BG113014A - Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity - Google Patents
Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity Download PDFInfo
- Publication number
- BG113014A BG113014A BG113014A BG11301419A BG113014A BG 113014 A BG113014 A BG 113014A BG 113014 A BG113014 A BG 113014A BG 11301419 A BG11301419 A BG 11301419A BG 113014 A BG113014 A BG 113014A
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- contacts
- contact
- pad
- wafer
- parallel
- Prior art date
Links
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 title claims abstract description 21
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 title 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 9
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 abstract 13
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 238000005404 magnetometry Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
- 238000002324 minimally invasive surgery Methods 0.000 description 1
- 229910000595 mu-metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000002432 robotic surgery Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретението се отнася до интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, приложимо в областта на сензориката; роботиката и мехатрониката включително роботизираната и минимално инвазивната хирургия; биомедицината; квантовата комуникация; системите за сигурност с изкуствен интелект и военното дело; електромобилите и хибридните превозни средства; безпилотните летателни апарати; машиностроенето и автоматизацията на производството; безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания; слабополевата магнитометрия; енергетиката; контратероризма включително подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция; навигацията и др.The invention relates to an integrated Hall sensor with plane sensitivity applicable in the field of sensorics; robotics and mechatronics, including robotic and minimally invasive surgery; biomedicine; quantum communication; security systems with artificial intelligence and military affairs; electric cars and hybrid vehicles; unmanned aerial vehicles; machine building and production automation; non-contact measurement of angular and linear displacements; low-field magnetometry; energy; counter-terrorism including underwater, ground and air surveillance and prevention; navigation, etc.
ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАBACKGROUND OF THE INVENTION
Известен е интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ две еднакви полупроводникови подложки с и-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно и токоизточник. Върху едната страна на всяка от подложките последователно от ляво на дясно и на равни разстояния са формирани по пет правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - първи, втори, трети, четвърти и пети. Първите и петите, и съответно вторите и четвъртите контакти са симетрични спрямо третите. Първите и петите контакти са свързани помежду си. Вторият контакт на първата подложка е съединен с четвъртия на втората, а четвъртият контакт на първата подложка — с втория контакт на втората. Двата извода на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт на първата подложка. Диференциалният изход на сензора на Хол са двата централни контакта като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите, [1-7].An integrated Hall sensor with plane sensitivity is known, containing two identical semiconductor pads with i-type impurity conductivity - first and second, located in parallel and a current source. On one side of each of the pads, five rectangular ohmic contacts are formed successively from left to right and at equal distances, parallel to their long sides - first, second, third, fourth and fifth. The first and fifth, and the second and fourth contacts, respectively, are symmetrical with respect to the third. The first and fifth contacts are interconnected. The second contact of the first pad is connected to the fourth of the second, and the fourth contact of the first pad is connected to the second contact of the second. The two terminals of the current source are connected to the second and fourth contact of the first pad. The differential output of the Hall sensor are the two central contacts and the measured magnetic field is parallel to both the planes of the pads and the long sides of the contacts, [1-7].
Недостатък на този интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност е ниската преобразувателна ефективност (магниточувствителност) поради планарно разположените върху една и съща повърхност на подложките на входните и изходните контакти като захранващият ток протича в по-голямата си част хоризонтално. Действието на магнитното поле чрез отклоняващата сила на Лоренц върху хоризонталния ток е несъществено и чувствителността се генерира от вертикалната компонента на тока.The disadvantage of this integrated Hall sensor with plane sensitivity is the low conversion efficiency (magnetic sensitivity) due to the planned on the same surface of the pads of the input and output contacts as the supply current flows for the most part horizontally. The action of the magnetic field by the Lorentz deflection force on the horizontal current is insignificant and the sensitivity is generated by the vertical component of the current.
Недостатък е също усложнената конструкция на сензора, съдържаща десет контакта с общо четири връзки между тях, които ограничават технологичната реализация чрез интегралните микроелектронни процеси.Another disadvantage is the complicated design of the sensor, containing ten contacts with a total of four connections between them, which limit the technological implementation through integrated microelectronic processes.
Недостатък е още понижената измервателна точност поради ниската чувствителност и повишеното ниво на собствения Ι/f (фликер) шум от преминаването на хоризонталната компонента на захранващия ток през изходните Холови контакти.Another disadvantage is the reduced measurement accuracy due to the low sensitivity and the increased level of intrinsic Ι / f (flicker) noise from the passage of the horizontal component of the supply current through the output Hall contacts.
ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE
Задача на изобретението е да се създаде интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, който да е с висока преобразувателна ефективност (магниточувствителност), опростена конструкция чрез намаляване на броя на контактите и връзките между тях, и повишена измервателна точност чрез редуциране на собствения Ι/f шум.The object of the invention is to provide an integrated Hall sensor with plane sensitivity, which has a high conversion efficiency (magnetic sensitivity), a simplified design by reducing the number of contacts and connections between them, and increased measurement accuracy by reducing its own Ι / f noise.
Тази задача се решава с интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ две полупроводникови подложки с и-тип примесна проводимост, разположени успоредно - първа и втора, и токоизточник. Върху едната страна на всяка подложка са формирани последователно от ляво надясно пет и съответно три омични правоъгълни контакти, успоредно на дългите си страни - първи, втори, трети, четвърти и пети на първата подложка, и първи, втори и трети на втората. Третият контакт на първата и вторият контакт на втората подложка са централни като спрямо тях първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт на първата подложка както първият и третият контакт на втората са разположени симетрично. В близост до двете дълги страни на централните контакти, успоредно и на равни разстояния от тях има по една дълбока зона с р-тип примесна проводимост, чиято дължина е равна на тази на третите контакти. Двата извода на токоизточника са свързани с централните контакти. Първият контакт на първата подложка е съединен с първия контакт на втората, а петият контакт на първата е свързан с третия контакт на втората подложка. Първият и четвъртият, и съответно вторият и петият контакт на първата подложка са съединени. Диференциалният изход на сензора на Хол са първият и третият контакт на втората подложка, а измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.This problem is solved with an integrated Hall sensor with plane sensitivity, containing two semiconductor pads with i-type impurity conductivity, located in parallel - first and second, and a current source. On one side of each pad are formed successively from left to right five and three ohmic rectangular contacts, respectively, parallel to their long sides - first, second, third, fourth and fifth on the first pad, and first, second and third on the second. The third contact of the first and second contacts of the second pad are central and relative to them the first and fifth, and respectively the second and fourth contacts of the first pad as the first and third contacts of the second are arranged symmetrically. Near the two long sides of the central contacts, parallel and at equal distances from them, there is a deep zone with p-type impurity conductivity, the length of which is equal to that of the third contacts. The two terminals of the power source are connected to the central contacts. The first contact of the first pad is connected to the first contact of the second, and the fifth contact of the first is connected to the third contact of the second pad. The first and fourth, and respectively the second and fifth contacts of the first pad are connected. The differential output of the Hall sensor is the first and third contacts of the second pad, and the measured magnetic field is parallel to both the planes of the pads and the long sides of the pins.
Предимство на изобретението е повишената магниточувствителност в резултат на: 1. силно редуцираните хоризонтални компоненти на захранващия ток в двете подложки от формираните дълбоки р-тип зони откъм дългите страни на централните контакти, определящи проникването на захранващия ток дълбоко в обема на структурите и способстващи за доминиране на магнитноуправляемите вертикални компонети; 2. близко разположените първи и втори, и съответно четвърти и пети контакт на първата подложка чрез свързването си обединяват значителните съпосочни изменения в магнитно поле на вертикалните токови компоненти, генерирани от Лоренцовото им отклонение.An advantage of the invention is the increased magnetic sensitivity as a result of: 1. the strongly reduced horizontal components of the supply current in the two substrates from the formed deep p-type zones on the long sides of the central contacts, determining the penetration of the supply current deep into the volume of structures of magnetically controlled vertical components; 2. the closely spaced first and second, and respectively fourth and fifth contacts of the first substrate by their connection unite the significant directional changes in the magnetic field of the vertical current components, generated by their Lorentz deviation.
Предимство е също опростената конструкция на сензора на Хол, съдържаща общо осем, вместо десет омични контакта, което спомага за технологичната реализация.Another advantage is the simplified design of the Hall sensor, containing a total of eight instead of ten ohmic contacts, which contributes to the technological implementation.
Предимство е още редуцираният Ι/f фликер шум чрез сензорната конструкция, съдържаща дълбоки /?-тип ограждащи зони, равни по дължина на централните контакти, което драстично редуцира хоризонталните токови компоненти, за да не преминават те през изходните контакти.Another advantage is the reduced Ι / f flicker noise through the sensor construction, containing deep /? - type enclosing zones equal in length to the central contacts, which drastically reduces the horizontal current components so that they do not pass through the output contacts.
Предимство освен това е повишената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция в резултат на увеличеното отношение сигнал/шум посредством високата чувствителност и редуцирания фликер шум.An advantage is also the increased resolution when measuring the minimum magnetic induction as a result of the increased signal-to-noise ratio by means of the high sensitivity and the reduced flicker noise.
Предимство е и високата измервателна точност в резултат на нарастналата чувствителност и редуцирания ί/f шум от отстраненото преминаване на хоризонталните компоненти на захранващия ток през контактите.Another advantage is the high measuring accuracy as a result of the increased sensitivity and the reduced ί / f noise from the removed passage of the horizontal components of the supply current through the contacts.
Предимство е и минимизираният паразитен офсет на изхода чрез непосредствените връзки на двойките контакти на първата подложка, компенсиращи неминуеми паразитни потенциали и подобряващи електрическата симетрия спрямо изхода.Another advantage is the minimized parasitic offset of the output through the direct connections of the contact pairs of the first substrate, compensating for inevitable parasitic potentials and improving the electrical symmetry with respect to the output.
Предимство е също така повишената стабилност на изходното напрежение към температурни флуктуации поради функционирането на сензора на Хол в режим генератор на ток, формиран от вътрешните съпротивления на подложките.Another advantage is the increased stability of the output voltage to temperature fluctuations due to the operation of the Hall sensor in the current generator mode formed by the internal resistances of the pads.
ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURES
По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1, представляваща напречното сечение на интегралния сензор на Хол.The invention is illustrated in more detail by an embodiment thereof, given in the attached Figure 1, representing the cross section of the integrated Hall sensor.
ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕEXAMPLES OF IMPLEMENTATION
Интегралният сензор на Хол с равнинна чувствителност съдържа две полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост, разположени успоредно - първа 1 и втора 2, и токоизточник 3. Върху едната страна на подложките 1 и 2 са формирани последователно от ляво надясно пет и съответно три омични правоъгълни контакти, успоредни на дългите си страни - първи 4, втори 5, трети 6, четвърти 7 и пети 8 на първата подложка 1, и първи 9, втори 10 и трети 11 на втората 2. Третият контакт 6 на първата 1 и вторият контакт 10 на втората подложка 2 са централни като спрямо тях първият 4 и петият 8, и съответно вторият 5 и четвъртият 7 контакт на първата подложка 1 както първият 9 и третият 11 контакт на втората 2 са разположени симетрично. В близост до двете дълги страни на централните контакти 6 и 10, успоредно и на равни разстояния от тях има по една дълбока зона 12 с р-тип примесна проводимост, чиято дължина е равна на тази на контакти 6 и 10. Двата извода на токоизточника 3 са свързани с централните контакти 6 и 10. Първият контакт 4 на първата подложка 1 е съединен с първия контакт 9 на втората 2, а петият контакт 8 на първата 1 е свързан с третия контакт 11 на втората подложка 2. Първият 4 и четвъртият 7 контакт, и съответно вторият 5 и петият 8 контакт на първата подложка 1 са съединени. Диференциалният изход 13 на сензора на Хол са първият 9 и третият 11 контакт на втората подложка 2, а измерваното магнитно поле 14 е успоредно както на равнините на подложките 1 и 2, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11.The integrated Hall sensor with plane sensitivity contains two semiconductor pads with p-type impurity conductivity, located in parallel - first 1 and second 2, and current source 3. On one side of the pads 1 and 2 are formed successively from left to right five and respectively three ohmic rectangular contacts parallel to their long sides - first 4, second 5, third 6, fourth 7 and fifth 8 on the first pad 1, and first 9, second 10 and third 11 on the second 2. The third contact 6 on the first 1 and the second contact 10 on the second pad 2 are central and the first 4 and the fifth 8, and respectively the second 5 and the fourth 7 contacts of the first pad 1 as well as the first 9 and the third 11 contacts of the second 2 are arranged symmetrically. Near the two long sides of the central contacts 6 and 10, in parallel and at equal distances from them there is a deep zone 12 with p-type impurity conductivity, the length of which is equal to that of contacts 6 and 10. The two terminals of the current source 3 are connected to the central contacts 6 and 10. The first contact 4 of the first substrate 1 is connected to the first contact 9 of the second 2, and the fifth contact 8 of the first 1 is connected to the third contact 11 of the second substrate 2. The first 4 and fourth 7 contacts , and respectively the second 5 and the fifth 8 contacts of the first pad 1 are connected. The differential output 13 of the Hall sensor are the first 9 and third 11 contacts of the second pad 2, and the measured magnetic field 14 is parallel to both the planes of the pads 1 and 2 and the long sides of the pins 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11.
Действието на интегралния сензор на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното. При включване на централните контакти 6 и 10 към токоизточника 3, и свързването на електроди 4с9, 8 с 11, 4 със 7, и 5 с 8 съгласно Фигура 1, в обемите на двете подложки 1 и 2 протичат токовете Дл, /б,5и - Ь,ъ - Ц#,и съответно и -/10,11. Поради симетрията на структури 1 и 2 спрямо контакти 6 и 10, и способът на свързване, тези токови компоненти са равни и противоположно насочени. Траекториите на електроните в подложки 1 и 2 са криволинейни, тъй като в отсъствие на магнитно поле В 14 омичните планарни контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11, през които протичат захранващите токови компоненти са еквипотенциални равнини. Ето защо токовите линии първоначално са перпендикулярни на горните повърхности на подложки 1 и 2, след което променят посоката си и в определен участък в обемите им са успоредни на горните равнини. Освен това дълбоките р-тип ограждащи зони 12, равни по дължина на правоъгълните централни контакти 6 и 10 не позволяват наличие на хоризонтални токови компоненти по повърхността на структурите 1 и 2. Обикновено, съобразно използаваната силициева технология, дълбочината на р-зоните 12 варира до около 12-15 цт. В резултат дълбочината на проникване w на токовите линии при фиксирана концентрация на легиращата донорна примес ND в и-тип Si подложки 1 и 2 зависи и от съотношението М между ширината 1\ на контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11, и разстоянията 12 между тях, Μ = /ι//2, [1, 2, 5 - 7]. Максималната дълбочина w при най-често използваната в микроелектрониката концентрация на легиращи донорни примеси ND ~ 1015 cm'3 в Si и ширина на контактите до около 5-10 цш съставлява около w ~ 30 - 40 рш. Същевременно подложка 2 с контакти 9, 10 и 11 представлява първият равнинно-чувствителен микросензор на Хол с три омични контакти. Този клас елементи са създадени и развити от Руменин и Лозанова, [5, 8 - 10]. Товарните резистори, които се включват в крайните електроди 9 и 11 на тези микросензори, [8], в новото решение от Фигура 1 са заменени с вътрешните съпротивления R9>i0, Rio.ii» R4,6 и R6,s на двете подложки 1 и 2. Тези резистори обуславят работен режим генератор на ток. Съпротивленията R910 = Rio,и и R4,6 = Re,8 са еднакви поради структурната симетрия на подложките 1 и 2 спрямо контакти 10 и 6. Обикновено на диференциалния изход VH(B) = V9,n(B) 13, формиран от контакти 9 и 11, в отсъствие на външно магнитно поле В 14, В = 0, присъства несвързано с магнитната индукция паразитно напрежение или офсет. Неговото минимизиране в нашия случай се постига чрез иновативното решение от Фигура 1. Непосредствените връзки на двойките контакти 4 - 7 и 5 - 8 окъсяват паразитните офсет-потенциали в структури 1 и 2 спрямо потенциалите на изходни контакти 9 и 11 чрез протичането на изравняващи токове. Такава възможност отсъства в известното решение.The operation of the integral Hall sensor with plane sensitivity according to the invention is as follows. When the central contacts 6 and 10 are connected to the current source 3, and the electrodes 4c9, 8 to 11, 4 to 7, and 5 to 8 are connected according to Figure 1, the currents D1, / b, 5 flow in the volumes of the two pads 1 and 2. and - b, b - C #, and respectively and - / 10,11. Due to the symmetry of structures 1 and 2 with respect to contacts 6 and 10, and the method of connection, these current components are equal and oppositely directed. The trajectories of the electrons in pads 1 and 2 are curvilinear, because in the absence of magnetic field B 14 the ohmic planar contacts 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11 through which the supply current components flow are equipotential planes. Therefore, the current lines are initially perpendicular to the upper surfaces of pads 1 and 2, then change their direction and in a certain area in their volumes are parallel to the upper planes. In addition, the deep p-type enclosing zones 12, equal in length to the rectangular central contacts 6 and 10, do not allow the presence of horizontal current components on the surface of the structures 1 and 2. Usually, according to the silicon technology used, the depth of the p-zones 12 varies up to about 12-15 cm. As a result, the penetration depth w of the current lines at a fixed concentration of the doping donor impurity ND in i-type Si pads 1 and 2 also depends on the ratio M between the width 1 \ of contacts 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11, and the distances 12 between them, Μ = / ι // 2, [1, 2, 5 - 7]. The maximum depth w at the most commonly used in microelectronics concentration of alloying donor impurities ND ~ 10 15 cm ' 3 in Si and contact width up to about 5-10 μm is about w ~ 30 - 40 μm. At the same time, pad 2 with contacts 9, 10 and 11 represents the first plane-sensitive Hall microsensor with three ohmic contacts. This class of elements was created and developed by Rumenin and Lozanova, [5, 8 - 10]. The load resistors that are connected to the end electrodes 9 and 11 of these microsensors, [8], in the new solution of Figure 1 are replaced by the internal resistances R9> i 0 , Rio.ii »R4,6 and R 6 , s of both pads 1 and 2. These resistors determine the operating mode of the current generator. The resistances R 910 = Rio, and and R4,6 = Re, 8 are the same due to the structural symmetry of the pads 1 and 2 with respect to contacts 10 and 6. Usually at the differential output V H (B) = V 9 , n (B) 13, formed by contacts 9 and 11, in the absence of an external magnetic field B 14, B = 0, a parasitic voltage or offset unrelated to the magnetic induction is present. Its minimization in our case is achieved by the innovative solution of Figure 1. The direct connections of the pairs of contacts 4 - 7 and 5 - 8 shorten the parasitic offset potentials in structures 1 and 2 to the potentials of output contacts 9 and 11 by the flow of equalizing currents. Such a possibility is absent in the known decision.
Режимът генератор на ток, който се осъществява едновременно за двете структури 1 и 2 стабилизира температурния дрейф на изхода 13 на сензора от въздействието на температурата Т. Това се дължи на ясно регламентираното влияние при такъв работен режим на температурата Т върху кинетичните и галваномагнитните процеси в полупроводниковите структури, [5].The current generator mode, which is carried out simultaneously for both structures 1 and 2, stabilizes the temperature drift at the output 13 of the sensor from the influence of temperature T. This is due to the clearly regulated influence of such operating temperature T on the kinetic and galvanomagnetic processes in semiconductors. structures, [5].
При наличие на външно магнитно поле В 14, в подложките 1 и 2, формиращи интегралния сензор и представляващи петконтактен и триконтактен елемент на Хол, токовите компоненти Дд, /б,5, - /б,7> - и съответно /ю,9 и -/10,11 са подложени на отклоняващото странично действие на силите на Лоренц Рщ [1, 2, 5 - 10]. Топологията на токовите линии в резултат на оригинално видоизменената приборна конструкция 1 е основно вертикална в зоните на контакти 4 и 5, както 7 и 8. Същевременно двойките електроди 4-5и7-8са разположени достатъчно близко един до друг. Ето защо Лоренцовото отклонение на токовите линии, в зависимост от полярностите на токоизточника Es 3 и на магнитното поле В 14, води до съществено изменение на токовете през контактите. Например, компоненти - АЩВ) и - намаляват, а компоненти + \Ц(В) и + нарастват. Промяната на тези токове е с една и съща стойност. Следователно чрез свързването на контакти 4 - 7 и 5 - 8 се обединяват съществените съпосочни изменения в магнитно поле В 14 на токовите компоненти през тях. Аналогична е ситуацията и за конфигурация 2 с токовете през контакти 9 и 11 в поле В 14. Чрез товарните резистори Rg,io, Rio,n, ^4,6 и R6,8 измененията на токовете на Хол се трансформират в промяна на изходното напрежение V^(B) = Vg^(B). Ето защо решението от Фигура 1 води до съществето нарастване на магниточувствителността на сензора. Новата конфигурация е с опростена конструкция. Тя съдържа осем контакта и намален брой връзки, което улеснява технологичната й реализация. Драстичното минимизиране на хоризонталните магнитнонеуправляеми токови компоненти в двете подложки 1 и 2 редуцира преминаването им през изходните контакти 4 и 5, и 7 и 8. По тази причина собственият Ι/f шум е редуциран. Вече не се налага за намаляването му прилагане на метода токов спининг [1, 6, 7], изискващ допълнителни схемни ресурси, повишаване на ефективната площ на чипа и допълнителна консумация на захранваща мощност като отделящата се топлина води до влошаване на метрологичното качество на изходния сигнал. Едновременно с увеличената магниточувствителност и повишеното отношение сигнал/шум нараства и резолюцията при детектиране на минималната магнитна индукция Bmin, което е ключова характеристика за целите на слабополевата магнитометрия. От друга страна точността нараства поради синергията на висока чувствителност, намален паразитен офсет, редуциран шум и температурна стабилизация на изхода 13.In the presence of an external magnetic field B 14, in the pads 1 and 2, forming the integrated sensor and representing a five-contact and three-contact Hall element, the current components Dd, / b, 5, - / b, 7> - and respectively / y, 9 and - / 10,11 are subjected to the deflecting side action of the Lorentz forces Рщ [1, 2, 5 - 10]. The topology of the current lines as a result of the originally modified instrument structure 1 is mainly vertical in the areas of contacts 4 and 5, as well as 7 and 8. At the same time, the pairs of electrodes 4-5 and 7-8 are located close enough to each other. Therefore, the Lorentz deviation of the current lines, depending on the polarities of the current source Es 3 and the magnetic field B 14, leads to a significant change in the currents through the contacts. For example, components - ASB) and - decrease, and components + \ C (B) and + increase. The change of these currents has the same value. Therefore, by connecting contacts 4 - 7 and 5 - 8, the significant directional changes in the magnetic field B 14 of the current components through them are combined. The situation is similar for configuration 2 with the currents through contacts 9 and 11 in field B 14. Through the load resistors Rg, io, Rio, n, ^ 4,6 and R6, 8 the changes of the Hall currents are transformed into a change of the output voltage V ^ (B) = Vg ^ (B). Therefore, the solution of Figure 1 leads to a substantial increase in the magnetic sensitivity of the sensor. The new configuration has a simplified construction. It contains eight contacts and a reduced number of connections, which facilitates its technological implementation. The drastic minimization of the horizontal magnetically uncontrolled current components in the two pads 1 and 2 reduces their passage through the output contacts 4 and 5, and 7 and 8. For this reason, the intrinsic Ι / f noise is reduced. It is no longer necessary to reduce its application of the current spinning method [1, 6, 7], which requires additional circuit resources, increasing the effective chip area and additional power consumption as the heat output leads to deterioration of the metrological quality of the output signal. . Simultaneously with the increased magnetosensitivity and the increased signal-to-noise ratio, the resolution in detecting the minimum magnetic induction B m i n also increases , which is a key characteristic for the purposes of low-field magnetometry. On the other hand, the accuracy increases due to the synergy of high sensitivity, reduced parasitic offset, reduced noise and temperature stabilization of the output 13.
Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната конструкция, нестандартното свързване на контактите 4 със 7, и 5 с 8 както и близкото им разположение. Само чрез модифициране на приборната конструкция и без използване на допълнителни схемни подходи са постигнати висока чувствителност и отношение сигнал/шум, офсетът и температурният дрейф са редуцирани и метрологичната точност е повишена.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the original construction, the non-standard connection of the contacts 4 with 7, and 5 with 8 as well as their close location. Only by modifying the instrument design and without the use of additional circuit approaches, high sensitivity and signal-to-noise ratio are achieved, offset and temperature drift are reduced and metrological accuracy is increased.
Интегралният сензор на Хол се реализира с CMOS, BiCMOS или микромашининг микроелекгронни технологии като двете преобразувателни зони на петконтакгния и триконтактния елемент 1 и 2 представляват дълбоки и-тип силициеви джобове в /лтип подложки. Омичните контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 представляват силно легирани п+ области, формирани най-често с епитаксия. Микросензорът на Хол може да функционира в широк температурен интервал, включително в криогенна среда, което драстично повишава чувствителността и редуцира шума, подобрявайки като цяло неговия перформанс в приложенията. За още по-висока преобразувателна ефективност за целите на слабополевата магнитометрия, контратероризма и навигацията, чипът с подложките (например п-тип силициевите джобове) 1 и 2 може да се разположи между два еднакви концентратори на полето В 14 от ферит или μ-метал. Новото сензорно решение е базово за изграждане на високочувствителни 2D и 3D магнитометри.The integrated Hall sensor is realized with CMOS, BiCMOS or micromachining microelectronic technologies as the two conversion zones of the five-contact and three-contact elements 1 and 2 are deep i-type silicon pockets in / ltype pads. The ohmic contacts 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11 represent highly doped n + regions, most commonly formed by epitaxy. The Hall microsensor can operate over a wide temperature range, including in a cryogenic environment, which dramatically increases sensitivity and reduces noise, improving overall performance in applications. For even higher conversion efficiency for low-field magnetometry, counterterrorism and navigation, the pad chip (eg n-type silicon pockets) 1 and 2 can be located between two identical ferrite or μ-metal field B concentrators. The new sensor solution is basic for building highly sensitive 2D and 3D magnetometers.
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] R. Popovic, The vertical Hall-effect device, IEEE Electron Device Letters, 5(9) (1984) pp. 357-358.[2] R. Popovic, The vertical Hall-effect device, IEEE Electron Device Letters, 5 (9) (1984) pp. 357-358.
[3] R. Popovic, “Integrated Hall element”, US Patent 4 782 375/01.11.1988.[3] R. Popovic, “Integrated Hall element”, U.S. Patent 4,782,375 / November 1, 1988.
[4] 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] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, “Numerical modeling of vertical Hall-effect devices”, IEEE Electron Device Letters, 5 (9) (1984) pp. 482-484.
[5] Ch. Roumenin, “Solid State Magnetic Sensors”, Elsevier, 1994, p. 417, ISBN: 0 444 89401 2; “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.[5] Ch. Roumenin, “Solid State Magnetic Sensors”, Elsevier, 1994, p. 417, ISBN: 0 444 89401 2; “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] S. Oh, D. Hvang, H. Chae, ,,4-Contact structure of vertical-type CMOS Hall device for 3-D magnetic sensor”, IEICE Electr. Expr., 16 (4) (2018) pp.1-8.[6] S. Oh, D. Hwang, H. Chae, “4-Contact structure of vertical-type CMOS Hall device for 3-D magnetic sensor”, IEICE Electr. Expr., 16 (4) (2018) pp.1-8.
[7] C. Sander, M.-C. Vecchi, M. Cornils, O. Paul, „From three-contact vertical Hall elements to symmetrized vertical Hall sensors with low offset”, Sens. Actuat., A 240 (2016) pp. 92-102.[7] C. Sander, M.-C. Vecchi, M. Cornils, O. Paul, “From three-contact vertical Hall elements to symmetrized vertical Hall sensors with low offset”, Sens. Actuat., A 240 (2016) pp. 92-102.
[8] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, „Планарен датчик на Хол”, Авт. свид. № BG 37208 В1/26.12.1983.[8] Ch.S. Rumenin, P.T. Kostov, "Planar Hall Sensor", Author. witness. № BG 37208 B1 / 26.12.1983.
[9] S. Lozanova, С. Roumenin, Parallel-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors Journ., 9(7) (2009) pp. 761-766.[9] S. Lozanova, S. Roumenin, Parallel-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors Journ., 9 (7) (2009) pp. 761-766.
[10] C.S. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sensors and Actuators, A 30 (1992) 77-87.[10] C.S. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sensors and Actuators, A 30 (1992) 77-87.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG113014A BG67386B1 (en) | 2019-10-16 | 2019-10-16 | Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG113014A BG67386B1 (en) | 2019-10-16 | 2019-10-16 | Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BG113014A true BG113014A (en) | 2021-04-29 |
BG67386B1 BG67386B1 (en) | 2021-11-15 |
Family
ID=77179782
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BG113014A BG67386B1 (en) | 2019-10-16 | 2019-10-16 | Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
BG (1) | BG67386B1 (en) |
-
2019
- 2019-10-16 BG BG113014A patent/BG67386B1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
BG67386B1 (en) | 2021-11-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9252355B2 (en) | Low offset and high sensitivity vertical hall effect sensor | |
BG113014A (en) | Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
BG67250B1 (en) | Hall effect semiconductor device | |
BG113027A (en) | Hall effect element | |
BG113488A (en) | Planar magnetic-sensitive hall sensor | |
BG112991A (en) | Electronic device with planar magnetic sensitivity | |
BG112827A (en) | Integrated hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
BG112426A (en) | A plane magneto-sensitive microsystem of hall effect sensor | |
BG112808A (en) | Hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
BG113018A (en) | In-plane magnetosensitive hall effect device | |
BG112091A (en) | A surface-magnetically sensitive hall transformer | |
BG113056A (en) | Integrated hall effect sensor | |
BG112445A (en) | Magnetoresistive sensor | |
BG113272A (en) | Planar magnetically sensitive sensor | |
BG112436A (en) | In-plane sensitive magnetic-field hall device | |
BG112804A (en) | 2d hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
BG66711B1 (en) | Hall effect sensor with a tangential axis of magnetosensitivity | |
BG112442A (en) | Hall effect microsensor | |
BG112935A (en) | Hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
BG67298B1 (en) | Hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
BG67380B1 (en) | Two-dimensional magnetic field microsensor | |
BG113625A (en) | INTEGRAL HALL SENSOR WITH PLANE SENSITIVITY | |
BG112007A (en) | A plain magnetically sensitive hall’s effect sensor | |
BG112771A (en) | Hall sensor configuration with planar magnetic sensitivity | |
BG112918A (en) | Hall effect microsensor |