BG109664A - Интегрален магнитоградиометър - Google Patents
Интегрален магнитоградиометър Download PDFInfo
- Publication number
- BG109664A BG109664A BG109664A BG10966406A BG109664A BG 109664 A BG109664 A BG 109664A BG 109664 A BG109664 A BG 109664A BG 10966406 A BG10966406 A BG 10966406A BG 109664 A BG109664 A BG 109664A
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- operational amplifier
- resistors
- inverting input
- output
- integral
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 13
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 6
- 239000000284 extract Substances 0.000 abstract 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 8
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- 235000014676 Phragmites communis Nutrition 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 238000005404 magnetometry Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Интегралният магнитоградиометър се характеризира с това, че върху едната страна на полупроводниковаподложка (1) са формирани четири еднакви и правоъгълни омични контакти - първи (2), втори (3), трети (4) и четвърти (5). Първият (2) и четвъртият (5)контакти са свързани както с токоизточника (6), така и с две двойки последователно свързани помеждуси резистори първа (7 и 8) и съответно втора (9 и10). Вторият контакт (3) и общата точка на първата двойка резистори (7 и 8) са свързани с неинвертиращия вход на първи операционен усилвател (11), а третият контакт (4) и общата точка на втората двойка резистори (9 и 10) са свързани с неинвертиращиявход на втори операционен усилвател (12). Изходите на първия и втория операционни усилватели (11 и 12) са свързани с инвертиращия вход на трети операционен усилвател (13), изваждащ сигналите от изходите на първия (11) и втория (12) операционни усилватели. Изход (15) на интегралния магнитоградиометър е изходът на третия операционен усилвател (13).
Description
Изобретението се отнася до интегрален магнитоградиометър, приложимо в областта на безконтактната автоматика, контролно-измервателната технология, микроелектрониката, слабополевата магнитометрия, сензориката, микросистемите, уредостроенето, военното дело и др.
ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА
Известен е интегрален магнитоградиометър, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани централен емитер, симетрично на него последователно по един колектор и по един базов контакт. Емитерът е включен в права посока • * * · през първи токоизточник и нискоомен тример, крайните цзв©ди:нд· к<5йто.са... свързани с двата базови контакти. Двата колектора са свързани неПцф^ЬТвЬнф:*’,. и са включени в обратна посока през втори токоизточник към средната точка на ” тримера, като изход на интегралния магнитоградиометър е измервател на ток, включен между общата точка на двата колектора и втория токоизточник. Градиентното (нееднородно) магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка, [1,2].
Недостатъци на този интегрален магнитоградиометър са относително високо ниво на собствен шум в изхода поради биполярния транзисторен характер на протичащите в сензора процеси; наличие на начален паразитен ток (офсет) в колекторната верига в отсъствие на магнитно поле, нямащ отношение за определянето на градиента на магнитното поле и повишена нелинейност на изходния сигнал от силно изразената повърхностна рекомбинация вследствие биполярния принцип на функциониране. Всичко това влошава метрологичните качества на този сензорен елемент.
ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ
Задача на изобретението е да се създаде интегрален магнитоградиометър с ниско ниво на собствения шум, без начален паразитен ток (офсет) и подобрена линейност на изхода.
Тази задача се решава с интегрален магнитоградиометър, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг четири еднакви и правоъгълни омични контакти първи, втори, трети и четвърти, последователно разположени успоредно на дългите си страни, от които два крайни - първи и четвърти и два вътрешни - втори и трети. Първият и четвъртият контакти са свързани както с генератор на постоянен ток, така и с две двойки последователно свързани помежду си резистори, съответно - първа и втора. Вторият контакт и общата точка на първата двойка резистори са свързани с неинвертиращия вход на първи операционен усилвател, а третият контакт и общата точка на втората двойка резистори са свързани с неинвертиращия вход на втори операционен усилвател. Изходите на първия и втория операционни усилватели са свързани с инвертиращия вход на трети операционен усилвател, изваждащ сигналите от изходите на първия и втория операционни усилватели. Измерваното градиентно магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка, а изход на интегралния магнитоградиометър е изходът на третия операционен усилвател.
Предимства на изобретението са ниското ниво на собствен шум на изхода, типично за сензорите Хол, използващи основни токоносители; отсъствие на начален сигнал (офсет) без магнитно поле; подобрена линейност на изходния сигнал, произтичаща от високата линейност на Холовия сензорен механизъм и възможност за определяне на надлъжния градиент на концентрацията на токоносителите, който в хомогенно магнитно поле има същото действие в изхода.
I
ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ • · .
• ·
По-подробно изобретението се пояснява с едно изпълнение, дадено на приложената фигура.
·· ·· · · · • · ·· .
• · негово примерно • · * · · · • ♦ · • · ·
ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ
Интегралният магнитоградиометър съдържа полупроводникова полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг четири еднакви и правоъгълни омични контакти първи 2, втори 3, трети 4 и четвърти 5, последователно разположени успоредно на дългите си страни, от които два крайни - първи 2 и четвърти 5 и два вътрешни - втори 3 и трети 4. Първият 2 и четвъртият 5 контакти са свързани както с генератор на постоянен ток 6, така и с две двойки последователно свързани помежду си резистори съответно първа 7, 8 и втора 9, 10. Вторият контакт 3 и общата точка на първата двойка резистори 7 и 8 са свързани с неинвертиращия вход на първи операционен усилвател 11, а третият контакт 4 и общата точка на вторатадвойка резистори 9 и 10 са свързани с неинвертиращия вход на втори операционен усилвател 12. Изходите на първия и втория операционни усилватели 11 и 12 са свързани с инвертиращия вход на трети операционен усилвател 13, изваждащ сигналите от изходите на първия и втория операционни усилватели 11 и 12.
Измерваното градиентно магнитно поле 14 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1, а изход 15 на интегралния магнитоградиометър е изходът на третия операционен усилвател
13.
Действието на интегралния магнитоградиометър, съгласно изобретението, е следното.
При включване на генератора на постоянен ток 6, през крайните контакти 2 и 5 протича захранващият ток на сензора /2,5 ~ УаЛ където гщ е средната дрейфова скорост на движещите се токоносители, формиращи тока I2,s, а η е тяхната концентрация. Тъй като омичните контакти 2 и 5 представляват еквипотенциални равнини, траекторията на тока 72,5 в зоните под тях е перпендикулярна както на тези равнини, така и на повърхността на подложката 1, съдържаща контакти 2, 3, 4 и 5. В областта обаче между контакти 2 и 5 токовите линии /2>5 са успоредни на горната повърхност, включително и под двата вътрешни контакти 3 и 4. Протичането на тока А,5 в отсъствие на градиентно магнитно поле В 14 създава върху вътрешните контакти 3 и 4 паразитни напрежения или офсети У3(В = 0) #0 и VAB = 0) /0. С помощта на включените между крайните контакти 2 и 5 последователно свързани помежду си две двойки резистори Rj 7 и R2 8, и съответно R3 9 и R4 10 офсетите върху контакти 3 и 4 се компенсират напълно, И3(В = 0) = 0 и УДВ = 0) = 0.
Ако се приложи хомогенно (еднородно) външно магнитно поле В 14, успоредно на планарните контакти 2, 3, 4 и 5, т.е. перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1, чрез силата на Лоренц
FL ~ qvdr х В върху горната повърхност се генерира паралелно-магнитополевия ефект на Хол. При равномерно разпределение на концентрация η на основните токоносители в подложката 1, върху вътрешните контакти 3 и 4 еднс^ймецио е.. възникват две еднакви по стойност и полярност напрежения* на Xoij, съоТв^тнд ·”. И13 ~ h,5В и Рид ~ 12>5.2?, които се подават на неинвертиращите входове на *’ първия и втория опрерационни усилватели 11 и 12. След операционните усилватели 11 и 12, тези две напрежения на Хол се изваждат чрез подаване на инвертиращия вход на третия опрерационен усилвател 13. В резултат на изхода νούί(Β) 15 на интегралния магнитоградиометър отсъства сигнал, Иои1(2?) = 0. Функционирането на този сензор в хомогенно магнитно поле В 14 и при фиксиран захранващ ток /2>5 = const позволява чрез изходното напрежение K>utii(^) на първия или Fouti2(B) на втория операционни усилватели 11 или 12 да се определи експериментално абсолютната волтова магниточувствителност Sa = K>utii/AB = Kouti2/ ΔΒ на сензора.
Съвсем различен е случаят, когато перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1 се приложи градиентно магнитно поле VB 14 с градиент, насочен по оста, свързваща вътрешните контакти 3 и 4. Приемаме, че градиентът VB 14 е линейна функция от разстоянието като стойностите на магнитната индукция В 14 в зоната под втория контакт 3 е Bb а под третия контакт 4 е съответно В2, т.е. градиентът на индукцията В 14 съставлява A(Bj - B^h,^ където /3,4 е разстоянието между вътрешните контакти 3 и 4. Ключов факт е, че при същата фиксирана стойност на тока Z2;5, при която е определена абсолютната волтова магниточувствителност 5А в хомогенно магнитно поле В 14, върху втория 3 и третия 4 контакти ще се генерират различни по стойност Холови напрежения, Кнз ~ Вр /2;5 и съответно КН4 ~ ^2. /2;5. Следователно изходото напрежение Иоицз(В) на изхода на третия операционен усилвател 13, т.е. на изхода PoUt(B) 15 на интегралния магнитоградиометър е мярката за градиента на магнитното поле:
VB= У0Д\ВУ(Да.1ъЛ
Проведените експерименти с п-тип силициеви образци на новия интегрален магнитоградиометър, реализирани на основата на стандартна силициева интегрална технология, съгласно изобретението, показат, че нивото на собствения шум е поне с два порядъка по-ниско от това на известното решение, тъй като принципът на действие е паралелно-магнитополевият ефект на Хол от основни токоносители; стартовите напрежения или офсетите върху входовете двата опреационни усилватели 11 и 12 отсъстват, тъй като те лесно се компенсират чрез двете двойки резистори 7-8 и 9-10, каквато възможност отсъства в известния магнитоградиометър от транзисторен тип и линейността е подобрена около 4 пъти в сравнение с известното техническо решение. Този нов тип интегрален елемент на Хол позволява да се определи евентуален надлъжен градиент на концентрацията на токоносителите ако се приложи хомогенно магнитно поле 14. Такава ситуация може да възникне, например, при израстване на кристалите, когато се очаква разпределението на примесите да е нееднородно, при облъчване на полупроводниковата подложка 1 със светлина в спектралния диапазон на примесно поглъщане, инжекционни процеси на неосновни носители и др. В този интересен случай изходът 15 на устройството ще регистрира напрежение F0ut(5), въпреки хомогенността на полето В 14, тъй като Холовите напрежения Рнз ~ щ и Кн4 ~ п2 върху вътрешните контакти 3 и 4 са различни в резултат на различната концентрация • ·· · на носителите, щ и п2 са концентрациите на носителят? в обгта^тйЪе цод... контакти 3 и 4. Изходът 15 ще бъде мярка за надлъжния т^ад^нТ; н$·*'. концентрацията на токоносителите в областта между вътрешните контакти Ги ”
4. Практически това устройство може да се реализира като тестер в микроелектронната индустрия за експресно определяне качеството на силициевите пластини. За целта четирите контакта 2, 3, 4 и 5 се изготвят във вид на немагнитни метални сонди (игли), които чрез натиск контактуват с изследваната пластина или полупроводников образец. По този начин се разширява обхвата от функционалните възможности на интегралния магнитоградиометър.
Постигнатият неочакван положителен ефект на новото техническо решение произтича от оригиналната конструкция на елемента и използваната обработка на двете Холови напрежения. По същество това е функционален мултисензор за магнитно поле. Той може изцяло да се реализира като интегрална схема с методите на планарната силициева технология - CMOS, BiCMOS и др.
ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура
ЛИТЕРАТУРА [1] Ch.S. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, ELSEVIER, 1994, Chapter 8.
[2] Ch.S. Roumenin, Magnetogradient effect in differential bipolar magnetotransistors, Compt. rendus ABS, 42(12) (1989) 63-66.
Claims (1)
- ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ ♦ ·Интегрален магнитоградиометър, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, към напречното сечение на която се прилага измерваното градиентно магнитно поле и токоизточник, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че върху едната страна на полупроводниковата подложка (1) са формирани на равни разстояния един от друг четири еднакви и правоъгълни омични контакти първи (2), втори (3), трети (4) и четвърти (5), последователно разположени успоредно на дългите си страни, от които два крайни - първи (2) и четвърти (5) и два вътрешни - втори (3) и трети (4), първият (2) и четвъртият (5) контакти са свързани както с токоизточника (6), който е генератор на постоянен ток, така и с две двойки последователно свързани помежду си резистори първа 7, 8 и съответно втора 9, 10, вторият контакт (3) и общата точка на първата двойка резистори (7) и (8) са свързани с неинвертиращия вход на първи операционен усилвател (11), а третият контакт (4) и общата точка на втората двойка резистори (9) и (10) са свързани с неинвертиращия вход на втори операционен усилвател (12), изходите на първия и втория операционни усилватели (11) и (12) са свързани с инвертиращия вход на трети операционен усилвател (13), изваждащ сигналите от изходите на първия (11) и втория (12) операционни усилватели, а изход (15) на интегралния магнитоградиометър е изходът на третия операционен усилвател (13).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG109664A BG66266B1 (bg) | 2006-09-07 | 2006-09-07 | Интегрален магнитоградиометър |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG109664A BG66266B1 (bg) | 2006-09-07 | 2006-09-07 | Интегрален магнитоградиометър |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG109664A true BG109664A (bg) | 2008-04-30 |
| BG66266B1 BG66266B1 (bg) | 2012-10-31 |
Family
ID=39538024
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BG109664A BG66266B1 (bg) | 2006-09-07 | 2006-09-07 | Интегрален магнитоградиометър |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| BG (1) | BG66266B1 (bg) |
-
2006
- 2006-09-07 BG BG109664A patent/BG66266B1/bg unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BG66266B1 (bg) | 2012-10-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7345476B2 (en) | Method and apparatus for measuring an entity of a magnetic field by using a hall plate, an excitation signal and a detection signal | |
| Ajbl et al. | A fully integrated Hall sensor microsystem for contactless current measurement | |
| Popovic et al. | Three-axis teslameter with integrated Hall probe | |
| US9453892B2 (en) | Hall sensor system | |
| Sander et al. | Fully symmetric vertical hall devices in CMOS technology | |
| BG109664A (bg) | Интегрален магнитоградиометър | |
| İzci | Constructing an Electronic Circuitry for Label-free Hall Biosensors | |
| US6861717B2 (en) | Device for defecting a magnetic field, magnetic field measure and current meter | |
| Lozanova et al. | A Novel In-plane-sensitive Double-Hall Device | |
| Frick et al. | CMOS integrated system for magnetic field monitoring and gradient measurement in MRI environment | |
| Lozanova et al. | Three-contact in-plane sensitive Hall devices | |
| Amelichev et al. | The three-collector Magnetotransistor: Variable sensitivity | |
| Lozanova et al. | A novel 2D magnetometer based on a parallel-field silicon hall sensor | |
| Sung et al. | One-dimensional MAGFET device with a polysilicon cross-shaped hall plate | |
| Metz et al. | Offset reduction in multicollector magnetotransistors | |
| Lozanova et al. | A novel orthogonally activated double-Hall device | |
| Roumenin et al. | Novel integrated 3-D silicon Hall magnetometer | |
| BG113273A (bg) | Микросензорен елемент за магнитно поле | |
| BG66310B1 (bg) | Линеаризираща схема за сензори на хол | |
| Paun et al. | Characteristic parameters evaluation of Hall cells with high performance | |
| Popovic et al. | Integrated Hall magnetic sensors | |
| BG109714A (bg) | Биполярен магнитотранзистор | |
| BG65340B1 (bg) | Магнитоградиометър | |
| BG109663A (bg) | Полупроводников сензор на хол | |
| Ausserlechner et al. | Programmable linear magnetic hall sensor for automotive applications |