BG66711B1

BG66711B1 - Сензор на хол с тангенциална ос на магниточувствителност

Info

Publication number: BG66711B1
Application number: BG111538A
Authority: BG
Inventors: Вълчева Лозанова Сия
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2018-08-15
Also published as: BG111538A

Abstract

Сензорът на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност съдържа полупроводникова подложка (1) с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани един централен правоъгълен омичен контакт (2) и четири други омични контакти (3, 4, 5 и 6), като съдържа и токоизточник (10), а измерваното тангенциално магнитно поле (11) е в равнината на подложката (1) и е перпендикулярно на дългите страни на централния контакт (2). От двете дълги страни на централния контакт (2) и симетрично на тях има по една двойка еднакви омични контакти (3 и 4), и съответно (5 и 6), като срещуположните (3 и 6) и (4 и 5) са свързани помежду си. Общите точки на свързване през еднакви по стойност товарни резистори (7 и 8) са съединени с тример (9), средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника (10), другият извод на който е съединен с централния контакт (2). Двете общи точки на свързаните контакти (3 и 6), и съответно (4 и 5) са изход (12) на сензора на Хол. 1 претенция, 1 фигура

Description

(54) СЕНЗОР НА ХОЛ С ТАНГЕНЦИАЛНА ОС НА МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНОСТ

Област на техниката

Изобретението се отнася до сензор на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, автоматизация на производството, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в пространството, микро- и нанотехнологиите, биомедицинските изследвания, енергетиката и енергийната ефективност, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е сензор на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни като един от тях е централен и спрямо него от двете му дълги страни са разположени другите два, които са крайни. Откъм късите страни на централния контакт и на равни разстояния от него има още по един страничен омичен контакт. Крайните контакти са съединени с единия извод на токоизточник, другият извод на който е свързан с централния контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е перпендикулярно на трите успоредни правоъгълни контакти като двата странични контакта са изходът на сензора на Хол [1,2].

Недостатък на този сензор на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност е редуцираната стойност на магниточувствителността в резултат на: а) частично регистриране на пълното напрежение на Хол върху повърхността на подложката в зоните откъм късите страни на централния контакт поради същественото разтичане по повърхността на захранващия ток, б) неподходящото разположение на изходните контакти откъм късите страни на правоъгълния централен контакт, значителната част от тока, през който протича в областите на двете му дълги страни.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде сензор на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност с повишена стойност на магниточувствителността.

Тази задача се решава със сензор на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която е формиран централен омичен контакт с правоъгълна форма. От двете му дълги страни и симетрично на тях има по една двойка еднакви омични контакти като срещуположните са свързани помежду си. Общите точки на свързване през еднакви по стойност товарни резистори са съединени с тример, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с централния контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е перпендикулярно на дългите страни на централния контакт като двете общи точки на свързаните контакти са изходът на сензора на Хол.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на регистрираната максимална стойност на генерираното напрежение на Хол от захранващия ток.

Предимство е също възможността за пълно компенсиране (нулиране) на паразитното изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсетът) чрез вариране съпротивлението на тримера.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Сензорът на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която е формиран централен омичен контакт 2 с правоъгълна форма. От двете му дълги страни и симетрично на тях има по една двойка еднакви омични контакти 3 и 4, и 5 и 6 като срещуположните 3 и 6, и съответно 4 и 5 са свързани помежду си. Общите точки на свързване през еднакви по стойност товарни резистори 7 и 8 са съединени с тример 9, средната

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/17.09.2018 точка на който е свързана с единия извод на токоизточник 10, другият извод на който е съединен с централния контакт 2. Измерваното магнитно поле 11 е в равнината на подложката 1 и е перпендикулярно на дългите страни на централния контакт 2 като двете общи точки на свързаните контакти 3 и 6, и съответно 4 и 5 са изходът 12 на сензора на Хол.

Действието на сензора на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност, съгласно изобретението, е следното.

При включване на централния контакт 2 към единия извод на токоизточника 10, а другият към средната точка на тримера 9, съединен през товарните резистори 7 и 8 с контакти 3 и 6, и съответно 4 и 5, в областите под контакти 2, 3, 4, 5 и 6 на подложката 1 протичат токови компоненти 1_{2 3},1₂ 1₂ и 1_{2 5}, ефективните траектории на които са криволинейни. Те стартират от централния контакт 2 и завършват върху крайните контакти 3 и 6 и съответно 4 и 5. Захранващите контакти 2, 3, 4, 5 и 6 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 11, В = 0, токовете 1₂,1₃, I I и 1₆ са винаги перпендикулярни към горната страна на подложката 1 и проникват дълбоко в нея. Токовите линии 1_{2 3}, 1_{2 6}, 1₂ и 1₂ в останалата част от обема на подложката 1 са успоредни на горната й страна. В резултат на структурната симетрия на сензора са в сила следните съотношения между тези компоненти: L = L = L = L, като L, + 1+1 + L = L. Важна особеност е, че посоките на токове 1₃ и 1₆ и съответно I и 1₅ през контактите 3, 4, 5 и 6 са съпосочни. Предвид структурната симетрия на контакти 3,4,5 и 6 по отношение на централния 2, криволинейните траектории на отделните компоненти на захранващия ток 1₂ са също симетрични спрямо контакт 2. В случай на евентуална електрическа асиметрия, на изхода 12 възниква паразитно напрежение на несиметрия (офсет). Този недостатък в отсъствие на магнитно поле В 11 (В = 0) лесно се компенсира (нулира) V_{3 4}(В) = 0 или V_{5 6}(В) = 0 чрез изменение стойността на съпротивлението с тримера г 9 в съответните вериги, включващи контакти 3,4, 5 и 6.

Включването на тангенциално (странично) спрямо правоъгълния централен контакт 2 магнитно поле В 11, перпендикулярно на дългите му страни води до възникване на странична и съпосочна Лоренцова дефлекция на вертикалните токови компоненти 1₃,1₆ и I I под контактите 3 и 6 и съответно 4 и 5, генерирана от силите на Лоренц F_L = qV_di х В, където q е елементарният товар на електрона, а е векторът на средната дрейфова скорост на електроните. В зависимост от взаимните посоки на токовете I₃,1 I I и вектора на магнитното поле В 11, токовете през двойките контакти 3 и 6, и съответно 4 и 5 едновременно нарастват или намаляват като тези изменения са с една и съща стойност. Фактически електрически са съединени тези контакти 3 и 6, и съответно 4 и 5, на които в магнитно поле В 11 изменението на токовете през тях е съпосочно, т.е. или нараства или намалява. По този начин възниква сензорният механизъм ток на Хол ΔΙ_Η(Β). Чрез товарните резистори R ₍ 7 и R_; 8 генерираният ток на Хол ΔΙ_Η(Β) се трансформира в напрежение на Хол V_H(B) = V₁₂, което се регистрира на изхода 12. В резултат чувствителността нараства значително, в сравнение с известния сензор на Хол, тъй като избраните иновативни конструкция и схема на включване превръщат максимално генерирания ефект на Хол върху повърхността на полупроводниковата подложка 1 в изходно диференциално напрежение 12, V_H(B) ξ V Ето защо не се “губи” полезен сензорен сигнал, който да не се регистрира с изхода 12, каквато е ситуацията при елемента на Хол, описан в [1]. Именно така е постигнат неочакваният положителен ефект на новото техническо решение.

Новият преобразувател е едноосен сензор - чувствителен е към магнитно поле В 11, насочено по една от трите взаимноперпендикулярни оси х, у или z на координатната система, в конкретния случай това е оста у, която е тангенциалната. Ако към сензора от Фигура 1 се приложи магнитно поле В 11 по оста х или оста z, всяка от токовите компоненти отляво и отдясно на централния контакт 2 получава едновременно изменение на тока си от Лоренцовата дефлекция с положителен и отрицателен знак, така че токове 1₃ и 1₆ едновременно, например, нарастват, а компоненти I и 1₅ намаляват. В резултат на диференциалния изход 12 не настъпва изменение, т.е. съответните добавки са синфазни.

Допълнително повишаване на преобразувателната ефективност на новия сензор може да се постигне чрез разполагането му в криогенна среда, например при течен азот, Т = - 200°С. Резултатът е свързан с драстичното нарастване на подвижността на токоносителите. За целите на слабополевата магнито52

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/17.09.2018 метрия е целесъобразно използването и на концентратори на магнитното поле от ферит или μ-метал.

Технологичната реализация на сензора на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност е на основата на силициевите интегрални микроелектронни процеси като CMOS или BiCMOS, използвайки силициеви подложки или преобразувателна зона с п-тип проводимост.

Claims

Патентни претенции

1. Сензор на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани един централен правоъгълен омичен контакт и четири други еднакви омични контакти, токоизточник, като измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е перпендикулярно на дългите страни на централния контакт, характеризиращ се с това, че от двете дълги страни на централния контакт и симетрично на тях има по една двойка от четирите омични контакти (3 и 4) и (5 и 6), като срещуположните контакти (3 и 6) и съответно (4 и 5) са свързани помежду си, а общите им точки на свързване през еднакви по стойност товарни резистори (7 и 8) са съединени с тример (9), средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника (10), другият извод на който е съединен с централния контакт (2), като двете общи точки на свързаните контакти (3 и 6), и съответно (4 и 5) са изходът (12) на сензора на Хол.