BG113797A - Магнитометър - Google Patents

Abstract

Магнитометърът съдържа тънка n-тип полупроводникова подложка (1) с форма на паралелепипед и токоизточник (2). Върху едната дълга и тясна страна на подложката (1) са формирани централен омичен контакт (3) и симетрично на него по един краен омичен контакт (4 и 5). Централният контакт (3) е ограничен от двете си страни и в близост до тях с по една р-тип зона (6 и 7), проникваща дълбоко в обема на подложката (1). Откъм външните области на крайните контакти (4 и 5), и в близост до тях са формирани също по една р-тип зона (8 и 9), проникваща дълбоко в обема. Другата срещуположна дълга и тясна страна на подложката (1) съдържа високопроводящ слой (10). Контакти (4 и 5) през товарни резистори (11 и 12) са съединени с тример (13), средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника (2), а другият - с контакт (3). Контакти (4 и 5) са диференциалният изход (14) на магнитометъра, а измерваното магнитно поле (15) е перпендикулярно на равнината на подложката (1).

Description

Изобретението се отнася до магнитометър, приложимо в областта на безконтактната автоматика; в системите за управление с изкуствен интелект, включително дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; роботиката в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия; квантовата комуникация и навигацията; космическите изследвания; слабополевата и високоточната магнитометрия; електромобилите и хибридните превозни средства; енергетиката; в подводните, наземните и въздушните системи за наблюдение и превенция; контратероризма; военното дело и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост и токоизточник. Върху едната страна на подложката последователно и на равни разстояния са формирани три правоъгълни омични контакти успоредни на дългите си страни - централен и по един краен. Всеки краен контакт през товарен резистор е съединен с тример, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника, а другият - с централния контакт. Двата крайни контакти са диференциалният изход на магнитометъра, а измерваното магнитно поле е успоредно едновременно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, [1-8].

Недостатък на този магнитометър е понижената чувствителност поради: а) хоризонталното протичане на част от захранващия ток през повърхностната зона, която е с увеличена проводимост от примесни дефекти, съдържаща изходните и захранващите контакти, и значително се намалява метрологичното напрежение на Хол, и б) действието на магнитното поле чрез силата на Лоренц върху така намаления захранващ ток е неефективно, което ограничава магнитоелектричната конверсия на сензора.

Недостатък е още съществената големина на корпуса със сензорния чип в посока на магнитното поле, тъй като активизирането на елемента се осъществява по направление на дългите страни на правоъгълните контакти, а не перпендикулярно на дебелината на структурата, която винаги е най-малкият размер на корпуса. Така изходното напрежение на Хол в областта на подложката съществено зависи от силата на магнитната индукция, която е експоненциално намаляваща функция от разстоянието между корпуса и източника на магнитното поле.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде магнитометър с висока преобразувателна ефективност (чувствителност) и съществено редуциран размер на корпуса с чипа в посока на магнитното поле.

Тази задача се решава с магнитометър, съдържащ тънка /г-тип полупроводникова подложка с форма на паралелепипед и токоизточник. Върху една от дългите и тесни страни на подложката са формирани централен омичен контакт и симетрично на него по един краен омичен контакт. Централният контакт е ограничен от двете си страни и в близост до тях с по една р-тип зона, проникваща дълбоко в обема на подложката. Откъм външните области на крайните контакти и в близост до тях е формирана също по една р-тип зона, проникваща дълбоко в обема. Другата срещуположна дълга и тясна страна на подложката съдържа високопроводящ слой. Крайните контакти през товарни резистори са съединени с тример, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника, а другият - с централния контакт. Крайните контакти са диференциалният изход на магнитометъра, а измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на драстично редуцираното разтичане на захранващия ток по повърхността на подложката и увеличената концентрация на допълнителните товари е противоположен знак в зоните на крайните контакти от ефективното действие на силата на Лоренц върху електроните. Тези резултати са следствие от значително по-дълбокото проникване на тока в централната област на подложката от формираните ограничителни р-тип зони и високопроводящия слой върху срещуположната дълга и тясна страна.

Предимство е също намаленият съществено размер на сензорната конфигурация, необходим за максимално ефективното й магнитно активизиране, тъй като функционирането се осъществява с вертикално на корпуса магнитно поле, а не с хоризонтално.

Предимство е още нараствалото отношение сигнал/шум в резултат на повишената чувствителност и редуцирания собствен (фликер) 1// шум от конструкцията, минимизираща паразитните флуктуации в изходното напрежение, произтичащи от дефекти по повърхността чрез ограничителните р-тип зони.

Предимство освен това е и повишената метрологична резолюция при детектиране на минималната магнитна индукция B_min поради нарастналото отношение сигнал/шум от високата чувствителност и редуцирания (фликер) 1//шум.

Предимство е още и увеличената измервателна точност в резултат на високата чувствителност и минимизирания 1//шум.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Магнитометърът съдържа тънка /г-тип полупроводникова подложка 1 с форма на паралелепипед и токоизточник 2. Върху едната дълга и тясна страна на подложката 1 са формирани централен омичен контакт 3 и симетрично на него по един краен омичен контакт 4 и 5. Централният контакт 3 е ограничен от двете си страни и в близост до тях с по една р-тип зона 6 и 7, проникваща дълбоко в обема на подложката 1. Откъм външните области на крайните контакти 4 и 5, и в близост до тях е формирана също по една /?-тип зона 8 и 9, проникваща дълбоко в обема. Другата срещуположна дълга и тясна страна на подложката 1 съдържа високопроводящ слой 10. Крайните контакти 4 и 5 през товарни резистори 11 и 12 са съединени с тример 13, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника 2, а другият - с централния контакт 3. Крайните контакти 4 и 5 са диференциалният изход 14 на магнитометъра, а измерваното магнитно поле 15 е перпендикулярно на равнината на подложката 1.

Действието на магнитометъра, съгласно изобретението, е следното. При включване на токоизточника 2, следствие симетрията на контактите 4 и 5 спрямо 3, в обема на подложката 1 протичат две равни и противоположно насочени токови компоненти /₃₄ и -1^, /_3>4 = |-/₃,5|· В резултат на формираните р-тип ограничителни зони 6 и 7 от двете страни и в близост до захранващия контакт 3, токът /₃ преди да се раздели на две части /_3;4 и -/_3;5, прониква дълбоко в обема на подложката 1 и успоредно на нейната равнина. Тази кинетика на токоносителите е подсилена от високопроводящия слой 10 с плаващ потенциал върху срещуположната дълга и тясна страна, Фигура 1. Слоят 10 редуцира в дълбочина общото резултиращо съпротивление R на преобразувателната област, спомагайки страничното проникване на захранващия ток /₃. Траекториите на електроните в подложката 1 са криволинейни, тъй като в отсъствие на магнитно поле В 15 омичните п⁺-п контакти 3, 4 и 5 са еквипотенциални равнини. В резултат токовите линии първоначално са насочени в обема към слоя 10 успоредно на равнината на подложката 1 като в определен участък от траекторията те са успоредни на дългите и тесни страни. Нисколегираните зони с р-тип проводимост 6, 7, 8 и 9 ограничават протичането на токове в приповърхностната област, редуцирайки окъсяването на метрологичното напрежение на Хол Vh₄,s(B) 14, повишавайки магниточувствителността. Ролята на двата товарни резистора 11 и 12 е трансформацията на измененията в токове /_3>4 и |-/_3;5| през контакти 4 и 5 в напрежение. Чрез тримера 13 се осъществява нулиране/компенсиране на паразитния офсет V_4;5(B=0) между изходните терминали 4 и 5 в отсъствие на магнитно поле В 15.

Наличието на външно магнитно поле В # 0, 15 перпендикулярно на равнината на подложката 1 води до странично отклонение на електроните от силите на Лоренц, F_Li = х В, където q е елементарният товар на електрона, a y_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните. В резултат на специфичната сензорна конструкция и посоките на полето В 10 и токовете /_3;4 и /_3;5, Лоренцовото отклонение за едната компонента, напрмер /_3>4, е в режим на „свиване” към страната с контактите 3, 4 и 5, т.е. към дългата и тясна страна. Другият ток /_3>5 е в режим на „разширяване” към обема в обратна посока на повърхността с контакти 3, 4 и 5. Като галваномагнитен механизъм това води до изменение на токовете и -А/_3;5(В) през крайните терминали 4 и 5. Включените към тях товарни резистори 11 и 12 трансформират тези изменения в допълнителни потенциали с противоположен знак. В триконтактния елемент на Хол двата крайни контакти 4 и 5 са едновременно захранващи и изходни, [1,4,6-8]. Иновативното решение на Фигура 1 усилва напрежението УндХ-в) 14 чрез ограничителните крайни р-тип зони 8 и 9. Те намаляват също разтичането по повърхността на концентриращите се в зоните на терминали 4 и 5 допълнителни товари, генерирани от силата F^. Така възникналото напрежение на Хол V_W,₅(B) 14 на изхода е метрологичният индикатор за индукцията В и посоката на магнитното поле В 15.

Анализът показва, че в действието си магнитометърът демонстрира дуализъм. От една страна активизирането му е с ортогонално на подложката 1 магнитно поле В 15, но от друга - функционирането е като равнинно-чувствителен (вертикален) триконтактен елемент на Хол, [1,4,68]. Практическата целесъобразност на това комбинирано свойство е, че дебелината на корпуса заедно с микросензорния чип в посока на магнитното поле 15 е минимална, в сравнение с множеството равнинночувствителни Холови конфигурации. Чрез конструкцията, Фигура 1, преобразувателната област е разположена основно в равнината на подложката 1, а захранващите и регистриращите контакти 3, 4 и 5 са локализирани върху една от двете дълги и тесни страни на чипа 1. Действието на силата на Лоренц е в равнината на пластината 1 както при конвенционалните четириконтактни елементи на Хол, [4,6]. Този дуализъм позволява редуциране на размера на сензора в посока на полето В 15. Предимство е също и повишената метрологична резолюция при детектиране на минималната магнитна индукция B_min. Резултатът е постигнат от увеличеното отношение сигнал/шум S/N и пониженото ниво на паразитните флуктуации с помощта на р-тип зоните 6, 7, 8 и 9. Те предотвратяват разтичане на захранващия ток по повърхността и ограничават шунтиране на изходния Холов сигнал 14. По тези причини точността е висока.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е в използването на ограничителни нисколегирани р-тип зони в близост до токовите контакти 3, 4, и 5. Това увеличава ефективността на магнитното отклонение на електроните, генериращо висока чувствителност. Иновации в конструкцията също са високо проводящата област 10 с плуващ потенциал, повишаваща преобразувателната ефективност и особено драстично намаленият размер на магнитометъра в посока на магнитното поле В 15.

Сензорната конфигурация може да се осъществи с разновидностите на интегралната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг процеси.

Високопроводящият слой 10 се реализира както с метализация, така и с високопроводящ вкопан (buried) п⁺ -слой.

Новият преобразувател на магнитно поле е функциониращ и в областта на ниските температури, например, при кипене на течен азот Т = 77 К. Това разширява сферата на приложимост за целите на криотрониката, особено в слабополевата магнитометрия. За още по-висока чувствителност в геофизиката на земния магнетизъм, чипът 1 може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 15 от ферит или μ-метал. Това решение е твърде подходящо поради ортогоналното активизиране на триконтактния елемент на Хол.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Планарен датчик на Хол, Авт. свид. № BG 37208 В1/26.12.1983.

[2] J.H.J. Fluitman, Hall-effect device with both voltage leads on one side of the conductor, J. of Physics E: Scientific Instruments, v. 13(7) (1980) pp. 783-785.

[3] R. Wei, Y. Du, Analysis of orthogonal coupling structure based double three-contact vertical Hall device, Micromachines, 10 (2019) pp. 610-618, doi: 10.3390/mil0090610, mdpi.

[4] Ch. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, Elsevier, Amsterdam, New York, 1994, p. 450; ISBN: 0 444 89401.

[5] C. Sander, M.-C. Vecchi, M. Cornils, O. Paul, From three-contact vertical Hall elements to symmetrized vertical Hall sensors with low offset, Sensors and Actuators, A 240 (2016) pp. 92-102.

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

[7] S. Lozanova, C. Roumenin, Parallel-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors Journ., 9(7) (2009) pp. 761-766.

[8] C.S. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sensors and Actuators, A 30 (1992) pp. 77-87.

Claims (1)

1. Магнитометър, съдържащ тънка и-тип полупроводникова подложка и токоизточник, на разстояния един от друг са формирани централен омичен контакт и симетрично на него по един краен омичен контакт, крайните контакти през товарни резистори са съединени с тример, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника, а другият - с централния контакт като крайните контакти са диференциалният изход на магнитометъра, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че подложката (1) е с форма на паралелепипед, омичните контакти (3), (4) и (5) са върху една от дългите и тесни страни на подложката (1), централният контакт (3) е ограничен от двете си страни и в близост до тях с по една р-тип зона (6) и (7), проникваща дълбоко в обема на подложката (1), откъм външните области на крайните контакти (4) и (5), и в близост до тях е формирана също по една р-тип зона (8) и (9), проникваща дълбоко в обема, другата срещуположна дълга и тясна страна съдържа високопроводящ слой (10), а измерваното магнитно поле (15) е перпендикулярно на равнината на подложката (1).