BG66707B1

BG66707B1 - Мултисензорен елемент

Info

Publication number: BG66707B1
Application number: BG111537A
Authority: BG
Inventors: Вълчева Лозанова Сия; Станоев Руменин Чавдар; Найденов Величков Георги; Йорданов Иванов Август
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: BG111537A

Abstract

Мултисензорният елемент съдържа полупроводникова подложка (1) с първи тип проводимост, върху едната страна на която са формирани централен контакт (2) с втори тип проводимост, като симетрично спрямо него e разположен базов контакт (3) с първия тип проводимост. На равни разстояния от този контакт (3) са разположени две двойки еднакви правоъгълни контакти (4 и 6) и съответно (5 и 7) с втория тип проводимост. Елементът съдържа първи (8) и втори (13) токоизточник. Измерваното магнитно поле (14) лежи в равнината на подложката (1). Централният (2) и базовият (3) контакт са свързани през първия токоизточник (8) така, че емитерът централният контакт (2) - базовият контакт (3) да е включен в права посока, а контактите (4, 5, 6 и 7) са съединени през еднакви по стойност товарни резистори (9, 10, 11 и 12) с единия извод на втория токоизточник (13), другият извод на който е съединен с базовия контакт (3) така, че колекторите контактите (4, 5, 6 и 7) - базовият контакт (3) да са включени в обратна посока. Изводите на токоизточниците (8 и 13), съединени с контакта (3) са свързани помежду си. Централният контакт (2) е кръстовиден, а базовият контакт (3) представлява дълбок ринг и е с квадратна форма, а от външните му страни и в близост до тях са разположени контактите (4, 5, 6 и 7). Емитерът контактът (2) - рингът (3) функционира в режим генератор на ток, като двойките срещуположни спрямо контакта (2) външните контакти (4 и 6) и съответно (5 и 7) са изходи (15 и 16) за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (14), а контактът (2) и рингът (3) са изход (17) на мултисензорния елемент за температурата на околната среда. 1 претенция, 1 фигура

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до мултисензорен елемент, приложим в областта на сензориката, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, роботиката и мехатрониката, микро- и нанотехнологиите, позиционирането на обекти в равнината, автоматизация на производството, системното инженерство, безконтактното измерване на физични величини като електрически ток, мощност, енергия, ъглови и линейни премествания, сила, военното дело, сигурността и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е мултисензорен елемент, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на вектора на магнитното поле, съдържащ полупроводникова подложка с първи тип проводимост, върху едната страна на която са формирани централен контакт с втори тип проводимост и квадратна форма, като на разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има последователно по един правоъгълен вътрешен контакт с втория тип проводимост и по един външен базов контакт с първия тип проводимост. Четирите базови контакти са съединени и през първи токоизточник са свързани с централния така, че емитерът централен контакт-базови контакти да е включен в права посока. Вътрешните контакти са съединени през еднакви по стойност товарни резистори с единия извод на втори токоизточник, другият извод на който е съединен с базовите контакти така, че колекторите вътрешни контакти-базови контакти да са включени в обратна посока. Изводите на токоизточниците, съединени с базовите контакти са свързани помежду си. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на подложката като двойките срещуположни вътрешни контакти спрямо централния контакт са изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле [1].

Недостатък на този мултисензорен елемент е редуцираната точност на двата изхода в резултат на ниското ниво сигнал/шум от високата стойност на собствения (фликер 1/f) шум, тъй като през самите колектори, разположени в близост до емитера протича съществена част от инжектирания от емитера ток на така формирания транзистор.

Недостатък е също силната зависимост на изходите от температурата на околната среда в резултат на температурната чувствителност на формираните диодни р-п преходи - емитерът и четирите колектори върху едната страна на полупроводниковата подложка.

Недостатък е още необходимостта да се формира в непосредствена близост до мултисензорния елемент, върху същата полупроводникова подложка, на температурен сензор, сигналът на който да се използва в схема за последваща термокомпенсация на изходите.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде мултисензорен елемент с температурно компенсирана магниточувствителност на двата изхода, да отпадне необходимостта от формиране на допълнителен температурен сензор за термокомпенсационната схема и повишена точност чрез редуциране нивото на собствения му шум.

Тази задача е решена с мултисензорен елемент, съдържащ полупроводникова подложка с първи тип проводимост, върху едната страна на която са формирани централен контакт с втори тип проводимост и правилна кръстовидна форма, на разстояние и симетрично спрямо централния контакт има дълбок ринг с първия тип проводимост и е с квадратна форма, а от външните му страни и в близост до тях са разположени на равни разстояния и симетрично спрямо централния контакт по един външен правоъгълен контакт с втория тип проводимост. Централният контакт през първи токоизточник, функциониращ в режим генератор на ток е свързан с квадратния ринг така, че емитерът централен контакт-ринг да е включен в права посока. Външните контакти са съединени през еднакви по стойност товарни резистори с единия извод на втори токоизточник, другият извод на който е съединен с ринга така, че колекторите външни контакти-ринг да са включени в обратна посока. Изводите на токоизточниците, съединени с ринга са свързани помежду си. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на подложката като двойките срещуположни спрямо централния контакт външни контакти са изходите за двете ор

Описания на издадени патенти за изобретения № 08.2/31.08.2018 тогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле, а централният контакт и рингът са изходът на мултисензорния елемент за температурата на околната среда.

Предимство на изобретението е увеличената измервателна точност (резолция) на двата изхода чрез повишаване нивото сигнал/шум в резултат на редуцирания собствен (фликер Ι/f) шум от протичане само на малка част от емитерния ток през самите колектори, разположени извън областта, ограничена от квадратния ринг (базовия контакт).

Предимство е също възможността за пълно компенсиране на температурната зависимост на изходите от използване като температурно-компенсационно напрежение при последващата обработка на изходните сигнали на линейната температурна зависимост на диодното напрежение емитер-ринг при постоянен захранващ ток.

Предимство е още отпадналата необходимост да се формира в непосредствена близост до мултисензорния елемент, върху същата полупроводникова подложка, на отделен температурен сензор заедно със съпътстващата го интерфейсна схемотехника.

Предимство е и опростената приборна конструкция, съдържаща общо шест, вместо девет активни сензорни контакти.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Мултисензорният елемент съдържа полупроводникова подложка 1 с първи тип проводимост, върху едната страна на която са формирани централен контакт 2 с втори тип проводимост и правилна кръстовидна форма, на разстояние и симетрично спрямо централния контакт 2 има дълбок ринг 3 с първия тип проводимост и квадратна форма, а от външните му страни и в близост до тях са разположени на равни разстояния и симетрично спрямо централния контакт 2 по един външен правоъгълен контакт 4, 5, 6 и 7 с втория тип проводимост. Централният контакт 2 през първи токоизточник 8, функциониращ в режим генератор на ток е свързан с квадратния ринг 3 така, че емитерът централен контакт 2 - ринг 3 да е включен в права посока. Външните контакти 4, 5, 6 и 7 са съединени през еднакви по стойност товарни резистори 9, 10, 11 и 12 с единия извод на втори токоизточник 13, другият извод на който е съединен с ринга 3 така, че колекторите външни контакти 4, 5, 6 и 7 - ринг 3 да са включени в обратна посока. Изводите на токоизточниците 8 и 13, съединени с ринга 3 са свързани помежду си. Измерваното външно магнитно поле 14 лежи в равнината на подложката 1, като двойките срещуположни спрямо централния контакт 2 външни контакти 4 и 6 и съответно 5 и 7 са изходите 15 и 16 за двете ортотонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле 14, а централният контакт 2 и рингът 3 са изходът 17 на мултисензорния елемент за температурата на околната среда.

Действието на мултисензорния елемент, съгласно изобретението, е следното.

Спецификата на мултисензорните елементи е, че те измерват едновременно и независимо с една и съща област от полупроводниковата подложка 1 (чипът) повече от една сензорна величина, например, векторните компоненти на магнитното поле, [1]. Фактически се осъществява функционална интеграция на повече от един преобразувател на неелектрични величини върху общия чип 1, най-често силициев. В нашия случай това са двете отделни компоненти Β_χ и В на вектора на магнитното поле 14. При съответното свързване на контактите 2 и 3 към токоизточника 8, емитерният р-п преход централният контакт 2 - квадратния ринг 3 се включва в права посока и започва инжекция на неосновни токоносители в полупроводниковата подложка 1. Понеже контактите 2 и 3 са формирани достатъчно близко и между тях отсъстват колекторите 4, 5, 6 и 7, съществената част от емитерния ток I преминава през базовия контакт, в нашия случай това е квадратният ринг 3. В резултат малка част от тока 1_{2 3} достига до обратно поляризираните оттокоизточника 13 колекторни диоднир-п преходи 4,5,6 и 7, формирайки обратните им токове. Тъй като всички контакти 2,3,4,5,6 и7 натозимултисензор сас правилна форма и са разположени симетрично, четирите отделни колекторни токове I 1₅,1₆ и 1₇ са равни помежду си, 1=1=1= Ι_γ. Фактически мултисензорният елемент може да се сравни с диференциален биполярен

Описания на издадени патенти за изобретения № 08.2/31.08.2018 транзистор, чийто емитер е контакт 2, базовият контакт е рингът 3, а съответните колекторни двойки 4 и 6, и 5 и 7 са диференциалните изходи 15 и 16. Товарните колекторни резистори 9, 10, 11 и 12 R = R_; = R_d = R, трансформират токовете 1₄,1₅,1₆ и 1₇ в изходни напрежения, които са изходите V_{4 6}15 и V_{5 7}16 на мултисензорния елемент.

В отсъствие на външно магнитно поле В 14, В = 0, траекторията на токовете 1₂ и 1₃ в областите под контактите 2 и 3 първоначално е перпендикулярна на горната повърхност на подложката 1 с първи тип проводимост и прониква дълбоко в обема на структурата 1. След това ефективните траектории на тока 1₂ в обема на подложката 1 стават успоредни на горната й страна и част от тях преминават под дълбокия ринг 3. Така известно количество от неосновните токоносители достигат до обратно поляризираните от токоизточника 13 колектори 4, 5, 6 и 7, формирайки обратните токове I Ι₅,1 и Ι_γ. Именно дълбокият ринг 3 с първи тип проводимост допълнително редуцира обратните колекторни токове. При евентуална структурна асиметрия и неравенство на колекторните токове, равенството 1=1=1= 1₇ се постига с допълнителни тримери, включени между резисторите 9 и 11, и съответно 10 и 12. По този начин неминуемият офсет на изходите 15 и 16, в отсъствие на магнитно поле В 14 (В = 0), лесно се компенсира (нулира) чрез изменение стойността на съпротивленията чрез тримерите в съответните вериги, включващи контактите 4, 5, 6 и 7. Следва да се отбележи, че посоките на компоненти 1₂ и -1_{2 6}са противоположни. Същото се отнася и за другите токове 1₂ и -1_{2 7}.

Външното магнитно поле В 14, 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_d| х В; q е елементарният товар на електрона, a е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се токоносители. В резултат на тази Лоренцова дефлекция F траекториите на противоположно насочените токови компоненти 1₂ -1_{2 6} и 1₂ -1_{2 7} се “свиват” и съответно “разширяват”. В зависимост от посоката на магнитния вектор В 14, всеки от двата срещуположни тока нараства, респективно намалява за сметка на другия. Този сензорен механизъм променя стойностите на двойките колекторни токове 1_{2 4}(В ), -1_{2 6}(В ) и съответно 1_{2 5}(В ) -1_{2 7}(В ). Това води до генериране на двата изхода 15 и 16 на напрежения V_{4 6} и V_{5 7}, които дават информацията за стойностите и посоките на двете ортогонални компоненти Β_χ и В_у на вектора на магнитното поле В 14. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 14 в равнината х-у на подложката 1 и ъгълът Θ на полето В 14 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина се дават с изразите: |В| = (Β_χ ² + Ву²)^1/2 и Θ = tan¹ (V (В )/Vx(B_x)). Увеличената измервателна точност (резолцията) на изходите 15 и 16 се дължи на повишеното ниво сигнал/шум от редуцирания собствен (фликер 1/f) шум, поради протичане само на малка част от токоносителите през самите колектори 4, 5, 6 и 7, разположени извън областта, ограничена от ринга 3. Този резултат е от факта, че произходът на фликер 1/f шума се дължи на стойността на протичащия през даден контакт ток. При това спектралната плътност на този шум в даден честотен диапазон Af се дава със съотношението 1/f ~ I². Ето защо приборната конструкция на новия мултисензорен елемент е избрана така, че емитерният ток 1₂ да бъде максимално изведен от структурата 1 чрез близко разположения до емитера 2 ринг 3. Постигнато е също опростяване на приборната конструкция, която съдържа общо шест - 2, 3, 4, 5, 6 и 7, вместо девет активни омични контакти както е в известното решение.

Принципният недостатък на измерващите двете векторни компоненти Β_χ и В мултисензорни елементи е силната температурна зависимост на изходните сигнали V₄₆(T) 15 и V₅ (Т) 16. За да бъде компенсиран (нулиран) този паразитен ефект се използва задължително термокомпенсационна схема, обработваща напреженията V₄ (Т) и V₅₇(T) на сензорните канали 15 и 16. При това в непосредствена близост до мултисензора се формира температурен преобразувателен елемент заедно с интерфейсната за него схемотехника. Това решение съществено усложнява този клас двумерни векторни магнитометри. Ето защо в новия мултисензор е избран принципно различен подход. Успешно е осъществена функционална интеграция към измерването на компоненти Β_χ и В и на температурен сензор, регистриращ температурата на околната среда. Когато р-п преходът емитерът 2 - базовия контакт 3 функционира в режим генератор на ток I₂ = const, изходното му напрежение V₂₃(T) 17 е линейна функция на температурата Т. Експериментално е установено, че този температурнозависим сигнал V₂₃(T) 17 не се

Описания на издадени патенти за изобретения № 08.2/31.08.2018 влияе от посоката и стойността на магнитното поле В 14 в твърде широк интервал ΔΒ. Този резултат е ключов за новия мултисензор. Следователно чрез новия елемент може едновременно и независимо с една и съща преобразувателна зона да се измерят стойностите и посоките на компоненти Β_χ и В_у, и на температурата на средата, те. на полупроводниковата подложка 1. Така линейното напрежение V₂₃(T) 17 успешно може да се подаде за управление на термокомпенсациоината схема на двата изхода 15 и 16. Главните предимства са опростяването на цялостната конструкция и точността на компенсацията, понеже преобразувателите механизми се развиват в една и съща зона. Приборната конструкция съдържа шест - 2, 3, 4, 5, 6 и 7 вместо девет активни сензорни контакти както е в известното решение.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната приборна конструкция, драстично редуцираща колекторните токове, основната причина, повишаваща резолцията на устройството както и иновативната функционална интеграция на още един преобразувател в мултисензора - този за температурата на околната среда.

Мултисензорният елемент може да се реализира с различните модификации на планарната силициева технология - CMOS, BiCMOS, а при необходимост може да се използват микромашининг силициеви процеси.

Claims

Патентни претенции

1. Мултисензорен елемент, съдържащ полупроводникова подложка с първи тип проводимост, върху едната страна на която са формирани централен контакт с втори тип проводимост и правилна форма, като на разстояние и симетрично спрямо него са разположени базов контакт с първия тип проводимост и на равни разстояния от този контакт две двойки еднакви правоъгълни контакти с втория тип проводимост, първи и втори токоизточници, като централният и базовият контакт са свързани през първи токоизточник така, че емитерът централен контакт - базов контакт е включен в права посока, а четирите правоъгълни контакти са съединени през еднакви по стойност товарни резистори с единия извод на втори токоизточник, другият извод на който е съединен с базовия контакт така, че колекторите правоъгълни контакти - базов контакт са включени в обратна посока, като изводите на токоизточниците, съединени с базовия контакт са свързани помежду си, а векторът на измервано външно магнитно поле лежи в равнината на подложката, характеризиращ се с това, че формата на централния контакт (2) е кръстовидна, а базовият контакт (3) представлява дълбок ринг и е с квадратна форма и от външните му страни и в близост до тях са разположени правоъгълните контакти (4, 5, 6 и 7) с втория тип проводимост, като емитерът централен контакт (2) - ринг (3) функционира в режим генератор на ток, а двойките срещуположни спрямо централния контакт (2) външни правоъгълни контакти (4 и 6) и съответно (5 и 7) са изходите (15 и 16) за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле (14), а централният контакт (2) и рингът (3) са изходът (17) на мултисензорния елемент за температурата на околната среда.