BG67039B1 - Двуосен микросензор за магнитно поле - Google Patents

Abstract

Двуосният микросензор за магнитно поле съдържа р-тип полупроводникова подложка (1), върху едната страна на която е формиран дълбок n-тип слой (2) във формата на малтийски равно странен кръст с четири равни правоъгълни страни. Върху късите страни на n - слоя (2) са разположени омични контакти - първи (3), втори (4), трети (5) и четвърти 6 като (3) и (5), и съответно (4) и (6) са противоположни. Контакти (3) и (4) през еднакви по стойност товарни резистори (7) и (8) са свързани с изводите на токоизточник (9), а контакти (5) и (6) през товарни резистори (10) и (11) със стойност както другите два (7) и (8) са съединени с токоизточника (9) така, че полярностите на контакти (3) и (5), и съответно на (4) и (6) да съвпадат. Измерваното външно магнитно поле (12) е с произволна ориентация и лежи в равнината на подложката (1) като двойките контакти - (3) и (5), и съответно (4) и (6) са изходите (13) и (14) за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле (12).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до двуосен микросензор за магнитно поле, приложимо в областта на безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в равнината, роботиката и мехатрониката, слабополевата магнитометрия, когнитивните системи и автоматиката, електромобилостроенето, контролно-измервателната технология, биомедицинските изследвания, енергетиката и енергийната ефективност, военното дело и сигурността, и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е двуосен микросензор за магнитно поле, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт с квадратна форма като на разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има последователно по един правоъгълен вътрешен омичен контакт и по един външен омичен контакт. В близост до всички контакти е формирана дълбока обграждаща ги р⁺-тип зона. Четирите външни контакта са съединени и през токоизточник са свързани с централния контакт. Измерваното външно магнитно поле е с произволна ориентация и лежи в равнината на п-тип подложката като всяка двойка срещуположни вътрешни контакти спрямо централния са изходите за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле [1-6].

Недостатък на този двуосен микросензор за магнитно поле е редуцираната чувствителност на двата сензорни изхода при измерване на равнинните компоненти на магнитното поле в резултат на обемното разтичане на четирите захранващи тока между централния и крайните омични контакти.

Недостатък е също редуцираната точност на микросензора в резултат на паразитните изходни напрежения на двата изхода (офсети) в отсъствие на магнитно поле, породени от електрическа асиметрия в резултат на геометрична асиметрия в разположението на вътрешните и външните контакти спрямо централния, неминуеми технологични несъвършенства, механични напрежения при корпусирането на чипа и др.

Недостатък е още усложнената конструкция, съдържаща девет омични контакта, което повишава значително габаритите на структурата и се понижава нейната разделителна способност (резолюция) и се затруднява реализацията на микросензора.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде двуосен микросензор за магнитно поле с висока магниточувствителност, повишена измервателна точност на двата сензорни канала и опростена конструкция чрез редуциране броя на омичните контакти.

Тази задача се решава с двуосен микросензор за магнитно поле, съдържащ р-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която е формиран дълбок п-тип слой във формата на малтийски кръст с четири равни правоъгълни страни (равностранен кръст). Върху късите страни на п-тип слоя има съответно по един омичен контакт - първи, втори, трети и четвърти като първият и третият, и съответно вторият и четвъртият са противоположни. Първият и вторият контакт през еднакви по стойност товарни резистори са свързани с изводите на токоизточник, а третият и четвъртият през товарни резистори със стойност както другите два резистора са съединени с токоизточника така, че полярностите на първия и третия, и съответно на втория и четвъртия контакт да съвпадат. Измерваното външно магнитно поле е с произволна ориентация и лежи в равнината на р-тип подложката като двойките срещуположни контакти - първият и третият, и съответно вторият и четвъртият са изходите за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност на двата сензорни канала в резултат на отстраненото разтичане на компонентите на захранващия ток от формираната в р-подложката дълбок п-тип епитаксиален слой.

Предимство е също високата измервателна точност на двата сензорни канала поради драстично намаленото паразитно влияние между компонентите на захранващия ток посредством п-тип слоя и възможността за нулиране на офсетите на двата изхода чрез промяна в стойностите на четирите товарни резистора.

Описания на издадени патенти за изобретения № 05.1/15.05.2020

Предимство е още съществено опростената приборна конструкция ва двуосния микросензор за магнитно поле, съдържаща само четири, вместо девет контакта.

Предимство е и отпадане на необходимостта от специално разположение във фиксирана координатна система на микросензора по отношение на източника на магнитното поле поради подобрената ортогоналност на двете части на п-слоя във формата на кръст в резултат от прецизността на микроелектронната технология.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Двуосният микросензор за магнитно поле съдържа р-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която е формиран дълбок п-тип слой 2 във формата на малтийски кръст с четири равни правоъгълни страни (равностранен кръст). Върху късите страни на п-слоя 2 има съответно по един омичен контакт - първи 3, втори 4, трети 5 и четвърти 6, като първият 3 и третият 5, и съответно вторият 4 и четвъртият 6 са противоположни. Първият 3 и вторият 4 контакт през еднакви по стойност товарни резистори 7 и 8 са свързани с изводите на токоизточник 9, а третият 5 и четвъртият 6 през товарни резистори 10 и 11 със стойност както другите два 7 и 8 са съединени с токоизточника 9 така, че полярностите на първия 3 и третия 5, и съответно на втория 4 и четвъртия 6 контакт да съвпадат. Измерваното външно магнитно поле 12 е с произволна ориентация и лежи в равнината на р-тип подложката 1, като двойките срещуположни контакти - първият 3 и третият 5, и съответно вторият 4 и четвъртият 6 са изходите 13 и 14 за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле 12.

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

При включване на контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6 към токоизточника 9, протичат четири равни и две по две противоположно насочени токови компоненти 1₃ и -1 и съответно I и -1₆. Тази специфична особеност се дължи на включването на контакти 3, 4, 5 и 6 през еднаквите товарни резистори 7, 8, 10 и 11 към токоизточника 9 по начин, че токовете между противоположните контакти 3 и 5, и съответно 4 и 6 да са противоположно насочени спрямо центъра на п-тип епитаксиалния слой 2. Понеже стойностите на товарните резистори 7, 8, 10 и 11 са многократно по-големи от вътрешното съпротивление на отделните участъци на п-тип симетричния кръст 2, режимът на функциониране на микросензора е генератор на ток. Създаденият дълбок епитаксиален п-слой 2 във формата на равностранен (малтийски) кръст еднозначно ограничава областите, в които протичат токовите компоненти 1₃ и - 1₅, и съответно 1₄и -1₆. Така паразитното обемно и повърхностно разтичане на захранващия ток е отстранено. Траекториите на компонентите 1₃ и -1 и съответно 1₄и -1₆ в областите под омичните контакти 3 и 5, както 4 и 6 в отсъствие на магнитно поле 12 В/В .В ) = 0 първоначално са перпендикулярни на горната повърхност на подложката 1. Причината е, че нискоомните контакти 3, 4, 5 и 6 представляват еквипотенциални равнини за тока. Ето защо токовете проникват значително в обема на п-слоя 2. След това ефективните траектории 1₃ и -1₅, и съответно I и -1₆ в обема на п-слоя 2 стават почти успоредни на горната му повърхност. Тази важна за действието на микросензора топология на токовите траектории е продиктувана от относително дълбокия кръстовиден п-слой и неголемите му линейни размери. Ако в случай на структурна асиметрия възникне неравенство на тези токове, тяхното изравняване става чрез гримиране - съответна промяна в стойностите на товарните резистори 7, 8,10 или 11. Така неминуемите офсети V₁₃(0) и V₁₄(0) на диференциалните изходи 13 и 14 в отсъствие на магнитно поле В 12 (В = 0) лесно се компенсират (нулират).

Външното магнитно поле В 12, което лежи в равнината на подложката 1 и е с произволна ориентация, чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти Β_χ и В_у генерира съответни латерално отклоняващи движещите се токоносители сили на Лоренц F_L. = qV _|г х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_di е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се токоносители, в нашия случай електроните в п-слоя 2. В резултат на Лоренцовите дефлекции F_Li траекториите в отделните си части - под контактите 3, 4, 5 и 6 и между тях за всяка от противоположно насочените

Описания на издадени патенти за изобретения № 05.1/15.05.2020 токови компоненти 1₃ и -I и съответно I и -1₆ едновременно се деформират като се “свиват” и/или „разширяват”. В зависимост от посоката на магнитния вектор В 12, всеки един в двойките срещуположни токове нараства, респективно намалява. Поради режимът на функциониране генератор на ток 1=-1=1=-1= const, вместо изменения на отделните токови компоненти през контактите 3 и 5, и съответно 4 и 6, се генерират противоположни по знак Холови потенциали. Така чрез ефекта на Хол върху двата диференциални изхода 13 и 14 възникват напрежения на Хол: V_{3 5}(Β_χ) ξ V₁₃(B_x) 13 иУ₄₆(В_у) ξ V₁₄(B ) 14. Изходните сигнали 13 и 14 са линейни и нечетни функции от магнитните вектори Β_χ и В и съдържат метрологичната информация. Повишаването на магниточувствителността се дължи на ограничения в подложката 1 епитаксиален п-слой 2 чрез технологична реализация. Този оригинален подход отстранява разтичането на захранващия ток. Също така взаимно перпендикулярните страни на п-кръста значително подобряват ортогоналността на токовите компоненти I₃, - Ι₅, I и - 1₆ спрямо двата равнинни вектора В_хи В_у на магнитното поле В 12. Перфектно ограничената в р-тип подложката 1 кръстовидна активна зона 2 максимално редуцира паразитното взаимно влияние на двата сензорни канала Β_χ и В_у. Следователно в резултат магниточувствителността и метрологичната точност нарастват. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 13 в равнината х-у на подложката 1 и ъгълът Θ на полето В 14 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина се дават с добре известните изрази: |В| = (В_Х ²+ ВуТ² и Θ = tan¹ (Vy(B_y)/V (Β_χ)).

Чрез предложената иновативна конструкция е постигнато за първи път драстично опростяване на векторните магнитометри. Данните за двете ортогонални компоненти Β_χ и В_у на вектора В 12 се получават само с четири 3, 4, 5 и 6, вместо девет омични контакти, както е в известното решение. Анализът на действието на този необичаен и максимално опростен 2D микросензор показва, че така осъщественото му захранване и архитектура формират виртуален омичен контакт (сорс) в централната зона на п-епитаксиалния кръст.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативната приборна конструкция, съдържаща само четири омични контакти 3, 4, 5 и 6, ограничаващия разтичането на тока епитаксиален п-слой 2, и оригиналното включване на двойките контакти 3 и 5, и съответно 4 и 6 към токоизточника 9, осигуряващо противоположно насочени токови компоненти, генериращи двете изходни напрежения на Хол V₁₃(B_x) 13 и V₁₄(B ) 14.

Този 2D магнитометър може да се реализира с различните модификации на планарната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг силициеви процеси.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Двуосен микросензор за магнитно поле, съдържащ полупроводникова подложка, омични контакти, токоизточник, като измерваното външно магнитно поле е с произволна ориентация и лежи в равнината на подложката, характеризиращ се с това, че подложката (1) е с р-тип проводимост, върху едната й страна е формиран дълбок п-тип слой (2) във формата на малтийски кръст с четири равни правоъгълни страни (равностранен кръст), върху късите страни на п-тип слоя (2) са разположени омичните контакти - първи (3), втори (4), трети (5) и четвърти (6), като първият (3) и третият (5), и съответно вторият (4) и четвъртият (6) са противоположни, първият (3) и вторият (4) контакт през еднакви по стойност товарни резистори (7 и 8) са свързани с изводите на токоизточника (9), а третият (5) и четвъртият (6) през товарни резистори (10 и 11) със стойност, както другите два (7 и 8) са съединени с токоизточника (9) така, че полярностите на първия (3) и третия (5), и съответно на втория (4) и четвъртия (6) контакт да съвпадат като двойките срещуположни контакти - първият (3) и третият (5), и съответно вторият (4) и четвъртият (6) са изходите (13 и 14) за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле (12).