BG67551B1 - Двуосен магниточувствителен сензор, съдържащ елементи на хол - Google Patents

Abstract

Двуосният магниточувствителен сензор, съдържащ елементи на Хол, обхваща полупроводникова подложка (1) с р-тип проводимост. Върху едната й страна са формирани четири идентични правоъгълни структури от същия полупроводник с n-тип проводимост, разположени във форма на равностранен кръст - по часовниковата стрелка първа (2), втора (3), трета (4) и четвърта (5), образуващи елементи на Хол. Всеки от тези елементи съдържа по три омични контакта - отвън навътре на n-структурите (2, 3, 4 и 5) последователно първи (6, 7, 8 и 9), втори (10, 11, 12 и 13), и трети (14, 15, 16 и 17). Контакти (10 и 13) са свързани с токоизточник (18). Контакти (16 и 17) са съединени, контакти (11 и 12) са свързани, а контакти (14 и 15) са също съединени. Контакти (7 и 9), и съответно (6 и 8) са диференциални изходи (19 и 20) за двете ортогонални равнинни компоненти на измерваното магнитно поле (21), което е в равнината на подложката (1) и е с произволна ориентация.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до двуосен магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатронните системи с изкуствен интелект; квантовата комуникация; 3D роботизираната медицина и минимално инвазивната хирургия, включително лапароскопията; определянето на едноосен натиск чрез магнитномодулаторни система за преместване; безконтактната автоматика; контролноизмервателната технология и слабополевата магнитометрия; автомобилната промишленост, в това число хибридните превозни средства и електромобилите; енергетиката; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания и позиционирането на обекти в равнината; навигацията; 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 магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол, обхващащ n-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани идентични елементи на Хол, образувани от общ 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 правоъгълен външен омичен контакт. В близост до така обособената на повърхността на n-подложката равностранна кръстовидна конфигурация е формиран обграждащ я дълбок р⁺-тип ринг също във форма на равностранен кръст. Четирите външни контакти са съединени и през токоизточник са свързани с централния контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация, като всяка двойка срещуположни спрямо централния вътрешни контакти са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле [1-10].

Недостатък на този двуосен магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол е редуцираната чувствителност на изходите от възникване на повърхностни проводящи канали между съответните захранващи контакти - централния и външните от наличие по повърхността на положително заредени електронни състояния, примесни атоми, клъстери, адсорбирани наночастици и др., които канали шунтират потенциалите и напреженията на Хол върху изходните вътрешни контакти.

Недостатък е също понижената измервателна точност на двата изхода поради наличието между тях на паразитно междуканално влияние през обема на общата им n-подложка.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде двуосен магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол с висока чувствителност на двата изхода и повишена измервателна точност на изходните канали, минимизирайки паразитното влияние между тях.

Тази задача се решава с двуосен магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол, обхващащ полупроводникова подложка с р-тип примесна проводимост. Върху едната й страна са формирани четири идентични правоъгълни структури от същия полупроводник с n-тип примесна проводимост, разположени във форма на равностранен кръст - по часовниковата стрелка първа, втора, трета и четвърта, образуващи елементи на Хол. Всеки от тези елементи съдържа по три омични контакти - отвън навътре на n-структурите последователно първи, втори и трети. Вторите контакти на първата и четвъртата структура са свързани с токоизточник. Третите контакти на третата и четвъртата структура са съединени, вторите контакти на втората и третата структура са свързани, а третите контакти на първата и втората структура са също съединени. Първите контакти на втората и четвъртата структура, и съответно първите контакти на първата и третата структура са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на измерваното магнитно поле, което е в равнината на подложката и е с произволна ориентация.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност на двата изхода, тъй като първите (изходните) контакти на четирите структури са извън зоните през които протичат захранващите токове и шунтиращото им негативно влияние върху двата изхода е отстранено.

Предимство е също съществено редуцираното паразитно напрежение на двата изхода в отсъствие на магнитно поле (офсети) в резултат на оригиналното последователно свързване на третите контакти на елементите на Хол, което води до усредняване и компенсиране на евентуални негативни сигнали, свързани с геометрични и технологични несъвършенства, нарушаващи симетрията на отделните структури.

Предимство е още високата измервателна точност на двата сензорни канала, тъй като отсъства взаимно паразитно влияние между изходите в резултат на отделно формираните елементи на Хол, генериращи информационните напрежения единствено за ортогоналните компоненти на магнитното поле, както и редуцирания офсет.

Предимство е и повишената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция, поради високата чувствителност, понижения офсет и намаленият вътрешен 1/f (фликер) шум по причина, че захранващите токове не протичат през зоните с първите (изходните) контакти.

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 магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол, обхваща полупроводникова подложка 1 с p-тип примесна проводимост. Върху едната й страна са формирани четири идентични правоъгълни структури от същия полупроводник с n-тип примесна проводимост, разположени във форма на равностранен кръст - по часовниковата стрелка първа 2, втора 3, трета 4 и четвърта 5, образуващи елементи на Хол. Всеки от тези елементи съдържа по три омични контакти - отвън навътре на n-структурите (2), (3), (4) и (5) последователно първи 6, 7, 8 и 9, втори 10,11, 12 и 13, и трети 14, 15, 16 и 17. Вторите контакти 10 и 13 на първата 2 и четвъртата 5 структура са свързани с токоизточник 18. Третите контакти 16 и 17 на третата 4 и четвъртата 5 структура са съединени, вторите контакти 11 и 12 на втората 3 и третата 4 структура са свързани, а третите контакти 14 и 15 на първата 2 и втората 3 структура са съединени. Първите контакти 7 и 9 на втората 3 и четвъртата 5 структура, и съответно първите контакти 6 и 8 на първата 2 и третата 4 са диференциалните изходи 19 и 20 за двете ортогонални равнинни компоненти на измерваното магнитно поле 21, което е в равнината на подложката 1 и е с произволна орентация.

Действието на двуосния магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол, съгласно изобретението, е следното. При свързване на контактите 16 - 17, 11 - 12 и 14 - 15 на четирите л-тип правоъгълни структури 2, 3, 4 и 5 се осъществява последователно свързване на тези идентични елементи на Хол с равнинна чувствителност. Ето защо след съединяването на контакти 10 и 13 с изводите на токоизточника 18, и структурната симетрия на така формираните идентични микросензори протичат четири еднакви компоненти Iio,i4 = 115,п = 112,16 = 113,17 = 118. Характерна особеност на токовите траектории е, че те първоначално са перпендикулярни към горната повърхност на подложката 1, понеже захранващите контакти 10, 14, 11, 15, 12, 16, 13 и 17 в отсъствие на магнитно поле, В = 0, 21 представляват еквипотенциални равнини. Токовите линии проникват в обема на структурите 2, 3, 4 и 5, след което ефективните им траектории са успоредни на горната повърхност на подложката 1. Освен това чрез така осъщественото свързване, токовете в елементите на Хол 2 и 4, и съответно 3 и 5 са с противоположни посоки: 1₁₀,₁₄ = |- 1₁₂,₁₆ | и 1₁₅,п = |- 1₁₃,₁₇|. В отсъствие на магнитно поле, В = 0, 21 на изходите 19 и 20 възникват паразитни изходни напрежения - офсети, несвързани с метрологичното предназначение на сензора. В резултат измервателната точност съществено се редуцира. Този недостатък, например, за изхода 19, е в резултат на електрическата асиметрия, причинена основно от геометрична несъосност в разположението на контактите 6, 10, 14 и 8, 12, 16 на срещуположно разположените елементи на Хол спрямо центъра на конфигурацията 2, 3, 4 и 5. Първопричината е технологична - неминуеми несъвършенства в легирането, несъосност на маските при фотолитографията, механични напрежения найчесто от метализацията и корпусирането на чипа, температурни градиенти и флуктуации, стареене и др. Същият анализ е в сила и за другия сензорен канал - 20, формиран от контакти 3, 11, 15 и съответно 9, 13, 17 на структури 3 и 5. В конфигурацията на фигура 1 в отсъствие на магнитно поле, В = 0, 21 офсетите са минимизирани благодарение на осъществените връзки между контакти 16 - 17, 11 - 12 и 14 - 15 на структури 2, 3, 4 и 5. В резултат потенциалната асиметрия в зоните с изходни контакти 6 и 8 и съответно 7 и 9 е практически компенсирана. Фактически се усредняват и минимизират евентуалните паразитни сигнали, произтичащи от геометрични и технологични несъвършенства, включително температурен дрейф на офсетите. Интегралната реализация на n-тип структурите 2, 3, 4 и 5, формирани върху p-подложката 1 обезпечава пълната електрическа изолация между тях. По тази причина се предотвратява паразитното междуканално влияние на двата изхода 19 и 20, както това е в известното решение, повишавайки измервателната точност.

Измерваното магнитно поле В 21, което е в равнината х-у на подложката 1 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, FL,i = qVdr 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 разположените във форма на равностранен кръст структури 2, 3, 4 и 5, действието на силите на Лоренц F_L от полета В_х и В_у е във висока степен ефективно върху всички части на траекториите. В резултат токовите линии на противоположно насочените компоненти 1₁₀,₁₄ и -1₁₂,₁₆, и съответно 1₁₅,п и -1₁₃,₁₇, се деформират - те се “свиват” или “разширяват”, като върху изходните терминали 7 и 9, респективно 6 и 8 се генерират потенциали на Хол. Това сензорно действие е проява на равнинно-магниточувствителния ефект на Хол, [1 - 10]. Потенциалите формират на диференциалните изходи 19 и 20 напрежения на Хол V₁₉(B) и V₂₀(B) които са информационните индикатори за двете ортогонални компоненти Вх и В у на вектора на магнитното поле В 21. Напреженията V19(B) и V21(B) са линейни и нечетни функции на магнитните полета В х и В у. В резултат на конструкцията на двуосния магнитометър от фигура 1 чувствителността на двата изходни канала 19 и 20 е съществено повишена. Причината е, че контакти 7 и 9, както 6 и 8 са разположени извън областите на протичане на токовете 1₁₀,₁₄ = |- 1₁₂,₁₆ | и 1₁₅,п = |- 1₁₃,₁₇|. При това шунтиращото действие на повърхностните електронни състояния върху Холовите потенциали е минимизирано и напреженията V₁₉(B) 19 и V₂₀(B) 20 нарастват. Освен това ортогоналността на съответните токови компоненти спрямо двата равнинни вектора Вх и В_у на магнитното поле В 21 е технологично подобрена. Така силите Fщ въздействат максимално ефективно върху компонентите, генерирайки съществени по стойност Холови потенциали върху повърхността на структурите 2, 3, 4 и 5. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 21 в равнината х-у и ъгълът Θ на полето В 21 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина се дават с изразите: | В\ = (Вx² + В y²)^1/2 и Θ = tan¹ (Vy(B y)/Vx(B x)), [1 - 3].

Новото решение, фигура 1, повишава резолюцията на сензора при измерване на минималната магнитна индукция В min. Този резултат е следствие освен от високата чувствителност и понижения офсет, но и от намаления вътрешен 1/f (фликер) шум на двата канала 19 и 20. Причината е, че захранващите токове Iι₀,₁₄ = |Iι₂,ι₆ | и I15,11 = |- I₁₃,₁₇| не протичат през зоните с първите (изходните) контакти 7-9 и 6-8, което съществено ограничава флуктуационните процеси в информационните сигнали V₁₉(B) 19 и V₂₀(B) 20, [11].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е следствие от оригиналната кръстовидна конфигурация от триконтактни елементи на Хол 2, 3, 4 и 5 и иновативното свързване на захранващите контакти 16 - 17,11 - 12 и 14 - 15. Постигнато е драстично ограничение на негативните въздействия и сигнали в отделните изходни канали 19 и 20. Постигнатите резултати са висока канална магниточувствителност, повишена измервателна точност, отстранено междуканално влияние и висока резолюция.

Широк обхват на приложимост, новият сензор има в комбинация с магнитномодулаторни системи, съдържащи два и повече постоянни магнити, включително ориентирани един спрямо друг с едноименните си полюси, например за измерване на едноосен натиск при пресите и др.

Двуосният магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол може да се реализира с различни модификации на интегралната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг силициеви процеси. Новият 2-D микросензор функционира и в областта на криогенните температури, което повишава чувствителността и допълнително минимизира 1/f шума на двата канала, особено за целите на слабополевата магнитометрия, навигацията и контратероризма.

Claims (1)

1. Двуосен магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол, обхващащ полупроводникова подложка, омични контакти, образуващи елементи на Хол и разположени: във форма на равностранен кръст, токоизточник като измерваното външно магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация, характеризиращ се с това, че полупроводниковата подложка (1) е с p-тип примесна проводимост, върху едната й страна са формирани четири идентични правоъгълни структури от същия полупроводник с n-тип примесна проводимост, разположени във формата на равностранния кръст - по часовниковата стрелка първа (2), втора (3), трета (4) и четвърта (5), образуващи елементите на Хол, всеки от които съдържа по три омични контакти - отвън навътре на n-структурите (2), (3), (4) и (5) последователно първи (6), (7), (8) и (9), втори (10), (11), (12) и (13), и трети (14), (15), (16) и (17), вторите контакти (10) и (13) на първата (2) и четвъртата (5) структура са свързани с токоизточника (18), като третите контакти (16) и (17) на третата (4) и четвъртата (5) структура са съединени, вторите контакти (11) и (12) на втората (3) и третата (4) структура също са свързани, както и третите контакти (14) и (15) на първата (2) и втората (3) структура са съединени, а първите контакти (7) и (9) на втората (3) и четвъртата (5) структура, и съответно първите контакти (6) и (8) на първата (2) и третата (4) са диференциалните изходи (19) и (20) за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (21)