BG113783A - 2-d векторен магнитометър - Google Patents

Abstract

2-D векторният магнитометър, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле, съдържа токоизточник (1) в режим генератор на постоянен ток и полупроводникова подложка (2) с р-тип примесна проводимост. Върху едната й страна е вграден ринг (3) от същия полупроводник с n-тип проводимост и с форма на симетричен малтийски кръст. В централната област на n-тип ринга (3) има квадратен омичен контакт (4). На разстояния и симетрично спрямо четирите му страни са разположени последователно по един вътрешен правоъгълен омичен контакт (5), (6), (7) и (8), както и по един външен правоъгълен омичен контакт (9), (10), (11) и (12). Поотделно контакти (5), (6), (7) и (8) и съответно (9), (10), (11) и (12) са еднакви като дължините им са равни на страната на квадратния (4). Ширината на външните контакти (9), (10), (11) и (12) е минимум два пъти по-малка от тази на вътрешните (5), (6), (7) и (8). Сумата от площите на контакти (5), (6), (7) и (8) е равна на площта на централния (4). Вътрешните контакти (5), (6), (7) и (8) са електрически съединени и през токоизточника (1) са свързани с централния (4). Измерваното магнитно поле (13) е в равнината на подложката (2) и е с произволна ориентация. Двойките външни контакти (9) и (11), и съответно (10) и (12), срещуположни спрямо квадратния (4) са изходите (14) и (15) за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (13).

Description

Изобретението се отнася до 2-D векторен магнитометър, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; контролно-измервателната технология; медицината в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия; управлението на процеси и устройства, включително безконтактната автоматика; слабополевата и високоточната магнитометрия; навигацията; 2-D позициониране на обекти в равнината; енергетиката; електромобилостроенето; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; военното дело и сигурността - наземни въздушни и подводни системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е 2-D векторен магнитометър, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти 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, които са еднакви. Четирите външни контакта са електрически съединени и през токоизточник в режим генератор на постоянно напрежение са свързани с централния квадратен контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация. Двойките срещуположни спрямо централния вътрешни контакти са изходите за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле, [1-9].

Недостатък на този 2-D векторен магнитометър е ниската измервателна точност в резултат на метрологичните грешки в двата изхода от разтичане по повърхността на подложката на част от захранващия ток между централния и крайните контакти, предизвикващо още паразитно междуканално влияние и флуктуации на Ходовите напрежения, формиращи метрологичната информация.

Недостатък е също изменението на магниточувствителността на двата изходни канала от неминуемите вариации на температурата на околната среда, промянящи подвижността и концентрацията на електроните в подложката при режим на захранване генератор на напрежение.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде 2-D векторен магнитометър с висока измервателна точност на двата изходни канала от редуциране на повърхностния ток, междуканалното влияние и температурно стабилизиране на чувствителността от изменение на температурата.

Тази задача се решава с 2-D векторен магнитометър, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле, съдържащ токоизточник в режим генератор на постоянен ток и полупроводникова подложка с р-тип примесна проводимост. Върху едната й страна е вграден ринг от същия полупроводник с п-тип проводимост и с форма на симетричен малтийски кръст. В централната област на п-тип ринга има квадратен омичен контакт. На разстояния и симетрично спрямо четирите му страни са разположени последователно по един вътрешен правоъгълен омичен контакт и по един външен правоъгълен омичен контакт. Поотделно вътрешните контакти и съответно външните са еднакви като дължините им са равни на страната на квадратния. Ширината на външните контакти е минимум два пъти по малка от тази на вътрешните. Сумата от площите на вътрешните контакти е равна на площта на централния. Четирите вътрешни контакта са електрически съединени и през токоизточника са свързани с централния контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация. Двойките външни контакти, срещуположни спрямо квадратния са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле.

Предимство на изобретението е високата измервателна точност на двата сензорни изхода в резултат отсъствие на междуканално влияние предвид добре локализираните токови компоненти чрез вградения и-ринг с форма на малтийски кръст, драстично минимизиращ разтичането по повърхността на паразитен ток.

Предимство е също температурно стабилизираната чувствителност поради режима на захранване генератор на постоянен ток, запазващ постоянство на концентрацията на електроните в транспортния им процес в подложката и минимизиращ температурното изменение на подвижността на електроните. Така се гарантира фиксирана магниточувствителност в широк температурен обхват без каквито и да са допълнителни електронни схеми и компоненти.

Предимство е още високата чувствителност (преобразувателната ефективност на магнитното поле) на двата сензорни канала в резултат канализираното протичане на захранващите токови компоненти, отсъствие на междуканално влияние в двете изходни напрежения на Хол и оптимизираните геометрични размери на вътрешните и външните контакти.

Предимство е и повишената метрологична резолюция при детектиране на минималната стойност на магнитната индукция B_min чрез нарастналото отношение сигнал-шум поради повишена чувствителност и разположение на изходните двойки контакти извън зоните на протичане на захранващите токове, намаляващо въздействието на шума от протичане на захранващия ток. Освен това са отстранени флуктуациите на изходните напрежения от силно редуцираното междуканално влияние.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1, представляваща планиметрична схема на 2-D векторния магнитометър.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

2-D векторният магнитометър, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле, съдържа токоизточник 1 в режим генератор на постоянен ток и полупроводникова подложка 2 с ртип примесна проводимост. Върху едната й страна е вграден ринг 3 от същия полупроводник с н-тип проводимост и с форма на симетричен малтийски кръст. В централната област на м-тип ринга 3 има квадратен омичен контакт 4. На разстояния и симетрично спрямо четирите му страни са разположени последователно по един вътрешен правоъгълен омичен контакт 5, 6, 7 и 8, както и по един външен правоъгълен омичен контакт 9, 10, 11 и 12. Поотделно контакти 5, 6, 7 и 8 и съответно 9, 10, 11 и 12 са еднакви като дължините им са равни на страната на квадратния 4. Ширината на външните контакти 9, 10, 11 и 12 е минимум два пъти по малка от тази на вътрешните 5, 6, 7 и 8. Сумата от площите на контакти 5, 6, 7 и 8 е равна на площта на централния 4. Четирите контакта 5, 6, 7 и 8 са електрически съединени и през токоизточника 1 са свързани с централния 4. Измерваното магнитно поле 13 е в равнината на подложката 2 и е с произволна ориентация. Двойките външни контакти 9 и 11, и съответно 10 и 12, срещуположни спрямо квадратния 4 са изходите 14 и 15 за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле 13.

Действието на 2-D векторния магнитометър, съгласно изобретението, е следното. При включване на изводите на токоизточника 1, функциониращ в режим генератор на постоянен ток Д = const към централния контакт 4 и вътрешните 5, 6, 7 и 8, както и симетрията на и-тип ринга 3 по отношение на квадратния контакт 4, протичат два по два еднакви и противоположно насочени захранващи тока (Д/4) = 1₅ = |-/₇| = /₆ = |-/₈|. Областите с омични контакти 4-5-9; 4-6-10; 4-7-11 и 4-8-12 представляват триконтактни елементи на Хол (ЗС) с равнинна магниточувствителност. Функционирането на този клас микросензори, включително и на новия 2-D векторен магнитометър, използва криволинейните траектории на токовите компоненти, за нашия случай в четирите еднакви и-области на малтийския кръст 3. Генезисът на този вид токови линии е еквипотенциалността на захранващите омични електроди 4, 5, 6, 7 и 8 в отсъствие на магнитно поле В 13. Компоненти Ц, 1$, Ιη, Ц и /₈ са вертикални към повърхността на подложката 2, прониквайки в обема на ринга 3, [2,4-6,8,9]. Дълбочината и-ринга 3 е около 5-7 цт, аналогично на CMOS структурите. Двойките изходни контакти 9-11 и 10-12 са симетрични спрямо централния електрод 4, заемайки еквиваленти позиции спрямо токовите линии. Ето защо потенциалите им при поле В = 0 13 са практически едни и същи. По тези причини всеки изход 14 и 15 притежава минимизирано паразитно напрежение (офсет) в нулево магнитно поле 13. В резултат измервателната точност е повишена. Рингът 3 драстично ограничава разтичането по повърхността на подложка 2 и ринга 3 на захранващите токове /₄, /₅, /₇, /₆ и /₈. Това се дължи на добре локализираните токови компоненти.

Функционирането на магнитометъра изисква проникване на токовите траектории Ц, /₅, Ц, /₇ и /₈ в обема на малтийския кръст 3. Колкото навлизането им е по-дълбоко, толкова е по-ефективно въздействието на магнитното поле В 13 върху токоносителите. За постигане на такъв резултат геометричните размери на вътрешните 5, 6, 7, 8 и външните 9, 10, 11, 12 контакти следва да отговарят на определени условия, установени експериментално. Оптималните дължини на вътрешните 5, 6, 7, 8 и външните 9, 10, 11, 12 омични контакти са равни на страната на квадратния електрод 4. Ширината на външните електроди 9, 10, 11, 12 е минимум два пъти по малка от тази на вътрешните 5, 6, 7 и 8, а сумата от площите на контакти 5, 6, 7 и 8 е равна на площта на централния 4. Логиката за тези изисквания е следната. Равенството на дължините на захранващите контакти 5, 6, 7 и 8 с тази на страната на електрод 4 е необходимостта токове /₄, /₅, /₆, /₇ и /₈ максимално да се използват в действието на магнитометъра. Тъй като електроди 9, 10, 11, 12 са регистриращи, тяхната ширина, респективно площ, не е необходимо да е както на захранващите 5, 6, 7, 8, за които терморежимът при функциониране е определящ. Оптимално съотношение между ширините на вътрешните 5, 6, 7, 8 и външните 9, 10, 11, 12 контакти е 2:1, Фигура 1. Равенството на площта на централния контакт 4 със сумата от площите на вътрешните електроди 5, 6, 7 и 8 е свързано с равномерното разпределение на четирите захранващи тока в ринга 3. Позициониранено на контакти 9, 10, 11, 12 извън зоните на протичане на компоненти /₅, /₆, /₇ и /₈ съществено редуцира вътрешите 1// (фликер) шумове и флуктуациите на изходи 14 и 15. Това повишава метрологичната резолюция при детектиране на минималната стойност на магнитната индукция B_min 13 чрез така повишеното отношението сигнал/шум.

Измерваното магнитно поле В 13 е в равнината х-у на подложката 2, и е с произволна ориентация, Фигура 1. Двете взаимноперпендикулярни магнитни полета В* и В_у въздействат на движещите се носители от компоненти /₄.₅, —/₄.₇, /₄.₆ и -/₄.₈ чрез силите на Лоренц, ±F_{L i} = +q V_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, а V_dr е средната дрейфова скорост на електроните в полупроводниковия (силициев) малтийски кръст 3. Тъй като токовете /₄.₅, -/₄.₇, /₄.б и ~/₄.₈ са ограничени в и-тип ринга 3 и геометричните размери на структурата са оптимизирани, отклоняващото действие на силите ±F_L,i е максимално ефективно. В резултат на Лоренцовата дефлекция F_L в така формираните триконтактни (ЗС) конфигурации на Хол, например, траекториите на компоненти, /₄.₅ и /₄.₆, се “разширяват” и съответно на -/₄.₇ и ~/₄.₈ се “свиват”. При тези процеси токоносителите се отклоняват латерално към I външните информационни контакти 9 и 10, или обратно на тях. Същото се отнася и за електроди 11 и 12. При това върху контакти 9 и 11, т.е. на изхода 14 се генерира напрежение на Хол Vhi4(^x) θτ магнитно поле В*. Върху електроди 10 и 12, т.е. на изхода 15 възниква напрежение на Хол VnisC^y) θ^τ полето В_у. Постигнатата висока чувствителност на двата сензорни канала 14 и 15 е от канализираното протичане на захранващите токови компоненти. Отсъствието на междуканално влияние в двете изходни напрежения на Хол Унифх) и VhisC^y) както и оптимизираните геометрични размери на контакти 5, 6, 7 и 8 и съответно 9, 10, 11, 12 са важен фактор за повишаване на чувствителността. Високата преобразувателна ефективност увеличава допълнително отношението сигнал/шум, което е ключовият фактор за метрологичната резолюция за детектиране на минималната стойност на индукцията В_т;_п 13.

Температурно стабилизираната магниточувствителност на двата сензорни канала 14 и 15 е в резултат на захранващия режим генератор на постоянен ток Д = const. С този режим се запазва постоянство на концентрацията N_D = п на електроните в транспортния им процес в ринга 3, както и минимизиране на температурното изменение на подвижността им μ_η. Така се постига запазване на чувствителността без каквито и да са допълнителни електронни схеми и компоненти в широк температурен обхват.

Абсолютната стойност на полето В 13 в равнината х-у и ъгълът Θ на вектора В спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина, се дават с изразите: |В| = (В² + В²)^ш и Θ = tari\V_y(B_y)IV^B^\ [2,9].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във вградения л-тип ринг 3 с форма на малтийски кръст, отстраняващ разтичането по повърхността на подложката 2 на паразитен ток. Така се елиминира между каналното влияние чрез локализираните токови компоненти. Режимът генератор на постоянен ток осъществява температурна стабилизация на чувствителността, постигайки висока измервателна точност. Иновацията за формиране на изходни контакти 9-11 и 10-12 извън зоните на протичане на захранващия ток осъществява значително повишаване на отношението сигнал/шум. Така се увеличава метрологичната резолюция B_min 13 и се отстраняват флуктуациите на изходните напрежения 14 и 15.

2-D векторният магнитометър може да се реализира е различните модификации на интегралната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг процеси. Дълбочината на ринга 3 съставлява около 5-7 pm. Новият 2-D магнитометър функционира и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

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

[2] 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. 453523;ISBN: 0-8155-1497-2.

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

[4] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Планарен датчик на Хол, BG Авт. свид. № BG 37208 В2/26.12.1983.

[5] C.S. Roumenin, Parallel-field triple Hall device, Compt. rendus ABS, 39(11)(1986) 65-68

[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, Нов1 конструкцЕ натвпровщникових тонкошпвкових 2-D и 3-D сензор1в мапптного поля, списание Злекгроника 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. 2-D векторен магнитометър, съдържащ токоизточник и полупроводникова подложката с р-тип примесна проводимост, върху едната й страна е вграден ринг от същия полупроводник с и-тип проводимост, в централната му област има квадратен омичен контакт, на разстояния и симетрично спрямо четирите му страни са разположени последователно по един вътрешен правоъгълен омичен контакт и по един външен правоъгълен омичен контакт, четирите вътрешни контакта са електрически съединени и през токоизточника са свързани с централния, измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че токоизточникът (1) е в режим генератор на постоянен ток, д-тип рингът (3) е с форма на симетричен малтийски кръст, поотделно контакти (5), (6), (7) и (8) и съответно (9), (10), (11) и (12) са еднакви като дължините им са равни на страната на квадратния (4), ширината на външните контакти (9), (10), (11) и (12) е минимум два пъти по малка от тази на вътрешните (5), (6), (7) и (8) като сумата от площите на контакти (5), (6), (7) и (8) е равна на площта на централния (4), двойките външни контакти (9) и (11), и съответно (10) и (12), срещуположни спрямо квадратния (4) са диференциалните изходи (14) и (15) за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (13).