BG66884B1 - Комбиниран микросензор - Google Patents

Abstract

Комбинираният микросензор съдържа n-тип полупроводникова подложка (1), върху едната страна на която са формирани омични контакти, токоизточник (11), три изхода (16, 17 и 18), като с три последователни комбинации на свързване на четири еднакви омични контакти се измерват трите взаимноперпендикулярни компоненти на магнитното поле (12) с произволна посока спрямо подложката. Два омични базови контакта (2 и 3), които са с правоъгълна форма и са успоредни на дългите си страни, са симетрично разположени спрямо централен р-тип емитер (4). Между контактите (2 и 3), в близост до тях и на едно и също разстояние са разположени още по една двойка регистриращи омични контакти, които са еднакви - първи (5) и втори (6) до базовия контакт (2), и съответно трети (7) и четвърти (8) до контакта (3), като двойките регистриращи контакти (5 и 6), и съответно (7 и 8) са симетрични спрямо емитера (4). Първият контакт (5) е срещу четвъртия контакт (8), а вторият контакт (6) е срещу третия контакт (7). Базовите (2 и 3) и регистриращите (5, 6, 7 и 8) контакти са заобиколени с дълбок правоъгълен р-тип ринг (9), късите страни на който са успоредни на дългите страни на контактите (2 и 3). През тример (10) и източника на постоянен ток (11) контактите (2 и 3) са свързани с емитера (4) така, че той да е включен в права посока. Средната точка на тримера (10) е съединена с ринга (9). Контактите (5, 6, 7 и 8) са свързани с входа на мултиплексор (13), изходът на който е съединен с входа на усилвател (14) с управляем коефициент на усилване, чийто управляващ вход е свързан с емитера (4). Изходът на усилвателя (14) е свързан с входа на демултиплексор (15) с трите изхода, които са изходи (16, 17 и 18) на комбинирания микросензор за трите взаимноперпендикулярни компоненти на магнитното поле (12). Първата компонента на магнитното поле (12) се измерва с третия (7) и четвъртия (8) контакт с комбинация на свързване, осъществена с мултиплексора (13) - първия (5) и четвъртия ( 8), и съответно втория (6) и третия (7) контакт. Втората компонента се измерва с третия (7) и четвъртия (8) контакт с комбинация на свързване - първия (5) и третия (7), и съответно втория (6) и четвъртия (8) контакт. Третата компонента се измерва с втория (6) и четвъртия (8) контакт с комбинация на свързване първия (5) и втория (6), и съответно третия (7) и четвъртия (8) контакт.

Description

Област на техниката

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

Предшестващо състояние на техниката

Известен е комбиниран микросензор, измерващ последователно трите ортотонални компоненти на вектора на магнитното поле, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани омични контакти, токоизточник и три изхода, като с три последователни комбинации на свързване на тези контакти се измерват трите взаимно перпендикулярни 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 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 [1,2].

Недостатък на този комбиниран микросензор е понижената точност при последователното измерване на трите компоненти на магнитния вектор в резултат на силната температурна зависимост на магниточувствителности на трите канала и на съответните паразитни напрежения на изходите в отсъствие на магнитното поле (офсетите), както и отсъствието на температурно зависим компенсиращ сигнал, свързан с микросензора.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде комбиниран микросензор с повишена точност при последователното измерване на трите ортогонални компоненти на вектора на магнитното поле.

Тази задача се решава с комбиниран микросензор, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която на разстояние един от друг са формирани два еднакви омични базови контакти с правоъгълна форма, успоредни на дългите си страни. Те са симетрично разположени спрямо централен р-тип емитер с квадратна форма. Между базовите 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 до единия базов контакт, и съответно трети и четвърти до другия, като двойките регистриращи контакти са симетрични спрямо емитера. Първият регистриращ контакт е разположен срещу четвъртия, а вторият е срещу третия. Базовите и регистриращите контакти са заобиколени с дълбок правоъгълен р-тип ринг, късите страни на който са успоредни на дългите страни на базовите контакти. През нискоомен тример и източник на постоянен ток, базовите контакти са свързани с емитера така, че той да е включен в права посока. Средната точка на тримера е съединена с р-тип ринга. Четирите регистриращи контакти са свързани с входа на мултиплексор, изходът на който е съединен с входа на измервателен усилвател с управляем коефициент на усилване, чийто управляващ вход е свързан с емитера. Изходът на усилвателя е свързан с входа на демултиплексор с три изхода, които са изходи на комбинирания микросензор за трите взаимноперпендикулярни компоненти на магнитното поле с произволна посока спрямо подложката. Първата компонента на магнитното поле се измерва с третия и четвъртия регистриращ контакт с комбинация на свързване, осъществена с мултиплексора - първия и четвъртия, и съответно втория и третия контакт. Втората компонента се измерва с третия и четвъртия контакт с комбинация на свързване - първия и третия, и съответно втория и четвъртия контакт. Третата компонента се измерва с втория и четвъртия контакт с комбинация на свързване - първия и втория, и съответно третия и четвъртия контакт.

Описания на издадени патенти за изобретения № 06.1/17.06.2019

Предимство на изобретението е повишената точност на измерване на трите ортогонални компоненти на вектора на магнитното поле в резултат на формираното от самата полупроводникова структура линейно температурно зависимо напрежение емитер-базови контакти, което пропорционално на изменението на температурата управлява усилването на измервателния усилвател, компенсирайки така изменението на магниточувствителностите.

Предимство е също допълнителното увеличаване на измервателната точност от компенсирането на офсетите на три канала чрез включения между базовите контакти тример, както и драстичното редуциране на температурните им дрейфове при последващата интерфейсна обработка на сигналите.

Предимство е още повишеното отношение сигнал/шум на изходните канали поради отпадане необходимостта от превключване на захранващия ток при различните комбинации на свързване на регистриращите контакти и редуцирането на паразитните офсети в отсъствие на магнитно поле.

Освен това предимство е и повишената пространствена разделителна способност, т.е. резолюцията при измерване на магнитното поле, сведено в „точка”.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Комбинираният микросензор съдържа п-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която на разстояние един от друг са формирани два еднакви омични базови контакти 2 и 3 с правоъгълна форма, успоредни на дългите си страни. Те са симетрично разположени спрямо централен р-тип емитер 4 с квадратна форма. Между базовите 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 до единия базов контакт 2, и съответно трети 7 и четвърти 8 до другия контакт 3, като двойките контакти 5 и 6, и съответно 7 и 8 са симетрични спрямо емитера 4. Първият регистриращ контакт 5 е разположен срещу четвъртия 8, а вторият 6 е срещу третия 7. Базовите 2 и 3 и регистриращите 5, 6, 7 и 8 контакти са заобиколени с дълбок правоъгълен р-тип ринг 9, късите страни на който са успоредни на дългите страни на контактите 2 и 3. През нискоомен тример 10 и източник на постоянен ток 11 базовите контакти 2 и 3 са свързани с емитера 4 така, че той да е включен в права посока. Средната точка на тримера 10 е съединена с р-тип ринга 9. Външното магнитно поле 12 е с произволна посока спрямо подложката 1. Регистриращите контакти 5, 6, 7 и 8 са свързани с входа на мултиплексор 13, изходът на който е съединен с входа на измервателен усилвател 14 с управляем коефициент на усилване, чийто управляващ вход е свързан с емитера 4. Изходът на усилвателя 14 е свързан с входа на демултиплексор 15 с три изхода 16, 17 и 18, които са изходите на комбинирания микросензор за трите взаимноперпендикулярни компоненти на магнитното поле 12. Първата компонента на магнитното поле 12 се измерва с третия 7 и четвъртия 8 регистриращ контакт с комбинация на свързване, осъществена с мултиплексора 13 - първия 5 и четвъртия 8, и съответно втория 6 и третия 7 контакт. Втората компонента се измерва с третия 7 и четвъртия 8 контакт с комбинация на свързване - първия 5 и третия 7, и съответно втория 6 и четвъртия 8 контакт. Третата компонента се измерва с втория 6 и четвъртия 8 контакт с комбинация на свързване - първия 5 и втория 6, и съответно третия 7 и четвъртия 8 контакт.

Действието на комбинирания микросензор, съгласно изобретението, е следното.

Ключовата особеност, заложена в измерването на пълния магнитен вектор В/В .В .В ) 12 е нелинейната траектория на движение на токоносителите в подложката 1 с планарно разположените захранващи контакти 2 и 3, свързани към токоизточника 11. Токовите линии стартират, например, от емитера 4 към базовите контакти 2 и 3, Фигура 1. В отсъствие на магнитното поле В 12, В = 0, контактите 2 и 3 представляват еквипотенциални равнини. Ето защо в зоните под тях токовите линии 1₂ и 1₃ са вертикално насочени и основните неравновесни носители, в нашия случай електроните, проникват дълбоко в обема на полупроводниковата подложка 1. Едновременно емитерът (емитерният диоден р⁺-п преход) 4 инжектира неравновесни неосновни носители в подложката 1, в случая дупки, които чрез дрейф и дифузия формират две токови компоненти, насочени към контактите 2 и 3. В средните областимежду контакта

Описания на издадени патенти за изобретения № 06.1/17.06.2019 и емитера 4 и съответно между контакта 3 и емитера 4 симетричните и противоположно насочени от конструкцията траектории I ₂ и -1 са в първо приближение, успоредни на горната повърхност на подложката 1. Следователно, дрейфовата скорост V под контактите 2 и 3 е перпендикулярна на горната повърхност, а в обема между тях е успоредна на тази повърхност. При наличие на магнитното поле В 12, В ψ 0, произходът на магниточувствителността се определя от възникването на сила на Лоренц F_L = qV х В, където q е елементарният товар на електрона. Нейното действие в отделните части от двете криволинейни траектории, в зависимост от индивидуалните посоки на ортотоналните компоненти Β_χ, В и В е различно. Основно силата на Лоренц управлява двете токови компоненти в областите около базовите контакти 2 и 3, там, където доминират основните токоносители (електроните). Детектирането на изходни напрежения за всяка една от магнитните компонентите се постига чрез иновативната конструкция на комбинирания микросензор и една от трите комбинации на свързване на контактите 5, 6, 7 и 8, осъществени с мултиплексора 13. Регистриращите контакти 5, 6, 7 и 8 са Холови, т.е. върху тях се генерират в магнитното поле В 12 потенциалите на Хол V Ролята на демултиплексора 15 е да формира три изходни линии с напрежения, еднозначно свързани с трите ортогонални компоненти Β_χ, В_у и Β_χ. Магниточувствителността по оста х, Фигура 1, се определя от Лоренцовата дефлекция на токоносителите в равнината y-z: F_L = qV_y х Β_χ. В този случай върху контактите 5 и 8, и съответно върху 6 и 7 се генерират в магнитното поле Β_χ едновременно допълнителни потенциали с противоположен знак и с една и съща стойност. При свързване на контактите 5, 6, 7 и 8 чрез мултиплексора 13 - първия 5 и четвъртия 8, и съответно втория 6 и третия 7, на първата изходна линия 16 на демултиплексора 15 се генерира напрежение на Хол V_Hx, представляващо информационния сигнал за компонента Β_χ. Магниточувствителността по оста у, Фигура 1, се определя от Лоренцовата дефлекция на токоносителите в равнината x-z: F = qV_x х В_у. Така върху Холовите контакти 5 и 7, и съответно 6 и 8 в поле В се генерират едновременно допълнителни потенциали с противоположен знак и с една и съща стойност. Информацията за компонентата В_у се определя от напрежението на Хол V_Hy върху втория изход 17 на демултиплексора 15. Магниточувствителността по оста z, Фигура 1, се установява от Лоренцовата дефлекция на електроните в равнината х-у: F_L = qV_x х B_z и F_L = qV_y х B_z, т.е. преобразувателната ефективност на сензора по оста z се определя едновременно от скоростите V_x и V. Това води до „свиване” и „разширяване” на двете симетрични токови траектории I ₂ и I _у Върху Холовите контакти 5 и 6, и съответно 7 и 8 в поле B_z се генерират едновременно допълнителни потенциали с противоположен знак и с една и съща стойност. Измерването на компонентата B_z се определя от напрежението на Хол V_Hz на третата изходна линия 18 на демултиплексора 15. Разполагането на регистриращите контакти 5, 6, 7 и 8 в близост до захранващите контакти 2 и 3 е свързано с по-високите стойности на Холовите потенциали, генерирани от вертикалните токови линии 1₂ и 1₃ в зоните под контактите 2 и 3. Последователното установяване на трите конфигурации на свързване чрез мултиплексора 13 с честота f дава пълна информация за компонентите на вектора В 12. Ключово условие е времето на мултиплексиране да бъде по-малко от времето, през което настъпват евентуални промени в стойностите и посоките на магнитните компоненти. Стойността на параметъра В 12 се дава с релацията | В | = (Β_χ ² + В / + Β_ζ ²)¹².

В многомерната магнитометрия анализ изисква паразитното влияние 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 емитер 4, Фигура 1, и способите на свързване на съответните изходни контакти 5, 6, 7 и 8. Например, ако се измерва полето Β_ζ, едновременното действие на останалите две компоненти Β_χ и В води до синфазни допълнителни потенциали върху така свързаните електроди 5-6 и 7-8. Тези паразитни потенциали се взаимно компенсират от съответния диференциален изход V_Hz 16. Аналогично е компенсирането на междуканалното паразитно влияние и за другите сензорни канали 17 и 18.

Компенсирането на температурната зависимост на магниточувствителностите на трите изходни линии 16,17 и 18, както и на температурния дрейф на офсетите най-често в многомерната магнитометрия се решава с отделен температурен сензор. За целта в непосредствена близост до 3D преобразувателя се разполага този термосензор заедно с интерфейсната му електроника. Това решение, освен че е сложно,

Описания на издадени патенти за изобретения № 06.1/17.06.2019 с него трудно се постигат еднакви температурни условия при магнитометъра и термосензора. Ето защо в новия комбиниран 3D магнитометър е избран принципно различен иновативен подход. Успешно е осъществена функционална интеграция към последователното измерване на компонентите Β_χ, В_у и Β_ζ още и на температурния сензор, регистриращ температурата на околната среда. Когато р⁺-п преходът, емитерът 4 - базовите контакти 2 и 3 функционира в режим генератор на ток I = const, изходното му напрежение V_{2 3 4}(Т) е линейна функция на температурата Т, [3]. В нашия случай е установено, че температурно зависимият сигнал V_{2 3 4}(T) не се влияе от посоката и стойността на магнитното поле В 12 в твърде широк интервал ΔΒ. Този резултат е ключов за метрологията на комбинирания микросензор. Следователно, с една и съща преобразувателна зона в подложката 1 могат да се измерят освен стойностите и посоките на компонентите Β_χ, В и Β_ζ, така и температурата на средата, т.е. на самата подложка

1. Така линейното напрежение V_{2 3} (Т) успешно може да се подаде за управление на термокомпенсационната схема или блок, изградени чрез измервателния усилвател с управляем коефициент на усилване 14. Той е разположен между мултиплексора 13 и демултиплексора 15. На втория, управляващия вход на усилвателя 14 се подава линейното температурно зависимо напрежение V₂ (Т). Главните предимства на това иновативно решение са опростяването на цялостната конструкция и твърде високата точност на компенсацията, понеже преобразувателните механизми се развиват в една и съща зона. По този начин се постига повишена метрологична точност чрез компенсация на температурната зависимост на магниточувствителностите на трите изходни канала 16, 17 и 18, както и на температурните дрейфове на офсетите на тези изходи. С тримера 10 лесно се осъществява нулирането в отсъствие на магнитното поле В 12 на неминуемите офсети на изходите на микросензора. Постига се подобряване на електрическата симетрия на процесите, протичащи в подложката 1. Ролята на дълбокия р-тип ринг 9, заобикалящ контактите 2, 3, 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 Лоренцовото отклоняващо въздействие. Повърхностното разтичане на токовете се ограничава също чрез р-ринга 9. Свързването на средната точка на тримера 10 с ринга включва р-п прехода рингът 9 - подложката 1 в обратна посока. Постига се екстракция на дупките от ефективната преобразувателна зона. Така тяхната концентрация там намалява и негативната роля на биполярната проводимост върху магниточувствителностите, т.е. върху ефекта на Хол, се редуцира.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в: а) Съществено се минимизират офсетите на комбинирания микросензор от симетрията му спрямо централния емитер 4; б) Иновативното свързване на регистриращите контакти 5,6,7 и 8, формира три диференциални изходи, които редуцират паразитното междуканално влияние; в) Реализирана е функционална интеграция на 3D магнитометър със сензор за температура, като термопреобразувателят се използва за компенсация на сензорните дефекти, свързани с негативното влияние на температурата.

Линейният температурно зависим сигнал V₂ (Т) може да се използва независимо за целите на метрологията, което го прави с универсална приложимост. Комбинираният микросензор може да се реализира с добре апробираните IC технологии. Той допуска интегриране заедно с обработващата сигналите от него периферна електроника. Действието му е в широк температурен диапазон ΔΤ.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Комбиниран микросензор, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която на разстояние един от друг са формирани четири регистриращи омични контакта - първи, втори, трети и четвърти, които участват в три комбинации на свързване - първа, втора и трета, като има също токоизточник и три изхода, а измерваното магнитно поле е с произволна посока спрямо подложката, характеризиращ се с това, че има още два омични базови контакта (2 и 3) с правоъгълна форма, успоредни на дългите си страни и симетрично разположени спрямо централен р-тип емитер (4) с квадратна форма, като между контактите (2 и 3), в близост до тях и на едно и също разстояние са разположени още по една двойка от регистриращите омични контакти, които са еднакви - първия (5) и втория (6) до единия базов контакт (2), и съответно третия (7) и четвъртия (8) до другия (3), като двойките контакти (5 и 6), и съответно (7 и 8) са симетрични спрямо емитера (4), като първият регистриращ контакт (5) е

   Описания на издадени патенти за изобретения № 06.1/17.06.2019 разположен срещу четвъртия (8), а вторият контакт (6) е срещу третия (7), като базовите контакти (2 и 3) и регистриращите (5, 6, 7 и 8) контакти са заобиколени с дълбок правоъгълен р-тип ринг (9), късите страни на който сауспоредни на дългите страни на контактите (2 иЗ), като през нискоомен тример (10) и източника на постоянен ток (11) контактите (2 и 3) са свързани с емитера (4) така, че той да е включен в права посока, а средната точка на тримера (10) е съединена с ринга (9), при което контактите (5, 6, 7 и 8) са свързани с входа на мултиплексор (13), изходът на който е съединен с входа на измервателен усилвател (14) с управляем коефициент на усилване, чийто управляващ вход е свързан с емитера (4), а изходът на усилвателя (14) е свързан с входа на демултиплексор (15) с три изхода, които са изходи (16,17 и 18) на комбинирания микросензор за трите компоненти на магнитното поле (12), като първата комбинация на свързване съдържа третия (7) и четвъртия (8) регистриращ контакт, съединени чрез мултиплексора (13) - първия (5) с четвъртия (8), и съответно втория (6) с третия (7) контакт, а втората комбинация на свързване съдържа третия (7) и четвъртия (8) контакт, съединени чрез мултиплексора (13) - първия (5) с третия (7), и съответно втория (6) с четвъртия (8) контакт, и третата комбинация на свързване съдържа втория (6) и четвъртия (8) контакт, съединени чрез мултиплексора (13) - първия (5) с втория (6), и съответно третия (7) с четвъртия (8) контакт.