BG67076B1 - Магниточувствителен сензор - Google Patents

Abstract

Магниточувствителният сензор съдържа две еднакви и паралелепипедни полупроводникови подложки с п-тип проводимост, разположени успоредно една спрямо друга - първа (1) и втора (2), и токоизточник (3). Върху едната страна на подложките (1) и (2) последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи (4) и (5), втори (6) и (7), и трети (8) и (9), разположени успоредно на дългите си страни. Контактът (8) на подложката (1) и контактът (5) на подложката (2) са съединени с нискоомен тример (10), средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника (3). Контактът (6) на подложката (1) и контактът (7) на подложката (2) са свързани с другия извод на токоизточника (3). Диференциалният изход (11) на сензора са контактът (4) на подложката (1) и контактът (9) на подложката (2), като измерваното магнитно поле (12) е успоредно на равнините на подложките (1) и (2) и на дългите страни на контактите (4), (5), (6), (7), (8) и (9).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до магниточувствителен сензор, приложим в областта на системите с изкуствен интелект, роботиката и мехатрониката, сензориката, роботизираната и 3D хирургия, биомедицината, микро- и нанотехнологиите, безконтактното измерване на всички видове линейни и ъглови премествания, измервателната техника, навигацията, автоматизацията на процеси и производства, слабополевата магнитометрия, електромобилите и хибридните транспортни средства, енергетиката включително в платформите за получаване на енергия от морските вълни и бавно течащи води, военното дело, сигурността и контратероризма.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е магниточувствителен сензор (с равнинна чувствителност), съдържащ паралелепипедна полупроводникова подложка с п-тип проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани четири правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети и четвърти, и токоизточник. Първият и третият контакт са съединени с двата извода на токоизточника. Диференциалният изход на сензора са вторият и четвъртият контакт като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите [1 - 5].

Недостатък на този магниточувствителен сензор е ниската стойност на важния параметър отношението сигнал/шум в резултат на високото ниво на собствения (фликер 1/f) шум от преминаването на захранващия ток в приповърхностната зона на единия изходен контакт (втория контакт).

Недостатък е също наличието на паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсет), поради електрическа асиметрия, неминуеми технологични несъвършенства, нееднородни механични напрежения - най-често от корпусирането на чипа и метализацията на шините към площадките за бондиране, и др.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде магниточувствителен сензор с висока стойност на отношението сигнал/шум и компенсиран (нулиран) офсет.

Тази задача се решава с магниточувствителен сензор, съдържащ две еднакви и паралелепипедни полупроводникови подложки с п-тип проводимост, разположени успоредно една спрямо друга - първа и втора, и токоизточник. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт на първата подложка и първият контакт на втората подложка са съединени с нискоомен тример, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника. Вторият контакт на първата подложка и вторият контакт на втората подложка са свързани с другия извод на токоизточника. Диференциалният изход на сензора са първият контакт на първата подложка и третият контакт на втората подложка, като измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високото отношение сигнал/шум, тъй като захранващите токове в подложките не преминават в приповърхностните зони с изходните контакти.

Предимство е също компенсирането на паразитното изходно напрежение (офсетът) на сензора чрез включения в захранващата верига тример, с който се постига електрическа симетрия и нулиране на изхода.

Предимство е още минимизираното пълзене с времето на изхода и на температурния му дрейф в резултат на компенсирания офсет и минимизирания собствен шум.

Предимство е и повишената метрологична точност и резолюция от високото ниво сигнал/шум и минимизираните пълзене и температурен дрейф на изхода.

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, напречното сечение на което е показано на приложената фигура 1.

Описания на издадени патенти за изобретения № 06.2/30.06.2020

Примери за изпълнение на изобретението

Магниточувствителният сензор съдържа две еднакви и паралелепипедни полупроводникови подложки с п-тип проводимост, разположени успоредно една спрямо друга - първа 1 и втора 2, и токоизточник 3. Върху едната страна на всяка от подложките 1 и 2 последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно по три правоъгълни омични контакта - първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9, разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт 8 на подложка 1 и първият контакт 5 на подложката 2 са съединени с нискоомен тример 10, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника 3. Вторият контакт 6 на подложката 1 и вторият контакт 7 на подложката 2 са свързани с другия извод на токоизточника 3. Диференциалният изход 11 на сензора са първият контакт 4 на подложката 1 и третият контакт 9 на подложката 2, като измерваното магнитно поле 12 е успоредно на равнините на подложките 1 и 2, и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9.

Действието на магниточувствителния сензор, който по същество е преобразувател на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното.

В резултат на планарността на захранващите омични контакти 6 и 8, и 5 и 7, в отсъствие на магнитно поле 11, В = 0, те представляват еквипотенциални равнини. Ето защо при включване на токоизточника 3, токовите траектории 1₆ и I ₇ се насочват вертикално в обема на подложките 1 и 2, след което стават успоредни на горните им страни. По тази причина токовите линии I_{6 g} и 1_{5 7} са криволинейни. Тъй като двете структури 1 и 2 са еднакви като конфигурации, стойностите на захранващите токове също са равни, 1₆ = 1_{5 7} В резултат на оригиналната схема на свързване на контакти 6 - 7, и 8 - 5, Фигура 1, посоките на токове I и 1_{5 7} в двата елемента 1 и 2 са противоположно насочени, I = | -1 |. Неминуемите технологични несъвършенства водят до появата на паразитно напрежение (офсет) на изхода 11 в отсъствие на магнитно поле В 11, В = 0. В нашия случай, съгласно изобретението, този съществен недостатък, редуциращ най-вече метрологичната точност, се отстранява с помощта на нискоомния тример г 10, включен към захранващите контакти 8 и 5. Варирайки стойностите на двете части на тримера г 10 се изменят захранващите токове в подложки 1 и 2, като се постига пълно компенсиране (нулиране) на офсета на диференциалния изход 11. За да се осъществи нулиране на изхода lie тримера 10 е необходимо потенциалите върху контактите 4 и 9 да са с един и същ знак. Той се определя от полярността на съответния извод на токоизточника 3, задаващ захранващия ток през контактите 6 и 7. Един и същ потенциал се постига с иновативния способ на свързване на контактите 6-7, и съответно 8-5 на двете конфигурации 1 и 2. Реализацията на сензора, състоящ се от две еднакви структури 1 и 2 с помощта на унифицирана интегрална технология при нулиран офсет дава възможност за минимално пълзене на „нулата” с времето както и редуциране на температурния й дрейф, типични проблеми за полупроводниковите сензори. Характерна особеност на новия магнитопреобразувател на Хол, в сравнение с известното решение е, че двете приповърхностни зони, където са разположени изходните контакти 4 и 9, формиращи изхода 11 са извън обхвата на двата захранващи тока I и 1_{5 7}. Фактически контактите 4 и 9 са изнесени извън областите с електрически флуктуации, формиращи собствения Ι/f шум. По този начин основният генератор на фликер шума - захранващият ток не оказва директно въздействие на изхода 11. Така негативното въздействие на собствения шум Ι/f е минимизирано и отношението сигнал/шум нараства съществено. Следователно, в резултат както на редуцираното пълзене на изхода и на температурния му дрейф, така и на същественото по стойност отношение сигнал/шум се повишават метрологичната точност и резолюцията на новия сензор.

При наличие на измерваното магнитно поле 12, В ψ 0, успоредно на равнината на подложките 1 и 2, и на дългите страни на правоъгълните контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9, съответните сили на Лоренц F_L = qV_di х В оказват отклоняващо странично въздействие върху противоположно насочените токови компоненти в конфигурациите на Хол 1 и 2, където е средната дрейфова скорост на електроните, a q е електрическият им товар [4, 5]. За магниточувствителността на сензора основно значение имат вертикално насочените спрямо повърхността на подложките 1 и 2 токови компоненти 1₆ и 1₇ през контактите 6 и 7. При най-често използвания и добре усвоен технологично полупроводник силиций с концентрация на електроните n~ 10¹⁵ cm^-3, ефективното проникване на токовите линии в обема на подложките 1 и 2 съставлява около 30-40 pm. Тази дълбочина се определя както от разстоянията между омичните кон

Описания на издадени патенти за изобретения № 06.2/30.06.2020 такти 4-6-8 и 5-7-9, така и от тяхната ширина [5, 6]. В резултат на отклоняваните странично от силите на Лоренц F_L електрони, върху повърхностите в зоните е контактите 4 и 9 се генерират от ефекта на Хол допълнителни електрически товари. Тъй като посоките на токовите линии I и -I са противоположни, в областите е контактите 4 и 9 възникват противоположни по знак и еднакви по стойност Холови потенциали. Те формират диференциалното изходно напрежение на Хол V (В) 11 на сензора.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативните конфигурации на Хол 1 и 2, и на оригиналното свързване на контактите 6 и 7, 8 и 5. По този начин едновременно са осъществени: противоположно насочени и еднакви по стойност токови компоненти, обезпечаващи диференциалното напрежение на Хол 11; един и същ потенциал върху изходните контакти 4 и 9 в отсъствие на магнитно поле В 12, гарантиращ нулирането на офсета и ключовият резултат за редуциране на собствения шум Ι/f чрез разполагане на изходните контакти 4 и 9 извън зоните на протичане на захранващите токове.

Формирането на магниточувствителния сензор може да се осъществи е дискретни триконтактни елементи на Хол, свързани съгласно схемата от Фигура 1. По-добри характеристики и действие на решението, обаче се постигат на основата на силициевите интегрални процеси - CMOS или BiCMOS, използвайки като подложки 1 и 2 п-тип „джобове” върху p-Si пластини. Омичните контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 се формират е йонна имплантация и са силно легирани п⁺-области в n-Si „джобове”.

Функционирането на магниточувствителния сензор е в твърде широк температурен диапазон, включително и при криогенни температури. Преобразувателната ефективност може да се повиши чрез концентратори от ферит или μ-метал, увеличаващи плътността на магнитните силови линии В 12 в преобразувателните зони на сензора.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Магниточувствителен сензор, съдържащ еднакви и паралелепипедни полупроводникови подложки е п-тип проводимост, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник, върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно правоъгълни омични контакти, като измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите, характеризиращ се е това, че подложките са две (1 и 2), като върху всяка от тях има по три контакта - първи (4 и 5), втори (6 и 7) и трети (8 и 9), като третият контакт (8) на подложката (1) и първият контакт (5) на подложката (2) са съединени е нискоомен тример (10), средната точка на който е свързана е единия извод на токоизточника (3), а вторият контакт (6) на подложката (1) и вторият контакт (7) на подложката (2) са свързани е другия извод на токоизточника (3), като диференциален изход (11) на сензора са първият контакт (4) на подложката (1) и третият контакт (9) на подложката (2).