BG112485A - Hall microsensor - Google Patents
Hall microsensor Download PDFInfo
- Publication number
- BG112485A BG112485A BG112485A BG11248517A BG112485A BG 112485 A BG112485 A BG 112485A BG 112485 A BG112485 A BG 112485A BG 11248517 A BG11248517 A BG 11248517A BG 112485 A BG112485 A BG 112485A
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- contact
- hall
- microsensor
- contacts
- pads
- Prior art date
Links
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛLIVING MICROSENSOR
ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАFIELD OF THE INVENTION
Изобретението се отнася до микросензор на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, когнитивните интелигентни системи, безконтактната автоматика и безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в равнината и пространството, биомедицината включително за целите на геномиката, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, енергетиката, военното дело и контратероризма, микро- и нанотехнологиите, автомобилостроенето и др.The invention relates to a Hall microsensor applicable in the field of robotics and mechatronics, cognitive intelligent systems, non-contact automation and non-contact measurement of angular and linear displacements, positioning of objects in the plane and space, biomedicine including for genomics, control and measurement and low-field magnetometry, energy, military and counterterrorism, micro- and nanotechnologies, automotive, etc.
ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАBACKGROUND OF THE INVENTION
Известен е микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с и-тип проводимост първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по пет правоъгълни омични контакти -първи, втори, трети, четвърти и пети. Третите контакти са централни като първите и петите, и съответно вторите и четвъртите са симетрично разположени спрямо тях. Всички първи и пети контакти на двете подложки са свързани помежду си. Вторият контакт от първата подложка е съединен с четвъртия от втората, а четвъртият контакт от първата - с втория контакт от втората подложка. Изводите на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт от първата подложка. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите като диференциалният изход на микросензора са двата централни контакта, [1 -4].A Hall microsensor is known, comprising a current source and two identical rectangular semiconductor pads with i-type conductivity first and second, arranged parallel to each other. On one side of each of the pads successively and at distances from each other are formed from left to right five rectangular ohmic contacts - first, second, third, fourth and fifth. The third contacts are central as the first and fifth, and respectively the second and fourth are symmetrically located relative to them. All first and fifth contacts of the two pads are connected to each other. The second contact of the first pad is connected to the fourth of the second, and the fourth contact of the first to the second contact of the second pad. The terminals of the current source are connected to the second and fourth contact of the first pad. The measured magnetic field is parallel to both the planes of the pads and the long sides of the contacts as the differential output of the microsensor are the two central contacts, [1 -4].
Недостатък на този микросензор на Хол е понижената магниточувствителност, тъй като в полупроводниковите подложки захранващият ток се разделя на по две еднакви и противоположно насочени компоненти, което води до използване само на половината от общия ток за генериране на изходното напрежение на Хол.A disadvantage of this Hall microsensor is the reduced magnetic sensitivity, because in semiconductor pads the supply current is divided into two identical and oppositely directed components, which leads to the use of only half of the total current to generate the output voltage of Hall.
Недостатък е също усложнената конструкция на микросензора, съдържаща общо десет омични контакта и пет връзки между тях.Another disadvantage is the complicated design of the microsensor, containing a total of ten ohmic contacts and five connections between them.
ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE
Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с висока магниточувствителност и опростена конструкция чрез редуциран брой контакти и връзки между тях.It is an object of the invention to provide a Hall microsensor with high magnetic sensitivity and a simplified construction by reducing the number of contacts and connections between them.
Тази задача се решава с микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по четири правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети и четвърти. Единият извод на токоизточника е съединен с втория контакт на първата подложка и с третия контакт на втората подложка, а другият извод - с четвъртия контакт на първата подложка и първия контакт на втората подложка. Първият контакт на първата подложка е съединен с четвъртия контакт на втората. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите като диференциалният изход на микросензора на Хол са третият контакт на първата подложка и вторият контакт на втората.This problem is solved with a Hall microsensor containing a current source and two identical rectangular semiconductor pads with p-type conductivity - first and second, located parallel to each other. On one side of each of the pads, four rectangular ohmic contacts - first, second, third and fourth - are formed sequentially and at distances from each other. One terminal of the current source is connected to the second contact of the first substrate and to the third contact of the second substrate, and the other terminal to the fourth contact of the first substrate and the first contact of the second substrate. The first contact of the first pad is connected to the fourth contact of the second. The measured magnetic field is parallel to both the planes of the pads and the long sides of the contacts, the differential output of the Hall microsensor being the third contact of the first pad and the second contact of the second.
Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на генериране от захранващите токове през подложките на две напрежения на Хол, които чрез схемата на свързване се сумират.An advantage of the invention is the high magnetic sensitivity as a result of the generation by the supply currents through the substrates of two Hall voltages, which are summed by the connection scheme.
Предимство е също опростената конструкция на микросензора, съдържащ общо осем, вместо десет омични контакти и само една връзка между тях, вместо пет както е в известното решение.Another advantage is the simplified design of the microsensor, comprising a total of eight instead of ten ohmic contacts and only one connection between them, instead of five as in the known solution.
Предимство е още повишената метрологична точност и резолюция от високото ниво сигнал/шум, в резултат на високата магниточувствителност.Another advantage is the increased metrological accuracy and resolution of the high signal / noise level, as a result of the high magnetic sensitivity.
ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURES
По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1.The invention is illustrated in more detail by an exemplary embodiment thereof, given in the attached Figure 1.
ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕEXAMPLES OF IMPLEMENTATION
Микросензорът на Хол съдържа токоизточник 1 и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип проводимост - първа 2 и втора 3, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките 2 и 3 последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по четири правоъгълни омични контакти - първи 4 и 5, втори 6 и 7, трети 8 и 9, и четвърти 10 и 11. Единият извод на токоизточника 1 е съединен с втория контакт 6 на първата подложка 2 и с третия контакт 9 на втората подложка 3, а другият извод - с четвъртия контакт 10 на първата подложка 2 и първия контакт 5 на втората подложка 3. Първият контакт 4 на първата подложка 2 е съединен с четвъртия контакт 11 на втората 3. Измерваното магнитно поле 12 е успоредно както на равнините на подложките 2 и 3, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 като диференциалният изход 13 на микросензора на Хол са третият контакт 8 на първата подложка 2 и втория контакт 7 на втората 3.The Hall microsensor contains a current source 1 and two identical rectangular semiconductor pads with p-type conductivity - first 2 and second 3, located parallel to each other. On one side of each of the pads 2 and 3 in series and at a distance from each other are formed from left to right four rectangular ohmic contacts - first 4 and 5, second 6 and 7, third 8 and 9, and fourth 10 and 11. One terminal of the current source 1 is connected to the second terminal 6 of the first substrate 2 and the third terminal 9 of the second substrate 3, and the other terminal to the fourth terminal 10 of the first substrate 2 and the first terminal 5 of the second substrate 3. The first terminal 4 of the first pad 2 is connected to the fourth contact 11 of the second 3. The measured magnetic field 12 is parallel both to the planes of the pads 2 and 3 and to the long sides of the contacts 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11. as the differential output 13 of the Hall microsensor are the third contact 8 of the first pad 2 and the second contact 7 of the second 3.
Действието на микросензора на Хол, съгласно изобретението, е следното. Включването на контакти 6 и 9, и съответно контакти 5 и 10 към токоизточника 1, води до протичане в обема на еднаквите като конструкция подложки 2 и 3 на захранващи токове /6д0 и /9>5, Фигура 1. Планарните омични контакти би 10, и съответно 5 и 9 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 12, В = 0, равните по стойност токовете Ц = /ю и съответно /5 = /9 са винаги перпендикулярно насочени спрямо горните страни на подложките 2 и 3, прониквайки дълбоко в обемите им. Токовите линии в останалите части на траекториите си са успоредни на горните страни, преминавайки под контакти 8 и съответно 7. Ето защо траекториите /6д0 и на токоносителите са криволинейни, [5 - 6]. Дълбочината на проникване на токовите компоненти при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси Nd в подложките 2 и 3 зависи от съотношението между ширината на контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 и разстоянията между тях. Максималната дълбочина на проникване при концентрация ND ~ 10 cm’ и оптимизирани разстояния съставлява около 35 - 40 pm, [6[.The operation of the Hall microsensor according to the invention is as follows. The connection of contacts 6 and 9, and respectively contacts 5 and 10 to the current source 1, leads to a flow in the volume of the same as the substrate pads 2 and 3 of supply currents / 6 e 0 and / 9> 5 , Figure 1. The planar ohmic contacts would 10, and 5 and 9, respectively, represent equipotential planes to which, in the absence of an external magnetic field B 12, B = 0, the currents C = / yu and / 5 = / 9, respectively, are always perpendicular to the upper sides of the pads. 2 and 3, penetrating deep into their volumes. The current lines in the other parts of their trajectories are parallel to the upper sides, passing under contacts 8 and 7, respectively. Therefore, the trajectories / 6 e 0 and of the current carriers are curvilinear, [5 - 6]. The penetration depth of the current components at a fixed concentration of doping donor impurities N d in the substrates 2 and 3 depends on the ratio between the width of contacts 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11 and the distances between them. The maximum penetration depth at a concentration of N D ~ 10 cm 'and optimized distances is about 35 - 40 pm, [6 [.
Прилагането на измервано магнитно поле В 12, успоредно на подложките 2 и 3, и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 води до отклонение на токовите линии по цялата дължина на нелинейните им траектории. Това се дължи на действието на силите на Лоренц FL)i, FL = g Vdr x В, където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в п-тип подложките 2 и 3. На Фигура 1 магнитният вектор В 12 е перпендикулярен на напречното им сечение. В резултат на Лоренцовото отклонение от силата FL, дефинирано от посоките на протичащите токове /6д0 и - 19>5, които са противоположни и полярността на магнитното поле В 10, нелинейните траектории в единия равнинно-магниточувствителен елемент на Хол, например 2 се “свиват”, а в другия 3 - съответно се “разширяват”, или обратно. Освен това токовете /6до и - /9>5 са равни по стойност, /6д0 = | - /9,51 поради еднаквостта на двете Холови структури 2 и 3. В резултат на деформациите на токовите линии в магнитно поле В 12, върху планарните контакти 8 и 9, и съответно 4 и 11 се генерират едновременно две Холови напрежения УН8,9(^) и Ун4,п(В). В рамките на съвременната интерпретация на ефекта на Хол тези напрежения са свързани с протичане на магнитноуправляем повърхностен ток, който зависи линейно и полярно от магнитното поле В 12 и от захранващия ток, [7]. Характерна особеност на преобразувателния механизъм в новия микросензор е, че Холовите потенциали върху контакти 4 и 11 са винаги с противоположен знак. Следователно непосредственото свързване на тези два контакта 4 и 11 осъществява алгебрично сумиране на двете Холови напрежения VhsX#) и Vh4,ii(#)· В резултат върху диференциалния изход УнгвФ) = ГщзСД) 13 на микросензора възниква сумарно напрежение на Хол ГшзСД) = ^нвХ·®) + Ун4,и(В)> което обуславя съществено по-висока магниточувствителност в сравнение с известния микросензор.The application of a measured magnetic field B 12, parallel to the pads 2 and 3, and to the long sides of the contacts 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11 leads to a deviation of the current lines along the entire length of their nonlinear trajectories. This is due to the action of Lorentz forces F L) i , F L = g V dr x B, where q is the elementary load of the electron, and V dr is the vector of the average drift velocity of the electrons in the p-type pads 2 and 3 In Figure 1, the magnetic vector B 12 is perpendicular to their cross section. As a result of the Lorentz deviation from the force F L , defined by the directions of the flowing currents / 6 d 0 and - 1 9> 5 , which are opposite and the polarity of the magnetic field B 10, the nonlinear trajectories in one plane-magnetic Hall element, e.g. 2 "shrink", and in the other 3 - respectively "expand", or vice versa. In addition, the currents / 6 to and - / 9> 5 are equal in value, / 6 e 0 = | - / 9,51 due to the similarity of the two Hall structures 2 and 3. As a result of the deformations of the current lines in the magnetic field B 12, on the planar contacts 8 and 9, and respectively 4 and 11 two Hall voltages Y H 8 are generated simultaneously, 9 (^) and Un4, n (B). Within the modern interpretation of the Hall effect, these voltages are related to the flow of a magnetically controlled surface current, which depends linearly and polarly on the magnetic field B 12 and the supply current, [7]. A characteristic feature of the conversion mechanism in the new microsensor is that the Hall potentials on contacts 4 and 11 are always of opposite sign. Therefore, the direct connection of these two contacts 4 and 11 performs algebraic summation of the two Hall voltages VhsX #) and Vh4, ii (#) · As a result, a total Hall voltage (VhsX) нвХ · ®) + Ун4, and (В)> which causes significantly higher magnetic sensitivity compared to the known microsensor.
Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативната конструкция, съдържаща два еднакви четириконтактни равнинно-магниточувствителни елементи на Хол, свързани по оригинална схема. При това броят на контактите е редуциран с два и между тях има само една връзка. Всичко това драстично опростява приборната конструкция. Фактически реализиран е функционалноинтегриран микросензор на Хол, захранен с един токоизточник 1. Постигнати са нови положителни свойства, отсъстващи в известното решение: опростена сензорна конфигурация едновременно с повишена пространствена резолюция; съществено увеличена магниточувствителност от ефекта на сумиране на двете Холови напрежения; високи отношение сигнал/шум и метрологична точност.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the innovative construction, containing two identical four-contact plane-magnetic Hall-sensitive elements, connected according to an original scheme. The number of contacts is reduced by two and there is only one connection between them. All this drastically simplifies the instrument design. In fact, a functionally integrated Hall microsensor is implemented, supplied with one current source 1. New positive properties have been achieved, which are absent in the known solution: simplified sensor configuration simultaneously with increased spatial resolution; significantly increased magnetic sensitivity from the effect of summation of the two Hall voltages; high signal-to-noise ratio and metrological accuracy.
Равнинно-магниточувствителният микросензор на Хол може да се реализира с интегралните CMOS, BiCMOS или микромашининг технологии като преобразувателните зони в общия случай представляват дълбоки силициеви /z-тип правоъгълни „джобове” 2 и 3.The plane-magnetic-sensitive Hall microsensor can be realized with the integrated CMOS, BiCMOS or micromachining technologies as the conversion zones in the general case represent deep silicon / z-type rectangular "pockets" 2 and 3.
Функционирането на предложения микросензор на Хол е в широк температурен диапазон, включително и при криогенни температури, например при Т = 77 К. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и контратероризма, подложките 2 и 3 могат да се интегрират между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 12 от ферит или μ-метал. Редуцирането на неминуемия офсет - паразитното напрежение на изхода 13 в отсъствие на магнитно поле В 12 може да се постигне чрез схемотехниката токов спининг. Използва се комутация на токовете в структурите 2 и 3 в магнитно поле В 12 и алгебрично сумиране на изходните сигнали от отделните фази. Поради еднаквостта на елементите на Хол, офсетите са с един и същ знак, а Ходовите напрежения с противоположен. При това сумиране изходният Холов сигнал съществено нараства, а резултиращият офсет е драстично редуциран.The operation of the proposed Hall microsensor is in a wide temperature range, including at cryogenic temperatures, for example at T = 77 K. For even higher sensitivity for the purposes of low-field magnetometry and counterterrorism, pads 2 and 3 can be integrated between two identical elongated concentrators of magnetic field B 12 of ferrite or μ-metal. The reduction of the inevitable offset - parasitic voltage at the output 13 in the absence of a magnetic field B 12 can be achieved by the circuit technique current spinning. Current switching in structures 2 and 3 in magnetic field B 12 and algebraic summation of the output signals from the individual phases are used. Due to the uniformity of the Hall elements, the offsets have the same sign and the travel voltages have the opposite sign. With this summation, the output Hall signal increases significantly, and the resulting offset is drastically reduced.
ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигураAPPENDIX: one figure
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
[1] Т. Kaufmann, “On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices”, in “MEMS Technology and Engineering”, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147.[1] T. Kaufmann, “On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices”, in “MEMS Technology and Engineering”, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147.
[2] 0. Paul, R. Raz, T. Kaufmann, Analysis of the offset of semiconductor vertical Hall devices, Sensors and Actuators J., A 174 (2012) pp. 24-32.[2] 0. Paul, R. Raz, T. Kaufmann, Analysis of the offset of semiconductor vertical Hall devices, Sensors and Actuators J., A 174 (2012) pp. 24-32.
[3] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, “Numerical modeling of vertical Hall-effect devices”, IEEE Electron Device Letters, 5(9) (1984) pp. 482-484.[3] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, “Numerical modeling of vertical Hall-effect devices”, IEEE Electron Device Letters, 5 (9) (1984) pp. 482-484.
[4] R. Popovic, “Integrated Hall element”, US Patent 4 782 375/01.11.1988.[4] R. Popovic, “Integrated Hall element”, U.S. Patent 4,782,375 / November 1, 1988.
[5] C. Sander, C. Leube, O. Paul, Compact 2D CMOS Hall sensor based on switchable configurations of four three-contact elements, Sensors and Actuators J., A 248 (2016) pp. 281-289.[5] C. Sander, C. Leube, O. Paul, Compact 2D CMOS Hall sensor based on switchable configurations of four three-contact elements, Sensors and Actuators J., A 248 (2016) pp. 281-289.
[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.[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] C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sensors and Actuators J., A 175 (2012) pp. 45-52.[7] C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sensors and Actuators J., A 175 (2012) pp. 45-52.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG112485A BG67134B1 (en) | 2017-04-04 | 2017-04-04 | Hall effect microsensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG112485A BG67134B1 (en) | 2017-04-04 | 2017-04-04 | Hall effect microsensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG112485A true BG112485A (en) | 2018-10-31 |
| BG67134B1 BG67134B1 (en) | 2020-08-31 |
Family
ID=71401390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BG112485A BG67134B1 (en) | 2017-04-04 | 2017-04-04 | Hall effect microsensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| BG (1) | BG67134B1 (en) |
-
2017
- 2017-04-04 BG BG112485A patent/BG67134B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BG67134B1 (en) | 2020-08-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| BG112485A (en) | Hall microsensor | |
| BG67380B1 (en) | Two-dimensional magnetic field microsensor | |
| BG112109A (en) | A 2d semiconductor magnetometer | |
| BG113356A (en) | Hall effect microsensor with more than one output | |
| BG113589A (en) | PLANE-SENSITIVE HALL SENSOR | |
| BG67250B1 (en) | Hall effect semiconductor device | |
| BG112007A (en) | A plain magnetically sensitive hall’s effect sensor | |
| BG111199A (en) | Two-dimensional magnetometer | |
| BG112436A (en) | In-plane sensitive magnetic-field hall device | |
| BG112694A (en) | Integrated two-axis magnetic field sensor | |
| BG113488A (en) | Planar magnetic-sensitive hall sensor | |
| BG112808A (en) | Hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
| BG112804A (en) | 2d hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
| BG111840A (en) | Integral 3d microsensor for magnetic field | |
| BG112687A (en) | Magneto-sensitive element | |
| BG67039B1 (en) | Two-axis magnetic field microsensor | |
| BG113014A (en) | Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
| BG112091A (en) | A surface-magnetically sensitive hall transformer | |
| Lozanova et al. | 2D in-plane Hall sensing based on a new microdevice coupling concept | |
| BG112878A (en) | Hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
| BG67551B1 (en) | Biaxial magnetosensitive sensor containing hall elements | |
| BG112426A (en) | A plane magneto-sensitive microsystem of hall effect sensor | |
| BG112445A (en) | Magnetoresistive sensor | |
| BG112991A (en) | Electronic device with planar magnetic sensitivity | |
| BG112115A (en) | A micro-hall sensor with tangential sensitivity |