BG66830B1 - Равнинно-магниточувствително сензорно устройство - Google Patents

Abstract

Равнинно-магниточувствителното сензорно устройство съдържа две еднакви с n-тип примесна проводимост полупроводникови подложки с форма на правоъгълен паралелепипед - първа (1) и втора (2), върху едната страна на които са формирани последователно по пет правоъгълни омични контакти - първи (3 и 4), втори (5 и 6), трети (7 и 8), четвърти (9 и 10), и пети (11 и 12), всичките успоредни помежду си, и токоизточник (13). Първите (3 и 4) и петите контакти (11 и 12) и съответно вторите (5 и 6) и четвъртите (9 и 10) контакти са симетрични спрямо третите (7 и 8) контакти. Контактите (3 и 11) и съответно (4 и 12) са съединени непосредствено. Четвъртият контакт (9) от подложката (1) е свързан с втория контакт (6) от подложката (2), а вторият контакт (5) от първата подложка (1) - с четвъртия контакт (10) от втората подложка (2), като двете групи контакти (5 и 10) и съответно (9 и 6) са съединени с токоизточник (13). Първият (3) и петият (5) и съответно третият контакт (7) от подложката (1) са свързани с входа на първи измервателен усилвател (14). Първият (4) и петият (12), и съответно третият контакт (8) от подложката (2) - с входа на втори измервателен усилвател (15). Контактите (3 и 4), и съответно (11 и 12) са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на усилвателите (14 и 15). Изходите на усилвателите (14 и 15) са свързани с входа на диференциален усилвател (16), чийто изход е изход (17) на сензорното устройство, като измерваното магнитно поле е успоредно на дългите страни на всичките контакти.

Description

(54) РАВНИННО-МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНО СЕНЗОРНО УСТРОЙСТВО

Област на техниката

Изобретението се отнася до равнинно-магниточувствително сензорно устройство, приложимо в областта на микро- и нанотехнологиите, роботиката, сензориката, мехатрониката и когнитивните интелигентни системи, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, космическите изследвания, електромобилите и хибридните превозни средства, биомедицината, енергетиката, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността.

Предшестващо състояние на техниката

Известно е равнинно-магниточувствително сензорно устройство, съдържащо две еднакви с п-тип примесна проводимост полупроводникови подложки с формата на правоъгълен паралелепипед - първа и втора, върху едната страна на които на разстояния един от друг са формирани последователно по пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети - всичките успоредни помежду си, и токоизточник. Първите и петите, и съответно вторите и четвъртите контакти са симетрично разположени спрямо третите контакти. Първите и петите контакти са съединени непосредствено помежду си. Вторият контакт от първата подложка е свързан с четвъртия контакт от втората подложка, а четвъртият контакт от първата подложка - с втория контакт от втората подложка, като двете групи контакти са съединени съответно с изводите на токоизточника. Двата трети контакта са диференциалният изход на сензорното устройство, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините с контактите, така и на дългите страни на омичните контакти [1, 2, 3, 4].

Недостатък на това равнинно-магниточувствително сензорно устройство е понижената метрологична точност в резултат на високата стойност на паразитното напрежение на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет), поради неминуема геометрична асиметрия при технологичната реализация на първите и петите, и съответно на вторите и четвъртите контакти по отношение на третите.

Недостатък, който допълнително понижава метрологичната точност е също температурният дрейф на офсета по причини на: остатъчни термични деформации на чипа с полупроводниковите подложки при капсулирането му, неминуемите технологични несъвършенства при производството и нееднородната дисипация на топлината при функциониране на сензорното устройство.

Недостатък е още непредсказуемото изменение стойността на офсета с течение на времето (дрейфът) в резултат от процесите на стареене и миграция на легиращите примеси в подложките, което отново понижава измервателната точност.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде равнинно-магниточувствително сензорно устройство с повишена метрологична точност чрез редуциране стойността на паразитния офсет на изхода, температурния му дрейф и неговите времеви флуктуации.

Тази задача е решена с равнинно-магниточувствително сензорно устройство, съдържащо две еднакви с п-тип примесна проводимост полупроводникови подложки с формата на правоъгълен паралелепипед - първа и втора, върху едната страна на които на разстояния един от друг са формирани последователно по пет правоъгълни омични контакта - първи, втори, трети, четвърти и пети - всичките успоредни помежду си, и токоизточник. Първите и петите, и съответно вторите и четвъртите контакти са симетрично разположени спрямо третите контакти. Първият и петият контакт от всяка подложка са съответно съединени непосредствено. Четвъртият контакт от първата подложка е свързан с втория контакт от втората подложка, а вторият контакт от първата подложка - с четвъртия контакт от втората подложка, като двете групи непосредствено свързани контакти са съединени съответно с изводите на токоизточник. Първият и петият, и съответно третият контакт от първата подложка са свързани с входа на първи измервателен усилвател. Първият и петият, и съответно третият контакт от втората подложка - с входа на втори измервателен усилвател. Първите и петите контакти от двете подложки са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата измервателни усилватели. Изходите на тези усилватели са свързани с входа на диференциален

Описания на издадени патенти за изобретения № 03.1/15.03.2019 усилвател, чийто изход е изход на сензорното устройство, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е повишената метрологична точност в резултат на редуцираната стойност на паразитния офсет на равнинно-магниточувствителното сензорно устройство, тъй като в изходните сигнали на конструктивно конфигурираните две архитектури от тип на Хол (каквито представляват подложките с формираните върху тях контакти), осъществени в единен технологичен цикъл напреженията на Хол са равни по стойност и са с противоположен знак, а паразитните офсети са с еднакъв знак и са приблизително равни, и при изваждане на сигналите с диференциалния усилвател остатъчният офсет се компенсира (нулира), а „чистите” напрежения на Хол се сумират.

Предимство е също допълнителното увеличаване на измервателната точност от компенсирания дрейф (собствен от стареенето и температурен) на остатъчния офсет поради практически едно и също поведение на индивидуалните изходни дрейфове на двете конфигурации на Хол и при изваждане на тези два паразитни сигнала с диференциалния усилвател дрейфът на офсета се компенсира драстично.

Предимство е още повишената магниточувствителност на сензорното устройство поради елиминиране на окъсяващите ефекти в изходите на двете конфигурации на Хол чрез схемотехнично развързване на изходите им с двата измервателни усилватели, минимизирайки драстично негативното влияние.

Предимство е и подобреното отношение сигнал/шум, т.е. резолюцията на сензорното устройство при детектиране на минимално магнитно поле в резултат на драстично редуцираните паразитен офсет и неговия дрейф, и повишената магниточувствителност.

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1, съдържаща напречното сечение на двете подложки с контактите върху страните и схемотехниката.

Примери за изпълнение на изобретението

Равнинно-магниточувствителното сензорно устройство съдържа две еднакви с п-тип примесна проводимост полупроводникови подложки с формата на правоъгълен паралелепипед - първа 1 и втора 2, върху едната страна на които на разстояния един от друг са формирани последователно по пет правоъгълни омични контакти - първи 3 и 4, втори 5 и 6, трети 7 и 8, четвърти 9 и 10, и пети 11 и 12, всичките успоредни помежду си, и токоизточник 13. Първите 3 и 4 и петите 11 и 12, и съответно вторите 5 и 6 и четвъртите 9 и 10 контакти са симетрично разположени спрямо третите 7 и 8 контакти. Контактите 3 и 11 и съответно 4 и 12 от всяка подложка 1 и 2 са съединени непосредствено. Четвъртият контакт 9 от първата подложка 1 е свързан с втория контакт 6 от втората 2, а вторият контакт 5 от първата 1 - с четвъртия контакт 10 от втората подложка 2, като двете групи непосредствено свързани контакти 5 и 10, и съответно 9 и 6 са съединени с изводите на токоизточника 13. Първият 3 и петият 5, и съответно третият контакт 7 от първата подложка 1 са свързани с входа на първи измервателен усилвател 14. Първият 4 и петият 12, и съответно третият контакт 8 от втората подложка 2 - с входа на втори измервателен усилвател 15. Първите 3 и 4, и петите 11 и 12 контакти от двете подложки 1 и 2 са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата измервателни усилватели 14 и 15. Изходите на усилвателите 14 и 15 са свързани с входа на диференциален усилвател 16, чийто изход е изход 17 на сензорното устройство, като измерваното магнитно поле 18 е успоредно както на равнините на подложките 1 и 2, така и на дългите страни на контактите 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12.

Действието на равнинно-магниточувствителното сензорно устройство, съгласно изобретението, е следното. При включване на двете групи непосредствено свързани контакти 5 и 10, и съответно 9 и 6 към изводите на токоизточника 13, в двете еднакви архитектури (подложка 1 с контакти 3, 5, 7, 9 и 11, и подложка 2 с контакти 4, 6, 8, 10 и 12) протичат равни по стойност и противоположно насочени захранващи токове I ₍ и -1 Омични контакти 5 и 9, и съответно 6 и 10 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външното магнитно поле В 18, В = 0, токовите компоненти през тях 1₅ и 1₉ и съответно I и I са перпендикулярно насочени спрямо горните страни на подложките 1 и 2,

Описания на издадени патенти за изобретения № 03.1/15.03.2019 прониквайки дълбоко в обемите им. Токовите линии 1_{5 9} и 1₆ в останалата част от обемите на подложките 1 и 2 са успоредни на горните страни. В резултат обаче на неминуема асиметрия (геометрични грешки на маските в процеса на производство) на контактите, например 5и9, ибиЮпо отношение на третите контакти 7 и 8, възникват паразитни изходни напрежения (офсети) в отсъствие на магнитното поле В 14, В = 0, V_{7 п}(0) # 0 и V_{s 12}(0) / 0. Тъй като двете сензорни архитектури са реализирани в единен технологичен процес, двата паразитни офсета V_{7 п}(0) и V_{g 12}(0) се очаква да бъдат почти равни по стойност и да са с един и същ знак, V_{7 п}(0) « V_g (0).

Прилагане на измерваното магнитно поле В 18 успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12 води до възникване на странично (латерално) отклонение на токовите линии в двете архитектури от силите на Лоренц F F_L = qV_d| х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_di е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложките 1 и

2. В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F траекториите на противоположно насочените токови компоненти I ₍ и -1_; едновременно се “свиват” и/или съответно “разширяват”. В зависимост от взаимните посоки на токове ( и - I, и вектора на магнитното поле В 18, върху средните контакти 7 и 8, и съответно върху непосредствено свързаните крайни контакти - първи 3 и 4, и пети 11 и 12 се генерират противоположни по знак и еднакви по стойност Холови потенциали. Така чрез ефекта на Хол, обобщен за всички видове твърдотелни кристални структури, в това число и такива с равнинна магниточувствителност [2, 3], възникват две еднакви и с противоположен знак напрежения на Хол V_{H7 П}(В) и - V_H812(В). Следва да се отбележи, че към тези изходни сигнали се добавят алгебрично паразитните офсети V_{7 п}(0) « V_g (0) на двата изхода. Подаването на напреженията V_{7 П}(В) + V_{7 п}(0) и съответно V_{g 12}(В) + V_{g 12}(0) на двата измервателни усилватели 14 и 15 осъществява схемотехнично развързване на изходите на двете сензорни архитектури, минимизирайки драстично взаимното им влияние. Също така е възможно с измервателните усилватели 14 и 15 да се осъществи предварителното усилване на напреженията V_{7 П}(В) и - V_{g 12}(В). Чрез диференциалния усилвател 16 напреженията V_{7 п} и V_{g 12} се изваждат:

- V_{g 12} = [V₇ „(0) + v₇ „(В)] - [V_{g 12}(0) - v_{g 12}(В)] = 2V_H(B) + [V₇ „(0) - v_{g 12}(0)]

Съгласно този израз, в резултат на изваждане на генерираните от Холовите архитектури сигнали V_{7 п} и V_{g 12}, напрежението на Хол на изхода 17 на диференциалния усилвател 16 е удвоено 2V_H(B), а остатъчният офсет V_ff(0) ξ V_{7 п}(0) - V_g (0) е драстично редуциран. В известното решение изходното напрежение (магниточувствителността) е редуцирано поради шунтирането на ефекта на Хол от електрически свързаните контакти. Ето защо магниточувствителността на сензорното устройство на Хол е удвоена в сравнение с един от каналите, Фигура 1. При това остатъчният паразитен офсет (собствен и температурен) е почти напълно компенсиран, V_ff(0)« 0. Така се повишава значително измервателната точност. Предвид силно редуцираният офсет на изхода 17, собственият Ι/f (фликер) шум от двата канала V_{7 п} и V_g се намалява и се повишава отношението сигнал/шум. Така резолюцията за детектиране на минимална магнитна индукция В нараства. Собственият и температурният дрейф на офсета се появяват най-вече от вътрешни в полупроводниковите подложки 1 и 2 деформации при капсулирането на чипа, реализацията на метализираните шини, тънкослойните проводящи и диелектрични слоеве по повърхността, технологични несъвършенства, дисипацията на топлина при функциониране, процесите на стареене, миграцията на примесни атоми и др. В общия случай тези дрейфови паразитни напрежения имат хаотично поведение, променяйки се с течение на времето, което прави „твърдото” им компенсиране чрез тримиране, термостатиране и др. неефективно. Посочените причини са неотстраними, но са едни и същи и за двете конфигурации на Хол, реализирани в единен технологичен цикъл, което е удачно използвано в предложението на Фигура 1 като подход за отстраняването им.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във възможността чрез оригинално свързване на два петконтактни микросензори на Хол с равнинна магниточувствителност и съответна схемотехника (без увеличаване броя на омичните контакти), да се реализират два еднакви функционално интегрирани в общ чип архитектури на Хол, от съвместното действие на които се постигат нови положителни свойства. Така офсетът и температурният му дрейф са редуцирани драстично, резолюцията и магниточувствителността са повишени - качества, отсъстващи в известното решение. В резултат на решението метрологичната точност на сензорното устройство е значително повишена.

Описания на издадени патенти за изобретения № 03.1/15.03.2019

Равнинно-магниточувствителното сензорно устройство може да се реализира, например, с CMOS или BiCMOS технологии, като двете преобразувателни зони на конфигурацията представляват дълбоки п-тип силициеви джобове 1 и 2. Изборът на полупроводниковите джобове 1 и 2 с п-тип примесна проводимост е продиктуван от факта, че в п-тип полупроводниците подвижността на токоносителите, обуславяща скоростта на носителите, т.е. магниточувствителността, е съществено по-висока, в сравнение с р-тип материалите. Интегралната микроелектронна технология позволява всички елементи, свързани с новото сензорно устройство на Хол, включително усилвателите 14,15 и 16 да се реализират върху общ силициев чип, формирайки интелигентна микросистема (MEMS). Функционирането на предложеното сензорно устройство е осъществимо в широк температурен интервал, включително при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и сигурността, чипът с двете конфигурирани архитектури се разполага между два еднакви продълговати концентратора на магнитното поле В 18 от ферит или μ-метал.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Равнинно-магниточувствително сензорно устройство, съдържащо две еднакви с п-тип примесна проводимост полупроводникови подложки с формата на правоъгълен паралелепипед - първа и втора, върху едната страна на които на разстояния един от друг са формирани последователно по пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, всичките успоредни помежду си, и токоизточник, първите и петите, и съответно вторите и четвъртите контакти са симетрично разположени спрямо третите, първите и петите контакти от всяка подложка са съединени непосредствено, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на омичните контакти, характеризиращо се с това, че четвъртият контакт (9) от първата подложка (1) с свързан с втория контакт (6) от втората подложка (2), а вторият контакт (5) от първата подложка (1) - с четвъртия контакт (10) от втората подложка (2), като двете групи непосредствено свързани контакти (5 и 10), и съответно (9 и 6) са съединени с изводите на токоизточника (13), като първият (3) и петият (5), и съответно третият контакт (7) от първата подложка (1) са свързани с входа на първи измервателен усилвател (14), а първият (4) и петият (12), и съответно третият контакт (8) от втората подложка (2) - с входа на втори измервателен усилвател (15), като първите (3 и4), ипетите (11 и 12) контакти от двете подложки (1 и 2) са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата измервателни усилватели (14 и 15), а изходите на усилвателите (14 и 15) са свързани с входа на диференциален усилвател (16), чийто изход е изход (17) на сензорното устройство.