BG66829B1 - Интегрален 3-d микросензор за магнитно поле - Google Patents

Abstract

Интегралният 3D микросензор за магнитно поле съдържа n-тип полупроводникова подложка (1), върху едната страна на която са формирани омични контакти - захранващи и регистриращи, всичките заобиколени с дълбок правоъгълен р-тип ринг (9), токоизточник (11), три изхода (13, 15 и 17) за измерване на взаимноперпендикулярните компоненти на магнитно поле (12) чрез три комбинации на свързване на регистриращите контакти. Магнитното поле (12) е с произволна посока спрямо подложката (1). Захранващите контакти са три (2, 3 и 4), два от тях контактите (2 и 3) са еднакви, с правоъгълна форма и са успоредни на дългите си страни. Между тях симетрично е разположен третият захранващ контакт (4), който е централен и е с квадратна форма. Между контактите (2 и 3), в близост до тях са разположени по една двойка еднакви контакти, които са регистриращите - първи (5) и втори (6) до единия захранващ контакт (2), и съответно третият (7) и четвъртият (8) до другия контакт (3). Двойките контакти (5 и 6), и (7 и 8) са симетрични спрямо централния контакт (4). Късите страни на р-ринга (9) са успоредни на дългите страни на правоъгълните контакти (2 и 3). Контактите (2 и 3) през тример (10) и токоизточника (11) са свързани със средния контакт (4). Изходът (13) за първа компонента (14) на магнитното поле (12) са третият (7) и четвъртият (8) контакт с комбинация на свързване на първия (5) и четвъртия (8), и съответно втория (6) и третия (7) контакт. Изходът (15) за втора компонента (16) са третият (7) и четвъртият (8) контакт с комбинация на свързване на първия (5) и третия (7), и съответно втория (6) и четвъртия (8) контакт. Изходът (17) за трета компонента (18) са вторият (6) и четвъртият (8) контакт с комбинация на свързване на първия (5) и втория (6), и съответно третия (7) и четвъртия (8) контакт.

Description

Област на техниката

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

Предшестващо състояние на техниката

Известен е интегрален З-D 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 тези контакти 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 по часовниковата стрелка омичните контакти - първи, втори, трети и четвърти, като първият и третият, и съответно вторият и четвъртият контакт са разположени диагонално. Изходът за първата компонента на магнитното поле са вторият и третият омичен контакт, а първият и четвъртият контакт са включени към токоизточника. Изходът за втората компонента са третият и четвъртият контакт, а първият и вторият контакт са свързани с токоизточника и изходът за третата компонента са вторият и четвъртият контакт, а първият и третият контакт са включени към токоизточника [1,2].

Недостатък на този интегрален З-D 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 редуцираната точност при последователното измерване на трите компоненти на магнитния вектор в резултат на паразитните офсети на изходите в отсъствие на магнитното поле.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде интегрален З-D микросензор за магнитно поле с редуцирани офсети на трите изхода и с повишена точност при измерване на компонентите на магнитното поле.

Тази задача е решена с интегрален З-D микросензор за магнитно поле, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която на разстояние един от друг са формирани два еднакви захранващи омични контакта с правоъгълна форма, успоредни на дългите си страни, между които симетрично е разположен още един централен захранващ омичен контакт с квадратна форма. Между правоъгълните захранващи контакти, в близост до тях и на едно и също разстояние са разположени по една двойка регистриращи омични контакти, които са еднакви - първи и втори контакт до единия правоъгълен контакт, и съответно трети и четвърти контакт до другия контакт, като двойките контакти са симетрични спрямо централния контакт. При това първият контакт е срещу четвъртия контакт, а вторият е срещу третия контакт. Всичките контакти са заобиколени с дълбок правоъгълен р-тип ринг, късите страни на който са успоредни на дългите страни на правоъгълните омични контакти. Захранващите правоъгълни контакти през тример и токоизточника са свързани със средния контакт. Външното магнитно поле е с произволна посока спрямо п-тип подложката. Изходът за първата компонента на магнитното поле са третият и четвъртият контакт с комбинация на свързване първия и четвъртия контакт, и съответно втория и третия контакт. Изходът за втората компонента са третият и четвъртият контакт с комбинация на свързване първия и третия контакт и съответно втори и четвърти контакт. Изходът за третата компонента са вторият и четвъртият контакт с комбинация на свързване първия и втория контакт, и съответно третия и четвъртия контакт.

Предимство на изобретението са силно редуцираните стойности на офсетите на трите изхода за компонентите на магнитното поле в резултат на симетрията на структурата по отношение на централния

Описания на издадени патенти за изобретения № 03.1/15.03.2019 контакт, както и компенсирането на офсетите чрез тримера.

Предимство е също повишената измервателна точност на изходите в резултат на компенсираните им офсети.

Предимство е още повишеното отношение сигнал/шум на изходните канали при измерване на компонентите, поради отпадане необходимостта от превключване на захранващия ток през различни контакти и редуцирането на паразитните офсети в отсъствие на магнитното поле.

Пояснение на приложените фигури

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

фигура 1 представлява конструкцията на интегралния З-D микросензор за магнитно поле; фигура 2 - трите последователни комбинации на свързване на двойките регистриращи контакти за измерване на взаимно перпендикулярните компоненти на магнитното поле.

Примери за изпълнение на изобретението

Интегралният З-D микросензор за магнитно поле съдържа п-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която на разстояние един от друг са формирани два еднакви захранващи омични контакта 2 и 3 с правоъгълна форма, успоредни на дългите си страни, между които симетрично е разположен още един централен захранващ омичен контакт 4 с квадратна форма. Между захранващите контакти 2 и 3, в близост до тях и на едно и също разстояние са разположени по една двойка регистриращи омични контакти, които са еднакви - първи 5 и втори 6 контакт до единия правоъгълен контакт 2, и съответно трети 7 и четвърти 8 контакт до другия контакт 3, като двойките контакти 5 и 6, и 7 и 8 са симетрични спрямо централния 4 контакт. При това първият контакт 5 е срещу четвъртия 8 контакт, а вторият 6 контакт е срещу третия 7 контакт. Всичките контакти 2,3,4,5,6,7 и 8 са заобиколени с дълбок правоъгълен р-тип ринг 9, късите страни на който са успоредни на дългите страни на правоъгълните захранващи контакти 2 и 3. Захранващите правоъгълни контакти 2 и 3 през тример 10 и токоизточник 11 са свързани със средния 4 контакт. Външното магнитно поле 12 е с произволна посока спрямо п-тип подложката 1. Изходът 13 за първата компонента 14 на магнитното поле 12 са третият 7 и четвъртият 8 контакт с комбинация на свързване първия 5 и четвъртия 8 контакт, и съответно втория 6 и третия 7 контакт. Изходът 15 за втората компонента 16 са третият 7 и четвъртият 8 контакт с комбинация на свързване първия 5 и третия 7 контакт, и съответно втория 6 и четвъртия 8 контакт. Изходът 17 за третата компонента 18 са вторият 6 и четвъртият 8 контакт с комбинация на свързване първия 5 и втория 6, и съответно третия 7 и четвъртия 8 контакт.

Действието на интегралния З-D микросензор за магнитно поле, съгласно изобретението, е следното.

Ключовата особеност, заложена в измерването на пълния магнитен вектор В 12 е нелинейната траектория на движение на токоносителите в полупроводниковите структури 1 с планарно разположените захранващи контакти 2, 3 и 4. Токовите линии стартират, например, от контакта 4 към контактите 2 и 3, Фигура 1. В отсъствие на магнитното поле 12 контактите 2, 3 и 4 представляват еквипотенциални равнини. Ето защо в зоните под тях токовите линии 1₂,1₃ и I са вертикално насочени и носителите проникват дълбоко в обема на полупроводниковата подложка 1. В средните области между захранващите контакти 2-4 и съответно 3-4 симетричните и противоположно насочени в резултат на конструкцията траектории 1_{4 2} и -1_{4 3} са успоредни на горната повърхност на подложката 1. Следователно, дрейфовата скорост V под контактите 2, 3 и 4 е перпендикулярна на горната повърхност, а в обема между тях е успоредна на тази повърхност. Съгласно Фигура 1, за тези два крайни случая са в сила векторните релации V = V_y и V = V_x. При наличие на магнитното поле 12. В / 0. произходът на магниточувствителността се определя от възникването на сила на Лоренц F_L = qV х В, където q е товарът на електрона. Нейното действие в отделните части от двете криволинейни траектории, в зависимост от индивидуалните посоки на компонентите В_х 14, В_у 16 и B_z 18 е различно (при фиксирана посока на тока 1₄). Детектирането на изходни сигнали за всяка една от магнитните компоненти 14, 16 и 18 се постига чрез иновативната конструкция на интегралния микросензор и една от трите комбинации на свързване на регистриращите електроди 5, 6, 7 и 8, показани на Фигура 2. Тези регистриращи контакти са Холови, т.е. върху тях се генерират в магнитното поле В 12 напрежения на Хол V Магниточувствителността по оста х,

Описания на издадени патенти за изобретения № 03.1/15.03.2019

Фигура 1 и Фигура 2а, се определя от Лоренцовата дефлекция на токоносителите в равнината y-z: F_L = qV_y х Β_χ. В този случай върху регистриращите контакти 5 и 8, и съответно върху 6 и 7 се генерират в магнитното поле Β_χ 14 едновременно допълнителни потенциали с противоположен знак и с една и съща стойност. При свързването, показано на Фигура 2а, на двойките контакти 5 и 8, и съответно 6 и 7, притежаващи потенциали с един и същ знак, на диференциалния изход 13 на сензора се екстрахира напрежение на Хол V_Hx, представляващо информационния сигнал за компонентата Β_χ, (1₂ = 1₃). Магниточувствителността по оста у, Фигура 1 и Фигура 26, се определя от Лоренцовата дефлекция на токоносителите в равнината χ-ζ ^: fl = qv х Ву. Така върху Холовите контакти 5 и 7, и съответно 6 и 8 в магнитното поле Ву 16 се генерират едновременно допълнителни потенциали с противоположен знак и с една и съща стойност. Информацията за компонентата В 16 се обуславя от напрежението на Хол VHy върху диференциалния изход 15. Магниточувствителността по оста ζ, Фигура 1 и Фигура 2в, се установява от Лоренцовата дефлекция на токоносителите в равнината х-у: FL = qVx xBz и FL = qVy x Bz, т.е. преобразувателната ефективност на сензора по оста ζ се определя едновременно от скоростите Vx и V . Това води до „свиване” и „разширяване” на двете симетрични токови траектории 142 и 143. Върху Холовите контакти 5 и 6, и съответно 7 и 8 в магнитното поле Bz 18 се генерират едновременно допълнителни потенциали с противоположен знак и с една и съща стойност. Измерването на компонентата Bz 18 се дефинира от напрежението на Хол VHz на изхода 17. Разполагането на регистриращите контакти 5, 6, 7 и 8 в близост до захранващите 2 и 3 контакти е свързано с по-високите стойности на Холовите потенциали, генерирани от вертикалните токови линии 12 и 13 в зоните под контактите 2 и 3. Чрез установяване на трите последователни конфигурации на свързване, представени на Фигура 2 чрез мултиплексорно устройство със съответна честота f, се получава пълната информация за вектора В 12. Стойността на параметъра В 12 се дава с релацията | В | = (Βχ² + Ву² + Β_ζ ²)^1/2.

Специален анализ изисква паразитното влияние в общия случай на генерираните сигнали от двете неизмервани компоненти върху изходния канал на регистрираната трета компонента. Използваното в нашия случай решение на този принципен проблем на векторната магнитометрия е симетрията на структурата по отношение на централния контакт 4, Фигура 1, и способите на свързване на съответните изходни контакти 5, 6, 7 и 8, показани на Фигура 2 с цел реализиране на диференциалните изходи 13, 15 и 17. Например, ако се измерва полето Β_ζ 18, Фигура 2в, едновременното действие на останалите две магнитни компоненти Β_χ 14 и В_у 16 води до синфазни допълнителни потенциали върху така свързаните електроди 5-6 и 7-8. Тези паразитни в случая потенциали се взаимно компенсират от диференциалния изход V_Hz 17. Аналогично е компенсирането на междуканалното паразитно влияние и за другите сензорни канали 13 и 15.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава от една страна във възможността съществено да се минимизират офсетите на така формираните изходи 13, 15 и 17 от симетрията на З-D микросензора спрямо централния контакт 4, и от друга - иновативното свързване на изходните електроди 5, 6, 7 и 8, формирайки три диференциални изходи 13, 15 и 17, Фигура 2. Предложеното ново решение е развитие на метода за последователно измерване на компонентите на магнитното поле В 12 с една и съща преобразувателна област в структурата 1. Фактически метрологичната задача е разширена не в пространството, а във времето, което е съществен иновативен подход във векторната магнитометрия, повишавайки драстично сензорната резолюция, т.е. регистриране на полето В 12 практически в „точка” Ролята на дълбокия р-тип ринг 9, заобикалящ омичните контакти 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 е да отдели ефективната сензорна зона от останалия обем на подложката 1. По този начин в дълбочина се формират ограничителни повърхности за протичащите в структурата 1 захранващи токове, подложени на въздействието на Лоренцовите сили F Повърхностното разтичане на токовете се ограничава също чрез р-ринга 9.

Интегралният З-D микросензор за магнитно поле може да се реализира с добре апробираните IC технологии. Магнитометърът допуска интегриране заедно с обработващата сигналите от него периферна електроника. Действието му е в широк температурен диапазон.

Описания на издадени патенти за изобретения

Claims (1)

1. Патентни претенции № 03.1/15.03.2019

   1. Интегрален З-D микросензор за магнитно поле, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани омични контакти - захранващи и регистриращи, всичките заобиколени с дълбок правоъгълен р-тип ринг, токоизточник, три изхода за измерване на взаимноперпендикулярните компоненти на магнитното поле чрез три комбинации на свързване на регистриращите контакти, а магнитното поле е с произволна посока спрямо подложката, характеризиращ се с това, че захранващите контакти са три (2,3 и 4), като двата от тях (2 и 3) са еднакви, с правоъгълна форма и сауспоредни на дългите си страни, а между тях симетрично е разположен третият захранващ контакт (4), който е централен и е с квадратна форма, като между захранващите контакти (2 и 3), в близост до тях и на едно и също разстояние са разположени по една двойка еднакви контакти, които са регистриращите - първи (5) и втори (6) до единия захранващ контакт (2), и съответно трети (7) и четвърти (8) до другия (3), а двойките контакти (5 и 6) и (7 и 8) са симетрични спрямо централния контакт (4), като първият контакт (5) е разположен срещу четвъртия (8), а вторият (6) е срещу третия (7), при което късите страни на р-ринга (9) са успоредни на дългите страни на правоъгълните контакти (2 и 3), а захранващите контакти (2 и 3) през тример (10) и токоизточника (11) са свързани със средния (4) контакт, като изход (13) за първа компонента (14) на магнитното поле (12) са третият (7) и четвъртият (8) контакт с комбинация на свързване на първия (5) и четвъртия (8) контакт, и съответно втория (6) и третия (7) контакт, изход (15) за втора компонента (16) на магнитното поле (12) са третият (7) и четвъртият (8) контакт с комбинация на свързване на първия (5) и третия (7), и съответно втория (6) и четвъртия (8) контакт, а изходът (17) за трета компонента (18) са вторият (6) и четвъртият (8) контакт с комбинация на свързване на първия (5) и втория (6), и съответно третия (7) и четвъртия (8) контакт.