BG66790B1 - X-, y- и z-компонентен магнитометър - Google Patents

Abstract

Х-, Y- и Z-компонентният магнитометьр съдържа квадратна полупроводникова подложка (1) с първи тип проводимост, върху едната страна на която в централната й част е формиран квадратен емитер (2) с втори тип проводимост и на разстояния и симетрично на четирите му страни има по един базов контакт (3, 4, 5 и 6) с първия тип проводимост и колектори с втория тип проводимост, два токоизточника - първи (15) и втори (22). Емитерът (2) е включен в права посока по отношение на контактите (3, 4, 5 и 6) чрез първия токоизточник (15), а колекторите са включени в обратна посока през еднакви товарни резистори към втория токоизточник (22). Външното магнитно поле (23) е с произволна ориентация спрямо полупроводниковата подложка (1). Контактите (3, 4, 5 и 6) са разположени до емитера (2), на равни разстояния от него, а симетрично на тях са формирани еднакви колектори - първи (7, 9, 11 и 13) и втори (8, 10, 12 и 14) по посока на часовниковата стрелка с втория тип проводимост. Емитерът (2) е свързан с единия извод на токоизточника (15), а срещуположните спрямо емитера (2) двойки контакти (3 и 5) и съответно (4 и 6), през еднакви товарни резистори (16 и 17) и съответно (18 и 19) са съединени с другия извод на токоизточника (15). Всички първи (7, 9, 11 и 13) и съответно всички втори (8, 10, 12 и 14) колектори са съединени с единия извод на втория токоизточник (22), другият извод на който е свързан с двете общи точки на резисторите (16 и 17) и съответно (18 и 19), като изходите (24, 25 и 26) на магнитометъра за взаимноперпендикулярните компоненти са двете точки на свързване на първите (7, 9, 11 и 13) и вторите (8, 10, 12 и 14) колектори, и съответно на едната (3 и 5), и другата (4 и 6) срещуположни спрямо емитера (2) двойки базови контакти.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до X-, Y- и Z-компонентен магнитометър, приложимо в областта на микро- и нанотехнологиите, сензориката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, роботиката и мехатрониката, биомедицинските изследвания, безконтактната автоматика, контролноизмервателната техника, позиционирането на обекти в пространството, енергетиката, слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е X-, Y- и Z-компонентен магнитометър, измерващ едновременно и независимо трите взаимноперпендикулярни компоненти на вектора на магнитното поле, съдържащ квадратна полупроводникова подложка с първи тип проводимост, върху едната страна на която са формирани квадратен емитер с втори тип проводимост, разположен в централната част на подложката, на разстояния и симетрично от него има съответно: четири еднакви двойки продълговати колектори - първи и втори по посока на часовниковата стрелка с втория тип проводимост, като разстоянието между първия и втория колектор на всяка от двойките не надвишава дължината на страната на емитера и двойките продълговати колектори са разположени една спрямо друга на 90°, в средната част между продълговатите колектори на всяка от двойките продълговати колектори е формиран още по един колектор с квадратна форма и с втория тип проводимост, а извън двойките продълговати колектори и симетрично на квадратните колектори има по един базов контакт с първия тип проводимост, които са успоредни на страните на емитера, като дължината им е равна на разстоянието между продълговатите колектори. Емитерът е включен в права посока през първи токоизточник към четирите базови контакта, всички първи и съответно всички втори продълговати колектори са съединени помежду си, като двете им общи точки през еднакви по стойност товарни резистори са свързани с единия извод на втори токоизточник така, че колекторите да са включени в обратна посока, а другият извод на този токоизточник е съединен с базовите контакти. Срещуположните спрямо емитера двойки квадратни колектори през еднакви товарни резистори са включени в обратна посока към втория токоизточник. Външното магнитно поле е с произволна ориентация спрямо полупроводниковата подложка като диференциалните изходи по напрежение на магнитометъра за трите взаимноперпендикулярни компоненти са двете общи точки на свързване на първите и вторите продълговати колектори и съответно едната и другата срещуположни спрямо емитера двойки квадратни колектори [1].

Недостатък на този X-, Y- и Z-компонентен магнитометър е твърде усложнената транзисторна конструкция, изискваща общо 17 отделни р-п и п⁺-п (или р⁺-р) преходи за емитера, колекторите и базовите контакти.

Недостатък е също редуцираната пространствена разделителна способност (пространствената резолюция) на магнитометъра от геометричните размери на множеството диодни и омични контакти.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде X-, Y- и Z-компонентен магнитометър с опростена конструкция и висока пространствена резолюция.

Тази задача се решава с X-, Y- и Z-компонентен магнитометър, съдържащ квадратна полупроводникова подложка с първи тип проводимост, върху едната страна на която в централната й част е формиран квадратен емитер с втори тип проводимост и симетрично на четирите му страни има по един базов контакт с първия тип проводимост и дължини колкото страните на емитера. На равни разстояния от четирите базови контакта и симетрично на тях са формирани още еднакви колектори - първи и втори, по посока на часовниковата стрелка с втория тип проводимост. Емитерът е включен в права посока към единия извод на първи токоизточник, а срещуположните спрямо емитера двойки базови контакти, през еднакви товарни резистори, са съединени с другия извод на токоизточника. Всички първи и съответно всички втори колектори са съединени помежду си и са включени в обратна посока през други еднакви товарни резистори, които са съединени с единия извод на втори токоизточник, другият извод на който

138

Описания на издадени патенти за изобретения № 12.2/31.12.2018 е свързан през двете общи точки на товарните резистори към базовите контакти. Външно магнитно поле е с произволна ориентация спрямо полупроводниковата подложка, като диференциалните изходи по напрежение на магнитометъра за трите взаимноперпендикулярни компоненти са двете общи точки на свързване на първите и вторите колектори, и съответно едната и другата срещуположни спрямо емитера двойки базови контакти.

Предимство на изобретението е опростената конструкция поради отпадане необходимостта на четири контакта.

Предимство е също повишената пространствена разделителна способност (резолюцията) от намаления брой контакти.

Предимство е още опростената настройка на работната точка на този транзисторен X-, Y- и Zмагнитометър в резултат от установяване на оптималното обратно напрежение само на една група еднотипни (еднакви) колектори чрез втория токоизточник.

Предимство е и повишеното отношение сигнал/шум на трите изходни канали при измерване на магнитната индукция поради протичането на ток от основни носители през базовите контакти и силно редуцирания обратен ток през двойките колектори, разположени извън зоната между емитера и базовите контакти, където инжекцията на неосновни носители е максимална.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

X-, Y- и Z-компонентният магнитометър съдържа квадратна полупроводникова подложка 1 с първи тип проводимост, върху едната страна на която в централната й част е формиран квадратен емитер 2 с втори тип проводимост и симетрично на четирите му страни има по един базов контакт 3, 4, 5 и 6 с първия тип проводимост и дължини, колкото страната на емитера 2. На равни разстояния от четирите базови контакта 3,4, 5 и 6 и симетрично на тях са формирани още еднакви колектори - първи 7, 9,11 и 13 и втори 8, 10, 12 и 14, по посока на часовниковата стрелка с втория тип проводимост. Емитерът 2 е включен в права посока към единия извод на първи токоизточник 15, а срещуположните спрямо емитера двойки базови контакти 3 и 5 и съответно 4 и 6, през еднакви товарни резистори 16 и 17 и съответно 18 и 19, са съединени с другия извод на токоизточника 15. Всички първи 7, 9, 11 и 13 и съответно всички втори 8, 10, 12 и 14 колектори са съединени помежду си и са включени в обратна посока през други еднакви товарни резистори 20 и 21, които са съединени с единия извод на втори токоизточник 22, другият извод на който е свързан през двете общи точки на товарните резистори 16 и 17 и съответно 18 и 19 към контактите 3 и 5, и 4 и 6. Външното магнитно поле 23 е с произволна ориентация спрямо полупроводниковата подложка 1, като диференциалните изходи по напрежение 24,25 и 26 на магнитометъра за трите взаимноперпендикулярни компоненти са двете общи точки на свързване на първите 7, 9, 11 и 13 и вторите 8, 10, 12 и 14 колектори, и съответно едната 3 и 5, и другата 4 и 6 срещуположни спрямо емитера 2 двойки базови контакти.

Действието на X-, Y- и Z-компонентния магнитометър, съгласно изобретението (фигура 1) е следното. При включване на емитера 2 в права посока по отношение на базовите контакти 3, 4, 5 и 6 чрез първия токоизточник 15, възниква двойна инжекция в подложката 1 на неосновни носители от емитера 2 и еквивалентно количество основни носители от базовите контакти 3, 4, 5 и 6, формиращи четири еднакви по стойност токови компоненти през тях. Това се дължи на специално избраната структурна симетрия на магнитометъра спрямо емитера 2. Малка част от инжектираните неосновни носители проникват в областите зад базовите контакти 3, 4, 5 и 6, където се намират четирите колекторни двойки 7-8, 9-10, 11-12 и 13-14, формирайки техните обратни токове чрез подходящото им свързване към втория токоизточник 22. Тези осем токови компоненти през колекторите 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14 също са равни по стойност в резултат на симетрията на структурата. Еднаквите по стойност токове през базовите контакти 3, 4, 5 и 6 са в режим генератор на ток по причина на товарните резистори 17, 16 и съответно 18, 19, които са на порядък по-големи от съпротивлението на подложката 1 между

139

Описания на издадени патенти за изобретения № 12.2/31.12.2018 емитера 2 и контактите 3, 4, 5 и 6 и са от порядъка на около 5-7 килоома за силициеви структури 1 със специфично съпротивление р » 7.5 Ω.αη. Товарните колекторни резистори 20 и 21 са съизмерими със съпротивленията на обратно поляризираните колектори 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14 от токоизточника 22, и са от порядъка на няколкостотин килоома. Ако в отсъствие на външно магнитно поле В 23, В = 0, на трите диференциални изхода 24, 25 и 26 има офсет (паразитно изходно напрежение), този недостатък лесно се компенсира чрез тримиране. Включват се тримери между съответните товарни резистори, средните точки на които се свързват към изводите на токоизточниците 15 и 22. Четирите ефективни траектории на движение на носителите между емитера 2 и базовите контакти 3, 4, 5 и 6 са криволинейни - те стартират от емитера 2, първоначално проникват вертикално надолу в подложката 1, след което стават успоредни на горната й повърхност. Същата е ситуацията и при контактите 3,4, 5 и 6 - под тях токовете са насочени първоначално вертикално надолу в обема на подложката 1, след което движението им става успоредно на горната повърхност, като в обема се осъществява рекомбинацията на основните и неосновните носители.

Външното магнитно поле В 23, което е с произволна ориентация в пространството спрямо подложката 1, чрез трите си взаимноперпендикулярни компоненти Β_χ, В_у и Β_ζ води до възникване на три латерално отклоняващи, движещите се основни и неосновни токоносители, сили на Лоренц, F_L = q V_d| х В, където q е елементарният товар на електрона, a е векторът на средната скорост на носителите [ 1 ]. В резултат на тази Лоренцова дефлекция чрез магнитни компоненти Β_χ и В_у срещуположно насочените токови линии съответно към базовите контакти 3 и 5, и към 4 и 6 едновременно се деформират. Две от тях се „свиват”, а другите две се „удължават”. Това води до състояние за нарастване на тока през единия базов контакт, например 3 и 4, и до намаляването му през 5 и 6. В резултат обаче, на товарните резистори 16 и 17, и съответно 18 и 19, тенденцията за изменение на тези токове се трансформира в реално генериране на диференциални напрежения от тип на Хол върху базовите контакти 3 и 5, и съответно 4 и 6, те. V₃₅(B_x) и V₄₆(B_y). Именно тези напрежения V₃₅(B_x) и V₄₆(B_y) представляват диференциалните изходи 24 и 25 на магнитометъра. Перпендикулярната към равнината на подложката магнитна компонента B_z чрез силата F_L води до дефлекция на токоносителите в равнината на подложката 1. В зависимост от посоката на вектора B_z токоносителите се отклоняват по часовниковата стрелка, или обратно на нея. Накръстното свързване на първите и вторите колектори 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14 води едновременно до нарастване на тока в едната група колектори, например 7, 9, 11 и 13, и до намаляване в другата - 8, 10, 12 и 14. Аналогично на ситуацията с тока през базовите контакти 3, 4, 5 и 6, и тук товарните резистори 20 и 21 трансформират изменението на токовете през двете групи колектори 7,9, 11 и 13 и съответно 8, 10, 12 и 14 в диференциално напрежение V_{7g9 п} (B_z), което представлява третия изход 26 на магнитометъра.

Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 23 се дава с израза: |В| = (Β_χ ² + Ву²+Βζ²)¹², [1].

Опростената конструкция на X-, Υ- и Z-магнитометъра се дължи на отпадането на необходимостта от четири контакти по отношение на известното решение - то съдържа 17 контакта, а новото е с 13. Повишената пространствена разделителна способност (пространствената резолюция) се постига с намаления брой контакти, което редуцира геометричните размери на магнитометъра, а следователно нараства пространствената му резолюция. Настройката на работната точка на транзисторния магнитометър е опростена спрямо известното решение в резултат от установяване на оптималното обратно колекторно напрежение само на една група еднакви колектори 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14 чрез втория токоизточник 22. Повишеното отношение сигнал/шум на трите изходни канали 24, 25 и 26 при измерване на магнитната индукция се дължи на протичането на ток от основни носители през базовите контакти 3, 4, 5 и 6, което генерира по-ниско ниво на собствен шум в сравнение с екстракцията на неосновни носители от обратно поляризиран колекторен р-п преход. Силно редуцираният обратен ток през първите 7, 9, 11 и 13, и съответно вторите 8, 10, 12 и 14 колектори, разположени извън зоната между емитера 2 и базовите контакти 3, 4, 5 и 6 намалява и нивото на собствения шум на изхода 26. В резултат, отношението сигнал/шум на трите канала 24, 25 и 26 е по-ниско в сравнение с известния магнитометър от [1]. Това повишава разделителната способност на магнитометъра при регистриране на минимално възможната стойност на магнитната индукция В

140

Описания на издадени патенти за изобретения № 12.2/31.12.2018

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава преди всичко в нестандартно разположените базови контакти 3, 4, 5 и 6 по отношение на емитера 2. Те са формирани аналогично на интегралните диоди, а колекторите 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14 са извън зоната на максимална инжекция - зад базовите контакти 3,4,5 и 6. Така се постига значителен ток от основни носители през омичните контакти 3,4,5 и 6 и съществено изменение на носителите през тях от силата на Лоренц F Редуцираният обратен колекторен ток през р-п преходите 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14 позволява поефективно управление на неосновните носители със силата F

Интегралният З-D магнитометър се реализира с CMOS или биполярна силициева интегрална технология и може да се интегрира заедно с обработващата сигналите от него периферна електроника. Допълнително повишаване на магниточувствителността се постига, ако максимално се минимизира повърхностното разтичане на емитерния ток. Това се осъществява чрез формиране на четири дълбоки изолиращи зони, ограничаващи влиянието между четирите групи преходи база - двойка колектори, например 3 и 7-8. Едновременно се подобрява и ортогоналността на токовите компоненти през контактите 3, 4, 5 и 6 спрямо емитера 2, а следователно се постига по-съществено магнитно управление на базовите токове. Фактически върху тях по-ефективно действат латералните отклоняващи сили на Лоренц F_l. Следователно, въздействието на компонентите Β_χ и В на магнитното поле В 23 чрез силите на Лоренц F_L е значително повишено, и чувствителността на тези канали 24 и 25 също. Друг подход за повишаване на преобразувателната ефективност на X-, Y- и Z-магнитометъра е функционирането му в криогенна среда, например при температурата на кипене на течния азот Т = 77 К. По този начин се повишава многократно подвижността на токоносителите и в резултат нараства магниточувствителността на изходите 24, 25 и 26.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. X-, Y- и Z-компонентен магнитометър, съдържащ квадратна полупроводникова подложка с първи тип проводимост, върху едната страна на която в централната й част е формиран квадратен емитер с втори тип проводимост като на разстояния и симетрично на четирите му страни има по един базов контакт с дължина колкото страната на емитера и с първия тип проводимост и колектори с втория тип проводимост, два токоизточника - първи и втори, като емитерът е включен в права посока по отношение на четирите базови контакти чрез първия токоизточник, а колекторите са включени в обратна посока през еднакви товарни резистори към втория токоизточник, като външно магнитно поле е с произволна ориентация спрямо полупроводниковата подложка, характеризиращ се с това, че базовите контакти (3, 4, 5 и 6) са разположени до емитера (2), на равни разстояния от четирите контакта (3, 4, 5 и 6) и симетрично на тях са формирани еднакви колектори - първи - (7, 9, 11 и 13) и втори - (8, 10, 12 и 14) по посока на часовниковата стрелка с втория тип проводимост, като емитерът (2) е свързан с единия извод на първия токоизточник (15), а срещуположните спрямо емитера (2) двойки базови контакти (3 и 5) и съответно (4 и 6) през еднакви товарни резистори (16 и 17) и съответно (18 и 19) са съединени с другия извод на токоизточника (15), при което всички първи (7, 9, 11 и 13) и съответно всички втори (8, 10, 12 и 14) колектори са съединени с единия извод на втория токоизточник (22), другият извод на който е свързан с двете общи точки на товарните резистори (16 и 17) и съответно (18 и 19) към контактите (3 и 5), и (4 и 6), като диференциални изходи по напрежение (24, 25 и 26) на магнитометъра за трите взаимноперпендикулярни компоненти са двете общи точки на свързване на първите (7, 9,11 и 13) и вторите (8, 10, 12 и 14) колектори, и съответно едната (3 и 5), и другата (4 и 6) срещуположни спрямо емитера (2) двойки базови контакти.