BG113767A - Двумерен микросензор за магнитно поле - Google Patents

Abstract

Двумерният микросензор за магнитно поле, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле съдържа два източника на постоянен ток - първи (1) и втори (2), и полупроводникова подложка (3) с р-тип примесна проводимост. Върху едната й страна е вграден квадратен ринг (4) от същия полупроводник с n-тип проводимост, разделящ р-тип подложката (3) на външна и вътрешна част. В средните зони на четирите страни на n-ринга (4) са формирани в близост един до друг по два еднакви омични контакти - последователно по часовниковата стрелка - първи (5) и втори (6), трети (7) и четвърти (8), пети (9) и шести (10), и седми (11) и осми (12). Всяка двойка противоположни контакти - първият (5) и вторият (6), и петият (9) и шестият (10), и съответно третият (7) и четвъртият (8), и седмият (11) и осмият (12) е разположена симетрично спрямо общ център О (13) във вътрешната част на р-тип подложката (3). Вторият (6) и третият (7) контакт са електрически свързани с първия източник (1), а шестият (10) и седмият (11) - с втория източник (2). Полярностите на захранващите втори (6) и седми (11), и съответно на трети (7) и шести (10) контакти са едни и същи. Измерваното магнитно поле (14) е в равнината на подложката (3) и е с произволна ориентация. Двойките контакти първи (5) и пети (9), и четвърти (8) и осми (12) са диференциалните изходи (15 и 16) за двете ортогонални равнинни компоненти на полето (14).

Description

ДВУМЕРЕН МИКРОСЕНЗОР ЗА МАГНИТНО ПОЛЕ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до двумерен микросензор за магнитно поле, приложимо в областта на контролно-измервателната технология; квантовата комуникация; медицината в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия, и ендоваскуларната интервенция; слабополевата и високоточната магнитометрия; роботизираните системи с изкуствен интелект; енергетиката; автомобилната промишленост и електромобилостроенето; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; автоматиката, включително безконтактното управление; 2D позициониране на обекти в равнината; сигурността - наземни въздушни и подводни устройства за наблюдение; контратероризма и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е двумерен микросензор за магнитно поле, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компонентите на магнитното поле, съдържащ п-тип полупроводникова (силициева) подложка, 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 захранващ източник в режим генератор на напрежение са свързани с централния контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация. Двойките срещуположни вътрешни контакти спрямо централния са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле, [1-9].

Недостатък на този двумерен микросензор за магнитно поле са съществените метрологични грешки в двете изходни напрежения, съответстващи на равнинните компоненти на магнитното поле в резултат на паразитното междуканално влияние от разтичане по повърхността на подложката на част от токовете между централния и четирите крайни контакти. Това води до присъствие на паразитни сигнали и шумове в метрологичната информация на каналите, съизмерими понякога с генерираните Холови напрежения.

Недостатък е също понижената точност от високите стойности на паразитните напрежения на двата изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет) от разтичането по повърхността на подложката на част от токовете между централния и крайните контакта както и структурните дефекти в преобразувателната зона на подложката.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде двумерен микросензор за магнитно поле с минимизарани метрологични грешки на изходните канали от паразитното междуканално влияние, и повишена точност чрез редуциране на офсетите на двата канала.

Тази задача се решава с двумерен микросензор за магнитно поле, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле, съдържащ два източника в режим генератор на ток - първи и втори, и полупроводникова подложка с /?-тип примесна проводимост. Върху едната й страна в приповърхностната област е вграден квадратен ринг от същия полупроводник с п-тип проводимост, разделящ /?-тип подложката на външна и вътрешна част. В средните зони на четирите страни на вградения принг са формирани в близост един до друг по два еднакви омични контакти, последователно по часовниковата стрелка - първи и втори, трети и четвърти, пети и шести, седми и осми. Всяка двойка противоположни контакти първият и вторият, и петият и шестият, и съответно третият и четвъртият, и седмият и осмият е разположена симетрично спрямо общия център О във вътрешната част на /?-тип подложката. Вторият и третият контакт са електрически свързани с първия източник на постоянен ток, а шестият и седмият - с втория. Полярностите на захранващите втори и седми, и съответно на трети и шести контакти са едни и същи. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация. Двойките контакти първи и пети, и четвърти и осми в и-тип ринга са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле.

Предимство на изобретението са минимизираните метрологични грешки на двата изходни канала от силно редуцираното междуканално влияние поради формирания ограничителен и-тип ринг, в който протичат захранващите токове и елиминиращ разтичането им по повърхността.

Предимство е също повишената измервателна точност на двата сензорни изхода, тъй като отсъства взаимно междуканално влияние от добре локализираните компоненти на захранващия ток в ринга, драстично понижените паразитни офсети на изходите от силно скъсените (два пъти) траектории на токоносителите между съответните захранващите електроди и високата симетрия на конфигурацията.

Предимство е още високата магниточувствителност на изходите, поради генерирането от захранващите токове в квадратния ринг на пълните потенциали, респективно напрежения на Хол от съответните ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле поради драстично редуцираното повърхностно разтичане на токовете от ограничителния и-тип ринг.

Предимство е и повишената метрологична резолюция при детектиране на минималната стойност на магнитната индукция чрез нараствалото отношение сигнал-шум от високата магниточувствителност на каналите, минимизирания паразитен офсет и от иновативното разположение на регистриращите Ходови контакти извън областите, през които протичат захранващите токове. Всичко това осигурява по-ниски стойности на детектиране на индукцията.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1, представляваща план на двумерната сензорна конфигурация.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Двумерният микросензор за магнитно поле, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле съдържа два източника в режим генератор на ток - първи 1 и втори 2, и полупроводникова подложка 3 с р-тип примесна проводимост. Върху едната й страна в приповърхностната област е вграден квадратен ринг 4 от същия полупроводник с м-тип проводимост, разделящ р-тип подложката 3 на външна и вътрешна част. В средните зони на четирите страни на вградения м-ринг 4 са формирани в близост един до друг по два еднакви омични контакти последователно по часовниковата стрелка - първи 5 и втори 6, трети 7 и четвърти 8, пети 9 и шести 10, седми 11 и осми 12. Всяка двойка противоположни контакти - първият 5 и вторият 6, и петият 9 и шестият 10, и съответно третият 7 и четвъртият 8, и седмият 11 и осмият 12 е разположена симетрично спрямо общия център О 13 във вътрешната част на р-тип подложката 3. Вторият 6 и третият 7 контакт са електрически свързани с първия източник 1, а шестият 10 и седмият 11 - с втория 2. Полярностите на захранващите втори 6 и седми 11, и съответно на трети 7 и шести 10 контакти са едни и същи. Измерваното магнитно поле 14 е в равнината на подложката 3 и е с произволна ориентация. Двойките контакти първи 5 и пети 9, и четвърти 8 и осми 12 в м-тип ринга 4 са диференциалните изходи 15 и 16 за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле 14.

Действието на двумерния микросензор за магнитно поле, съгласно изобретението, е следното. При включване на захранващите контакти 6 и 7, и съответно 10 и 11 към източниците 1 и 2, функциониращи в режим генератор на постоянен ток, в м-тип ринга 4 протичат два с противоположни посоки захранващи тока и -Λο,ιι· Този резултат се постига с еднаквите електрически полярности на омични контакти би 11, и съответно 7 и 10 чрез двата източника 1 и 2. Освен електрически, този резултат може да се осъществи технологично с формиране на тесни /?-тип преградни зони в близост до контакти 5 и 8, или 9 и 12. Така се отделят двете сензорни области, през които преминават токове /₆,7 и /₁₀,ц на конфигурацията от Фигура 1. Генераторите на постоянен ток 1 и 2, Ц = const и I₂ = const задават равенство на протичащите токове /_6>7 = |-/_]0>11|. Фактически в зависимост от полярността на захранващите контакти 7 и 11, токовите линии /_6>7 и /ю,ц циркулират в ринга 4 по часовниковата стрелка и обратно на нея. Токът Ι^_Ί стартира от контакт 6, протичайки в ринга 4 сменя посоката си в първо приближение под прав ъгъл и завършва в контакт 7. Токовите линии /ю,ц започват от контакт 11, също преминават под прав ъгъл в ринга 4 и завършват в контакт 10, Фигура 1. Електрическото свързване, обуславящо указаните полярности е от ключово значение за функционирането на микросензора. Квадратният м-ринг 4 прецизно ограничава токовете, отстранявайки разтичането им по повърхността на структурата 3. По същество това е типичният в CMOS технологиите „джоб” 4 с характерна дълбочина до 5 - 7 μιη, [2,3,5,8]. По този начин се минимизира паразитното междуканално влияние и се редуцират метрологичните грешки в измерването на магнитни компоненти В_х и В_у на полето В 14. Отсъствието на междуканално влияние от локализираните захранващи токове /_6;7 и /ю,ц в ринга 4, драстично понижените паразитни офсети на изходи 15 и 16 от силно скъсените около два пъти траектории на токоносителите между електроди 6 и 7, 10 и 11, както и високата симетрия на сензорната конфигурация спрямо общия център О 13 повишават съществено измервателната точност. Намалените размери на траекториите /₆,7 и /₁₀,ц редуцират вероятността за наличие на структурни дефекти в съответните части на «-ринга 4, които са основна причина за наличие на паразитните офсети.

Измерваното магнитно поле В 14 е с произволна ориентация в равнината х-у на подложката 3. Двете взаимноперпендикулярни магнитни полета В_х и В_у въздействат на движещите се носители в криволинейните компоненти /_6>7 и -/ю,ц в ринга 4 чрез силите на Лоренц, F_L,i = ±<?Vdr х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в ринга 4, [1,6,9]. Тъй като токовете /_6>7 и |-/1 о,и| са ограничени, отклоняващото действие на силите на Лоренц F_L;i е максимално ефективно. В резултат на Лоренцовата дефлекция F_L в „джоба” 4 с квадратна геометрия, траекториите на противоположно насоченени компоненти /₆,7 и -/₁₀,ц едновременно се “свиват”, и респективно “разширяват”. Това поведение на токоносителите от една и съща траектория води до едновременно генериране на положителни и отрицателни Холови потенциали върху изходните контакти 5 и 9, и съответно 8 и 12 за компоненти В_х 15 и В_у 16. При този механизъм токоносителите се отклоняват странично от силата F_L в обема на ринга 4 - в зоните под изходни контакти 5 и 9, 8 и 12. В първия случай, например, върху контакти 5 и 9 се генерират едновременно отрицателни и положителни товари, а върху изходни контакти 8 и 12 едновременно положителни и отрицателни товари. Тъй като токове 4.7 и /ю,ц са равни, съответните Холови напрежения са с една и съща стойност, V₁₅(B_X) 15 и -Vi₆(B_y) 16. Напрежението V_U(B) при тази проява на Хол ефекта [1,6,9] е с по-висока стойност, когато захранващият контакт и един от изходните са разположени близко един до друг, както това е осъществено в новото решение. По същество конфигурацията от Фигура 1 е функционална комбинация от четириконтактни елементи на Хол с равнинна чувствителност, предложени и изследвани за първи път в [4]. Съгласно ефекта на Хол, изходните напрежения V^(B) 15 и У₁₆(В) 16 са линейни и нечетни функции на полета ±В_Х и ±В_У, и на токове ± /_6>7 и ±/ю,п, т.е. те са информационните индикатори за стойностите и посоките на двете ортогонални компоненти В_х и В_у на вектора на полето В 14. Повишената магниточувствителност се дължи на ограничените в п-ринга 4 компоненти /₆,7 и /ю,п· Този иновативен подход отстранява разтичането на токове в приповърхностната област и подобрява ортогоналността на съответните токови линии спрямо двата равнинни вектора I В_х и В_у. Така силата F_L въздейства максимално ефективно върху отделните части на траекториите на токоносителите, генерирайки чрез тях максимални Холови напрежения върху контакти 5 и 9, и 6 и 12. Ограничението на токовете в квадратния п-ринг 4 редуцира един от съществените недостатъци на векторната магнитометрия - взаимното междуканално влияние при измерване на полета В_х и В_у. Използването на захранване в режим генератор на ток 1 и 2, а не постоянно напрежение както е в известния векторен микросензор, предотвратява промяна на тока в ринга 4 от полето В 14. Освен това при константен ток се постига запазване на магниточувствителността при вариация на температурата Т. Новото решение на Фигура 1 осъществява и висока метрологична резолюция за детектиране на минималната стойност на индукцията B_min за целите на слабополевата магнитометрия, сеизмологията и контратероризма. Това се постига с нараствалото отношение сигнал/шум в резултат на минимизирания офсет, повишената чувствителност и нестандартното разположение на регистриращите Холови електроди 5 и 9, и съответно 8 и 12. Противно на общоприетата им локация в областта на протичане на захранващия ток, в предложената сензорна конфигурация Холовите терминали са извън зоните на токовите линии /_6>7 и /ю,ц.

Абсолютната стойност на вектора на полето В 14 в равнината х-у и ъгълът Θ на вектора В 14 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина, се дават с изразите: |В| = (В_х + Т?_у ²)^1/2 и Θ = 1ап\У_у(Ву)/У_х(В_х)), [1,9].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в тясната рингова структура 4 тип CMOS „джоб” с функционално | интегрирани в нея четириконтактни елементи на Хол, с които се осъществява едновременното генериране на каналните магниточувствителности чрез токови компоненти с променяща се геометрия и нестандартното

I разположение на изходните терминали 5-9 и 8-12 извън областите на протичане на захранващите токове 4.7 и /ю,ц. В резултат се постига висока | преобразувателна ефективност, повишена измервателна точност, минимизирани офсети и висока резолюция на двумерния микросензор. При това метрологичната информация за посоката и стойността на равнинните магнитни компоненти се получава едновременно и независимо.

Двумерният микросензор за магнитно поле се реализира с различните I модификации на интегралната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS

I и други процеси. Дълбочината на п-ринга 4 в p-Si подложка 3 е около 5 - 7 | цт. Новият магнитометър функционира и в областта на криогенните температури, като чрез режима генератор на ток I = const може да се управлява чувствителността без използване на сложна схемотехника.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] C.S. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, Ch. 9, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523;ISBN: 0-8155-1497-2.

[2] Infineon Technologies AG, Vertical Hall effect device, US Patent, US9425385 B2/23.08.2016.

[3] C. Schot, Vertical Hall sensor, US Patent AppL, № US 2010/0133632 Al/03.06.2010.

[4] 4. Руменин, Елемент на Хол, Авт. свид. BG № 41974 В1/06.05.1986.

[5] R. Popovic, “Integrated Hall element”, US Patent №

782 375/01.11.1988.

[6] S.V. Lozanova, C.S. Roumenin, Paralell-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors Journal, 9(7) (2009) 761-766.

[7] А. Большакова, Р.Л. Голяка, О.Ю. Маюдо, Т.А. Марусенкова, ,,Ηοβι конструкцп нап1впров1дникових тонкопл1вкових 2-D и З-D сензор!в магштного поля”, списание „Злектроника и связь”, № 2-3, (2009) 6-10 (на украински език).

[8] С. Sander, М.-С. Vecchi, М. Cornils, О. Paul, From three-contact vertical Hall elements to symmetrised vertical Hall sensor with low offset, Sens. Actuators, A240 (2016) 92-102.

[9] C. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors - Handbook of Sensors and Actuators, Elsevier, Amsterdam-Lausanne-New York, 1994, pp. 450; ISBN: 0 444 89401.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Двумерен микросензор за магнитно поле, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле, съдържащ захранващ източник, полупроводникова подложка и омични контакти като измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че захранващите източници са два (1) и (2) и са в режим генератор на постоянен ток, полупроводниковата подложка (3) е с р-тип примесна проводимост като върху едната й страна е вграден квадратен ринг (4) от същия полупроводник с и-тип проводимост, разделящ р-тип подложката (3) на външна и вътрешна част, в средните зони на четирите страни на вградения п-ринг (4) са формирани в близост един до друг по два еднакви омични контакти - последователно по часовниковата стрелка - първи (5) и втори (6), трети (7) и четвърти (8), пети (9) и шести (10), седми (11) и осми (12), всяка двойка противоположни контакти - първият (5) и вторият (6), и петият (9) и шестият (10), и съответно третият (7) и четвъртият (8), и седмият (11) и осмият (12) е разположена симетрично спрямо общ център О (13) във вътрешната част на р-тип подложката (3), вторият (6) и третият (7) контакт са електрически свързани с първия източник (1), а шестият (10) и седмият (11) - с втория (2) като полярностите на захранващите втори (6) и седми (11), и съответно на трети (7) и шести (10) контакти са едни и същи, двойките контакти първи (5) и пети (9), и четвърти (8) и осми (12) в л-ринга (4) са диференциалните изходи (15) и (16) за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (14).