BG66714B1

BG66714B1 - Трикомпонентен микросензор за магнитно поле

Info

Publication number: BG66714B1
Application number: BG111571A
Authority: BG
Inventors: Вълчева Лозанова Сия; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2018-08-15
Also published as: BG111571A

Abstract

Трикомпонентният микросензор за магнитно поле съдържа n-тип полупроводникова подложка (1) с квадратна форма, като по четирите края на едната й страна са формирани по часовниковата стрелка еднакви омични контакти - първи (2), втори (3), трети (4) и четвърти (5). Първият (2) и третият (4) контакт и съответно вторият (3) и четвъртият (5) контакт са разположени диагонално. Сензорът съдържа още токоизточник (7) и три изхода (8, 9 и 10). С последователни комбинации на свързване на контактите се измерват трите взаимноперпендикулярни компоненти (11, 12 и 13) на магнитното поле, което е с произволна посока спрямо подложката. В центъра на същата страна на подложката (1) има още един - пети омичен контакт (6), като последователните комбинации на свързване на контактите (2, 3, 4, 5 и 6) за измерване на трите компонента (11, 12 и 13) на магнитното поле са две. Изходът (8) за първата компонента (11) на магнитното поле са първият (2) контакт и третият (4) контакт, които през еднакви по стойност резистори (14 и 15) са свързани с тример (16), средната точка на който е съединена през токоизточника (7) с петия контакт (6), а изходът (9) за втората, ортогонална на равнината на подложката (1) компонента (12) на магнитното поле са вторият (3) и четвъртият (5) контакт. Изходът (10) за третата компонента (13) са вторият (3) и четвъртият (5) контакт, които през еднакви по стойност резистори (14 и 15) са свързани с тримера (1б), средната точка на който е съединена през токоизточника (7) с петия контакт (6). 1 претенция, 3 фигури

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до трикомпонентен микросензор за магнитно поле, приложимо в областта на когнитивните интелигентни системи, микро- и нанотехнологиите, роботиката и мехатрониката, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, сензориката, позиционирането на обекти в равнината и пространството, космическите изследвания, системното инженерство, биомедицината, геомагнетизма, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, енергетиката и енергийната ефективност, военното дело, сигурността и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е трикомпонентен микросензор за магнитно поле, измерващ последователно трите компоненти на вектора на магнитното поле, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани омични контакти, токоизточник, три изхода като с три последователни комбинации на свързване на контактите се измерват трите взаимноперпендикулярни компоненти на магнитното поле с произволна посока спрямо подложката. Подложката е с квадратна форма, по четирите края на едната й страна са формирани последователно по часовниковата стрелка омичните контакти - първи, втори, трети и четвърти като първият и третият, и съответно вторият и четвъртият са разположени диагонално. Изходът за първата компонента на магнитното поле са вторият и третият омичен контакт, а първият и четвъртият са включени към токоизточника. Изходът за втората компонента са третият и четвъртият, а първият и вторият контакт са свързани с токоизточника и изходът за третата компонента са вторият и четвъртият контакт, а първият и третият са включени към токоизточника [1].

Недостатък на този трикомпонентен микросензор за магнитно поле са високите стойности на паразитните напрежения на изходите в отсъствие на магнитното поле (офсетите) в резултат на неминуемия резистивен пад на напрежение при протичане на тока през съответните захранващи контакти.

Недостатък е също усложнената интерфейсна схемотехника на микросензора от необходимостта на три последователни комбинации на свързване на контактите за измерване на трите компоненти на магнитното поле.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде трикомпонентен микросензор за магнитно поле с редуцирани офсети на трите изхода и опростена схемотехника чрез намаляване броя на последователните схемни комбинации на свързване на контактите за измерване на трите компоненти на магнитното поле.

Тази задача се решава с трикомпонентен микросензор за магнитно поле, съдържащ п-тип полупроводникова подложка с квадратна форма, по четирите края на едната й страна са формирани последователно по часовниковата стрелка еднакви омични контакти - първи, втори, трети и четвърти, първият и третият, и съответно вторият и четвъртият са разположени диагонално като в центъра на същата страна на подложката има още един - пети омичен контакт, токоизточник, три изхода като с две последователни комбинации на свързване на контактите се измерват трите взаимноперпендикулярни компоненти на магнитното поле, което е с произволна посока спрямо подложката. Изходът за първата компонента на магнитното поле са първият и третият омичен контакт, които през еднакви по стойност товарни резистори са свързани с тример, средната точка на който е съединена през токоизточника с петия омичен контакт, а изходът за втората, ортогонална на равнината на подложката компонента на магнитното поле са вторият и четвъртият омичен контакт. Изходът за третата компонента са вторият и четвъртият контакт, които през еднакви по стойност товарни резистори са свързани с тример, средната точка на който е съединена през токоизточника с петия омичен контакт.

Предимство на изобретението са силно редуцираните стойности на офсетите на трите изхода за компонентите на магнитното поле, в резултат на пълното компенсиране на офсетите чрез тримера.

Предимство е също опростената схемотехника по причина от необходимостта на две, вместо три комбинации на свързване на контактите.

Предимство е още повишеното отношение сигнал/шум на отделните изходни канали при измерване

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/17.09.2018 на магнитните компоненти, поради максималното редуциране на паразитните офсети в отсъствие на магнитно поле.

Пояснение на приложените фигури

По-подробно изобретението се пояснява с приложените фигури, където:

фигура 1 представлява конструкция на трикомпонентния микросензор за магнитно поле;

фигури 2 и 3 - двете различни последователни комбинации на свързване на омичните контакти с токоизточника и изходите за измерване на взаимноперпендикулярните компоненти на магнитното поле.

Примери за изпълнение на изобретението

Трикомпонентният микросензор за магнитно поле съдържа п-тип полупроводникова подложка 1 с квадратна форма, по четирите края на едната й страна са формирани последователно по часовниковата стрелка еднакви омични контакти - първи 2, втори 3, трети 4 и четвърти 5, първият 2 и третият 4, и съответно вторият 3 и четвъртият 5 са разположени диагонално като в центъра на същата страна на подложката 1 има още един - пети омичен контакт 6, токоизточник 7, три изхода 8, 9 и 10 като с две последователни комбинации на свързване на контактите 2,3,4,5 и 6 се измерват трите взаимноперпендикулярни компоненти 11,12и13на магнитното поле, което е с произволна посока спрямо подложката 1. Изходът 8 за първата компонента 11 на магнитното поле са първият 2 и третият 4 омичен контакт, които през еднакви по стойност товарни резистори 14 и 15 са свързани с тример 16, средната точка на който е съединена през токоизточника 7 с петия омичен контакт 6, а изходът 9 за втората, ортогонална на равнината на подложката 1 компонента 12 на магнитното поле са вторият 3 и четвъртият 5 омичен контакт. Изходът 10 за третата компонента 13 са вторият 3 и четвъртият 5 контакт, които през еднакви по стойност товарни резистори 14 и 15 са свързани с тримера 16, средната точка на който е съединена през токоизточника 7 с петия омичен контакт 6.

Действието на трикомпонентния микросензор за магнитно поле, съгласно изобретението, е следното.

Измерването на трите взаимноперпендикулярни компоненти 11, 12и13на магнитното поле В се осъществява чрез две последователни схемни комбинации на свързване на контактите 2, 3, 4, 5 и 6. Първата комбинация се отнася до включване на контакти 2 и 4 към единия изход на източника 7, а петият 6 (централният) към другия изход на токоизточника 7. В този случай между контакт 6 и съответно контакти 2 и 4 протичат два еднакви по стойност захранващи тока I ₂ = const и -1 = const, Фигура 1 и Фигура 2. В отсъствие на магнитно поле В = 0 техните ефективни траектории са криволинейни и симетрични спрямо контакт 6-те стартират и завършват върху нискоомните планарни контакти 2, 4 и 6, представляващи еквипотенциални равнини. В областите под тях токовите траектории първоначално са перпендикулярни на горната повърхност на п-подложката 1. Участъците от траекториите на двата тока 1_{6 2} и 1_{6 4} в останалата част от обема на п-подложката 1 са успоредни на горната й страна. Предвид избраната структурна симетрия на микросензора - квадратната му форма, траекториите следва да са също симетрични спрямо централния контакт 6, Фигура 1 и Фигура 2. Напълно идентична на описаната е втората схемна комбинация, когато към токоизточника 7 се включат контакти 6 и съответно 3 и 5, Фигура 1 и Фигура 3. Еднаквите по стойност товарни резистори 14 и 15,R₁ = R₂, и при двете последователни във времето схемни комбинации гарантират режим на функциониране на З-D сензора генератор на ток и равенство на компоненти I_{6 2} = I₆ = const или I_{6 3} = I₆ = const. Чрез токоизточника 7 функционирането на микросензора се настройва така, че токовете през омични контакти 2, 3, 4 и 5, и при двете комбинации на свързване да са равни, I ₂ = I = I ₃ = I = const. Ако в случай на структурна асиметрия възникне неравенство на тези токове, тяхното изравняване става с тримера 16. По този начин неминуемите паразитни офсети на трите изхода 8,9 и 10 в отсъствие на магнитно поле В (В = 0) лесно се компенсират (нулират) чрез изменение стойността на съпротивленията чрез тримера 16 в съответните вериги, съдържащи контактите 2, 3, 4, 5 и 6.

Прилагането на външно магнитно поле В с произволна ориентация в пространството спрямо подложката 1, чрез трите си взаимноперпендикулярни компоненти Β_χ, В и Β_χ води до възникване на три латерално отклоняващи съответните токове 1_{6 2}, - 1_{6 4}, 1_{6 3} и -1_{6 5} сили на Лоренц, F_L = qV_di х В, където q е елементарният товар на електрона, a е векторът на средната дрейфова скорост на носителите. В

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/17.09.2018 резултат на Лоренцовата дефлекция F траекториите на противоположно насочените спрямо контакт 6 токове I -1 и 1₆ -1₆ се “свиват” и съответно “разширяват”. В зависимост от посоките на магнитните компоненти 11, 12 и 13, всеки от двойките срещуположни токове нараства, респективно намалява за сметка на другия (токовете през диагонално разположените контакти 2 и 4, и съответно 3 и 5). Поради режимът на функциониране генератор на ток I ₂ = I = I ₃ = I = const в резултат на товарните резистори 14 и 15, вместо изменения на отделните токови компоненти през контактите 2 и 4, и съответно 3 и 5 от действието на съответните магнитни компоненти 8 и 10, върху тези терминали се генерират противоположни по знак потенциали на Хол. Това води чрез ефекта на Хол до възникване върху двата диференциални изхода 8 и 10 на напрежения на Хол V_{2 4}(В) ξ V_g(B) 8 и V_{3 5}(В) ξ V₁₀(B) 10. Тези изходни сигнали са линейни и нечетни функции на магнитните векторни компоненти 11 и 13. Следователно чрез тези две последователни комбинации на свързване на контактите 2, 3, 4, 5 и 6 и токоизточника 7 се получава метрологична информация за двете равнинни компоненти 11 и 13 на магнитния вектор В. Прилагането на ортогонално към равнината на подложката 1 магнитно поле 12 води чрез силата на Лоренц F_l до странично преместване на хоризонталните части на токовите линии I₆ -1 I и -1 ₅, които са успоредни на горната равнина на подложката 1. Тъй като 1_{6 2} и -1_{6 4} са противоположно насочени, то и Лоренцовите дефлекции на тези токове са противоположни. По тази причина при първата схемна комбинация на свързване на контактите 2, 3, 4, 5 и 6, Фигура 2, върху диагонално разположените терминали 3 и 5 се генерира също напрежение на Хол V_{3 5}(В) ξ V₉(B), което носи метрологична информация за компонентата 12 на магнитното поле. Чрез първата комбинация на свързване едновременно се измерват две от магнитните компоненти 11 и 12. Със същия успех би могло да се използва и напрежението на Хол V₂₄(B) при втората схемна комбинация на свързване на контактите 2, 3, 4, 5 и 6, токоизточника 7 и резисторите 14 и 15. Двете последователни комбинации на свързване предоставят метрологична информация за трите взаимноперпендикулярни компоненти 11, 12 и 13 на вектора на магнитното поле, което в известното решение се постига с три. Така се осъществява опростяване на схемотехниката на З-D микросензора. Драстичното редуциране на паразитния офсет на трите изхода 8, и 10 води и до подобряване на отношението сигнал/шум, повишавайки резолцията на микросензора.

Важна особеност е, че всяка една от двете последователни конфигурации на свързване на контактите 2, 3, 4, 5 и 6, Фигура 2 и Фигура 3, осъществява потискане на който и да е от изходите 8, 9 или напреженията от другите две компоненти на магнитното поле В. Тези сигнали се явяват синфазни добавки в съответния диференциален изход 8 или 10 и там се компенсират. Така се редуцира паразитното междуканално влияние. Структурната симетрия на новия З-D микросензор за магнитно поле също спомага да се преодолее този недостатък, който е основен във векторната магнитометрия. Абсолютната стойност на пълния вектор на магнитното поле В се дава с добре известния израз: |В| = (B_g ² + В9² +В10²)¹².

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във възможността само с пет омични контакти 2,3,4, 5 и 6, един токоизточник 7 и два различни последователни способа на включване на тези контакти, Фигура 2 и Фигура 3, да се извлече информация за пълния магнитен вектор В. Така метрологичната задача е разширена не в пространството, а във времето, което е съществен иновативен подход във векторната магнитометрия.

Евентуалното повърхностно разтичане на токовете по повърхността на подложката 1 може да се ограничи чрез формиране на дълбок р-ринг с квадратна форма, ограждащ контакти 2, 3, 4 и 5.

З-D микросензорът може да се реализира със стандартна CMOS технология или микромашининг и може да се интегрира заедно с обработващата сигналите от него периферна електроника. Реализирането на двете последователни схемни конфигурации на свързване на контакти 2, 3, 4, 5 и 6, Фигура 2 и Фигура 3, се осъществява чрез мултиплексор. Действието на новия магнитометър е осъществимо в широк температурен диапазон.

Claims

Патентни претенции

1. Трикомпонентен микросензор за магнитно поле, съдържащ п-тип полупроводникова подложка с квадратна форма, като по четирите края на едната й страна са формирани последователно по часовниковата стрелка еднакви омични контакти - първи, втори, трети и четвърти, като първият и третият,

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/17.09.2018 и съответно вторият и четвъртият са разположени диагонално; токоизточник и три изхода, като с последователни комбинации на свързване на контактите се измерват трите взаимноперпендикулярни компоненти на магнитното поле, което е с произволна посока спрямо подложката, характеризиращ се с това, че в центъра на същата страна на подложката (1) има пети омичен контакт (6), а последователните комбинации на свързване на контактите (2,3,4, 5 и 6) за измерване на трите взаимноперпендикулярни компоненти (11, 12 и 13) на магнитното поле са две, като изходът (8) за първата компонента (11) на магнитното поле са първият (2) и третият (4) контакт, които през еднакви по стойност товарни резистори (14 и 15) са свързани с тример (16), средната точка на който е съединена през токоизточника (7) с петия контакт (6), а изходът (9) за втората, ортогонална на равнината на подложката (1) компонента (12) на магнитното поле са вторият (3) и четвъртият (5) контакт, като изходът (10) за третата компонента (13) са вторият (3) и четвъртият (5) контакт, които през еднакви по стойност товарни резистори (14 и 15) са свързани с тримера (16), средната точка на който е съединена през токоизточника (7) с петия контакт (6).