BG66704B1

BG66704B1 - Двумерен полупроводников магнитометър

Info

Publication number: BG66704B1
Application number: BG111536A
Authority: BG
Inventors: Вълчева Лозанова Сия; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Inst Po Sistemno Inzhenerstvo I Robotika Ban
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2018-07-31
Also published as: BG111536A

Abstract

Двумерният полупроводников магнитометър съдържа полупроводникова n-тип подложка (1), върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт (2) с квадратна форма и симетрично спрямо него правоъгълни омични контакти (3, 4, 5 и 6), токоизточник (19). Магнитно поле (20) лежи в равнината на подложката (1). Повърхностни n-тип области (7, 8, 9 и 10), разположени между четирите страни на контакта (2) и четирите контакта (3, 4, 5 и 6) са ограничени с дълбоки силно легирани р+-тип зони (11, 12, 13 и 14). Правоъгълните контакти (3, 4, 5 и 6) са свързани през еднакви по стойност товарни резистори (15, 16, 17 и 18) с единия извод на токоизточник (19), другият извод на който е съединен с контакта (2). р+-зоните (11, 12, 13 и 14) са свързани помежду си и със средната точка на високоомен тример (20), който е включен към токоизточника (19). Двойките срещуположни контакти (3 и 5) и съответно (4 и 6) спрямо централния контакт (2) са изходи (21 и 22) за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле (20). 1 претенция, 1 фигура

Description

(54) ДВУМЕРЕН ПОЛУПРОВОДНИКОВ МАГНИТОМЕТЪР

Област на техниката

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

Предшестващо състояние на техниката

Известен е двумерен полупроводников 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 контакти 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 за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле [1, 2].

Недостатък на този двумерен полупроводников магнитометър е редуцираната магниточувствителност на двата сензорни канала при измерване на равнинните компоненти на магнитното поле в резултат на повърхностното разтичане на четирите захранващи тока между централния и крайните контакти.

Недостатък е също редуцираната точност на двата изхода в резултат на паразитното влияние на повърхностните компоненти на захранващия ток между централния и крайните контакти.

Техническа същност на изобретението

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

Тази задача се решава с двумерен полупроводников магнитометър, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт с квадратна форма като на къси разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има по един правоъгълен омичен контакт. Вътрешните повърхностни п-тип области, разположени между четирите страни на централния контакт и четирите правоъгълни контакти са ограничени с дълбоки силно легирани р⁺-тип зони. Правоъгълните контакти са свързани през еднакви по стойност товарни резистори с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с централния контакт. Р⁺-тип зоните са свързани помежду си и със средната точка на високоомен тример, който е включен към изводите на токоизточника. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на п-тип подложката като двойките срещуположни контакти спрямо централния са изходите за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност на двата сензорни канала в резултат на силно редуцираното разтичане на четирите компоненти на захранващия ток от така формираните и поляризирани в обратна посока спрямо подложката дълбоки р⁺-тип зони.

Предимство е също високата измервателна точност на двата сензорни изходи поради силно намаленото паразитно влияние между повърхностните компоненти на захранващия ток между централния и правоъгълните контакти чрез р⁺-тип зоните, обграждащи активните преобразувателю! сектори на двумерния магнитометър.

Предимство е още опростената приборна конструкция, съдържаща общо пет, вместо девет сензорни контакти.

Пояснение на приложената фигура

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

Описания на издадени патенти за изобретения

Примери за изпълнение на изобретението № 08.2/31.08.2018

Двумерният полупроводников магнитометър съдържа п-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт 2 с квадратна форма като на къси разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има по един правоъгълен омичен контакт 3, 4, 5 и 6. Вътрешните повърхностни п-тип области 7, 8, 9 и 10, разположени между четирите страни на централния контакт 2 и четирите правоъгълни контакти 3, 4, 5 и 6 са ограничени с дълбоки силно легирани р⁺-тип зони 11, 12, 13 и 14. Правоъгълните контакти 3, 4, 5 и 6 са свързани през еднакви по стойност товарни резистори 15, 16,17и18с единия извод на то ко източник 19, другият извод на който е съединено централния контакт 2. Р⁺-тип зоните 11,12,13 и 14 са свързани помежду си и със средната точка на високоомен тример 20, който е включен към изводите на токоизточника 19. Измерваното външно магнитно поле 21 лежи в равнината на п-тип подложката 1 като двойките срещуположни контакти 3 и 5 и съответно 4 и 6 спрямо централния 2 са изходите 22 и 23 за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле 21.

Действието на двумерния полупроводников магнитометър, съгласно изобретението, е следното.

При включване на контакти 2, 3, 4, 5 и 6 към токоизточника 19, между омичните терминали 2 и съответно 3, 4, 5 и 6 протичат четири компоненти I I 1₂₅ и I на захранващия през контакт 2 ток 1₂. Траекторията на тока в областите под контакти 2, 3, 4, 5 и 6 първоначално е перпендикулярна на горната повърхност на п-подложката 1, прониква дълбоко в обема на полупроводниковата структура 1, тъй като нискоомните контакти 2, 3, 4, 5 и 6 са разположени на къси разстояния от централния контакт 2 и представляват еквипотенциални равнини. След това ефективните траектории на тока 1₂ в обема на п-подложката 1 стават успоредни на горната й повърхност. Важна особеност е, че посоките на компоненти 1₂₃ и - 1₂₅ са противоположни. Същото се отнася и за другите токови компоненти I и - I Дълбоките р⁺-тип зони 11, 12, 13 и 14, обграждащи достатъчно близко вътрешните повърхностни п-области 7, 8, 9 и 10, разположени между омичните контакти 2, 3, 4, 5 и 6 съществено редуцират разтичането по повърхността на подложката 1 на токовете 1_{2 3}, 1_{2 4}, 1_{2 5} и 1_{2 6}. Чрез тримера 20 и токоизточника 19 р⁺-тип зоните 11, 12, 13и14се включват в обратна посока спрямо п-подложката

1. Чрез разширената от обратното напрежение върху четирите р⁺-п диодни преходи области на пространствен товар, още по-ефективно се локализират захранващите токови компоненти I I 1₂ и 1_{2 6} в приповърхностната област на структурата 1 като драстично се минимизира разтичането на токовите компоненти. Еднаквите по стойност товарни резистори 15, 16, 17и18, R₁ = R₂ = R₃ = R₄, гарантират режим на функциониране на 2-D сензора генератор на ток и равенство на компоненти 1₂₃ = -1=1=-1= const. Ако в случай на структурна асиметрия възникне неравенство на тези токове, тяхното изравняване става с допълнителни тримери, свързани с крайните си точки към контакти 3 и 5, и съответно 4 и 6. По този начин неминуемият офсет на изходи 22 и 23 в отсъствие на магнитно поле В 20 (В = 0) лесно се компенсира (нулира) чрез изменение стойността на съпротивленията чрез тримерите в съответните вериги, съдържащи контактите 3, 4, 5 и 6.

Външното магнитно поле В 20, което лежи в равнината на подложката 1 и е с произволна ориентация, чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти Β_χ и В води до възникване на съответни латерално отклоняващи движещите се токоносители сили на Лоренц, F_L = qV_di х В, където q е елементарният товар на електрона, a е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се токоносители, в нашия случай електроните. Тъй като разстоянията между централния 2 и правоъгълните контакти 3, 4, 5 и 6 са къси и захранващите токове проникват дълбоко в обема на подложката 1, въздействието на силата на Лоренц F_L върху тези части от траекториите е максимално. В резултат на Лоренцовата дефлекция F_L траекториите на противоположно насочените токови компоненти 1₂ -1₂ и 1_{2 4}, - 1_{2 6} се “свиват” и съответно “разширяват”. В зависимост от посоката на магнитния вектор В 20, всеки от двойките срещуположни токове нараства, респективно намалява за сметка на другия. Поради режимът на функциониране генератор на ток I_{2 3} = -1₂ = I₂ = -1_{2 6} = const, вместо изменения на отделните токови компоненти през контактите 3 и 5, и съответно 4 и 6, върху тези терминали се генерират противоположни по знак потенциали. Това води чрез ефекта на Хол до възникване на двата диференциални изхода 22 и 23 напрежения на Хол V_{3 5}(Β_χ) Υ₂₁(Β_χ) 22 и V_{4 6}(В ) V₂₂(By) 23. Тези изходни сигнали 22 и 23 са линейни и

Описания на издадени патенти за изобретения № 08.2/31.08.2018 нечетни функции на магнитните вектори Β_χ и В_у. Повишаването на магниточувствителността се дължи на ограничителните и обратно поляризирани р⁺-тип зони 11,12,13и14. Този иновативен подход редуцира драстично разтичането на захранващия ток в приповърхностната област на подложката 1, подобрявайки ортотоналността на съответните токови компоненти I2 -1 I и -1 спрямо двата равнинни вектора Βχ и В на магнитното поле В 20, което също увеличава магниточувствителността. Повишената точност при измерването на отделните вектори Βχ и Ву е свързана със същественото ограничаване разтичането по повърхността на подложката 1 на четирите компоненти 12 3, -12 12 и -12 6 с помощта на р⁺-тип зоните 11, 12, 13 и 14. Така силно се намалява взаимното паразитно влияние на двата сензорни канала 22 и 23 и се гарантира високо метрологично качество на 2-D магнитометъра. Постигнато е опростяване на приборната конструкция, която съдържа пет - 2, 3, 4, 5 и 6 вместо девет сензорни омични контакти както е в известното решение. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 20 в равнината х-у на п-подложката 1 и ъгълът Θ на полето В 20 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина се дават с изразите: |В| = (Βχ² + Ву²)^1/2 и Θ = tan¹ (Vy(B_y)/V_x(B_x)).

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналността на избраната приборна конструкция, съдържаща само пет омични контакти и ограничаващите повърхностното разтичане на тока обратно поляризирани дълбоки р⁺-зони 11, 12, 13 и 14. Освен това конструкцията позволява повишаване на магниточувствителността и точността на 2-D сензора чрез драстично редуциране на повърхностните паразитни токове. Двумерният полупроводников магнитометър може да се реализира с различните модификации на планарната силициева технология CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг силициеви процеси.

Claims

Патентни претенции

1. Двумерен полупроводников магнитометър, съдържащ полупроводникова п-тип подложка, върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт с квадратна форма и симетрично спрямо него правоъгълни омични контакти, токоизточник, като външно магнитно поле лежи в равнината на п-тип подложката, характеризиращ се с това, че правоъгълните контакти са четири (3, 4, 5 и 6) и са разположени на къси разстояния спрямо четирите страни на централния контакт (2), вътрешните повърхностни п-тип области (7, 8,9 и 10), разположени между четирите страни на централния контакт (2) и четирите правоъгълни контакти (3, 4, 5 и 6) са ограничени с дълбоки силно легирани р⁺-тип зони (11,12,13и 14), като правоъгълните контакти (3,4,5 и 6) са свързани през еднакви по стойност товарни резистори (15, 16, 17и18)с единия извод на то ко източника (19), другият извод на който е съединен с централния контакт (2), при което р⁺-тип зоните (11,12,13и14)са свързани помежду си и със средната точка на високоомен тример (20), който е включен към изводите на токоизточника (19), като двойките срещуположни контакти (3 и 5) и съответно (4 и 6) спрямо централния контакт (2) са изходите (22 и 23) за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле (21).