BG67210B1 - Двуосен интегрален сензор за магнитно поле - Google Patents

Abstract

Двуосният интегрален сензор за магнитно поле съдържа полупроводникова подложка (1) с р-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани две еднакви структури от същия полупроводник, но с n-тип примесна проводимост и с форма на равностранен кръст - първа (2) и втора (3), успоредни помежду си. Всяка от структурите (2 и 3) съдържа още по един централен омичен контакт (4 и 5) с квадратна форма, като симетрично спрямо четирите му страни има по един външен правоъгълен омичен контакт - съответно по часовниковата стрелка първи (6 и 7), втори (8 и(9), трети (10 и 11), и четвърти (12 и 13). Контактите (4 и 5) са свързани с изводите на токоизточник (14). Контактът (6) от първата структура (2) е съединен с контакта (11) от втората структура (3), контактът (8) от структурата (2) е свързан с контакта (13) от втората структура (3), контактът (10) от структурата (2) е съединен с контакта (7) от втората структура (3), и контактът (12) от структурата (2) е свързан с контакта (9) от втората структура (3). Измерваното магнитно поле (15) е в равнината на подложка (1) и е с произволна ориентация. Контактите (6 и 10) от структурата (2) са диференциалният изход (16) за едната ортогонална равнинна компонента на магнитното поле (15), а контактите (9 и 13) от структурата (3) са диференциалният изход (17) за другата ортогонална равнинна компонента на магнитното поле (15).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до двуосен интегрален сензор за магнитно поле, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; контролно-измервателната технология; слабополевата магнитометрия; навигацията; автоматиката, включително безконтактната автоматика; микро- и нанотехнологиите; 2-D позициониране на обекти в равнината; енергетиката; автомобилната промишленост, в това число електромобилостроенето; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; биомедицинските изследвания; военното дело и сигурността, включително подводни, наземни и въздушни системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е двуосен интегрален сензор за магнитно поле, съдържащ п-тип полупроводникова структура (силициева), върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт с квадратна форма. На разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има последователно по един правоъгълен вътрешен омичен контакт и по един правоъгълен външен омичен контакт. Четирите външни контакти са съединени и през токоизточник са свързани с централния контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на структурата и е с произволна ориентация като всяка двойка срещуположни спрямо централния вътрешни контакти са изходите за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле, [1-3].

Недостатък на този двуосен интегрален сензор за магнитно поле е редуцираната чувствителност на двата изхода от повърхностно разтичане на четирите захранващи токови компоненти между централния и крайните контакти, водещо до непълно генериране от тях на съответните Ходови напрежения, формиращи метрологичната информация на двата сензорни канала.

Недостатък е също ниската измервателна точност в резултат на паразитното взаимно междуканално влияние в процеса на измерването на двете ортогонални магнитни компоненти.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде двуосен интегрален сензор за магнитно поле с висока чувствителност и висока измервателна точност на двата сензорни канала.

Тази задача се решава с двуосен интегрален сензор за магнитно поле, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани две еднакви структури от същия полупроводник, но с п-тип примесна проводимост и с форма на равностранен кръст - първа и втора, успоредни помежду си. Всяка от п-тип структурите съдържа още по един централен омичен контакт с квадратна форма и симетрично спрямо четирите му страни има по един външен правоъгълен омичен контакт - съответно по часовниковата стрелка първи, втори, трети и четвърти. Двата квадратни контакта са свързани с изводите на токоизточник. Първият контакт от първата структура е съединен е третия контакт от втората, вторият контакт от първата структура е свързан с четвъртия контакт от втората, третият контакт от първата структура е съединен с първия контакт от втората, и четвъртият контакт от първата структура е свързан с втория контакт от втората. Измерваното магнитно поле е в равнината на р-тип подложката и е с произволна ориентация като първият и третият контакт от първата структура са диференциалният изход за едната ортогонална равнинна компонента на

BG 67210 Bl магнитното поле, а вторият и четвъртият контакт от втората структура са диференциалният изход за другата ортогонална равнинна компонента на магнитното поле.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност на двата сензорни изхода, поради генериране от четирите компоненти на захранващите токове във всяка от двете структури на пълните напрежения на Хол в резултат неутрализираното повърхностно разтичане на токове в двете структури.

Предимство е също високата измервателна точност на двата сензорни канала, тъй като отсъства взаимно междуканално влияние в резултат на добре локализираните части на захранващите токове в двете кръстовидни структури, генериращи напрежения на Хол единствено от съответните ортогонални компоненти на магнитното поле в равнината на подложката.

Предимство е още съществено редуцираното паразитно напрежение на двата изхода в отсъствие на магнитно поле (офсети), поради оригиналното свързване на съответните крайни контакти от двете структури, което води до усредняване на евентуални негативни сигнали, свързани с геометрични и технологични несъвършенства, нарушаващи симетрията на структурите.

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 интегрален сензор за магнитно поле съдържа полупроводникова подложка 1 с р-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани две еднакви структури от същия полупроводник, но с п-тип примесна проводимост и с форма на равностранен кръст - първа 2 и втора 3, успоредни помежду си. Всяка от структурите 2 и 3 съдържа още по един централен омичен контакт 4 и 5 с квадратна форма и симетрично спрямо четирите му страни има по един външен правоъгълен омичен контакт - съответно по часовниковата стрелка първи 6 и 7, втори 8 и 9, трети 10 и 11 и четвърти 12 и 13. Двата контакта 4 и 5 са свързани с изводите на токоизточник 14. Първият контакт 6 от първата структура 2 е съединен с третия контакт 11 от втората 3, вторият контакт 8 от първата структура 2 е свързан с четвъртия контакт 13 от втората 3, третият контакт 10 от първата структура 2 е съединен с първия контакт 7 от втората 3, и четвъртият контакт 12 от първата структура 2 е свързан с втория контакт 9 от втората 3. Измерваното магнитно поле 15 е в равнината на р-тип подложката 1 и е с произволна ориентация, като първият 6 и третият контакт 10 от първата структура 2 са диференциалният изход 16 за едната ортогонална равнинна компонента на магнитното поле 15, а вторият 9 и четвъртият контакт 13 от втората структура 3 са диференциалният изход 17 за другата ортогонална равнинна компонента на магнитното поле 15.

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

При включване на централните контакти 4 и 5 на двете еднакви кръстовидни структури 2 и 3 към токоизточника 14 и при така осъществените връзки между крайните контакти 6-11,8-13,10-7и12-9, протичат по четири еднакви компоненти Ц.в ⁼ Цю = кк = 14,12 ⁼ Е.? ⁼ кп ⁼ Ь,9⁼ Е.в на общия захранващ ток кд· Предвид така реализираното свързване на омичните контакти 6 - 11, 8 - 13, 10 - 7 и 12 - 9, токовите компоненти са противоположно насочени: I₄,6 = - кю; П.я = - k,i₂; Ь,7 = - кп и к.9 = - к.в. Технологичната интегрална реализация на двете п-тип структури 2 и 3 с форма на равностранен кръст върху р-подложката 1 обезпечава от една страна

BG 67210 Bl електрическата им изолация, предотвратяваща паразитно влияние между тях, а от друга - напълно ограничено протичане на токовите компоненти в кръстовиднйте структури 2 и 3. Също така се отстранява повърхностното разтичане на захранващия ток на сензора, водещо до множество негативни последствия, както това е в известното решение. Избраното съединение на контактите 6 - 11, 8 - 13, 10 - 7 и 12 - 9 редуцира съществено неминуемото паразитно напрежение на двата изхода 16 и 17 в бтсъствие на магнитно поле В 15 (офсети). Причината за това предимство на решението от Фигура 1 е усредняването и минимизирането на евентуални паразитни сигнали, произтичащи от геометрични и технологични несъвършенства, нарушаващи електрическата симетрия в структурите 2 и 3. Важен резултат е, че двете сензорни субсистеми 2 и 3 функционират в режим генератор на ток. Това е постигнато чрез последователното им свързване към токоизточника 14 - вътрешните омични съпротивления на съответните страни на двете кръстовидни структури 2 и 3 се сумират, обезпечавайки постоянна стойност на токовите компоненти 1₄,б - kio = ks = Π,π = h,7 = b.n = Е,9 = Is,в. Eto защо метрологичната информация на двата изхода 16 и 17 на сензора е) във формат напрежение и е удобно за последваща обработка. Траекторията на осемте токови компоненти на тока I₄,s в областите под контактите 4, 6, 8, 10 и 12 за структурата 2, и съответно 5, 7, 9, 11, 13 за структурата 3 първоначално е перпендикулярна на горните им повърхности, тъй като тези контакти са нискоомни и представляват еквипотенциални равнини. Токовите линии проникват в обема на структурите 2 и 3, след което ефективните им траектории са успоредни на горните повърхности.

Външното магнитно поле В 15, което е в равнината х-у на подложката 1 и е с произволна ориентация, чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти В_х и В_у води до възникване на съответни отклоняващи движещите се носители в токовите компоненти сили на Лоренц, Flj = qV* х В, където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните. Тъй като всички токови компоненти са ограничени в страните на кръстовидните структури 2 и 3, действието на силите на Лоренц Fl е максимално ефективно. В резултат на Лоренцовата дефлекция F_L траекториите на противоположно насочените токови компоненти 1₄,₆ - Ι₄ю; Ϊ48 = - U 12; Ь,7 = - Is.n И 15,9 = - Е,в се “свиват” и съответно “разширяват”. В зависимост от посоката на магнитния вектор В(В_Х,В_У) 15, всеки в двойките срещуположни токове нараства, респективно намалява за сметка на другия. Този сензорен механизъм е проява на добре известния ефект на Хол [1, 3]. Поради режимът на функциониране генератор на ток, вместо изменения на отделните токови компоненти през омичните контакти на двете структури 2 и 3, върху тези терминали се генерират противоположни по знак Ходови потенциали. Тези потенциали формират в диференциалните изходи 16 и 17 напрежения на Хол Vie(B) и Vi7(B), които са информационните индикатори за двете ортогонални компоненти В_х и В_у на вектора на магнитното поле В 15. Свързването на контактите 6-11, 8-13, 10 - 7 и 12 - 9 обезпечава успоредно съединяване на Холови потенциали с един и същ знак. Изходните напрежения V_I6(B) и V₁₇(B) са линейни и нечетни функции на магнитните полета В_х и В_у. Повишаването на магниточувствителността се дължи на ограничаващите протичането на компонентите на тока 1₄,₅ през кръстовидните зони. Този иновативен подход отстранява разтичането на токове в приповърхностните области, подобрявайки ортогоналността на съответните токови компоненти спрямо двата равнинни вектора В_х и В_у на магнитното поле В 15. Така силата Fl въздейства максимално ефективно върху цялата компонента, генерирайки чрез нея максимален Холов потенциал върху повърхността. Освен това чрез магнитноуправляемия повърхностен ток i_s допълнително се постига по-висока преобразувателна ефективност [4]. Ограничените токови компоненти в кръстовидните области на структурите 2 и 3 елиминират един от

BG 67210 Bl съществените недостатъци на векторната магнитометрия - взаимното междуканално влияние при измерване на магнитните полета В_х и В_у. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 15 в равнината х-у и ъгълът Θ на полето В 15 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина се дават с изразите: |В| = (В_х ² + Ву²)^|/2 и Θ = tan' '(УУ(В_УЖ(В_Х)), [1, 3].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналността на избраната кръстовидна конструкция, ограничаваща повърхностното токово разтичане. Освен това конфигурацията и иновативното свързване на контактите 6-11, 8-13, 10 - 7 и 12 - 9 води до едновременно повишаване на магниточувствителността, точността на 2-D сензора и отстраняване на паразитното междуканално влияние.

Двуосният сензор за магнитно поле може да се реализира с различните модификации на интегралната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг силициеви процеси. Освен в интегрално изпълнение, двуосният микросензор за магнитно поле при необходимост допуска и дискретна реализация. Новият 2-D магнитометър функционира и в областта на криогенните температури, което повишава чувствителността на двата канала, особено за целите на слабополевата магнитометрия и контратероризма.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Двуосен интегрален сензор за магнитно поле, съдържащ полупроводникова структура с п-тип примесна проводимост, върху която са формирани един централен омичен контакт с квадратна форма и симетрично спрямо четирите му страни по един външен правоъгълен омичен контакт - по часовниковата стрелка съответно първи, втори, трети и четвърти, има и токоизточник като измерваното магнитно поле е в равнината на структурата и е с произволна ориентация, характеризиращ се с това, че има още втора полупроводникова структура (3) с п-тип примесна проводимост, еднаква с първата (2), като двете са с форма на равностранен кръст и са успоредни помежду си, по същия начин както върху първата структура (2), така и върху втората (3) също са формирани един централен квадратен и омичен контакт (5) и симетрично спрямо четирите му страни има по един външен правоъгълен омичен контакт - по часовниковата стрелка съответно първи (7), втори (9), трети (11) и четвърти (13), като структури (2 и 3) са разположени върху полупроводникова подложка (1) от същия полупроводник, но с р-тип примесна проводимост, а двата квадратни контакта (4 и 5) са свързани с изводите на токоизточника (14), като първият контакт (6) от първата структура (2) е съединен с третия контакт (11) от втората (3), вторият контакт (8) от първата структура (2) е свързан с четвъртия контакт (13) от втората (3), третият контакт (10) от първата структура (2) е съединен с първия контакт (7) от втората (3), и четвъртият контакт (12) от първата структура (2) е свързан с втория контакт (9) от втората (3), като първият (6) и третият контакт (10) от първата структура (2) са диференциалният изход (16) за едната ортогонална равнинна компонента на магнитното поле (15), а вторият (9) и четвъртият контакт (13) от втората структура (3) са диференциалният изход (17) за другата ортогонална равнинна компонента на магнитното поле (15).