BG67208B1 - Сензор за магнитно поле - Google Patents

Abstract

Сензорът за магнитно поле съдържа две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост - първа (1) и втора (2), перпендикулярни една спрямо друга, които са формирани върху обща трета подложка (3) от същия полупроводник с р-тип проводимост. Върху горните страни на подложките (1 и 2) и на разстояния един от друг има последователно по четири правоъгълни омични контакта, успоредни на дългите си страни - първи (4 и 5), втори (6 и 7), трети (8 и 9), и четвърти (10 и 11), като всичките са перпендикулярни на дългите страни на подложките (1 и 2). Четвъртият контакт (10) от подложката (1) е свързан с първия контакт (5) от втората подложка (2) и с единия извод на токоизточник (12). Вторият контакт (6) от подложката (1) е съединен с третия контакт (9) от подложката (2) и с другия извод на токоизточника (12). Третият контакт (8) от подложката (1) е свързан с четвъртия контакт (11) от втората подложка (2), а контактът (4) от подложката (1) - с контакта (7) от втората подложка (2). Контактите (4 и 8) от подложката (1) са изход (13) на сензора, като измерваното магнитно поле (14) лежи в равнините на подложките (1, 2 и 3), и е с произволна ориентация спрямо контактите (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до сензор за магнитно поле, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; микро- и нано-електрониката; контролно-измервателната технология; навигацията; безконтактната автоматика; слабополевата магнитометрия; енергетиката; автомобилната промишленост в това число електромобилостроенето; биомедицинските изследвания; позиционирането на обекти в равнината и пространството; военното дело и сигурността включително подводни, наземни и въздушни системи за наблюдение и превенция, контратероризма и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е сензор за магнитно поле, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост и правоъгълна форма. Върху едната й страна на разстояния един от друг са формирани последователно четири правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - първи, втори, трети и четвърти, като всичките едновременно са перпендикулярни на двете дълги страни на подложката. Първият и третият контакт са свързани с изводите на токоизточник, а вторият и четвъртият - са диференциалният изход на сензора. Измерваното магнитно поле лежи в равнината на подложката и е успоредно на дългите страни на контактите, [1-5].

Недостатък на този сензор за магнитно поле е метрологичната грешка на изхода поради наличие на офсет (паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле вместо отсъствие на изходен сигнал) от технологични несъвършенства в реализацията и най-вече от механични напрежения (свиване, разтягане, огъване) в подложката, възникващи най-често в процеса на корпусирането на чиповете със сензорите.

Недостатък е също необходимостта от механична настройка в ориентацията на подложката на сензора спрямо източника на магнитното поле така, че магнитният вектор да не е успореден на късите страни на контактите - положение, при което отсъства изходно метрологично напрежение.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде сензор за магнитно поле с редуцирана метрологична грешка от офсета и да отпадне механичната настройка на сензора спрямо посоката на магнитното поле.

Тази задача се решава със сензор за магнитно поле, съдържащ две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, перпендикулярни една спрямо друга, които са формирани върху обща трета подложка от същия полупроводник с р-тип проводимост. Върху горните страни на първата и втората подложка и на разстояния един от друг има последователно по четири правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - първи, втори, трети и четвърти, като всичките са перпендикулярни на дългите страни на първата и втората подложка. Четвъртият контакт от първата подложка е свързан с първия контакт от втората и с единия извод на токоизточник. Вторият контакт от първата подложка е съединен с третия контакт от втората и с другия извод на токоизточника. Третият контакт от първата подложка е свързан с четвъртия контакт от втората, а първият контакт от първата подложка - с втория контакт от втората. Първият и третият контакт от първата подложка са изходът на сензора като измерваното магнитно поле лежи в равнините на подложките и е с произволна ориентация спрямо контактите.

BG 67208 Bl

Предимство на изобретението е редуцираната метрологична грешка от офсета поради перпендикулярно разположените една спрямо друга първа и втора подложка, компенсирайки така основната първопричина - неминуемите йа преженил (механични свивания, разтягания, огъвания) в самите тях при корпусирането, като тези негативни въздействия, при избраната ортогонална ориентация на подложките в общия случай са с противоположен знак и в първо приближение се компенсират и неутрализират.

Предимство е също отпадане на необходимостта от механична настройка в ориентацията на сензора спрямо източника на измерваното магнитно поле, тъй като от ортогоналното разположение на първата и втората подложка и свързването на съответните контакти, на изхода винаги присъства метрологичен сигнал.

Предимство е още редуцираното негативно въздействие на напреженията (свиване, разтягане, огъване) в първата и втората подложка върху магниточувствителността на сензора поради ортогоналната им ориентация и способът на свързване на контактите.

Пояснение на приложената фигура

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

Пример за изпълнение на изобретението

Сензорът за магнитно поле съдържа две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа 1 и втора 2, перпендикулярни една спрямо друга, които са формирани върху обща трета подложка 3 от същия полупроводник с р-тип проводимост. Върху горните страни на подложките 1 и 2 и на разстояния един от друг има последователно по четири правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - първи 4 и 5, втори 6 и 7, трети 8 и 9, и четвърти 10 и 11, като всичките са перпендикулярни на дългите страни на подложките 1 и 2. Четвъртият контакт 10 от подложката 1 е свързан с първия контакт 5 от втората 2 и с единия извод на токоизточник 12. Вторият контакт 6 от подложката 1 е съединен с третия контакт 9 от втората подложка 2 и с другия извод на токоизточника 12. Третият контакт 8 от подложката 1 е свързан с четвъртия контакт 11 от втората подложка 2, а контактът 4 от подложката 1 - с контакта 7 от подложката 2. Контактите 4 и 8 от подложката 1 са изходът 13 на сензора, като измерваното магнитно поле 14 лежи в равнините на подложките,! 2 и 3 и е с произволна ориентация спрямо контактите 4 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11.

Действието на сензора за магнитно поле, съгласно изобретението, е следното. В съответствие с фигура 1, подложките 1 и 2 заедно с контактите 4, 6, 8 и 10, и съответно с 5, 7, 9 и 11 представляват четириконтактни елементи на Хол с равнинна магниточувствителност. При свързване на захранващите контакти 5 и 10 с единия извод на токоизточника 12 и контактите 6 и 9 с другия му извод, в ортогонално разположените подложки 1 и 2 протичат два независими и равни по стойност тока 1₅,9 и ho, 6, I5.9 - ho,6Омичните контакти 5, 9, 6 и 10 представляват еквипотенциални равнини. В резултат токовите траектории 1₅9 и ho, 6 в обемите на подложките 1 и 2 са криволинейни.

Първоначално те са перпендикулярни към контактите 5 и 10, след това променят посоката си, ставайки успоредни на горните повърхности на подложките 1 и 2, след което отново са ортогонални на

BG 67208 Bl горните равнини на подложките 1 и 2 в областите с контактите 6 и 9. Понеже подложките 1 и 2 с контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 са топологично еднакви се предполага, че в отсъствие на магнитно поле В 14 електричните потенциали върху контактите 8 и 7 от една страна и съответно 4 и 11 от друга при токове 1₅, ₉ и Iio, 6 са равни по стойност, V₈ = V₇ и V₄ = Vn. Свързването на контактите 8 и11 и на 4 и 7 в първо приближение, уравновесява изходния сигнал 13 по начин, че офсетът V₄,₈(В = 0) = 0. Друго важно условие на свързването на контактите 8 и 11 и на 4 и 7, при ортогоналност на подложките 1и 2 е, че механичните напрежения (свиване, разтягане, огъване), генериращи офсет на изхода 13 при корпусирането или от температурно въздействие взаимно се компенсират. Електрическата изолация на двата елемента на Хол 1 и 2 с равнинна магниточувствителност се осъществява чрез третата подложка 3 от същия полупроводник, но с р-тип проводимост.

Сензорният механизъм за измерване на магнитното поле В 14, след компенсирането или балансирането на офсета чрез свързване на контактите 8 - 11, и 4 - 7, фигура 1, е ефектът на Хол. Измерваното магнитно поле В 14, лежащо в равнината на подложки 1, 2 и 3 води до възникване на отклоняваща електроните сила на Лоренц F_L = qV_dr х В, кьдето q е елементарният товар на електрона, a V_dr е средната дрейфова скорост на носителите в подложки 1 и 2, [3-5]. Тази дефлекция свива или разгъва траекторията на силовите линии 1₅, ₉ и ho, е. В резултат се генерират допълнителни неравновесни електрични товари върху горните повърхности на подложките 1 и 2, там кьдето са формирани омичните контакти 4 и 8, и съответно 7 и 11. Тъй като магнитното поле В 14 въздейства върху токовите линии 1₅,9 и 1₁₀ е чрез компонентите В_х и В_у, фигура 1, потенциалите V₈ и Vn и съответно V₄ и V₇ са с една и съща полярност + v₈ и +V11, -V₄ и -V₇. Следователно свързването на контактите 4 и 7 и съответно 8 и 11 формира диференциалния изход У₄,ю 13 на сензора за магнитно поле.

До неотдавна в теорията на ефекта на Хол се приемаше, че допълнителните електрони, концентрирани от силата F_L върху определена зона на повърхността на елементите на Хол (фигура 1) също са неподвижни както „оголените” от същата сила F_L положителни донорни йони N_D+ върху реципрочна нейна част. Съгласно изследванията на Руменин, Лозанова и др. [6], е открито съществуването на магнитноуправляем повърхностен ток AI_S(I_O,B) в структурите на Хол, където 1₀ е захранващият ток. Токът ΔΕ(Ιο,Β) е фундаментална закономерност, доизясняваща явлението на Хол и допринасяща за повишаване на магниточувствителността, какъвто е случаят за елементите от фигура 1. Тя е открита в резултат на концепцията за подвижни, а не статични токоносители (електрони), генерирани от силата на Лоренц F_L върху съответната Холова зона.

Промяната в ориентацията на измерваното магнитно поле В 14 спрямо контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 в равнината х-у на подложките 1, 2 и 3 води до едновременно намаляване на едната векторна компонента, например В_х за сметка на другата В_у. Съгласно предложеното свързване на контактите 4 - 7, и съответно 8 - 11, на диференциалния изход 13 няма да се констатира нулево напрежението V₄,₈(В) - 0 (единият потенциал нараства за сметка на другия), както е в известното решение. Напрежението V₄,₈(В) 14 е функция на силата на магнитното поле В и на протичащите в двете подложки 1 и 2 токове 1₅,9 и ho, 6. Взаимното ортогонално разположение на подложките 1 и 2 съществено редуцира влиянието на механичните напрежения, отговорни за произхода както на офсета, така и на промяната в

BG 67208 Bl магниточувствителността. Новият сензор съществено балансира чувствителността, за да остава тя непроменена от негативните (вътрешни) напрежения.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че в метрологията на магнитното поле се предлага сензор, при който промяната в ориентацията на вектора В 14 не води никога до нулев изходен сигнал 13. Чрез ортогоналното разположение на подложките 1 и 2 успешно се преодолява както офсетът, така и изменението на магниточувствителността. Негативните механични напрежения генерират изменения в електрическото състояние на подложките 1 и 2 с противоположен знак, които в първо приближение се неутрализират. Компенсирането на сензорните недостатъци е резултат също и от оригиналното свързване на контактите в двата елемента на Хол. С цел повишаване на метрологичната точност посоките на захранващите токове 1₅.₉ и 1ю, 6 могат да се комутират като резултатите на изхода 13 се сумират алгебрично.

При необходимост регистрирането на посоката на магнитното поле В 14 може да се осъществи чрез измерване на двете отделни магнитни компоненти В_х и В_у, като се прекъснат връзките между контактите 4 - 7, и 8-11. Тогава всеки от ортогонално разположени елементи на Хол от подложките 1 и 2, притежаващи една и съща магниточувствителност ще генерира индивидуални изходни напрежения V₄,₈(В_У) и V₇, п(В_х). Те са мярка за стойностите и посоките на равнинните компоненти В_х и В_у, т.е. на магнитния вектор В14.

Технологично сензорът за магнитно поле може да се реализира с методите на силициевата микроелектроника, например с CMOS или BiCMOS процеси, формиращи елементите на Хол в епитаксиални n-Si слоеве или „джобове”, разположени върху p-Si подложка.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Сензор за магнитно поле, съдържащ правоъгълна полупроводникова подложки с п-тип примесна проводимост, като върху едната й страна на разстояния един от друг са формирани последователно четири правоъгълни омични контакта, успоредни на дългите си страни - първи, втори, трети и четвърти, като всичките едновременно са перпендикулярни на двете дълги страни на подложката, а вторият и четвъртият контакт са свързани с изводите на токоизточник, а първият и третият - са диференциалният изход на сензора, като измерваното магнитно поле лежи в равнината на подложката, характеризиращ се с това, че има още втора полупроводникова подложка (2) с п-тип примесна проводимост, еднаква с първата (1) и перпендикулярна на нея, като двете подложки (1) и (2) са формирани върху обща трета подложка (3) от същия полупроводник с р-тип проводимост, а върху едната страна на подложката (2) на разстояния един от друг има последователно четири правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - първи (5), втори (7), трети (9) и четвърти (11), като всичките контакти едновременно са перпендикулярни на двете дълги страни на подложката (2), а четвъртият контакт (10) от подложката (1) е свързан с първия контакт (5) от втората подложка (2), вторият контакт (6) от подложката (1) е съединен с третия контакт (9) от втората подложка (2), третият контакт (8) от подложката (1) е свързан с четвъртия контакт (11) от подложката (2), а контактът (4) от подложката (1) - с контакта (7) от втората подложка (2), като магнитното поле (14) е с произволна ориентация спрямо контактите (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10) и (11).