BG67509B1

BG67509B1 - Магниточувствително устройство

Info

Publication number: BG67509B1
Application number: BG113284A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2023-03-31
Also published as: BG113284A

Abstract

Магниточувствителното устройство съдържа четири идентични полупроводникови квадратни подложки, разположени в една равнина с n-тип примесна проводимост - първа (1), втора (2), трета (3) и четвърта (4). Върху едната страна на всяка от подложките (1, 2, 3 и 4), в ъгловите й зони е формиран по един омичен контакт - по часовниковата стрелка последователно първи (5, 6, 7 и 8), втори (9, 10, 11 и 12), трети (13, 14, 15 и 16) и четвърти (17, 18, 19 и 20), като първите (5, 6, 7 и 8) и третите (13, 14, 15 и 16), и съответно вторите (9, 10, 11 и 12), и четвъртите (17, 18, 19 и 20) контакти са срещуположни. Първите контакти (5 и 7) на първата (1) и третата (3) подложка са свързани с изводите на токоизточник (21), независимо генератор на ток или генератор на напрежение. Вторият контакт (9) на първата подложка (1) е съединен с третия контакт (16) на четвъртата (4), четвъртият контакт (17) на първата (1) подложка - с първия контакт (6) на втората (2) подложка, третият контакт (14) на втората (2) подложка е свързан с втория контакт (11) на третата (3) подложка, а четвъртият контакт (19) на третата подложка (3) е съединен с първия контакт (8) на четвъртата (4) подложка, вторите контакти (10 и 12) на втората (2) и четвъртата (4) подложка, и съответно четвъртите контакти (18 и 20) на втората (2) и четвъртата (4) подложка са диференциалните изходи (22 и 23) на структурата, а измерваното магнитно поле (24) е перпендикулярно на равнината на подложките (1, 2, 3 и 4).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до магниточувствително устройство, приложимо в областта на сензориката; роботиката и мехатрониката; безконтактната автоматика, включително дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; микро- и нано-технологиите; квантовата комуникация; навигацията; медицината, в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия; 3D телемедицината и лапароскопията; системите за сигурност с изкуствен интелект; космическите изследвания; контролно измервателната техника и слабополевата магнитометрия; електромобилите и хибридните превозни средства; енергетиката; контратероризма, военното дело и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известно е магниточувствително устройство, съдържащо полупроводникова квадратна подложка с nтип примесна проводимост, върху едната страна на която в ъгловите й зони е формиран по един омичен контакт. Два срещуположни контакта са свързани с източник на постоянен ток, а другите два са диференциалният изход на устройството, като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката [1 - 10].

Недостатък на това магниточувствително устройство е понижената му измервателна точност поради високата стойност на офсета (паразитното изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле) в резултат на електрическата асиметрия, причинена основно от геометрична несъосност в разположението на контактите спрямо центъра на квадратната подложка по технологични причини - неминуеми несъвършенства в легирането, несъосност на маските при фотолитографията, механични напрежения най-често от метализацията и корпусирането на чипа, температурни градиенти и флуктуации, стареене и др.

Недостатък е също схемното ограничение, налагащо устройството да функционира в режим генератор на постоянен захранващ ток за постигане на висока магниточувствителност (преобразувателна ефективност), тъй като областта между двата захранващи контакта е еквивалентна на резистор и ако режимът е генератор на постоянно напрежение, който е по-разпространеният в схемотехниката, чувствителността е пропорционална на това съпротивление, а в серийно произвежданите образци то е ниско, а от тук и преобразувателната ефективност в този режим е също малка.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде магниточувствително устройство с минимален офсет и висока чувствителност, независимо от режима му на захранване.

Тази задача се решава е магниточувствително устройство, съдържащо четири идентични полупроводникови квадратни подложки, разположени в една равнина с n-тип примесна проводимост първа, втора, трета и четвърта. Върху едната страна на всяка от подложките в ъгловите й зони е формиран по един омичен контакт - по часовниковата стрелка последователно първи, втори, трети и четвърти, като първите и третите контакти, и съответно вторите и четвъртите контакти са срещуположни. Първите контакти на първата и третата подложка са свързани с изводите на токоизточник, независимо генератор на ток или генератор на напрежение. Вторият контакт на първата подложка е съединен с третия контакт на четвъртата подложка четвъртият контакт на първата подложка с първия контакт на втората подложка, третият контакт на втората подложка е свързан с втория контакт на третата подложка, а четвъртият контакт на третата подложка е съединен с първия контакт на четвъртата подложка. Вторите контакти на втората и четвъртата подложка, и съответно четвъртите контакти на втората и четвъртата подложка са диференциалните изходи на устройството, а измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложките.

Предимство на изобретението е силно редуцираното паразитно изходно напрежение (офсет) на устройството поради оригиналното свързване на контактите на четирите идентични подложки, водещо до окъсяване на неминуемите в тях паразитни потенциали чрез протичане на компенсиращи токове, изравняващи в достатъчна степен електрическите условия в отсъствие на магнитно поле, включително в зоните на двойките изходни контакти.

Предимство е така също високата чувствителност (преобразувателна ефективност), независимо от вида на токоизточника - генератор на напрежение или генератор на ток, но и в резултат на възникване в магнитно поле на допълнителни със съответната полярност (знак) потенциали на Хол върху контактите на първата и третата подложка, което води до усилване на изходните напрежения.

Предимство е и увеличената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция, поради високата чувствителност и минимизирания офсет едновременно с повишеното отношението сигнал/шум на структурата, осигуряващи по-детайлно картографиране на равнинната и пространствената топология на магнитното поле.

Предимство е още пълната технологична съвместимост чрез еднотипни физикохимични процеси на силициевите интегрални технологии, използвани в микроелектрониката за реализация изцяло на четирите части на магниточувствителното устройство.

Предимство е и повишената измервателна точност на структурата поради съществено минимизирания паразитен офсет и високата магниточувствителност.

Предимство освен това е и наличието на два независими изхода, позволяващи получаване на рекордно високи стойности на изходните сигнали и допълнително потискане на офсетите при алгебричното им сумиране с операционни усилватели, което разширява обхвата на приложимост преди всичко във високоточната магнитометрия.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Магниточувствителното устройство съдържа четири идентични полупроводникови квадратни подложки, разположени в една равнина с n-тип примесна проводимост - първа 1, втора 2, трета 3 и четвърта 4. Върху едната страна на всяка от подложките 1, 2, 3 и 4, в ъгловите й зони е формиран по един омичен контакт - по часовниковата стрелка последователно първи 5, 6, 7 и 8, втори 9, 10, 11 и 12, трети 13, 14, 15 и 16, и четвърти 17, 18, 19 и 20, като първите 5, 6, 7 и 8, и третите 13, 14, 15 и 16, и съответно вторите 9, 10, 11 и 12, и четвъртите 17, 18, 19 и 20 са срещуположни. Първите контакти 5 и 7 на първата 1 и третата 3 подложка са свързани с изводите на токоизточник 21, независимо генератор на ток или генератор на напрежение. Вторият контакт 9 на първата подложка 1 е съединен с третия контакт 16 на четвъртата 4 подложка, четвъртият контакт 17 на първата 1 - с първия контакт 6 на втората 2 подложка, третият контакт 14 на втората 2 е свързан с втория контакт 11 на третата 3, а четвъртият контакт 19 на третата подложка 3 е съединен с първия контакт 8 на четвъртата 4. Вторите контакти 10 и 12 на втората 2 и четвъртата 4 подложка, и съответно четвъртите контакти 18 и 20 на втората 2 и четвъртата 4 подложка са диференциалните изходи 22 и 23 на устройството, а измерваното магнитно поле 24 е перпендикулярно на равнината на подложките 1, 2, 3 и 4.

Действието на магниточувствителното устройство, съгласно изобретението, е следното. След включване на контактите 5 и 7 към токоизточника 21 при осъществени електрически връзки между контактите 9 - 16,17 - 6,14 - 11 и 19 - 8 на полупроводниковите подложки 1, 2, 3 и 4, протичат токови компоненти 15,17, 15,9, 117,6, 16,14, 114,11, 119,7, 19,16 и 116,8. Тяхната сума се равнява на тока 15 = 17, фигура 1. Реализираните по този начин връзки са причина посоките на токовите компоненти вътре в самите подложки 1 и 3, и съответно 2 и 4 да са противоположни. Наличието на последователно съединените подложки 1, 2, 3 и 4 обезпечава високо по стойност общо вътрешно съпротивление R_mt на конфигурацията. Следователно това е предпоставка за функциониране на устройството от фигура 1, както в режим на постоянно напрежение V₂i = const, така и в режим генератор на ток 1₂₁ = const, преодолявайки ограничението на съществуващото техническо решение.

В резултат на оригиналното свързване на подложките 1, 2, 3 и 4 се постига окъсяване на неминуемите паразитни потенциали в тях чрез протичане на компенсиращи токове, въпреки структурната симетрия на четирите квадратни части на устройството. Така се изравняват в достатъчна степен различните условия (потенциали) в тях. Ето защо в зоните на двойките изходни контакти 10 и 12, и съответно 18 и 20, в отсъствие на магнитно поле В 24, В = 0, офсетът е драстично редуциран или компенсиран (нулиран), V₂₂(B = 0) ~ V₂₃(B = 0) ~ 0. Този подход за канцелиране на офсета в сравнение със сложната му динамична компенсация чрез т. н. токов спининг е съществено опростен и е иманентен на самото техническо решение, като крайните резултати и в двата случая са твърде близки. Същевременно, ако двата изхода 22 и 23 се свържат е неинвертиращите входове на двойка операционни усилватели, изходите на които да се съединят с инвертиращия вход на трети операционен усилвател, в този случай минималните офсети се изваждат и на изхода на третия операционен усилвател се постига пълна офсет-компенсация.

Прилагане на измерваното магнитно поле В 24, перпендикулярно на равнината на подложките 1, 2, 3 и 4 води до странично (латерално) отклонение на токовите линии в тях. Това въздействие е в резултат на силите на Лоренц FL,i, F_L = q Vdr х В, където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се електрони в обемите на подложки 1, 2, 3 и 4, [2, 3]. Поради Лоренцовото отклонение от силите FL,i, в зависимост от посоките на токовите компоненти в подложките 1, 2, 3 и 4, и на магнитното поле В 24, траекториите на електроните се деформират. Анализът показва, че всяка една от полупроводниковите подложки 1, 2, 3 и 4 представлява ортогонален сензор на Хол. При първата 1 и третата 3 са триконтактни елементи на Хол: контактите 5, 9 и 17, и съответно 7, 11 и 19. В другата двойка 2 и 4 са формирани класически четириконтактни ортогонални елементи на Хол: контактите 6, 10, 14 и 18, и съответно 8, 12, 16 и 20. По тази причина върху контактите 9 и 17, 11 и 19, 10 и 18, както и 12 и 20 се генерират едновременно Холови потенциали със съответния знак, например +V_H9(B), -V_Hi₇(B), +V_H10(B), Vhi8(B), -Vhii(B), +Vhi9(B), -Vhi₂(B) и +Vh20 (B). Следователно, на диференциалните изходи 22 и 23 на магниточувствителното устройство, фигура 1, възникват напрежения на Хол, V22(B) и -V₂3(B). Сигналите V22(B) и -V23(B) са линейна и нечетна функция от силата и посоката на общия захранващ ток I5 = I7 и на магнитното поле В 24. В новото решение, обаче се използва иновативен метод за допълнително повишаване на магниточувствителността на изходите V₂₂( B) 22 и V₂₃(B) 23 с помощта на еднакви по стойност, но с противоположен знак Холови потенциали, генерирани от протичащите токове в първата 1 и третата 3 подложка. Конфигурациите 1 и 3 заедно с контактите 5, 9 и 17, и съответно 7, 11 и 19, както беше отбелязано по-горе, представляват триконтактни ортогонални елементи на Хол. Генерираните от тези сензори в магнитно поле В 24 Холови потенциали V_h9 и -Vhi₇ и съответно -Vhii и Vhi₉ чрез директното свързване на контактите 9 - 16 и 19 - 8, едновременно се повдига и/или съответно понижава общото потенциално състояние на втората 2 и четвъртата 4 подложка, от които са изводните терминали 10 и 18, и 19 и 20. Така магниточувствителностите на двата изхода 22 и 23 се повишават. Наличието на два независими изхода 22 и 23 позволява получаване на рекордно високи стойности на изходните сигнали и допълнително потискане на офсетите, както се отбеляза по-горе. Тъй като офсетите са с един и същ знак, а чувствителностите са с противоположен, тяхното алгебрично сумиране с операционни усилватели повишава преобразувателната ефективност. Минимизираният паразитен офсет и нарастналите чувствителности увеличават значително измервателната точност на системата от фигура 1.

В резултат на техническото решение от фигура 1 магниточувствителностите S и измервателната точност на полето В 24 нарастват. Същевременно повишените сигнали V₂₂(B) 22 и -V₂₃(B) 23 също водят до увеличение на отношението сигнал/шум (S/N). Следователно, резолюцията при измерване на минималната магнитна индукция B_mn нараства, което осигурява по-детайлно картографиране на топологията на магнитното поле В 24.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством оригиналните връзки на отделните части на устройството, представляващи ортогонални елементи на Хол - подложките 1, 2, 3 и 4 се постигат допълнителни потенциали на Хол, които синфазно се сумират с изходните сигнали, генерирайки повишена чувствителност и резолюция. При това едновременно драстично се редуцира един от най-сериозните недостатъци - офсетът чрез изравняващи токове. Новото решение разширява схемотехническите възможности на устройството - функциониране както в режим генератор на напрежение, така и в режим генератор на ток при запазване на преобразувателната ефективност.

Реализацията на магниточувствителното устройство се осъществява с CMOS или BiCMOS интегрални процеси в единен технологичен цикъл върху силициева пластина (силициев чип). Конфигурацията от четирите n-тип части 1, 2, 3 и 4, фигура 1, се формира в равнината на чипа, като се спазва ориентацията и функционалностите на омичните контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 и 20, съгласно новото решение. Подложките 1, 2, 3 и 4 се формират като n-тип „джобове” в p-Si пластини. Омичните контакти се осъществяват с йонна имплантация и са силно легирани n - n зони в n-Si „джобове”. Специално следва да се отбележи, че при интегралната реализация на конфигурацията е без значение дали се осъществява една от частите й, например 1, т. е. известното решение, или всичките четири елемента 1, 2, 3 и 4 едновременно. Новата конструкция се постига в единен технологичен цикъл. Микроелектронните процеси позволяват едновременно формиране на същия чип и на обработващата електронна схемотехника за изходните напрежения V₂₂(В) и V₂₃(В) в зависимост от конкретното приложение, включително реализирането на цифрови сензорни платформи. Устройството от фигура 1 е работоспособно и в областта на ниските температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К, което разширява сферата на приложимост за целите на криотрониката, особено в слабополевата магнитометрия и контратероризма. За още по-висока чувствителност за целите на геофизиката на земния магнетизъм, чипът може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 24 от ферит или μ-метал.

Claims

1. Магниточувствително устройство, съдържащо полупроводникова квадратна подложка с n-тип примесна проводимост, върху едната страна на която в ъгловите й зони е формиран по един омичен контакт, като два по два те са срещуположни, токоизточник, а измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, характеризиращо се с това, че има още други три полупроводникови подложки, идентични на първата (1), разположени заедно с нея в една равнина - втора (2), трета (3) и четвърта (4), върху едната страна на които в ъгловите й зони са формирани съответно омични контакти по часовниковата стрелка последователно първи (6), (7) и (8), втори (10), (11) и (12), трети (14), (15) и (16), и четвърти(18), (19) и (20), като първите (6), (7) и (8) и третите (14), (15) и 16 контакти, и съответно вторите (10), (11) и (12) и четвъртите (18), (19) и (20контакти са срещуположни, а първите контакти (5) и (7) на първата (1) и третата (3) подложки са свързани с изводите на токоизточника (21), независимо генератор на ток или генератор на напрежение, вторият контакт (9) на първата подложка (1) е съединен с третия контакт (16) на четвъртата (4) подложка, а четвъртият контакт (17) на първата (1) подложка с първия контакт (6) на втората (2) подложка, третият контакт (14) на втората (2) подложка е свързан с втория контакт (11) на третата (3) подложка, а четвъртият контакт (19) на третата подложка (3) е съединен с първия контакт (8) на четвъртата (4) подложка, като вторите контакти (10) и (12) на втората (2) и четвъртата (4) подложка, и съответно четвъртите контакти (18) и (20) на втората (2) и четвъртата (4) подложка са диференциалните изходи (22) и (23) на устройството.