BG105160A

BG105160A - Hall-effect sensor with parallel axis of sensitivity

Info

Publication number: BG105160A
Application number: BG105160A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Димитър НИКОЛОВ; Август ИВАНОВ
Original assignee: Институт По Управление И Системни Изследвания Прибан
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2002-07-31
Also published as: BG64329B1

Abstract

The sensor can be applied in the control and measuring equipment engineering, the instrumentation engineering industry, high-temperature electronics, contactless automation and in military engineering. It has removed parasite non-equipotential voltage by balancing the potentials inside the substrate and attaining their balance in their two output contacts, which guarantees stability of the neuter and improved accuracy in the process of measuring the magnetic field. The Hall-effect sensor having a parallel axis of sensitivity comprises a semi-conductor wafer (1) of mixed type of conductivity, on one side of which, at some distance between, two identical first and second rectangular, parallel to their long sides end ohmic contact (2 and 3)are formed. The opposite side of the wafer (1) is a third ohmic contact (4). One of the terminals of the current source (8) is connected to the third ohmic contact (4). The external magnetic field is applied perpendicularly to the cross section of the wafer (1), the output being the two end ohmic contacts. At equal distance from the end ohmic contacts (2 and 3) are formed two more rectangular and identical internal ohmic contacts (5 and 6) are formed. They are positioned in parallel with their long sides to the end ohmic contacts, the two internal ohmic contacts being directly connected to the two outputs of a trimmer (7), the middle output of which is coupled to the other terminal of the current source (8). 1 claim, 1 figure

Description

Изобретението се отнася до сензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, приложим в контролно-измервателната технология, приборостроенето, високотемпературната електроника и електротехника, автомобилната електроника, безконтактната автоматика и военното дело.The invention relates to a Hall sensor with a parallel axis of sensitivity applicable in control technology, instrumentation, high-temperature electronics and electrical engineering, automotive electronics, contactless automatics and military affairs.

Известен е сензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесна проводимост, върху едната страна на която на равни разстояния един от друг са формирани три еднакви и правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни един централен и два външни, като цялата срещуположна страна на подложката е четвърти омичен контакт. Централният омичен контакт е свързан с едната клема на токоизточник, другата клема на който е свързана с четвъртия омичен контакт. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на структурата, а изходът на сензора са двата външни омични контакти [1].A Hall sensor with a parallel axis of sensitivity comprising a semiconductor conductor with impurity conductivity is known, on one side of which three equal and rectangular ohmic contacts are formed at equal distances from each other, parallel to its long sides, one central and two outer, the whole opposite side of the pad being the fourth ohmic contact. The central ohmic contact is connected to one terminal of the current source, the other terminal to which is connected to the fourth ohmic contact. The magnetic field is applied perpendicular to the cross section of the structure, and the output of the sensor are the two external ohmic contacts [1].

Недостатък на този сензор на Хол с паралелна ос на чувствителност е наличието на паразитно напрежение на нееквипотенциалност (офсет) вследствие несъвършенства в кристалната структура на подложката, механични напрежения при корпусирането и др., внасящо съществена грешка при измерване на магнитното поле.The disadvantage of this Hall sensor with a parallel axis of sensitivity is the presence of a parasitic voltage of nonequipotence (offset) due to imperfections in the crystal structure of the substrate, mechanical stresses during enclosure, etc., which introduce a significant error in the measurement of the magnetic field.

- X- X

Задача на изобретението е- да се създаде^ сензор на Хол с паралелна ос на чувствителност с отстранено паразитно^ напрежение на нееквипотенциалност чрез балансиране на потенциалите вътре в подложката и постигане равенството им върху двата изходни контакти, което да гарантира стабилност на нулата и повишена точност в процеса на измерване на магнитното поле.It is an object of the invention to provide a Hall Hall sensor with a parallel axis of sensitivity with eliminated parasitic voltage of non-equipotentiality by balancing the potentials inside the substrate and achieving equality on the two output contacts, which guarantees zero stability and increased accuracy in the magnetic field measurement process.

Сензорът на Хол с паралелна ос на чувствителност съдържа полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояние един от друг са формирани два еднакви първи и втори правоъгълни и успоредно на дългите си страни крайни омични контакти. Срещуположната страна на подложката е трети омичен контакт. На равни разстояния от крайните омични контакти са формирани още два четвърти и пети правоъгълни и еднакви помежду си вътрешни омични контакти, успоредно разположени с дългите си страни на крайните омични контакти. Двата вътрешни омични контакти са непосредствено свързани с двата извода на тример, средният извод на който е свързан с едната клема на токоизточник, а другата клема - с третия омичен контакт. Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на структурата, а изходът са двата външни омични контакти.The Hall sensor with a parallel axis of sensitivity contains a semiconductor pad with a mixed conductivity type, on the one side of which two identical first and second rectangular and parallel to the long sides parallel ohmic contacts are formed on one side. The opposite side of the pad is a third ohmic contact. Two further fourth and fifth rectangular and identical internal ohmic contacts are formed at equal distances from the extreme ohmic contacts, parallel to their long sides of the extreme ohmic contacts. The two internal ohmic contacts are directly connected to the two trimmer terminals, the middle terminal of which is connected to one terminal of the current source and the other terminal to the third ohmic contact. The external magnetic field is applied perpendicular to the cross section of the structure and the output is the two external ohmic contacts.

Предимства на изобретението са нулиране на паразитното напрежение на нееквипотенциалност чрез управление на токовете вътре в подложката с помощта на четвърти и пети омични контакти и на тримера между тях, стабилност на нулата, повишена точност при измерване на магнитното поле и възможност за функциониране на сензора на Хол при високи температури.Advantages of the invention are the zeroing of the parasitic voltage of non-equipotentiality by controlling the currents inside the substrate with the help of fourth and fifth ohmic contacts and the trimmer between them, zero stability, increased accuracy in magnetic field measurement and the possibility of functioning of the Hall sensor at high temperatures.

По-подробно изобретението се пояснява на приложената фигура, представляваща примерното му изпълнение.The invention is explained in more detail in the accompanying figure, which is an exemplary embodiment thereof.

Сензорът на Хол с паралелна ос на чувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояние един от друг са формирани два еднакви първи и втори правоъгълни и успоредно на дългите си страни крайни омични контакти 2 и 3. Срещуположната страна на подложката е трети омичен контакт 4. На равни разстояния от крайните омични контакти 2 и 3 са формирани още два четвърти и пети правоъгълни и еднакви помежду си вътрешни омични контакти 5 и 6, успоредно разположени с дългите си страни на крайните омични контакти 2 иThe Hall sensor with a parallel axis of sensitivity contains a semiconductor pad 1 with impurity conductivity type, on one side of which two identical first and second rectangular and parallel to its long sides end ohmic contacts 2 and 3 are formed on the opposite side. of the base is the third ohmic contact 4. At equal distances from the extreme ohmic contacts 2 and 3, two more fourth and fifth rectangular and identical internal ohmic contacts 5 and 6, parallel to their long sides at the extreme ends, are formed s ohmic contacts 2 and

3. Двата вътрешни омични контакти 5 и 6 са непосредствено свързани с двата извода на тример 7, средният извод на който е свързан с едната клема на токоизточник 8, а другата клема - с третия омичен контакт 4. Външното магнитно поле 9 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на структурата 1, а изходът 10 са двата външни омични контакти 2 и 3.3. The two internal ohmic contacts 5 and 6 are directly connected to the two terminals of trimmer 7, the middle terminal of which is connected to one terminal of the current source 8 and the other terminal to the third ohmic contact 4. The external magnetic field 9 is applied perpendicular to the the cross-section of structure 1 and exit 10 are the two outer ohmic contacts 2 and 3.

Действието на сензора на Хол с паралелна ос на чувствителност, съгласно изобретението, е следното.The operation of the Hall sensor with a parallel axis of sensitivity according to the invention is as follows.

Вследствие на несъвършенства в кристалната структура на подложката 1, механичните напрежения при корпусирането, толерансите в геометричните размери на маските при производството, стойността и посоката на захранващия ток /₄, нееднородността в разпределението на температурата и дисипираната в структурата 1 топлина, генерирането на термоелектрически напрежения, собственото магнитно поле на протичащия ток и други вътрешни и външни причини, в сензорите на Хол винаги съществува непредсказуема a priori асиметрия на резултиращия потенциал по отношение на изходните (Холовите) контакти 2 и 3. Това е един от най-сериозните й нерешен в достатъчна степен проблем на сензорната електроника, изискващ собствен подход за всеки един тип преобразувател. Ето защо на изхода 10 възниква винаги паразитно остатъчно напрежение на нееквипотенциалност (офсет) И(5=0) Ψ 0, неотличимо от напрежението на Хол F7X1?), чрез което се измерва магнитното поле 9. Този паразитен сигнал, внасящ съществена грешка при измерването се отстранява с предложеното техническо решение. Двата омични контакти 5 и 6 разделят захранващия ток /₄ през контакт 4 вътре в подложката 1 на две компоненти 1$ иDue to imperfections in the crystal structure of the substrate 1, mechanical stresses during enclosure, tolerances in the geometric dimensions of the masks during production, value and direction of the supply current / ₄ , heterogeneity in the distribution of temperature and heat dissipated in the structure 1, generation of thermoelectric voltages, the intrinsic magnetic field of the current flow and other internal and external causes, there is always an unpredictable a priori asymmetry of the resultant potential in Hall sensors oshenie the output (the Hall) contacts 2 and 3. This is one of the most serious unsolved problem sufficiently to sensor electronics that requires its own approach for each type of converter. Therefore, at output 10 there is always a parasitic residual voltage of non-equipotentiality (offset) AND (5 = 0) Ψ 0, indistinguishable from the Hall voltage F7X1?), By which the magnetic field is measured 9. This parasitic signal introducing a significant measurement error is eliminated by the proposed technical solution. The two ohmic pins 5 and 6 divide the supply current / ₄ through pin 4 inside the pad 1 into two components 1 $ and

1₆. Чрез тримера 7 се осъществява прецизно управление на токовете /₅ и 1₆ така, че в отсъствие на полето 9, паразитното напрежение на изхода 10 (офсета) да бъде нулирано. В този случай сензорът на Хол с паралелна ос на чувствителност ще генерира само чистото напрежение на Хол Ун(В) без какъвто и да е офсет, и точността на измерване на полето 9 ще бъде повишена. Стабилността на нулата се гарантира от факта, че равенството на потенциалите на изходните контакти 2 и 3, т.е. нулевият сигнал V(B=0) = 0 е постигнат не с наложено от външна схема изравняване, а чрез баланс и симетрия на токовете и потенциалите вътре в подложката 1.1 ₆ . Trimmer 7 accurately manages the currents / ₅ and 1 ₆ so that, in the absence of field 9, the output voltage of the output 10 (offset) is zeroed. In this case, the Hall sensor with a parallel axis of sensitivity will only generate pure Hall Un (B) voltage without any offset, and the measurement accuracy of field 9 will be enhanced. The stability of zero is guaranteed by the fact that the equality of the potentials of the output contacts 2 and 3, i. the zero signal V (B = 0) = 0 is achieved not by the external alignment imposed by the balance but by the balance and symmetry of the currents and potentials inside the substrate 1.

Като омични контакти 2, 3, 4, 5 и 6 са за предпочитане неизправящи преходи от вида п⁺-п или р-р за подложка 1 съответно «-тип или р-тип примесна проводимост, характерни за интегралната Si технология, която е найподходяща за реализацията на този вид сензор. Разширяването на температурния интервал на функциониране на сензора на Хол с паралелна ос на чувствителност се постига с ефекта на ексклюзия. Чрез електрическото поле ^4 5.6 на тока /_4>5.б се екстрахират (извличат) от обема на активната сензорна област около контакти 2, 3, 5 и 6 неосновните носители по-бързо, отколкото те самите се генерират предимно от граничната повърхност, съдържаща омичните контакти 2, 3, 5 и 6. В резултат настъпва обедняване на подложката 1 от неосновни носители - дупки при п-тип примесна проводимост или електрони при /?-тип подложка 1. Така екстрахираните неосновни носители рекомбинират ефективно върху третия омичен контакт 4, който в случая е с максимална площ. Когато температурата се повиши над 150 - 200°С ексклюзията неутрализира термогенерираните носители, възстановявайки примесната проводимост на подложката 1 близка до тази при стайна температура Т = 20°С. В резултат действието на сензора на Хол се запазва в един разширен в областта на високите температури диапазон. Ексклюзията възниква ако техническата посока на тока /₄ в структурата 1 при «-тип проводимост е насочена към третия омичен контакт 4, а при р-тип е противоположна.As ohmic contacts 2, 3, 4, 5 and 6 are preferably non-correcting transitions of the type n ⁺ -n or p-p for substrate 1 and respectively p-type or p-type impurity conductivity characteristic of the integral Si technology, which is most suitable to realize this kind of sensor. The extension of the temperature range of operation of the Hall sensor with a parallel axis of sensitivity is achieved by the exclusion effect. By the electric field ^ 4. 5.6 of the current / _4> 5.b are extracted (extracted) from the volume of the active sensor region around contacts 2, 3, 5 and 6 of the non-basic carriers faster than they themselves are generated mainly from the boundary surface, containing ohmic contacts 2, 3, 5 and 6. The result is impoverishment of the substrate 1 by non-basic carriers - holes at n-type impurity conductivity or electrons at /? - type of substrate 1. Thus the extracted non-basic carriers recombine effectively on the third ohmic contact 4 which in this case has a maximum area. When the temperature rises above 150 - 200 ° C, the exclusion neutralizes the thermogenerated carriers, restoring the impurity conductivity of the substrate 1 close to that at room temperature T = 20 ° C. As a result, the operation of the Hall sensor is maintained in an extended high temperature range. The exclusion occurs if the technical direction of the current / ₄ in the structure 1 for the τ-type conductivity is directed to the third ohmic contact 4, and for the p-type it is opposite.

Неминуемата температурна деградация на магниточувствителността на сензора на Хол с паралелна ос на чувствителност, т.е. температурният коефициент на магниточувствителност може да се компенсира най-добре схемотехнически чрез собствено температурно зависимо напрежение K_7>4(Z). То се снема от средния извод на тримера 7 и третия омичен контакт 4 при постоянен ток Λ = const. Сигналът К₇,₄(Т) отразява най-адекватно температурата Т на подложката 1, което повишава точността на термокомпенсация в съответния температурен диапазон. Ето защо този прибор на Хол може да се разглежда и като функционален-мултчсензор-ча магнитно поле и температура — измерва едновременно стойността и - посоката/;на .магнитното поле 9 и температурата на околната среда.The inevitable temperature degradation of the magnetic sensitivity of a Hall sensor with a parallel axis of sensitivity, i. the temperature coefficient of magnetosensitivity can best be compensated schematically by its own temperature dependent voltage K _{7> 4} (Z). It is taken from the middle terminal of the trimmer 7 and the third ohmic contact 4 at constant current Λ = const. The K ₇ , ₄ (T) signal most adequately reflects the temperature T of the pad 1, which increases the accuracy of thermal compensation in the corresponding temperature range. Therefore, this Hall device can also be considered as a functional multisensor magnetic field and temperature - it measures both the value and - the direction / of the .magnetic field 9 and the ambient temperature.

Входното съпротивление на сензора на Хол с паралелна ос на чувствителност може да се настройва до произволно избрана, съобразно конкретното приложение стойност чрез изменение на площта на вътрешните омични контакти 5 и 6. Предпочитаният полупроводников материал за този вид сензор на Хол е Si, а като алтернатива GaAs.The input impedance of the Hall sensor with the parallel axis of sensitivity can be adjusted to a randomly selected value according to the specific application by changing the area of the internal ohmic contacts 5 and 6. The preferred semiconductor material for this type of Hall sensor is Si, and alternatively GaAs.

Допълнително повишаване на магниточувствителността на сензора на Хол може да се постигне с формиране върху повърхността на структурата 1, съдържаща омичните контакти 2, 3, 5 и 6 на дълбок с противоположен тип проводимост на този на подложката 1 ринг, заобикалящ тези контакти. По такъв начин се ограничава латерално разтичането на генерираните заряди от ефекта на Хол върху тази повърхност, което повишава изходното напрежение на Хол 10. За п-тип подложка 1 заобикалящият ринг е с р-тип проводимост, а за р-тип подложка 1 - с и-тип. Такъв ограничителен изолиращ ринг при Si подложка 1 може да се формира технологически и с микромашининг чрез химическо анизотропно ецване.Further enhancement of the magnetosensitivity of the Hall sensor can be achieved by forming on the surface of the structure 1 containing the ohmic contacts 2, 3, 5 and 6 deep with the opposite type of conductivity to that of the pad 1 surrounding these contacts. Thus, laterally, the flow of the generated charges from the Hall effect on this surface is limited, which increases the output voltage of Hall 10. For the n-type substrate 1, the surrounding ring has p-type conductivity and for p-type substrate 1 - c and-type. Such a limiting insulating ring on Si substrate 1 can be technologically and micro-machined by chemical anisotropic etching.

Claims

<Hall sensor with parallel axis of sensitivity, containing semiconductor substrate with impurity conductivity type, on one side of which two identical first and second rectangular and parallel to its long sides extreme ohmic contacts are formed opposite to the side of the substrate is the third ohmic contact, the current source, one terminal of which is connected to the third ohmic contact, an external magnetic field applied perpendicular to the cross section of the substrate with the output being the two terminal ohmic contacts, HARAC TERRITORIZED by the fact that two equal fourth and fifth rectangular and identical internal ohmic contacts (5 and 6) parallel to their long sides of the extreme ohmic contacts (2 and 3) are formed at equal distances from the extreme ohmic contacts (2 and 3) ( 2 and 3), the two internal ohmic contacts (5 and 6) are directly connected to the two trimmer terminals (7), the middle terminal of which is connected to the other terminal of the current source (8).