BG67209B1

BG67209B1 - Магнитодиоден сензор

Info

Publication number: BG67209B1
Application number: BG112679A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Йорданов Иванов Август; Анатолий Александров; Станоев Руменин Чавдар; Август ИВАНОВ; Трифонов Александров Анатолий; Чавдар РУМЕНИН; Вълчева Лозанова Сия
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2020-12-31
Also published as: BG112679A

Abstract

Магнитодиодният сензор съдържа две правоъгълни полупроводникови подложки с първи тип примесна проводимост - първа (1) и втора (2), перпендикулярни една спрямо друга, формирани върху обща трета подложка (3) от същия полупроводник с втори тип примесна проводимост. Върху горните страни на подложки (1 и 2) и на равни разстояния един от друг има последователно по три правоъгълни контакта, успоредни на дългите си страни - първи (4 и 5), втори (6 и 7), и трети (8 и 9), като всичките перпендикулярни на дългите страни на подложките (1 и 2). Контактът (6) от подложката (1) е с втори тип примесна проводимост, а останалите контакти (4, 8, 5, 7 и 9) са омични към подложките (1 и 2). Контактът (6) от подложката (1) е съединен с единия извод на източник на постоянен ток (10) така, че да е включен в права посока спрямо подложката (1), а контактът (7) от подложката (2) е свързан с другия извод на източника на постоянен ток (10). Контактът (8) от подложката (1) е свързан с контакта (5) от втората подложка (2), а контактът (4) от подложката (1) - с контакта (9) от подложката (2). Контактите (4 и 8) от подложката (1) са диференциалният изход (11) на сензора, като измерваното магнитно поле (12) лежи в равнините на подложките (1, 2 и 3) и е успоредно на дългите страни на контактите (4, 5, 6, 7, 8 и 9).

Description

Изобретението се отнася до магнитодиоден сензор, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; безконтактната автоматика и промишлеността; микро- и наноелектрониката; автомобилната индустрия, в това число електромобилостроенето; навигацията; енергетиката; позиционирането на обекти в пространството; безпилотните летателни платформи и системи; военното дело и сигурността включително подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция, контратероризма и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е магнитодиоден сензор, съдържащ полупроводникова подложка с първи тип примесна проводимост и правоъгълна форма. Върху едната й страна на равни разстояния един от друг са формирани три правоъгълни контакти, успоредни на дългите си страни - първи, втори и трети като първият и третият са омични, а вторият е с втори тип примесна проводимост. Трите контакти са перпендикулярни на дългите страни на подложката. Вторият контакт е свързан с единия извод на захранващ източник на напрежение така, че да е включен в права посока спрямо подложката. Първият и третият контакт през високоомни товарни резистори са съединени с другия извод на захранващия източник. Първият и третият контакти са диференциалният изход на сензора, а измерваното магнитно поле лежи в равнината на подложката и е успоредно на дългите страни на контактите [1-3].

Недостатък на този магнитодиоден сензор е метрологичната грешка на изхода от негативното неконтролируемо влияние върху магниточувствителностга на неминуемите механични въздействия - свиване, разтягане или огъване в подложката (чипа) след технологичните операции и корпусирането и.

Недостатък е също усложнената реализация на сензора от допълнителните технологични операции за формирането на резистори с точно определени стойности в подложката.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде магнитодиоден сензор с опростена технологична реализация и редуцирана метрологична грешка от механичните въздействия върху магниточувствителностга.

Тази задача се решава с магнитодиоден сензор, съдържащ две правоъгълни полупроводникови подложки с първи тип примесна проводимост - първа и втора, перпендикулярни една спрямо друга, формирани върху обща трета подложка от същия полупроводник с втори тип примесна проводимост. Върху горните страни на първата и втората подложка и на равни разстояния един от друг има последователно по три правоъгълни контакти, успоредни на дългите си страни - първи, втори и трети, всичките перпендикулярни на дългите страни на първата и втората подложка. Вторият контакт от първата подложка е с втори тип примесна проводимост, а всички останали контакти са омични към първата и втората подложка. Вторият контакт от първата подложка е съединен с единия извод на източник на постоянен ток, така че да е включен в права посока спрямо подложката, а другият му извод е свързан с втория контакт от втората подложка. Третият контакт от първата подложка е съединен с първия контакт от втората, а първият контакт от първата подложка - с третия контакт от втората. Първият и

BG 67209 Bl третият контакт от първата подложка са диференциалният изход на сензора като измерваното магнитно поле лежи в равнините на подложките и е успоредно на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е редуцираната метрологична грешка от механичните въздействия върху магниточувствителността поради перпендикулярно разположените една спрямо друга първа и втора подложка и свързването на контактите, компенсирайки така влиянието от свиването, разтягането или огъването в самите тях след технологичните операции и корпусирането, тъй като при ортогоналната ориентация тези негативни фактори генерират в подложките електрически сигнали с противоположен знак, които в първо приближение се компенсират на изхода.

Предимство е още опростената технологична реализация на сензора, в резултат на отпадане на допълнителните операции за формиране на резистори, ролята на които изцяло се изпълнява от втората подложка с трите омични контакти, осъществена в общ технологичен цикъл с първата подложка.

Предимство е също възможността да се измерва температурата на околната среда едновременно и независимо от магнитното поле чрез напрежението между двата втори контакти на първата и втората подложка, което е линейна функция от температурата в широк диапазон.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Тази задача се решава с магнитодиоден сензор, съдържащ две правоъгълни полупроводникови подложки с първи тип примесна проводимост - първа 1 и втора 2, перпендикулярни една спрямо друга, формирани върху обща трета подложка 3 от същия полупроводник с втори тип примесна проводимост. Върху горните страни на първата 1 и втората 2 подложка и на равни разстояния един от друг има последователно по три правоъгълни контакта, успоредни на дългите си страни - първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9, всичките перпендикулярни на дългите страни на първата 1 и втората 2 подложка. Вторият контакт 6 от първата подложка 1 е с втори тип примесна проводимост, а всички останали контакти 4, 8, 5, 7 и 9 са омични към първата 1 и втората 2 подложка. Вторият контакт 6 от първата подложка 1 е съединен с единия извод на източник на постоянен ток 10 така, че да е включен в права посока спрямо подложката 1, а другият му извод е свързан с втория контакт 7 от втората подложка 2. Третият контакт 8 от първата подложка 1 е свързан с първия контакт 5 от втората 2, а първият контакт 4 от първата подложка 1 - с третия контакт 9 от втората 2. Първият 4 и третият 8 контакт от подложката 1 са диференциалният изход 11 на сензора като измерваното магнитно поле 12 лежи в равнините на подложките 1, 2 и 3, и е успоредно на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9.

Действието на магнитодиодния сензор, съгласно изобретението, е следното.

Фактически първата подложка 1 с контактите 4, 6 и 8 е магнитодиод с равнинна чувствителност, принципът на действие на който е магнитодиодният ефект. Това явление се заключава в полярно изменение на тока през диод с дълга базова област в магнитно поле В 12. В основата на този механизъм е отклонението на инжектираните от р-п диодния контакт 6 неосновни токоносители, например дупки, от силата на Лоренц Fl в

BG 67209 Bl симетричната спрямо него базова зона в подложка 1, определена от омичните контакти 4 и 8. Също така Лоренцовото отклонение действа и върху неравновесните основни носители (например електрони), постъпващи от омичните контакти п⁺-п 4 и 8 за запазване на електронеутралностга в подложка 1. Понеже посоките на инжектираните неосновни и постъпващите основни носители в симетричната базова област са противоположно насочени, интегралното отклонение на двата равни тока 1₆,₄ и 1_6>8,1₆.4 = 1б,₈. на диода 6 е противоположно - в едната част то е към горната повърхност на подложката 1, а в другата част - към обема й. Този механизъм води до: 1. засилена в магнитно поле В 12 чрез силата F_L повърхностна рекомбинация на двата типа носители в тока 1_6>8 в тази част от базовата област, където отклонението е към повърхността на подложката 1 и 2, редуцирана рекомбинация на неравновесните носители в обема на структурата 1 на другия ток 1₆,₄. Следователно в магнитно поле В 12 токът I₆,₄(B) намалява, а токът 1₆,₈(В) съответно нараства. Именно това нечетно магнитно управление на токове 1₆,₄ и 1₆,₈ генерира изходния сигнал 11 на магнитодиодния сензор. За да бъде изходът 11 по напрежение е необходимо двата контакта 4 и 8 да са свързани с товарни резистори. В нашия случай такива резистори са еднаквите по стойност съпротивления R₇,₅ и R₇.₉, R₇,₅ = R₇.9, на симетричните спрямо контакта 7 зони /₇.₅ и /₇.₉ в подложката 2, Фигура 1. Предимството на това решение е, че подложката 2 с контакти 5, 7 и 9 се реализира в единен технологичен цикъл чрез процесите на интегралната силициева технология едновременно с подложката 1 и не се налагат допълнителни операции за формиране на резистори за магнитодиода. Електрическата изолация на двете подложки 1 и 2 се осъществява чрез третата подложка 3 от същия полупроводник, но с втори тип примесна проводимост.

До неотдавна в теорията на галваномагнетизма се приемаше, че допълнителните токоносители, концентрирани от силата Fl върху определена зона на повърхността на полупроводникова структура (Фигура 1) също са неподвижни както „оголените” от същата сила Fl положителни донорни йони N_D+ върху реципрочна нейна част. Съгласно изследванията на Руменин, Лозанова и др. е открито съществуването на магнитноуправляем повърхностен ток Al_s(Io,B) в сензори от вида на магнитодиода на Фигура 1, където 1₀ е захранващият ток, [4]. Магнитноуправляемият ток Al_s(Io,B) е фундаментална закономерност, доизясняваща галваномагнитните явления като ефектът на Хол, магнитодиодният ефект и др., допринасяйки за повишаване на чувствителността, какъвто е случаят за магнитодиода от Фигура 1.

Взаимното ортогонално разположение на подложката 1 и 2 съществено редуцира влиянието на механичните напрежения (свиване, разтягане, огъване), отговорни за произхода на негативното неконтролируемо изменение на магниточувствителността след технологичните операции и корпусирането на чиповете. Съгласно експерименталните данни при ортогоналната ориентация тези негативни фактори генерират в подложките 1 и 2 електрически напрежения с противоположен знак. Свързването на контактите 4 и 9, и съответно 8 и 5 води в първо приближение до компенсирането им на изхода 11 на магнитодиода. По този начин драстично се компенсира (неутрализира) негативното влияние на механичните напрежения върху чувствителността.

Използването на източника на постоянен ток 10 вместо източник на напрежение, както е в известното решение, води до твърде важен за сензориката резултат. Ако диоден р-п преход функционира в режим генератор на ток 1б,4-8 = const, напрежението върху него V_p._n(T) е линейна функция от изменението на температурата Т в широк диапазон ΔΤ, [1,2]. Експериментално се установи, че това температурно зависимо напрежение V_p._n(T) не се влияе от посоката и стойността на магнитното поле В 12 в твърде широк интервал ΔΒ. Този резултат е ключов за сензора. Следователно чрез диференциалния магнитодиод може едновременно и независимо с една и съща преобразувателна зона в подложка 1 да се измерят стойността и посоката на полето В 12, и на температурата на средата, т.е. на подложките 1, 2 и 3. Това по същество е мултисензор (комбиниран сензор) за магнитно поле и температура. Така линейното температурно зависимо напрежение V₆,₇(T) успешно може да се подаде за управление на термокомпенсационна схема, с която да се компенсира напълно неминуемото изменение на магниточувствителността S от температурата Т. Така съществено се повишава точността на компенсацията, понеже преобразувателните механизми се развиват в една и съща област, и като цяло се повишава метрологичната точност на сензора. В противен случай е необходимо допълнително формиране на терморезистор в подложката 1 или 2, сигналът от които да се подаде за термокомпенсация. Такова решение внася неминуема грешка и усложнява конструктивно сензора.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че за първи път чрез него се постигат едновременно три важни за сензориката предимства - опростяване на технологичните операции, съществено редуциране на метрологичната грешка от механичните въздействия върху магниточувствителността, основно при корпусирането на сензора и разкриване на нов линеен температурнозависим сензорен сигнал, чрез който се разширяват функционалните възможности на магнитодиодните преобразуватели. Тази иновация доказва, че магнитодиодите представляват линейни мултисензори за едновременно и независимо измерване както на посоката и силата на магнитното поле В 12, така и на температурата Т на околната среда. Чрез напрежението V_p. _П(Т) върху диода може да се компенсира температурната зависимост на магниточувствителността, повишавайки така точността на измерването.

Технологично магнитодиодният сензор може да се реализира с методите на силициевата микроелектроника, например с CMOS или BiCMOS процеси, формиращи магнитодиодите в епитаксиални n-Si слоеве или „джобове”, разположени върху p-Si подложка.

Claims

Патентни претенции

1. Магнитодиоден сензор, съдържащ правоъгълна полупроводникова подложка с първи тип примесна проводимост, върху горната й страна на равни разстояния един от друг са формирани последователно три правоъгълни контакта, успоредни на дългите си страни - първи, втори и трети, като всичките едновременно са перпендикулярни на дългите страни на подложката, вторият контакт е с втори тип примесна проводимост, а другите два са омични към подложката, вторият контакт е съединен с единия извод на захранващ източник така, че да е включен в права посока спрямо подложката, като първият и третият контакт са омични и са диференциалният изход на сензора, като измерваното магнитно поле лежи в равнината на подложката и е успоредно на дългите страни на контактите, характеризиращ се с това, че има още втора полупроводникова подложка (2), еднаква с първата (1) и със същия тип примесна проводимост, като двете подложки (1 и 2) са взаимно перпендикулярни и са формирани върху обща трета подложка (3) от същия полупроводник с втори тип примесна проводимост, а върху горната страна на втората подложка (2) и на равни разстояния един от друг има последователно три правоъгълни омични контакта, успоредни на дългите си страни - първи (5), втори (7) и трети (9), като всичките едновременно са перпендикулярни на дългите страни на подложката (2), като захранващият източник е източник на постоянен ток (10), като другият му извод е свързан с контакта (7) от подложката (2), а контактът (8) от подложката (1) е свързан с контакта (5) от втората подложка (2), а контактът (4) от подложката (1) - с контакта (9) от подложката (2).