BG67380B1 - Двумерен микросензор за магнитно поле - Google Patents

Abstract

Двумерният микросензор за магнитно поле съдържа p-тип полупроводникова подложка (1), върху едната страна на която е формиран дълбок n-тип слой (2) във формата на малтийски кръст с четири равни правоъгълни страни (равностранен кръст). Върху всяка от четирите страни на кръста (2) има последователно и на разстояние по един външен и по един вътрешен омичен контакт - по часовниковата стрелка съответно първи (3) и втори (4), трети (5) и четвърти (6), пети (7) и шести (8), и седми (9) и осми (10), като всичките контакти са симетрични спрямо центъра на кръста (2). Първият (3) и вторият (4), и петият (7) и шестият (8), и съответно третият (5) и четвъртият (6), и седмият (9) и осмият (10) контакт са разположени срещуположно. Първият (3) и петият (7) контакт са свързани с единия извод на токоизточник (11), другият извод на който е съединен с четвъртия (5) и седмия (9) контакт. Измерваното външно магнитно поле (12) е с произволна ориентация и лежи в равнината на подложката (1), като двойките срещуположни вътрешни контакти - втори (4) и шести (8), и съответно четвърти (6) и осми (10) са диференциалните изходи (13 и 14) за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (12).

Description

(54) ДВУМЕРЕН МИКРОСЕНЗОР ЗА МАГНИТНО ПОЛЕ

Област на техниката

Изобретението се отнася до двумерен микросензор за магнитно поле, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, квантовата комуникация и инженерство, биомедицинските изследвания включително роботизираната хирургия, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в равнината, слабополевата магнитометрия, електронните компаси и навигацията, автоматизация на производството, електромобилостроенето, контролно-измервателната технология, енергетиката, военното дело и сигурността, и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е двумерен микросензор за магнитно поле, съдържащ n-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 с формата на равностранен кръст. 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 n-тип подложката като всяка двойка срещуположни вътрешни контакти спрямо централния са изходите за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле [1-6].

Недостатък на този двумерен 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 контакти.

Недостатък е също редуцираната точност на микросензора в резултат на паразитните изходни напрежения на двата изхода в отсъствие на магнитно поле (офсети), 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 метализацията, и др.

Недостатък е още усложнената конструкция, съдържаща девет омични контакта, което повишава значително габаритите на структурата, понижава се нейната разделителна способност (резолюция) и се затруднява технологичната реализация на микросензора.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде двумерен микросензор за магнитно поле с висока магниточувствителност, повишена измервателна точност на двата сензорни канала и опростена конструкция чрез редуциране броя на омичните контакти.

Тази задача се решава с двумерен микросензор за магнитно поле, съдържащ р-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която е формиран дълбок n-тип слой във формата на малтийски кръст с четири равни правоъгълни страни (равностранен кръст). Върху всяка от четирите страни на n-тип слоя има последователно и на разстояние по един външен и по един вътрешен омичен контакт - по часовниковата стрелка съответно първи и втори, трети и четвърти, пети и шести, и седми и осми, всичките симетрични спрямо центъра на кръста. Първият и вторият, и петият и шестият, и съответно четвъртият и петият, и седмият и осмият контакти са разположени срещуположно. Първият и петият контакт са свързани с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с третия и седмия контакт. Измерваното външно магнитно поле е с произволна ориентация и лежи в равнината на р-тип подложката, като двойките срещуположни вътрешни контакти - втори и пети, и съответно трети и седми са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност на двата сензорни канала в резултат на отстраненото разтичане на компонентите на захранващия ток от формирания в р -подложката дълбок n-тип епитаксиален слой с формата на равностранен кръст.

Предимство е също високата измервателна точност на двата сензорни канала поради драстично намаленото паразитно влияние между компонентите на захранващия ток в правоъгълните n-тип страни на кръста.

Предимство е още опростената приборна конструкция на двумерния микросензор за магнитно поле, съдържаща осем вместо девет контакта.

Предимство е и отпадане на необходимостта от специално разполагане на микросензора по отношение на източника на магнитното поле за постигане на високи стойности на изходните сигнали, поради подобрената ортогоналност на n-тип страните на кръста от прецизността на микроелектронните технологии.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Двумерният микросензор за магнитно поле съдържа р-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която е формиран дълбок n-тип слой 2 във формата на малтийски кръст с четири равни правоъгълни страни (равностранен кръст). Върху всяка от четирите страни на n-тип слоя има последователно и на разстояние по един външен и по един вътрешен омичен контакт - по часовниковата стрелка съответно първи 3 и втори 4, трети 5 и четвърти 6, пети 7 и шести 8, и седми 9 и осми 10, всичките симетрични спрямо центъра на кръста 2. Първият 3 и вторият 4, и петият 7 и шестият 8, и съответно третият 5 и четвъртият 6, и седмият 9 и осмият 10 контакти са разположени срещуположно. Първият 3 и петият 7 контакт са свързани с единия извод на токоизточник 11, другият извод на който е съединен с четвъртия 5 и седмия 9 контакт. Измерваното външно магнитно поле 12 е с произволна ориентация и лежи в равнината на р-тип подложката 1, като двойките срещуположни вътрешни контакти - втори 4 и шести 8, и съответно четвърти 6 и осми 10 са диференциалните изходи 13 и 14 за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле 12.

Действието на двумерния микросензор за магнитно поле, съгласно изобретението, е следното.

При включване на контакти 3 и 5, и съответно 7 и 9 към токоизточника 11, протичат четири равни и две по две противоположно насочени токови компоненти I3 и - I₇, и съответно I₅ и - I9. Тази специфична особеност се дължи на включването на контакти 3, 5, 7 и 9 към токоизточника 11 по начин, че токовете между противоположните контакти 3 и 7, и съответно 5 и 9 да са противоположно насочени спрямо центъра на n-тип кръста 2. Създаденият дълбок епитаксиален n-слой 2 във формата на равностранен (малтийски) кръст еднозначно ограничава областите, в които протичат токовите компоненти I₃ и - I₇, и съответно I₅ и - I₉. Така паразитното обемно и повърхностно разтичане на захранващия ток In е напълно отстранено. В предложеното решение на Фигура 1 конструкцията и способът на захранване на външните контакти 5 и 3, и съответно 7 и 9 осъществява протичането на два тока I₅,₃ и I₇,₉, които съдържат по две двойки взаимно перпендикулярни компоненти. Посоките на тези двойки компоненти са противоположни като в страните на кръста 2, където са контакти 3 и 7, и съответно 5 и 9 протичат противоположни токове. На практика този необичаен случай е еквивалентен на решение, при което в центъра на кръста 2 е формиран омичен захранващ контакт, обезпечаващ въпросните токови компоненти за четирите страни.

Траекториите на компонентите I₃ и - I₇, и съответно I₅ и - I₉ в областите под омични контакти 3 и 7, както 5 и 9 в отсъствие на магнитно поле 12 В(В_х,В_у) = 0 първоначално са перпендикулярни на горната повърхност на кръста 2. Причината е, че контакти 3, 5, 7 и 9 са нискоомни и представляват еквипотенциални равнини за протичащите през тях токове. Ето защо тези компоненти проникват значително в обема на епитаксиалния n-слой 2. След това ефективните траектории I₃ и - I₇, и съответно I₅ и - I₉ в обема на n-кръста 2 стават почти успоредни на горната му повърхност. Тази важна за действието на микросензора топология на токовите траектории е продиктувана от относително дълбокия епитаксиален n-слой 2 и неголемите му линейни размери, което редуцира евентуална структурна асиметрия и офсети V₁₃(0) и V₁₄(0) на диференциалните изходи 13 и 14 на микросензора в отсъствие на магнитно поле В 12, В = 0.

Външното магнитно поле В 12, което лежи в равнината на р-тип подложката 1 и е с произволна ориентация, чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти В_х и В_у генерира съответни латерално отклоняващи движещите се токоносители сили на Лоренц Fl,i = qV* x В, където q е елементарният товар на електрона, a Vd е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се токоносители, в нашия случай електроните в n-кръста 2. В резултат на Лоренцовите дефлекции F_l,i, траекториите в отделните си части под контактите 3, 5, 7 и 9 и между тях за всяка от противоположно насочените токови компоненти I₃ и - I₇, и съответно I₅ и - I₉ едновременно се деформират като се “свиват” и/или “разширяват” в обема на кръста 2. В зависимост от посоката на магнитния вектор (В_х, В_у) 12, всеки един в двойките срещуположни токове нараства, респективно намалява. В резултат се генерират противоположни по знак Холови потенциали в зоните, където са формирани изходните контакти 4 и 8, и съответно 6 и 10. Така чрез ефекта на Хол върху двата диференциални изхода 13 и 14 възникват напрежения на Хол: V₃,₇(B_y) = V₁₃(B_y) 13 и V₄,₆(B_x) = V₁₄(B_x) 14. Изходните сигнали 13 и 14 са линейни и нечетни функции от магнитните вектори В_х и В_у, и съдържат метрологичната информация за стойността и посоката на магнитните компоненти. Повишаването на магниточувствителността се дължи на добре ограничения чрез р-подложката 1 епитаксиален n-слой 2 посредством технологичната реализация. Този оригинален подход отстранява разтичането на захранващия ток. Също така взаимно перпендикулярните страни на n-кръста 2 значително подобряват ортогоналността на токовите компоненти I₃, - I₇, I₅ и - I₉ спрямо двата равнинни вектора В_х и Ву на магнитното поле В 12. Перфектно ограничената в р-тип подложка 1 кръстовидна активна зона 2 максимално редуцира паразитното взаимно влияние на двата сензорни канала за полета В_х и В_у. Следователно магниточувствителността и метрологичната точност нарастват. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 12 в равнината х-у на подложката 1 и ъгълът Θ на полето В 12 спрямо фиксирана реперна ос на координатна система в същата равнина, се дават с добре известните изрази:

|В| = (Bx² + Ву²)^1/2 и Θ = tan^-1(Vy(By)/Vx(Bx)), [1,5].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативната приборна конструкция. Формираният кръстовиден епитаксиален слой 2 ограничава разтичането на тока и е предпоставка за повишената чувствителност и високата метрологична точност. Оригиналният способ на свързване към токоизточника 11 с контакти 3, 5, 7 и 9, осигуряващ противоположно насочени токови компоненти, генериращи двете изходни напрежения на Хол V₁₃(B_y) 13 и V₁₄(B_x) 14, се прилага за първи път в сензориката и редуцира броя на контактите. Така без централен захранващ електрод се осъществяват два взаимно перпендикулярни равнинно-магниточувствителни елементи на Хол. Друго съществено предимство на микросензора от Фигура 1 е, че той изцяло се реализира в единен технологичен цикъл с процесите на интегралната микроелектронна технология. Това решение минимизира драстично паразитните сигнали, включително офсетите и дрейфът на параметрите. Постигната е пълна термична, технологична и структурна съвместимост на сензорните канали.

2D многомерният микросензор може да се реализира с различните модификации на планарната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг силициеви процеси.

Claims (1)

1. Двумерен микросензор за магнитно поле, съдържащ токоизточник и полупроводникова подложка, като върху едната й страна е формиран дълбок полупроводников n-тип малтийски кръст с четири равни правоъгълни страни - равностранен кръст, върху всяка от четирите страни на n-тип кръста има последователно и на разстояние по един външен и по един вътрешен омичен контакт - по часовниковата стрелка съответно първи и втори, трети и четвърти, пети и шести, и седми и осми, като двойките срещуположни вътрешни контакта - втори и шести, и съответно четвърти и осми са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на измерваното външно магнитно поле, което е с произволна ориентация и лежи в равнината на подложката, характеризиращ се с това, че полупроводниковата подложка (1) е с р-тип примесна проводимост, първият (3) и вторият (4), третият (5) и четвъртият (6), петият (7) и шестият (8), и седмият (9) и осмият (10) контакт - всичките са съответно симетрични спрямо центъра на кръста (2), като първият (3) и петият (7) и съответно третият (5) и седмият (9) контакт са разположени срещуположно, а първият (3) и петият (7) контакт са свързани с единия извод на токоизточника (11), другият извод на който е съединен с четвъртия (5) и седмия (9) контакт