BG112445A

BG112445A - Magnetoresistive sensor

Info

Publication number: BG112445A
Application number: BG112445A
Authority: BG
Inventors: Вълчева Лозанова Сия; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Inst Po Sistemno Inzhenerstvo I Robotika Ban
Priority date: 2017-01-24
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2018-07-31
Also published as: BG67076B1

Abstract

The magnetoresistive sensor includes two identical parallelepiped semi-conductor substrates of an n-type conductivity, parallel to one another - first (1) and second (2), and a current source (3). On one side of the substrates (1 и 2) consecutively and at distances from one another, from left to right, are formed three rectangular ohmic contacts - first (4, 5), second (6, 7), third (8, 9) parallel to their long sides. The contact (8) of the substrate (1) and the contact (5) of the substrate (2) are connected to a low-axis trimmer (10), the midpoint of which is connected to one terminal of the current source (3). The contact (6) of the substrate (1) and the contact (7) of the substrate (2) are connected to the other terminal of the current source (3). The differential output (11) of the sensor are the contact (4) of the substrate (1) and the contact (9) of the substrate (2) as the measurable magnetic field (12) is parallel to the planes of the substrates (1 and 2) and to the long sides of the contacts alike (4, 5, 6, 7, 8 и 9).

Description

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЕН СЕНЗОРMAGNETIC SENSITIVE SENSOR

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАFIELD OF THE INVENTION

Изобретението се отнася до магниточувствителен сензор, приложим в областта на системите с изкуствен интелект, роботиката и мехатрониката, сензориката, роботизираната и 3D хирургия, биомедицината, микро- и нано-технологиите, безконтактното измерване на всички видове линейни и ъглови премествания, измервателната техника, навигацията, автоматизацията на процеси и производства, слабополевата магнитометрия, електромобилите и хибридните транспортни средства, енергетиката включително в платформите за получаване на енергия от морските вълни и бавно течащи води, военното дело, сигурността и контратероризма.The invention relates to a magnetically sensitive sensor applicable in the field of artificial intelligence systems, robotics and mechatronics, sensorics, robotic and 3D surgery, biomedicine, micro- and nano-technologies, non-contact measurement of all types of linear and angular displacements, measuring equipment, navigation , automation of processes and productions, low-field magnetometry, electric vehicles and hybrid vehicles, energy, including in the platforms for obtaining energy from sea waves and slow-flowing waters, military affairs, security and counter-terrorism.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е магниточувствителен сензор (с равнинна чувствителност), съдържащ паралелепипедна полупроводникова подложка е п-тип проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани четири правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети и четвърти, и токоизточник. Първият и третият контакт са съединени е двата извода на токоизточника. Диференциалният изход на сензора са вторият и четвъртият контакт като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, [1-5].A magnetosensitive sensor (with plane sensitivity) is known, containing a parallelepiped semiconductor substrate of n-type conductivity, on one side of which four rectangular ohmic contacts are formed in series and at a distance from each other - first, second, third and fourth, and a current source. The first and third contacts are connected to the two terminals of the power source. The differential output of the sensor is the second and fourth contact as the measured magnetic field is parallel to the plane of the substrate and to the long sides of the contacts, [1-5].

Недостатък на този магниточувствителен сензор е ниската стойност на важния параметър отношението сигнал/шум в резултат на високото ниво на собствения (фликер Ι/f) шум от преминаването на захранващия ток в приповърхностната зона на единия изходен контакт (втория контакт).The disadvantage of this magnetically sensitive sensor is the low value of the important parameter signal-to-noise ratio as a result of the high level of its own (flicker Ι / f) noise from the passage of the supply current in the near-surface area of one output contact (second contact).

Недостатък е също наличието на паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсет), поради електрическа асиметрия, неминуеми технологични несъвършенства, нееднородни механични напрежения - най-често от корпусирането на чипа и метализацията на шините към площадките за бондиране, и др.Another disadvantage is the presence of parasitic output voltage in the absence of a magnetic field (offset), due to electrical asymmetry, inevitable technological imperfections, inhomogeneous mechanical stresses - most often from chip housing and metallization of the rails to the bonding sites, etc.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE

Задача на изобретението е да се създаде магниточувствителен сензор с висока стойност на отношението сигнал/шум и компенсиран (нулиран) офсет.It is an object of the invention to provide a magnetically sensitive sensor with a high signal-to-noise ratio and a compensated (reset) offset.

Тази задача се решава с магниточувствителен сензор, съдържащ две еднакви и паралелепипедни полупроводникови подложки с п-тип проводимост, разположени успоредно една спрямо друга - първа и втора, и токоизточник. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт на първата подложка и първият контакт на втората подложка са съединени с нискоомен тример, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника. Вторият контакт на първата подложка и вторият контакт на втората подложка са свързани с другия извод на токоизточника. Диференциалният изход на сензора са първият контакт на първата подложка и третият контакт на втората подложка като измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите.This problem is solved with a magnetically sensitive sensor containing two identical and parallelepiped semiconductor pads with p-type conductivity, located parallel to each other - first and second, and a current source. On one side of each of the pads, three rectangular ohmic contacts are formed sequentially and at distances from each other - first, second and third, located parallel to their long sides. The third contact of the first pad and the first contact of the second pad are connected to a low-resistance trimmer, the midpoint of which is connected to one terminal of the current source. The second contact of the first pad and the second contact of the second pad are connected to the other terminal of the current source. The differential output of the sensor is the first contact of the first pad and the third contact of the second pad as the measured magnetic field is parallel to the planes of the pads and to the long sides of the contacts.

Предимство на изобретението е високото отношение сигнал/шум, тъй като захранващите токове в подложките не преминават в приповърхностните зони с изходните контакти.An advantage of the invention is the high signal-to-noise ratio, since the supply currents in the pads do not pass into the near-surface areas with the output contacts.

Предимство е също компенсирането на паразитното изходно напрежение (офсетът) на сензора чрез включения в захранващата верига тример, с който се постига електрическа симетрия и нулиране на изхода.Another advantage is the compensation of the parasitic output voltage (offset) of the sensor by means of a trimmer included in the power supply circuit, which achieves electrical symmetry and zeroing of the output.

Предимство е още минимизираното пълзене с времето на изхода и на температурния му дрейф в резултат на компенсирания офсет и минимизирания собствен шум.Another advantage is the minimized creep with the time of the outlet and its temperature drift as a result of the compensated offset and the minimized own noise.

Предимство е и повишената метрологична точност и резолюция от високото ниво сигнал/шум и минимизираните пълзене и температурен дрейф на изхода.The advantage is the increased metrological accuracy and resolution of the high signal / noise level and the minimized creep and temperature drift at the outlet.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURES

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, напречното сечение на което е показано на приложената Фигура 1.The invention is illustrated in more detail by one embodiment thereof, the cross-section of which is shown in the attached Figure 1.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕEXAMPLES OF IMPLEMENTATION

Магниточувствителният сензор съдържа две еднакви и паралелепипедни полупроводникови подложки с п-тип проводимост, разположени успоредно една спрямо друга - първа 1 и втора 2, и токоизточник 3. Върху едната страна на всяка от подложките 1 и 2 последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9, разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт 8 на подложка 1 и първият контакт 5 на подложка 2 са съединени с нискоомен тример 10, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника 3. Вторият контакт 6 на подложка 1 и вторият контакт 7 на подложка 2 са свързани с другия извод на токоизточника 3. Диференциалният изход 11 на сензора са първият контакт 4 на подложка 1 и третият контакт 9 на подложка 2 като измерваното магнитно поле 12 е успоредно на равнините на подложките 1 и 2, и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9.The magnetosensitive sensor contains two identical and parallelepiped semiconductor pads with p-type conductivity, located parallel to each other - first 1 and second 2, and a current source 3. On one side of each of the pads 1 and 2 in series and at distances from each other are formed from left to right three rectangular ohmic contacts - first 4 and 5, second 6 and 7, and third 8 and 9, located parallel to their long sides. The third contact 8 of the substrate 1 and the first contact 5 of the substrate 2 are connected to a low-resistance trimmer 10, the midpoint of which is connected to one terminal of the current source 3. The second contact 6 of the substrate 1 and the second contact 7 of the substrate 2 are connected to the other. terminal of the current source 3. The differential output 11 of the sensor is the first contact 4 of the pad 1 and the third contact 9 of the pad 2 as the measured magnetic field 12 is parallel to the planes of the pads 1 and 2 and the long sides of the pins 4, 5, 6 , 7, 8 and 9.

Действието на магниточувствителния сензор, който по същество е преобразувател на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното. В резултат на планарността на захранващите омични контакти 6 и 8, и 5 и 7, в отсъствие на магнитно поле 11, В = 0, те представляват еквипотенциални равнини. Ето защо при включване на токоизточника 3, токовите траектории /_б,8 и /_5>7 се насочват вертикално в обема на подложките 1 и 2, след което стават успоредни на горните им страни. По тази причина токовите линии /_б>8 и /_5>7 са криволинейни. Тъй като двете структури 1 и 2 са еднакви като конфигурации, стойностите на захранващите токове също са равни, /_6>8 = h,7 В резултат на оригиналната схема на свързване на контакти 6 — 7, и 8 - 5, Фигура 1, посоките на токове /_6>8 и Z5 7 в двата елемента 1 и 2 са противоположно насочени, 1(,,8 = |- Α,ϊΙ· Неминуемите технологични несъвършенства водят до появата на паразитно напрежение (офсет) на изхода 11 в отсъствие на магнитно поле В 11, В = 0. В нашия случай, съгласно изобретението, този съществен недостатък, редуциращ най-вече метрологичната точност, се отстранява с помощта на нискоомния тример г 10, включен към захранващите контакти 8 и 5. Варирайки стойностите на двете части на тримера г 10 се изменят захранващите токове в подложки 1 и 2 като се постига пълно компенсиране (нулиране) на офсета на диференциалния изход 11. За да се осъществи нулиране на изхода lie тримера 10 е необходимо потенциалите върху контакти 4 и 9 да са с един и същ знак. Той се определя от полярността на съответния извод на токоизточника 3, задаващ захранващия ток през контакти 6 и 7. Един и същ потенциал се постига с иновативния способ на свързване на контакти 6-7, и съответно 8-5 на двете конфигурации 1 и 2. Реализацията на сензора, състоящ се от две еднакви структури 1 и 2 с помощта на унифицирана интегрална технология при нулиран офсет дава възможност за минимално пълзене на „нулата” 11 с времето както и редуциране на температурния й дрейф, типични проблеми за полупроводниковите сензори. Характерна особеност на новия магнитопреобразувател на Хол, в сравнение с известното решение е, че двете приповърхностни зони, където са разположени изходните контакти 4 и 9, формиращи изхода 11 са извън обхвата на двата захранващи тока 1(,,8 и /₅₇. Фактически контакти 4 и 9 са изнесени извън областите с електрически флуктуации, формиращи собствения 1//шум. По този начин основният генератор на фликер шума - захранващият ток не оказва директно въздействие на изхода 11. Така негативното въздействие на собствения шум 1//е минимизирано и отношението сигнал/шум нараства съществено. Следователно, в резултат както на редуцираното пълзене на изхода и на температурния му дрейф, така и на същественото по стойност отношение сигнал/шум се повишават метрологичната точност и резолюцията на новия сензор.The operation of the magnetically sensitive sensor, which is essentially a Hall transducer with a plane sensitivity according to the invention, is as follows. As a result of the planarity of the supply ohmic contacts 6 and 8, and 5 and 7, in the absence of a magnetic field 11, B = 0, they represent equipotential planes. Therefore, when the current source 3 is switched on, the current trajectories / _b , 8 and / _5> 7 are directed vertically in the volume of the pads 1 and 2, after which they become parallel to their upper sides. For this reason, the current lines / _{b> 8} and / _{5> 7} are curvilinear. Since the two structures 1 and 2 are the same as configurations, the values of the supply currents are also equal, / _{6> 8} = h, 7 As a result of the original wiring diagram of contacts 6 - 7, and 8 - 5, Figure 1, the directions of currents / _{6> 8} and Z5 7 in the two elements 1 and 2 are oppositely directed, 1 (,, 8 = | - Α, ϊΙ · The inevitable technological imperfections lead to the appearance of parasitic voltage (offset) at the output 11 in the absence of magnetic field B 11, B = 0. In our case, according to the invention, this significant disadvantage, reducing mainly the metrological accuracy, is eliminated by means of the low-resistance trimmer d 10 connected to the supply contacts 8 and 5. Varying the values of the two parts of the trimmer d 10, the supply currents in pads 1 and 2 are changed, achieving full compensation (reset) of the offset of the differential output 11. In order to reset the output lie of the trimmer 10, the potentials on contacts 4 and 9 must be with one and The same sign is determined by the polarity of the co The current potential through the supply current through contacts 6 and 7. The same potential is achieved with the innovative way of connecting contacts 6-7, and respectively 8-5 of the two configurations 1 and 2. The implementation of the sensor consisting of two identical structures 1 and 2 with the help of unified integrated technology with zero offset allows for minimal creep of "zero" 11 over time as well as reduction of its temperature drift, typical problems for semiconductor sensors. A characteristic feature of the new Hall magnetic transducer, compared to the known solution, is that the two near-surface zones, where the output contacts 4 and 9 are located, forming the output 11 are outside the range of the two supply currents 1 (,, 8 and / ₅₇ . 4 and 9 are removed from the areas with electrical fluctuations forming their own noise // Thus the main generator of flicker noise - the supply current does not have a direct impact on the output 11. Thus the negative impact of its own noise 1 // is minimized and the ratio Therefore, as a result of both the reduced creep of the output and its temperature drift, as well as the significant signal / noise ratio, the metrological accuracy and resolution of the new sensor increase.

При наличие на измервано магнитно поле 12, В Ψ 0, успоредно на равнината на подложките 1 и 2, и на дългите страни на правоъгълните контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9, съответните сили на Лоренц F_L = ^V_drx В оказват отклоняващо странично въздействие върху противоположно насочените токови компоненти в конфигурациите на Хол 1 и 2, където V_dr е средната дрейфова скорост на електроните, a q е електрическият им товар, [4, 5]. За магниточувствителността на сензора основно значение имат вертикално насочените спрямо повърхността на подложките 1 и 2 токови компоненти /₆ и Ι_Ί през контакти 6 и 7. При най-често използвания и добре усвоен технологично полупроводник силиций с концентрация на електроните η ~ 10¹⁵ cm’³, ефективното проникване на токовите линии в обема на подложките 1 и 2 съставлява около 30 - 40 pm. Тази дълбочина се определя както от разстоянията между омичните контакти 4-6-8 и 5-7-9, така и от тяхната ширина, [5, 6]. В резултат на отклоняваните странично от силите на Лоренц F_L електрони, върху повърхностите в зоните с контакти 4 и 9 се генерират от ефекта на Хол допълнителни електрически товари. Тъй като посоките на токовите линии /_6>8 и - Z₅₍₇ са противоположни, в областите с контакти 4 и 9 възникват противоположни по знак и еднакви по стойност Холови потенциали. Те формират диференциалното изходно напрежение на Хол Vhii(®) 11 на сензора.In the presence of a measured magnetic field 12, B Ψ 0, parallel to the plane of the pads 1 and 2, and on the long sides of the rectangular contacts 4, 5, 6, 7, 8 and 9, the corresponding Lorentz forces F _L = ^ V _dr x B have a deflecting side effect on the oppositely directed current components in the configurations of Hall 1 and 2, where V _dr is the average drift velocity of the electrons, aq is their electrical load, [4, 5]. For the magnetic sensitivity of the sensor, the current components 1/2 vertically directed towards the surface of the pads / ₆ and Ι _Ί through contacts 6 and 7 are of major importance. In the most frequently used and well-mastered technological semiconductor silicon with electron concentration η ~ 10 ¹⁵ cm ' ³ , the effective penetration of the current lines in the volume of the pads 1 and 2 is about 30 - 40 pm. This depth is determined both by the distances between the ohmic contacts 4-6-8 and 5-7-9 and by their width, [5, 6]. As a result of the electrons deflected laterally by the Lorentz forces F _L , additional electrical loads are generated on the surfaces in the contact zones 4 and 9 by the Hall effect. Since the directions of the current lines / _{6> 8} and - Z _{5 (7} are opposite, in the areas with contacts 4 and 9 opposite in sign and equal in value Hall potentials occur. They form the differential output voltage of Hall Vhii (®) 11 of sensor.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативните конфигурации на Хол 1 и 2, и на оригиналното свързване на контактите 6 и 7, 8 и 5. По този начин едновременно са осъществени: противоположно насочени и еднакви по стойност токови компоненти, обезпечаващи диференциалното напрежение на Хол 11; едни и същ потенциал върху изходните контакти 4 и 9 в отсъствие на магнитно поле В 12, гарантиращ нулирането на офсета и ключовият резултат за редуциране на собствения шум 1// чрез разполагане на изходните контакти 4 и 9 извън зоните на протичане на захранващите токове.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the innovative configurations of Halls 1 and 2, and in the original connection of contacts 6 and 7, 8 and 5. In this way: simultaneously directed and equal in value current components, providing the differential Hall 11 voltage; the same potential on the output contacts 4 and 9 in the absence of a magnetic field B 12, guaranteeing the reset of the offset and the key result for reducing the self-noise 1 // by placing the output contacts 4 and 9 outside the supply current zones.

Формирането на магниточувствителния сензор може да се осъществи с дискретни триконтактни елементи на Хол, свързани съгласно схемата от Фигура 1. По-добри характеристики и действие на решението, обаче се постигат на основата на силициевите интегрални процеси - CMOS или BiCMOS, използвайки като подложки 1 и 2 м-тип „джобове” върху д-Si пластини. Омичните контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 се формират с йонна имплантация и са силно легирани п⁺- области в //-Si „джобове”.The formation of the magnetosensitive sensor can be done with discrete three-contact Hall elements connected according to the scheme of Figure 1. Better characteristics and action of the solution, however, are achieved on the basis of silicon integrated processes - CMOS or BiCMOS, using as pads 1 and 2 m-type "pockets" on d-Si plates. The ohmic contacts 4, 5, 6, 7, 8 and 9 are formed by ion implantation and are strongly doped n ⁺ - regions in // - Si "pockets".

Функционирането на магниточувствителния сензор е в тверде широк температурен диапазон, включително и при криогенни температури. Преобразувателната ефективност може да се повиши чрез концентратори от ферит или μ-метал, увеличаващи плътността на магнитните силови линии В 12 в преобразувателните зони на сензора.The operation of the magnetically sensitive sensor is in a very wide temperature range, including at cryogenic temperatures. The conversion efficiency can be increased by ferrite or μ-metal concentrators, increasing the density of the magnetic field lines B 12 in the conversion zones of the sensor.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигураAPPENDIX: one figure

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, „Датчик на Хол”, BG Авторско свид. № 41974/1986 г„ с приоритет от 06.05.1986 г.[1] Ch.S. Rumenin, P.T. Kostov, Hall Sensor, BG Author's witness. № 41974/1986 „with priority from 06.05.1986

[2] Ch.S. Roumenin, „Parallel-field Hall microsensors - An overview”, Sensors and Actuators, A 30 (1992) 77-87.[2] Ch.S. Roumenin, “Parallel-field Hall microsensors - An overview”, Sensors and Actuators, A 30 (1992) 77-87.

[3] Ch.S. Roumenin, „Magnetic sensors continue to advance towards perfection”, Invited paper, Sensors and Actuators, A 46-47 (1995) 273-279.[3] Ch.S. Roumenin, “Magnetic sensors continue to advance towards perfection”, Invited paper, Sensors and Actuators, A 46-47 (1995) 273-279.

[4] Ch. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Chapter 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.[4] Ch. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Chapter 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.

[5] S.V. Lozanova, C.S. Roumenin, „Parallel-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity”, IEEE Sensors Journal., 9(7) (2009) pp. 761-766.[5] S.V. Лозанова, Ц.С. Roumenin, “Parallel-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity”, IEEE Sensors Journal., 9 (7) (2009) pp. 761-766.

[6] 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) 92-102.[6] 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) 92-102.

Claims

PATENT CLAIMS / A magnetically sensitive sensor comprising identical and parallelepiped semiconductor pads is an i-type conductivity arranged parallel to each other and a current source on one side of each of the pads in series and at a distance from each other formed from left to right rectangles. the measured magnetic field is parallel to the planes of the pads and the long sides of the contacts, CHARACTERIZED by the fact that the pads are two (1) and (2) and on each of them there are three contacts - first (4) and (5) , second (6) and 7 and third (8) and (9), the third contact (8) of the pad (1) and the first contact (5) of the pad (2) are connected to a low-resistance trimmer (10), the midpoint of which is connected to one terminal of the current source (3), the second contact (6) of the substrate (1) and the second contact (7) of the substrate (2) are connected to the other terminal of the current source (3) as the differential output (11) of the sensors are the first contact (4) of the pad (1) and the third contact (9) of p delay (2).