BG67039B1

BG67039B1 - Two-axis magnetic field microsensor

Info

Publication number: BG67039B1
Application number: BG112385A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Вълчева Лозанова Сия; Сия ЛОЗАНОВА; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority date: 2016-09-15
Filing date: 2016-09-15
Publication date: 2020-04-15
Also published as: BG112385A

Abstract

The two-axis magnetic field microsensor contains a p-type semiconductor wafer (1) on the one side of which is formed deep n-type layer (2) in the form of a Maltese equilateral cross with four equal rectangular sides. On the short sides of the n-layer (2) are located ohmic contacts - first (3), second (4), third (5) and fourth (6), as (3 and 5) and respectively (4 and 6) are the opposite. The contacts (3 and 4) via equal in value load resistors (7 and 8) are connected to the terminal studs of the current source (9) and the contacts (5 and 6) via load resistors (10 and 11) with a value as the other two (7 and 8) are connected to the current source (9) so that the polarities of the contacts (3 and 5) and respectively of (4 and 6) match together. The measured outer magnetic field (12) is of random orientation and lies in the plane of the wafer (1), as the pairs of contacts - (3 and 5), and respectively (4 and 6) are the outputs (13 and 14) for the two orthogonal planar components of the magnetic field vector (12).

Description

Област на техникатаField of technology

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.The invention relates to a biaxial microsensor for magnetic field, applicable in the field of non-contact measurement of angular and linear displacements, positioning of objects in the plane, robotics and mechatronics, low-field magnetometry, cognitive systems and automation, electrical engineering, control, biomeasurement technology energy and energy efficiency, military affairs and security, etc.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

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].A biaxial microsensor for magnetic field is known, containing a n-type semiconductor substrate, on one side of which are formed a central ohmic contact with a square shape as at distances and symmetrically to its four sides there is one rectangular inner ohmic contact and one outer ohmic contact. A deep surrounding p ⁺ -type zone is formed near all contacts. The four external contacts are connected and connected to the central contact via a power source. The measured external magnetic field has an arbitrary orientation and lies in the plane of the n-type substrate as each pair of opposite internal contacts relative to the central one are the outputs for the two orthogonal planar components of the magnetic field vector [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.A disadvantage of this two-axis microsensor for magnetic field is the reduced sensitivity of the two sensor outputs when measuring the planar components of the magnetic field as a result of the volumetric flow of the four supply currents between the central and end ohmic contacts.

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.Another disadvantage is the reduced accuracy of the microsensor as a result of parasitic output voltages at both outputs (offsets) in the absence of a magnetic field caused by electric asymmetry due to geometric asymmetry in the location of internal and external contacts relative to the central, inevitable technological imperfections when enclosing the chip, etc.

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.Another disadvantage is the complicated construction, containing nine ohmic contacts, which significantly increases the dimensions of the structure and reduces its resolution (resolution) and makes it difficult to implement the microsensor.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

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.It is an object of the invention to provide a two-axis microsensor for a magnetic field with high magnetic sensitivity, increased measuring accuracy of the two sensor channels and a simplified construction by reducing the number of ohmic contacts.

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.This problem is solved with a two-axis microsensor for a magnetic field, containing a p-type semiconductor substrate, on one side of which is formed a deep p-type layer in the form of a Maltese cross with four equal rectangular sides (equilateral cross). On the short sides of the p-type layer there is one ohmic contact, respectively - first, second, third and fourth as the first and third, and respectively the second and fourth are opposite. The first and second contacts through the same value load resistors are connected to the terminals of the current source, and the third and fourth through load resistors with the same value as the other two resistors are connected to the current source so that the polarities of the first and third and second and fourth contacts to match. The measured external magnetic field is of arbitrary orientation and lies in the plane of the p-type substrate as the pairs of opposite contacts - the first and third, and respectively the second and fourth are the outputs for the two orthogonal plane components of the magnetic field vector.

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.An advantage of the invention is the high magnetic sensitivity of the two sensor channels as a result of the removed leakage of the supply current components from the deep p-type epitaxial layer formed in the p-substrate.

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.Another advantage is the high measuring accuracy of the two sensor channels due to the drastically reduced parasitic influence between the components of the supply current through the n-type layer and the possibility to reset the offsets of both outputs by changing the values of the four load resistors.

Описания на издадени патенти за изобретения № 05.1/15.05.2020Descriptions of issued patents for inventions № 05.1 / 15.05.2020

Предимство е още съществено опростената приборна конструкция ва двуосния микросензор за магнитно поле, съдържаща само четири, вместо девет контакта.Another advantage is the significantly simplified instrument design of the two-axis magnetic field microsensor, containing only four instead of nine contacts.

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.Another advantage is the need for a special arrangement in a fixed coordinate system of the microsensor with respect to the source of the magnetic field due to the improved orthogonality of the two parts of the p-layer in the form of a cross as a result of the precision of microelectronic technology.

Пояснение на приложената фигураExplanation of the attached figure

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1.The invention is illustrated in more detail by one of its embodiments given in the attached figure 1.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of the invention

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.The biaxial microsensor for the magnetic field contains a p-type semiconductor pad 1, on one side of which a deep p-type layer 2 is formed in the form of a Maltese cross with four equal rectangular sides (equilateral cross). On the short sides of the p-layer 2 there is respectively one ohmic contact - first 3, second 4, third 5 and fourth 6, as the first 3 and the third 5, and respectively the second 4 and the fourth 6 are opposite. The first 3 and second 4 contacts through equal value load resistors 7 and 8 are connected to the terminals of current source 9, and the third 5 and fourth 6 through load resistors 10 and 11 with value as the other two 7 and 8 are connected to current source 9 so that the polarities of the first 3 and third 5, and of the second 4 and fourth 6 contacts, respectively, coincide. The measured external magnetic field 12 is of arbitrary orientation and lies in the plane of the p-type substrate 1, the pairs of opposite contacts - the first 3 and the third 5, and respectively the second 4 and the fourth 6 are the outputs 13 and 14 for the two orthogonal plane components of the vector of the magnetic field 12.

Действието на двуосния микросензор за магнитно поле, съгласно изобретението, е следното.The operation of the biaxial magnetic field microsensor according to the invention is as follows.

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).When contacts 3 and 4, and 5 and 6 respectively to the current source 9 are connected, four equal and two opposite directional current components 1 ₃ and -1 and I and -1 _{6 respectively run} . This specific feature is due to the connection of contacts 3, 4, 5 and 6 through the same load resistors 7, 8, 10 and 11 to the current source 9 in such a way that the currents between the opposite contacts 3 and 5, and respectively 4 and 6 are opposite directed relative to the center of the p-type epitaxial layer 2. Since the values of the load resistors 7, 8, 10 and 11 are many times greater than the internal resistance of the individual sections of the p-type symmetrical cross 2, the mode of operation of the microsensor is a generator of current. The created deep epitaxial n-layer 2 in the form of an equilateral (Maltese) cross uniquely limits the areas in which the current components 1 ₃ and - 1 ₅ , and 1 ₄ and -1 _{6, respectively} . Thus, the parasitic volumetric and surface leakage of the supply current is eliminated. The trajectories of components 1 ₃ and -1 and respectively 1 ₄ and -1 ₆ in the areas below the ohmic contacts 3 and 5, as well as 4 and 6 in the absence of a magnetic field 12 V / V .B) = 0 are initially perpendicular to the upper surface of substrate 1. The reason is that the low-resistance contacts 3, 4, 5 and 6 represent equipotential current planes. Therefore, the currents penetrate significantly into the volume of the p-layer 2. Then the effective trajectories 1 ₃ and -1 ₅ , and respectively I and -1 ₆ in the volume of the p-layer 2 become almost parallel to its upper surface. This topology of current trajectories, which is important for the operation of the microsensor, is dictated by the relatively deep cruciform n-layer and its small linear dimensions. If in case of structural asymmetry there is an inequality of these currents, their equalization is done by make-up - a corresponding change in the values of the load resistors 7, 8,10 or 11. Thus the inevitable offsets V ₁₃ (0) and V ₁₄ (0) of the differential outputs 13 and 14 in the absence of magnetic field B 12 (B = 0) are easily compensated (reset).

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 насоченитеThe external magnetic field B 12, which lies in the plane of the substrate 1 and has an arbitrary orientation, through its two mutually perpendicular components Β _χ and B _y generates corresponding laterally deflecting moving current carriers Lorentz forces F _L. = qV _{| r} x B, where q is the elementary load of the electron, and V _di is the vector of the average drift velocity of the moving current carriers, in our case the electrons in the p-layer 2. As a result of the Lorentz deflections F _Li trajectories in their individual parts - under contacts 3, 4, 5 and 6 and between them for each of the opposite directions

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)).Descriptions of issued patents for inventions № 05.1 / 15.05.2020 current components 1 ₃ and -I and respectively I and -1 _{6 are} simultaneously deformed by "shrinking" and / or "expanding". Depending on the direction of the magnetic vector B 12, each in the pairs of opposite currents increases or decreases. Due to the operating mode of the current generator 1 = -1 = 1 = -1 = const, instead of changes of the individual current components through contacts 3 and 5, and respectively 4 and 6, opposite Hall potentials are generated. Thus, through the Hall effect on the two differential outputs 13 and 14, Hall voltages arise: V _{3 5} (Β _χ ) ξ V ₁₃ (B _x ) 13 and Y ₄₆ (B _y ) ξ V ₁₄ (B) 14. The output signals 13 and 14 are linear and odd functions of the magnetic vectors Β _χ and B and contain metrological information. The increase in magnetosensitivity is due to the limitations in the substrate 1 of the epitaxial n-layer 2 by technological implementation. This original approach eliminates leakage of supply current. Also, the mutually perpendicular sides of the n-cross significantly improve the orthogonality of the current components I ₃ , - Ι ₅ , I and - 1 _{6 with} respect to the two planar vectors B _x and B _y of the magnetic field B 12. The perfectly p-type substrate 1 cruciform core 2 minimally reduces the parasitic interaction of the two sensor channels Β _χ and B _y . Therefore, as a result, the magnetic sensitivity and metrological accuracy increase. The absolute value of the vector of the magnetic field B 13 in the plane x-y of the substrate 1 and the angle Θ of the field B 14 with respect to a fixed reference axis in the same plane are given by the well-known expressions: | = (В _Х ² + ВуТ ² и Θ = tan ¹ (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.Through the proposed innovative design, a drastic simplification of vector magnetometers has been achieved for the first time. The data for the two orthogonal components Β _χ and B _y of the vector B 12 are obtained with only four 3, 4, 5 and 6, instead of nine ohmic contacts, as in the known solution. The analysis of the operation of this unusual and maximally simplified 2D microsensor shows that the power supply and architecture created in this way form a virtual ohmic contact (source) in the central zone of the n-epitaxial cross.

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.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the innovative instrument design containing only four ohmic contacts 3, 4, 5 and 6, the current-limiting epitaxial p-layer 2, and the original inclusion of the pairs of contacts 3 and 5, and 4 respectively. and 6 to the current source 9, providing oppositely directed current components generating the two output voltages of Hall V ₁₃ (B _x ) 13 and V ₁₄ (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.This 2D magnetometer can be realized with various modifications of the planar silicon technology - CMOS, BiCMOS, SOS, and if necessary micromachining silicon processes can be used.

Claims

Patent claims

A two-axis microsensor for a magnetic field, comprising a semiconductor substrate, ohmic contacts, a current source, the measured external magnetic field having an arbitrary orientation and lying in the plane of the substrate, characterized in that the substrate (1) has p-type conductivity, on one side a deep p-type layer (2) is formed in the form of a Maltese cross with four equal rectangular sides (equilateral cross), on the short sides of the p-type layer (2) are located the ohmic contacts - first (3), second (4), third (5) and fourth (6), the first (3) and third (5) and respectively the second (4) and the fourth (6) being opposite, the first (3) and the second (4) contact through equal value load resistors (7 and 8) are connected to the terminals of the current source (9), and the third (5) and the fourth (6) through load resistors (10 and 11) with a value like the other two (7 and 8) are connected to the current source (9) so that the polarities of the first (3) and third (5), and of the second (4) and fourth (6) contacts, respectively, are fall as the pairs of opposite contacts - the first (3) and the third (5), and respectively the second (4) and the fourth (6) are the outputs (13 and 14) for the two orthogonal plane components of the magnetic field vector (12).