BG111199A

BG111199A - Двумеренмагнитотометър

Info

Publication number: BG111199A
Application number: BG10111199A
Authority: BG
Inventors: РЈРњР•РќРРќБР§Р°РІРґР°БББББББББББББББББББББББББ RoumeninБCHavdarБББББББББСЂБББББББББББББББББББББББР; LozanovaБSiyaБББББББББББББББББББББББББББББББББББББР›РћР—РђРќРћР’РђБРЎРёСЏБББББББББББББББББББББББББББ
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2013-10-31
Also published as: BG66624B1

Abstract

Двумерниятмагнитометър,съдържаполупроводниковаn-типподложка,върхуеднатастрананакоятосаформиранидваквадратниомичниконтакта(2)и(3),разположенивблизостединдодруг.Симетричноспрямочетиритеимстраниимапоследователнопочасовниковатастрелкапоединправоъгъленомиченконтакт-първи(4)и(5),втори(6)и(7),трети(8)и(9),ичетвърти(10)и(11),всичкитеседнаквиразмери.Всякаотдветегрупи,съдържащаквадратен(2)и(3)ичетириправоъгълниконтакта(4)и(5),(6)и(7)исъответно(8)и(9),(10)и(11)еобграденасдълбокp-типринг(12).Контакти(2)и(3)сасъединенистокоизточник(13).Първите(4)и(5)ивторите(6)и(7)контактиотвсякагрупасасвързанисъответнопомеждуси.Четвъртите(10)и(11)исъответнотретите(8)и(9)контактиотвсякагрупасаизходите(14)и(15)надвумерниямагнитометързадветеортогоналникомпонентинамагнитнотополе(16),лежащовравнинатананаn-типподложката(1).

Description

Изобретението се отнася до двумерен магнитометър, приложимо в областта на сензориката, микро- и нано-технологиите, системното инженерство включително биоинженерството, роботиката и мехатрониката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, биомедицинските изследвания, енергетиката и енергийната ефективност, позиционирането на обекти, автоматиката, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е двумерен магнитометър, съдържащ и-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. Четирите външни контакта са съединени и през токоизточник са свързани с централния контакт. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на п-тип подложката като всяка двойка срещуположни вътрешни контакти спрямо централния са изходите на двумерния магнитометър за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле, [1,2].

Недостатък на този двумерен магнитометър е редуцираната точност на отделните сензорни канали при измерване на равнинните компоненти на магнитното поле в резултат на паразитното междуканално влияние от повърхностното разтичане на четирите захранващи тока между централния и четирите крайни контакти.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде двумерен магнитометър с висока измервателна точност на двата сензорни канала.

Тази задача се решава с двумерен магнитометър, съдържащ и-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани в близост един до друг два еднакви с квадратна форма омични контакти като на разстояния и симетрично спрямо четирите страни на всеки един от тях има разположени последователно по часовниковата стрелка по един правоъгълен омичен контакт — първи, втори,трети и четвърти, всичките е еднакви размери. Всяка от двете групи, съдържаща квадратен и четири правоъгълни контакта е обградена е дълбок р-тип ринг. Двата квадратни контакта са съединени с токоизточник. Първите и съответно вторите контакти от всяка група са свързани помежду си. Четвъртите и съответно третите контакти от всяка група са изходите на двумерния магнитометър за двете ортогонални компоненти на магнитното поле, лежащо в равнината на и-подложката.

Предимство на изобретението е високата измервателна точност на двата сензорни канала поради силно редуцираното повърхностно разтичане на захранващия ток, постигнато с обграждащия двете групи контакти р-тип ринг.

Предимство е също повишената магниточувствителност на двата сензорни канала в резултат на последователното свързване на изходите на двата магнитопреобразувателя, формирани от двете групи омични контакти и от наличие на обграждащия ги дълбок р-тип ринг.

Предимство е още повишеното съотношение сигнал/шум и резолюцията на измерваната магнитна индукция от нарастналата чувствителност на сензорните канали.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

·« · • ·

• · »·· · •· • · ·· • ft···*· • ··

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Двумерният магнитометър съдържа п-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която са формирани в близост един до друг два еднакви с квадратна форма омични контакти 2 и 3 като на разстояния и симетрично спрямо четирите страни на всеки един от тях има разположени последователно по часовниковата стрелка по един правоъгълен омичен контакт - първи 4 и 5, втори 6 и 7, трети 8 и 9 и четвърти 10 и 11, всичките с еднакви размери. Всяка от двете групи, съдържаща квадратен 2 и 3 и четири правоъгълни контакта 4 и 5, 6 и 7, и съответно 8 и 9, 10 и 11 е обградена с дълбок £>-тип ринг 12. Двата квадратни контакта 2 и 3 са съединени с токоизточник 13. Първите 4 и 5 и съответно вторите 6 и 7 контакти от всяка група са свързани помежду си. Четвъртите 10 и 11 и съответно третите 8 и 9 контакти от всяка група са изходите 14 и 15 на двумерния магнитометър за двете ортогонални компоненти на магнитното поле 16, лежащо в равнината на на и-тип подложката 1.

Действието на двумерния магнитометър, съгласно изобретението, е следното.

При включване на двата квадратни контакта 2 и 3 към токоизточника 13, между тях протича захранващ ток /₂,з- Неговата траектория в областите под контакти 2 и 3 първоначално е перпендикулярна на горната повърхност на пподложката 1, тъй като квадратните нискоомни контакти 2 и 3 представляват еквипотенциални равнини. Другата част от ефективната траектория на тока /₂,з е в обема на п-подложката 1 и е успоредна на горната й страна. Важна особеност е, че посоките на тока /_2;3 под квадратните контакти 2 и 3 са противоположни, Z₂ = |- 7₃| = /₂,з- Дълбокият р-тип ринг, обграждащ достатъчно близко омичните контакти 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 драстично редуцира разтичането по повърхността на подложката 1 на захранващия ток/_{2 3}.

Външното магнитно поле В 16, което е с произволна ориентация в равнината на подложката 1, чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти В_х и В_у води до възникване на съответни латерално отклоняващи движещите се токоносителите /_{2 3} сили на Лоренц, F_L = gK_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, a K_dr е векторът на средната дрейфова скорост на токоносителите, в нашия сучай електроните. В резултат на тази Лоренцова дефлекция в повърхностните зони, там където са разположени омични контакти 4 и 8, и съответно 6 и 10 от едната група и 5 и 9, и съответно 7 и 11 от другата, се генерират противоположни по знак електрически товари. Това води до поява на напрежения на Хол върху тези контакти както следва: и РбдоС-Ву), и съответно К₅₉(В_Х) и К_7>ц(В_у). Поради структурната симетрия на двете групи контакти и противоположната посока на тока Z_2>3 под контакти 2 и 3, тези напрежения са еднакви по стойност и са с противоположна полярност, К_4>8(В_Х) = |- Γ5,9<Α)Ι и К_6>ю(5у) ⁼ |- К_7>ц(Лу)|. Когато двата първи 4 и 5 и двата втори 6 и 7 контакта от всяка група са свързани съответно помежду си, се осъществява сумиране на напреженията на Хол: ₉(В_Х) = К_{4 8}(В_Х) + V_{5 9}(В_Х) и К_6>11(^)=К₆,_1О(В_У)+К_7>11(В_У). Ето защо върху диференциалните изходи Кюдi(B_y) 14 и К_{8 9}(В_Х) 15 на двуосния векторен магнитометър се генерират двойно поголеми напрежения на Хол, отколкото ако се използва само един ft ft

·· · ft ·· ft ft • * ft··· ft ft • · ft ft ft ···· ft ft ft • · ft ft ft ft · ··· · ·· ft ··· ft··· магнитопреобразувател, конфигуриран от една група омични контакти, например 2, 4, 6, 8 и 10. Двата изходни Холови сигнали 14 и 15 са линейни и нечетни функции от стойностите и посоките на компонентите В_х и В_у на полето В 16, и следователно гарантират високо метрологично качество на 2-D сензора. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 16 в равнината х-у на «-подложката 1 и ъгълът Θ на полето В 16 спрямо фиксирана реперна ос в 2 2 1 /2 1 същата равнина се дават с изразите: |В| = (В_х + В_УУ^£ и Θ = tan\V_y(B_y)IV_x(B_x)).

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във възможността с един и същ захранващ ток /₂,з чрез две максимално опростени конфигурации омични контакти да се генерират две по две линейни и нечетни Холови напрежения, регистриращи компонентите на равнинния магнитен вектор В(В_Х,В_У). След сумиране на изходните сигнали без допълнителна схемотехника магниточувствителността на двата изхода 14 и 15 практически се удвоява. От съществено значение за опростяване на последващата обработка на изходните напрежения 14 и 15 е, че избраната симетрична структура определя равенство на магниточувствтелностите на изходи 14 и 15. Чрез специфичната геометрия на /?-тип ринга 12 драстично са минимизирани повърхностните паразитни токове. Разтичането им по повърхността практически е отстранено и измервателната точност на двата сензорни канала е съществено подобрена. Дълбокият /2-ринг 12 подобрява също ортогоналността на токове 7₂ и 7₃ през двата квадратни захранващи контакта 2 и 3 в отсъствие на магнитно поле В 16 спрямо горната равнина на подложката 1. Така токовите линии 7₂₃ проникват дълбоко в обема на пполупроводниковата подложка 1. Следователно въздействието на двете компоненти В_х и В_у на магнитното поле В 16 чрез силите на Лоренц F_L върху токове 1₂ и 7₃ е значително повишено, и магниточувствителността на двата канала също.

Проведените експерименти с прототипи на новия двумерен магнитометър, реализирани на основата на силициева биполярна технология, съгласно изобретението, и сравняването на резултатите с тези за известното решение показват, че при фиксирана стойност на захранващия ток /₂,з⁼ const и определена посока на магнитното поле 1? 16 в равнината на н-Si подложка 1, магниточувствителностите на двата х- и у-сензорни канали 14 и 15 са равни и двойно по-големи. Подобрен е също и един от най-важните сензорни параметри на х- и у-каналите - съотношението сигнал/шум S/N. Установено е, че паразитното влияние между двата сензорни канали е съществено минимизирано като измервателната точност на двумерния магнитометър е значително повишена. При необходимост 2-D магнитометърът може да се реализира с микромашининг силициева технология.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура ♦ е · • ·

ЛИТЕРАТУРА [1] Ch.S. Roumenin, Magnetic vector sensor based on the Hall effect, Compt. Rendus de 1’ Acad. Bulg. Sci., 42(4) (1989) 59-62.

[2] M. Paranjape, L. Landsberger, M. Kahrizi, A 2-D vertical Hall magnetic field sensor using active carrier confinement and micromachining techniques, Proc, of the 8^th Intern. Confer, on Solid-State Sensors and Actuators, and Eurosensors IX, TRANSDUCERS ’95, Stockholm, Sweden, pp. 253-256.

Claims

Двумерен магнитометър, съдържащ полупроводникова п-тип подложка, върху едната страна на която са формирани омичен контакт с квадратна форма и симетрично спрямо него правоъгълни омични контакти, токоизточник като външното магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че квадратните омични контакти са два (2) и (3) и са разположени в близост един до друг, на разстояния и симетрично спрямо четирите страни на всеки от тях един има последователно по часовниковата стрелка по един правоъгълен омичен контакт - първи (4) и (5), втори (6) и (7), трети (8) и (9) и четвърти (10) и (11), всичките с еднакви размери, всяка от двете групи, съдържаща квадратен (2) и (3) и четири правоъгълни контакта (4) и (5), (6) и (7) и съответно (8) и (9), (10) и (11) е обградена с дълбок />-тип ринг (12), двата квадратни контакта (2) и (3) са съединени с токоизточника (13), първите (4) и (5) и съответно вторите (6) и (7) контакти от всяка група са свързани помежду си, четвъртите (10) и (11) и съответно третите (8) и (9) контакти от всяка група са изходите (14) и (15) на двумерния магнитометър за двете ортогонални компоненти на магнитното поле (16), лежащо в равнината на на и-тип подложката (1).

4· 4

РЕФЕРАТ

ДВУМЕРЕН МАГНИТОМЕТЪР

Чавдар Станоев Руменин Сия Вълчева Лозанова

Двумерният магнитометър, съдържа полупроводникова и-тип подложка, върху едната страна на която са формирани два квадратни омични контакта (2) и (3), разположени в близост един до друг. Симетрично спрямо четирите им страни има последователно по часовниковата стрелка по един правоъгълен омичен контакт - първи (4) и (5), втори (6) и (7), трети (8) и (9), и четвърти (10) и (11), всичките с еднакви размери. Всяка от двете групи, съдържаща квадратен (2) и (3) и четири правоъгълни контакта (4) и (5), (6) и (7) и съответно (8) и (9), (10) и (11) е обградена с дълбок /з-тип ринг (12). Контакти (2) и (3) са съединени с токоизточник (13). Първите (4) и (5) и вторите (6) и (7) контакти от всяка група са свързани съответно помежду си. Четвъртите (10) и (11) и съответно третите (8) и (9) контакти от всяка група са изходите (14) и (15) на двумерния магнитометър за двете ортогонални компоненти на магнитното поле (16), лежащо в равнината на на и-тип подложката (1).