Вимірювальний перетворювач магнітного поля

Винахід стосується напівпровідникових сенсорів магнітного поля, які використовують ефект Холла. Відомий вимірювальний перетворювач магнітного поля (горизонтальний перетворювач Холла), який містить сформовану в напівпровідниковому шарі робочу область прямокутної форми та чотири виводи - по одному на кожній стороні напівпровідникової області. Два навпроти розміщені виводи є струмовими, а два інші - потенційними [R.S. Popovic, Hall Effect Devices, Adam Hilger, Bristol, Philadelphia and New York, 1991. P.61.]. Вихідна напруга такого перетворювача, яка формується на його потенційних виводах, є пропорційною нормальній до площини напівпровідникової області складовій вектора індукції магнітного поля. Недоліком цього перетворювача є неможливість вимірювати магнітне поле, вектор індукції якого є паралельним до площини напівпровідникової області, що обмежує його функціональні можливості. Найближчим аналогом винаходу є вимірювальний перетворювач магнітного поля (вертикальний перетворювач Холла), який містить сформований на підкладці напівпровідниковий шар, в якому сформована робоча область прямокутної форми, на поверхні якої розміщено три струмові та два потенційні контакти, причому перший струмовий контакт є центральним і розміщеним посередині робочої області, а два інші струмові контакти є боковими і розміщеними на краях робочої області, між струмовими контактами розміщено два потенційні контакти, а конструкція перетворювача в цілому є симетричною відносно центру напівпровідникової області [F. Burger, P.-A. Besse, R.S. Popovic. New fully integrated 3-D silicon Hall sensor for precise angular-position measurements. Sensors and Actuators. A67. 1998. PP. 72-76.]. Вихідна напруга такого перетворювача є пропорційною паралельній до площини напівпровідникової області проекції вектора індукції магнітного поля. Однак, його конструкція є досить складною і передбачає технологію твердотільних кремнієвих інтегральних схем, і, зокрема - бокову та поверхневу ізоляції напівпровідникової робочої області. Бокова планарна ізоляція, яка задає топологічні розміри напівпровідникової робочої області та ізолює її від інших елементів інтегральної схеми, переважно базується на зворотно-зміщених p-n переходах. Останні мають обмеження щодо температурного діапазону функціонування та радіаційної стійкості. Поверхнева ізоляція, що ізолює напівпровідникову робочу область від поверхневого шару металізації, в якому сформовані контакти, переважно базується на окислі кремнію. В останньому сформовані контактні вікна між напівпровідниковою областю та шаром металізації. При цьому є необхідним, щоб ширина робочої області була більша за розміри контактних вікон. З огляду на те, що чутливість вертикальних перетворювачах Холла є обернено пропорційною ширині робочої області, підвищення чутливості таких перетворювачів є проблематичним. Ця проблема звичайно вирішується використанням слаболегованих напівпровідникових шарів, що, проте, погіршує температурну стабільність параметрів перетворювача. Натомість проста технологія мезоструктур, яка використовується для виготовлення масових та високоякісних перетворювачів Холла на основі багатокомпонентних напівпровідників GaAs, InSb чи InSn, є непридатною для виготовлення вертикальних перетворювачів Холла. В основу винаходу поставлено задачу створити вимірювальний перетворювач магнітного поля, в якому введення нових елементів та зв'язків дозволяє спростити конструкцію та технологію виготовлення, а також підвищити точність вимірювання. Поставлена задача розв'язується за рахунок того, що у вимірювальному перетворювачі, що містить сформований на підкладці напівпровідниковий шар, в якому сформована робоча область прямокутної форми, на поверхні якої розміщено три струмові контакти, перший з яких є центральним і розміщеним посередині робочої області, а два інші є боковими і розміщеними на краях робочої області, між струмовими контактами розміщено два потенційні контакти, а конструкція перетворювача в цілому є симетричною відносно центру напівпровідникової області, згідно винаходу потенційні контакти винесені за межі робочої області, таким чином, що кожний потенційний контакт розміщено на поверхні додатково сформованої в напівпровідниковому шарі допоміжної області, яка з'єднана з робочою областю проміжною областю, сформовані в напівпровідниковому шарі, причому товщина проміжних областей є меншою за товщину робочої області. Введення нових елементів та відповідних зв'язків дозволяє створити вимірювальний перетворювач використовуючи просту те хнологію мезоструктур. Ця те хнологія забезпечує можливість виготовлення робочої області з багатокомпонентних напівпровідників GaAs, InSb чи InSn, не вимагає бокової та поверхневої ізоляції і дозволяє мінімізувати ширину робочої області. В результаті цього вимірювальний перетворювач згідно винаходу характеризується простотою конструкції, широким температурним діапазоном функціонування та високою температурною стабільністю. На Фіг.1 зображена схема вимірювального перетворювача магнітного поля, а на Фіг.2 - його переріз А-А, де 1 -підкладка, 2 - напівпровідникова робоча область; 3 центральний струмовий контакт, 4, 5 - бокові струмові контакти; 6, 7 - потенційні контакти; 8, 9 - допоміжні області; 10, 11 - проміжні області. Товщина проміжних областей 10, 11 є меншою за товщину робочої області 2. Там же представлено три ортогональні проекції Вх, Βγ та Bz вектора індукції магнітного поля. Проекції Вх, By знаходяться в площині вимірювального перетворювача, а проекція Bz є перпендикулярною до цієї площини. Принцип дії вимірювального перетворювача магнітного поля є таким. Вимірювальний перетворювач під'єднують до джерела живлення, типово джерела постійного струму. Для цього центральний струмовий контакт 3 під'єднують до першого виводу джерела живлення, а бокові струмові виводи 4, 5 з'єднують разом та під'єднують до другого виводу джерела живлення. Таким чином, струм у робочій області перетворювача розподіляється порівну та тече у взаємно протилежних напрямках відносно струмового виводу. Нехтуючи стр умом у колі потенційних контактів б та 7, можна вважати що потенціали на цих виводах рівні відповідним потенціалам проміжних областей 10 та 11. Тобто конструкція вимірювального перетворювача забезпечує можливість формування на потенційних виводах б та 7 вихідної напруги, яка рівна різниці потенціалів між нижніми поверхнями робочої області поблизу контактування з останньою проміжних областей 10 та 11. Очевидним є те, що вимірювання потенціалів нижньої поверхні робочої області вимагає щоб товщина проміжних областей 10 та 11 була значно меншою (принаймні в 10 раз) ніж товщина робочої області 2. Принциповою відмінністю вимірювального перетворювача згідно винаходу від найближчого аналога є те, що в першого вимірюють різницю потенціалів між нижніми поверхнями робочої області, а в аналога - між верхніми. В свою чергу, відсутність контактів до верхньої поверхні робочої області у вимірювального перетворювача згідно винаходу дає можливість не використовувати в ньому поверхневої ізоляції робочої області, а бокову ізоляцію сформувати на базі простої технології мезоструктур. В загальному випадку напруги на потенційних виводах 6, 7 складаються з трьох компонент. Перша компонента VR обумовлена спадом напруги на напівпровідниковій робочій області 2. Враховуючи симетрію робочої області відносно першого струмового контакту 3, перша компонента напруги на обох потенційних контактах 6, 7 є однаковою VR(6) = VR(7). Др уга компонента Vz обумовлена впливом проекції Bz вектора індукції магнітного поля, яка є перпендикулярною до площини перетворювача. Враховуючи конструкцію перетворювача та напрямки протікання струму в ньому, друга компонента напруги на потенційних контактах 6 та 7 також є однаковою Vz(6) = Vz(7). Третя компонента Vx обумовлена впливом проекції Вх вектора індукції. На відміну від двох вище відзначених, ця компонента на потенційних контактах 6, 7 має протилежний знак Vx(6) = -Vx(7). Зокрема, якщо у верхній (відповідно представленого на Фіг.1 виду) частині робочої області 2 носії заряду під дією сили Лоренца відхиляються до верхньої поверхні напівпровідникового шару, то в нижній частині - до нижньої поверхні (в напрямку підкладки). Обумовлена цим відхиленням носіїв різниця потенціалів через проміжні області 10 та 11 передається на потенційні контакти б та 7. Необхідно відзначити, що проекція Βγ вектора індукції магнітного поля, яка є паралельною напрямку протікання струму через робочу область не обумовлює відхилення носіїв, а отже нею можна знехтува ти: Vy(6) = VY(7) = 0. Таким чином, різниця напруг між потенційними виводами 6 та 7 (вихідна напруга вимірювального перетворювача) визначається лише проекцією Вх вектора індукції магнітного поля, і в першому наближенні не залежить від інших проекцій вектора: Vout = [VR(6)+VX(6)+VY(6)+VZ(6)] -[VR(7)+VX(7)+VY(7)+VZ(7)] = Vx, де Vx = Vx(6)+Vx(7). Особливо висока ефективність використання вимірювальних перетворювачів згідно винаходу реалізується при їх використанні в 3-D сенсорі для одночасного вимірювання трьох проекцій Вх, By та Вz вектора індукції магнітного поля. Такий 3-D сенсор містить три сформовані на єдиній підкладці перетворювачі Холла. Перші два є вертикальними перетворювачами Холла і мають конструкцію згідно винаходу. Для вимірювання двох паралельних площині робочої області ортогональних проекцій Вх та Βγ вектора індукції магнітного поля їх робочі області є взаємно ортогонально розверненими. Третій перетворювач, відомий з описаного вище рівня техніки, забезпечує вимірювання проекції Bz, яка є перпендикулярною до поверхні вимірювального перетворювача. Для забезпечення однакових рівнів чутливості вертикальних та горизонтального перетворювачів такого 3D сенсора необхідно врахува ти наступне. На відміну від горизонтальних перетворювачів Холла, в яких чутливість є обернено пропорційною функцією товщини d шару напівпровідникової робочої області, чутливість вимірювального перетворювача згідно винаходу, як і в інши х вертикальних перетворювачах Холла, є обернено пропорційною функцією ширини W напівпровідникової області. Тому рекомендується, щоб ширина W робочої області була мінімальною і приблизно рівною товщині сі напівпровідникового шару. У вимірювальних перетворювачах виго товлених за те хнологією мезоструктур, ці величини типово становлять декілька мікрометрів, що на один-два порядки менше ніж у перетворювачів за технологією твердотільних кремнієвих інтегральних схем. Отже, при умові, що інші конструктивні та електрофізичні параметри є однаковими, вимірювальний перетворювач згідно винаходу характеризується принаймні в десять раз вищою чутливістю ніж відомий перетворювач - найближчий аналог. Крім того, базуючись на багатокомпонентних напівпровідниках, вимірювальний перетворювач згідно винаходу характеризується мінімальною температурною нестабільністю та ширшим температурним діапазоном функціонування. Зокрема, при концентрації легуючої домішки InSn порядку 5*1017cm 2 температурний коефіцієнт чутливості не перевищує 0.005%/градус, що в декілька разів краще, ніж ;у відомому перетворювачі. Використовуючи широкозонний напівпровідник GaAs можна розширити температурний діапазон функціонування вимірювального перетворювача до 250°С, що приблизно на 100°С більше, ніж у відомому перетворювачі.