10 чрез силите на Лоренц F_L върху токове 1₃ и I е значително повишено, и чувствителността на тези канали също.

Магнитометърът може да се реализира със стандартна CMOS технология или микромашининг и може да се интегрира заедно с обработващата сигналите от него периферна електроника. Последователното реализиране на трите конфигурации на свързване на контактите 5, 6, 7 и 8 (фигура 2 (а), (б) и (в)) се осъществява чрез мултиплексор.

Claims

Патентни претенции

1. Полупроводников трикомпонентен магнитометър, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, като повърхността й има два продълговати омични контакти - първи и втори, които са захранващи и са свързани през източник на постоянен ток, като магнитното поле е с произволна посока в пространството спрямо подложката, характеризиращ се с това, че върху едната страна на п-тип подложката (1) е формиран дълбок правоъгълен р-тип ринг (2), а във вътрешната й зона в близост до късите страни са разположени двата захранващи контакта (3 и 4), като по дължината на дългите страни на тази вътрешна зона има още четири еднакви продълговати омични контакта - първи (5), втори (6), трети (7) и четвърти (8), като първият (5) е разположен срещу втория (6), а третият (7) е срещу четвъртия (8), като всички омични контакти (3, 4, 5, 6, 7 и 8) са симетрични спрямо центъра на оградената от р-ринга (2) вътрешна зона, при което за измерване на първата ортогонална компонента на магнитно поле първият (5) и четвъртият (8), и съответно вторият (6) и третият (7) контакт са свързани помежду си, като вторият (6) и четвъртият (8) контакт са изходът (11) за първата ортогонална компонента, за измерване на втората ортогонална компонента на магнитно поле първият (5) и третият (7), и съответно вторият (6) и четвъртият (8) контакт са свързани помежду си, като изходът (12) за втората ортогонална компонента са двете точки на свързване на двойките контакти (5 и 7), и съответно (6 и 8), като за измерване на третата ортогонална компонента на вектора на магнитното поле четирите омични контакта (5, 6, 7 и 8) са свързани, като първият (3) и вторият (4) захранващи контакти са съединени през високоомен тример (13), средната точка на който и точката на свързване на четирите контакта (5, 6, 7 и 8) са изходът (14) за третата ортогонална компонента.