BG65231B1 - Magnetosensitive sensor - Google Patents

Magnetosensitive sensor Download PDF

Info

Publication number
BG65231B1
BG65231B1 BG106877A BG10687702A BG65231B1 BG 65231 B1 BG65231 B1 BG 65231B1 BG 106877 A BG106877 A BG 106877A BG 10687702 A BG10687702 A BG 10687702A BG 65231 B1 BG65231 B1 BG 65231B1
Authority
BG
Bulgaria
Prior art keywords
outputs
ohmic contacts
sensor
contacts
offset
Prior art date
Application number
BG106877A
Other languages
Bulgarian (bg)
Other versions
BG106877A (en
Inventor
Original Assignee
РУМЕНИН Чавдар
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by РУМЕНИН Чавдар filed Critical РУМЕНИН Чавдар
Priority to BG106877A priority Critical patent/BG65231B1/en
Publication of BG106877A publication Critical patent/BG106877A/en
Publication of BG65231B1 publication Critical patent/BG65231B1/en

Links

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

The magnetosensitive sensor has parallel axis of magnetic sensitivity, functioning on the basis of the principle of Hall. By it, electric control (including setting to zero) of the inevitable offset by changing the current values across the first and the second current source is possible. It has two equivalent outputs, reduced temperature drift of the outputs and improved measuring precision. The two separate outputs allow taking out the inverted output signals, which results in doubling the initial voltage and to serious reduction of the offset value and its temperature drift. The sensor comprises a semiconductor substrate (1), on one of its sides of which four ohmic contacts of rectangular shape are formed, positioned parallel to their long sides. The contacts are suitably connected with two independent current sources (6, 7), which operate in current generation mode. Outputs of the magnetic sensitive sensor are the second (3) and the third (4), and the first (2) and fourth (5) ohmic contacts, and the external magnetic field (10) is applied perpendicularly to the cross section of the substrate (1).

Description

Област на техникатаTechnical field

Изобретението се отнася до магниточувствителен сензор, приложим в контролно-измервателната техника, магнитометрията, системите за управление, микросистемите, сензориката, безконтактната автоматика, позиционирането на обекти в пространството, уредостроенето, военното дело и енергийната област.The invention relates to a magnetic-sensitive sensor, applicable in the control-measuring technique, magnetometry, control systems, microsystems, sensors, contactless automation, positioning of objects in space, landscaping, military affairs and the energy field.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно четири омични контакта с правоъгълна форма - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и третият омични контакти са захранващи и са свързани с клемите на токоизточник, а вторият и четвъртият омични контакти са изход на сензора. Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката [1,2].A magnetically sensitive sensor is known, comprising a semiconductor substrate of impurity type, on one side of which four rectangular ohmic contacts, first, second, third and fourth, parallel to their long sides, are formed on one side at a distance. The first and third ohmic contacts are power and connected to the terminals of the power source, and the second and fourth ohmic contacts are the output of the sensor. The external magnetic field is applied perpendicular to the cross-section of the support [1,2].

Недостатък на този магниточувствителен сензор е невъзможността за електрическо нулиране (или управление) на неминуемия остатъчен паразитен сигнал на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет), съществено редуциращ точността на измерване и повишаващ температурния дрейф на изхода.The disadvantage of this magnetically sensitive sensor is the inability to electrically reset (or control) the inevitable residual parasitic output signal in the absence of a magnetic field (offset), which significantly reduces the measurement accuracy and increases the temperature drift of the output.

Техническа същност на изобретениетоSUMMARY OF THE INVENTION

Задача на изобретението е да се създаде магниточувствителен сензор с електрически отстраним (или управляем) офсет, минимизиран температурен дрейф на изхода и с повишена точност на измерване.It is an object of the invention to provide a magnetically sensitive sensor with electrically removable (or controllable) offset, minimized temperature drift at the outlet and with increased measurement accuracy.

Тази задача се решава с магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно четири омични контакта с правоъгълна форма - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и третият омичен контакт са свързани през първи токоизточник в ре жим генератор на ток. Вторият и четвъртият омичен контакт са свързани през втори токоизточник в режим генератор на ток. Полярностите на захранване на втория и третия омичен контакт съвпадат. Изходи намагниточувствителния сензор са съответно вторият и третият, и първият и четвъртият омични контакти. Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката.This problem is solved by a magnetic-sensing sensor containing a semiconductor substrate with impurity type, on one side of which four rectangular ohmic contacts - first, second, third and fourth, parallel to their long sides - are formed on one side at a distance. . The first and third ohmic contacts are connected through a first current source in a mode current generator. The second and fourth ohmic contacts are connected through a second current source in current generator mode. The polarity of the power supply of the second and third ohmic contacts is the same. The outputs of the magnetosensitive sensor are respectively the second and third, and the first and fourth ohmic contacts. The external magnetic field is applied perpendicular to the cross-section of the substrate.

Предимства на изобретението са възможността за електрическо управление (включително нулиране) на неминуемия офсет чрез промяна стойностите на двата тока през първия и втория токоизточници, наличието на два равнозначна изхода, редуцирани офсет и температурен дрейф, и повишена точност на измерване.Advantages of the invention are the possibility of electrically controlling (including resetting) the inevitable offset by changing the values of the two currents in the first and second sources, the presence of two equivalent outputs, reduced offset and temperature drift, and increased measurement accuracy.

Описание на приложените фигуриDescription of the attached figures

По-подробно изобретението се пояснява с приложените фигури, където фигура 1 представлява едно негово примерно изпълнение и фигура 2 илюстрира схемно решение, минимизиращо едновременно стойността на офсета и на температурния му дрейф.The invention is illustrated in more detail with the accompanying drawings, where figure 1 is an exemplary embodiment thereof and figure 2 illustrates a schematic solution that minimizes both the offset value and its temperature drift.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of carrying out the invention

Магниточувствителният сензор съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно четири омични контакти с правоъгълна форма - първи 2, втори 3, трети 4 и четвърти 5, разположени успоредно на дългите си страни. Първият 2 и третият 4 омични контакти са свързани през първи токоизточник 6 в режим генератор на ток. Вторият 3 и четвъртият 5 омични контакти са свързани през втори токоизточник 7 в режим генератор на ток. Полярностите на захранване на втория 3 и третия 4 омичен контакт съвпадат. Изходи 8 и 9 са съответно вторият 3 и третият 4, и първият 2 и четвъртият 5 омичен контакт. Външното магнитно поле 10 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката 1.The magnetosensitive sensor comprises a semiconductor support 1 with impurity conductivity, on one side of which four rectangular ohmic contacts - first 2, second 3, third 4 and fourth 5, parallel to its long sides - are formed on one side at a distance. The first 2 and the third 4 ohmic contacts are connected through a first current source 6 in current generator mode. The second 3 and fourth 5 ohmic contacts are connected through a second current source 7 in current generator mode. The polarity of the power supply of the second 3 and third 4 ohm contacts is the same. Outputs 8 and 9 are respectively the second 3 and third 4, and the first 2 and fourth 5 ohmic contacts. The external magnetic field 10 is applied perpendicular to the cross-section of the substrate 1.

Действието на магниточувствителния сензор, съгласно изобретението, е следното. При включване на първия 6 и втория 7 токоизточници в обема на сруктурата 1 възникват два тока 12 4 и 135. Поради еквипотенциалността на захран ващите омични контакти 2.3,4 и 5. траекториите на токовете през тях първоначално са перпендикулярни на повърхността на подложката 1 и проникват дълбоко в обема й. По тази причина кинетичните процеси в сензора са обемни. Двата захранващи тока 12 4 и 13 5 са независими един от друг, въпреки че протичат в една и съща област. Това се постига чрез режимите генератор на ток. Външното магнитно поле 10 индуцира върху граничните равнини ефект на Хол чрез силата на Лоренц, действаща върху двата независими тока 124 и 13 5. В резултат, върху горната повърхност на подложката 1, в зоните, където са разположени съответно контакти 3 и 4, и 2 и 5 възникват едновременно електрически товари с противоположен знак. Тяхната физическа регистрация става именно с изходи 8 и 9. Специфична особеност на този преобразувател е, че всички сензорни контакти 2,3,4 и 5 са едновременно и захранващи. За да се развият напълно напреженията на Хол, генерирани в структурата 1, посоките на токовете трябва да са съпосочни, т.е. контакти 3 и 4 да са с една и съща полярност. Осъществяването на това условие автоматически води до еднаква полярност и за другите два омични контакти 2 и 5.The action of the magnetosensitive sensor according to the invention is as follows. When the first 6 and second 7 sources are included in the volume of structure 1, two currents 1 2 4 and 1 35 occur. Due to the equipotentiality of the supply ohmic contacts 2.3,4 and 5., the trajectories of currents through them are initially perpendicular to the surface of the substrate 1 and penetrate deeply into its volume. Therefore, the kinetic processes in the sensor are volumetric. The two supply currents 1 2 4 and 1 3 5 are independent of each other, although they flow in the same region. This is achieved through current generator modes. The external magnetic field 10 induces a Hall effect on the boundary planes by the Lorentz force acting on the two independent currents 1 24 and 1 3 5 . As a result, electrical loads with opposite sign occur simultaneously on the upper surface of the substrate 1, in the zones where contacts 3 and 4, and 2 and 5 are respectively located. Their physical registration is done with the outputs 8 and 9. A specific feature of this converter is that all the sensor contacts 2,3,4 and 5 are both power supply. In order to fully develop the Hall voltages generated in structure 1, the directions of currents must be parallel, i.e. contacts 3 and 4 have the same polarity. The realization of this condition automatically results in the same polarity for the other two ohmic contacts 2 and 5.

Освен ефект на Хол, в поле 10 в структурата 1 възниква и магниторезистивен ефект, който е квадратична и четна функция на полето В. Това явление за сензора на Хол следва да се разглежда като паразитно, внасящ: силна нелинейноств предавателните характеристики. Двата диференциални изхода 8 и 9, обаче неутрализират синфазния (с един и същ знак) магниторезистивен сигнал. Следователно, равнозначните изходни напрежения V, 4(В) и V2 3(В) на новия сензор са линейни и знакът им зависи едновременно от посоките на магнитното поле 10 и на двата тока 124 и 13>5. Друга важна особеност на двата изхода 8 и 9 е, че при фиксирани посоки на магнитното поле 10 и на токове 12 4 и 133 те са инвертирани, т.е. полярностите им са с противоположен знак.In addition to the Hall effect, a magnetoresistive effect occurs in box 1 in structure 1, which is a quadratic and even function of field B. This phenomenon for the Hall sensor should be regarded as parasitic, introducing: strong nonlinear transmission characteristics. However, the two differential outputs 8 and 9 neutralize the common-mode (with the same sign) magnetoresistive signal. Therefore, the equivalent output voltages V, 4 (B) and V 2 3 (B) of the new sensor are linear and their sign depends simultaneously on the directions of the magnetic field 10 and the two currents 1 24 and 1 3> 5 . Another important feature of both outputs 8 and 9 is that at fixed directions of the magnetic field 10 and currents 1 2 4 and 1 33, they are inverted, i.e. their polarities are opposite.

Неочакваният положителен ефект от предложеното техническо решение се заключава във възможността чрез стойностите на двата независими тока 12,4 и 13 5 през захранващите/Холовите контакти 3 и 4, и 2 и 5 да се неутрализира (нулира) напълно паразитния офсет в отсъствие на магнитно поле 10. Основна причина за въз никването на офсета са неизбежните геометрични грешки в симетричното разположение на контактите при технологичната реализация на Хол елементите. Проведените експерименти показват, че двете изходни характеристики на новия магниточувствителен сензор при параметър захранващите токове 12 4 и 13 5, реализиран на основата на подложка 1 от n-Si с концентрация на легиращата примес η ~ 1015 сит3 са линейни и нечетни функции на магнитното поле 10. Това доказва еднозначно, че действието на новия преобразувател е ефектът на Хол. Чрез двата независими тока 12 4 и 13 5 се постига лесно нулиране на неминуемия офсет на двата изхода 8 и 9. Ако конкретно приложение изисква наличието на фиксирана стойност на офсета (например за целите на безконтактните ключови устройства), тя лесно се установява чрез вариране на двата тока през токоизточници 6 и 7. Нулирането на офсета на двата изхода 8 и 9 повишава точността на измерване на магнитната индукция 10, което е сериозно предимство за целите на слабополевата магнитометрия. Тъй като температурният дрейф на диференциалните изходи на магниточувствителните полупроводникови сензори е пропорционален на стойността на самия офсет, възможността за нулиране на този паразитен остатъчен сигнал подобрява с повече от порядък температурната стабилност на изходи 8 и 9.The unexpected positive effect of the proposed technical solution is the possibility of neutralizing (zeroing) the completely spurious offset in the absence of the two independent currents 1 2 , 4 and 1 3 5 through the supply / Hall contacts 3 and 4 and 2 and 5. magnetic field 10. The main reason for the occurrence of the offset is the inevitable geometric errors in the symmetrical arrangement of the contacts in the technological implementation of the Hall elements. The experiments performed show that the two output characteristics of the new magnetosensitive sensor at the parameter supply currents 1 2 4 and 1 3 5 realized on the basis of n-Si substrate 1 with a dopant concentration η ~ 10 15 sit 3 are linear and odd functions of the magnetic field 10. This proves unambiguously that the action of the new converter is the Hall effect. Both independent currents 1 2 4 and 1 3 5 make it easy to reset the imminent offset of both outputs 8 and 9. If a particular application requires a fixed offset value (for example, for the purposes of contactless key devices), it is easily established by varying the two currents through current sources 6 and 7. Resetting the offset of both outputs 8 and 9 increases the measurement accuracy of the magnetic induction 10, which is a major advantage for low-field magnetometry. Since the temperature drift of the differential outputs of the magnetic-sensitive semiconductor sensors is proportional to the value of the offset itself, the ability to reset this parasitic residual signal improves by more than an order the temperature stability of outputs 8 and 9.

Наличието на два равнозначни, но с противоположна полярност изходи 8 и 9 предоставя една друга неочаквана възможност за минимизиране едновременно на самия офсет и на температурния му дрейф. За двете Холови напрежения от изходи 8 и 9 чрез токовете 124 и 135 се установява съотношението V34(B) =’- V25(lt). Освен това генерирането на двата изходни сигнала става от една и съща сензорна област. По тази причина офсетите на двата изхода 8 и 9 са почти с една и съща стойност. За тях е в сила съотношението V3 4(В = 0) V2 5(В = 0) като температурните им дрейфове са перфектно взаимно уеднаквени. В крайния изходен сигнал офсетът е неотличим от полезния магниточувствителен сигнал. Следователно, ако схемно от едното изходно напрежение V34(B) се извади другото V2 5(В), ще се получи удвоено Ходово напрежение с почти елиминиран офсет: VH=V3 4(В) - (-V3 4(В)) = 2V34(В) + (V34(B = 0) - V25(В = 0)). Ето защо остатъчният офсет след изваждане на два та изходни сигнала се очаква да бъде твърде нисък по стойност. Схемата, с която се решава тази задача, е показана на фигура 2. Тя съдържа магниточувствителния сензор, описан по-горе, двата изхода 8 и 9 на който са свързани съответно с двата входа на два операционни усилватели 11 и 12. Изходите 13 и 14 на тези операционни усилватели 11 и 12 са свързани с входа на трети операционен усилвател 15, изходът 16 на който е изход на магниточувствителния сензор. Експериментите показват, че остатъчният офсет на изхода 16 на операционен усилвател 15 е с около два порядъка по-нисък от този на изход 8 или 9, а температурното поведение на изход 16 съставлява около 20 - 30 микроУ/°С, което е също с около два порядъка по-ниско в сравнение със собствения температурен дрейф на изход 8 или 9 на сензора.The presence of two equal but opposite poles outputs 8 and 9 give each other an unexpected opportunity to minimize both its offset and its temperature drift. For the two Hall voltages from outputs 8 and 9, the currents V 24 (B) = '- V 25 (lt) are determined by the currents 1 24 and 1 35 . In addition, the generation of the two output signals comes from the same sensor area. For this reason, the offsets of both outputs 8 and 9 are almost the same value. For them, the ratio V 3 4 (B = 0) V 2 5 (B = 0) is valid and their temperature drifts are perfectly uniform. In the final output signal, the offset is indistinguishable from the useful magnetic-sensitive signal. Therefore, if the other V 2 5 (B) is subtracted schematically from one output voltage V 34 (B), then a double running voltage with almost eliminated offset will be obtained: V H = V 3 4 (B) - (-V 3 4 ( B)) = 2V 34 (B) + (V 34 (B = 0) - V 25 (B = 0)). Therefore, the residual offset after subtraction of two output signals is expected to be too low in value. The scheme by which this problem is solved is shown in Figure 2. It comprises the magnetosensitive sensor described above, the two outputs 8 and 9 of which are connected respectively to the two inputs of two operational amplifiers 11 and 12. Outputs 13 and 14 of these operational amplifiers 11 and 12 are connected to the input of a third operational amplifier 15, the output 16 of which is the output of the magnetosensitive sensor. The experiments show that the residual offset of the output 16 of the operational amplifier 15 is about two orders of magnitude lower than that of the output 8 or 9, and the temperature behavior of the output 16 is about 20-30 microU / ° C, which is also about two orders of magnitude lower than the sensor's own output drift 8 or 9.

Индустриалната реализация на новия сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност е на основата на стандартна силициева планарна технология. Също така могат да се използват различни модификации на CMOS процеси и микромашининг, ограничаващи активната преобразувателна област и водещи до по-нататъшна миниатюризация на магниточувствителния сензор. Перспективен полупроводников материал е също и n-GaAs.The industrial implementation of the new Hall sensor with a parallel axis of magnetic sensitivity is based on standard silicon planar technology. Various modifications to CMOS processes and micromachining can also be used, limiting the active conversion region and leading to the further miniaturization of the magnetosensitive sensor. A promising semiconductor material is also n-GaAs.

Claims (2)

Патентни претенцииClaims 1. Магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последова телно четири омични контакти с правоъгълна форма - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни, като първият и третият омични контакти са свързани през първи токоизточник, а външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката, характеризиращ се с това, че вторият (3) и четвъртият (5) омични контакти са свързани през втори токоизточник (7), като токоизточникът (6) и (7) са в режим генератор на ток, при което полярностите на захранване на втория (3) и третия (4) омични контакти съвпадат, а изходи (8) и (9) на магниточувствителния сензор са съответно вторият (3) и третият (4), и първият (2) и четвъртият(5) омични контакти.1. A magnetic sensing sensor comprising a semiconductor conductor of impurity type mixed on one side of which four rectangular ohmic contacts, first, second, third and fourth, parallel to their long sides, are formed alternately at distances from one another. the first and third ohmic contacts are connected through a first current source and the external magnetic field is applied perpendicular to the cross-section of the substrate, characterized in that the second (3) and fourth (5) ohmic contacts are connected or through a second power source (7), the power source (6) and (7) being in the current generator mode, where the polarity of the power supply of the second (3) and third (4) ohmic contacts coincide and the outputs (8) and ( 9) of the magnetosensitive sensor are respectively the second (3) and third (4), and the first (2) and fourth (5) ohmic contacts. 2. Магниточувствителен сензор, съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че двата му изхода (8 и 9) са свързани съответно с двата входа на два операционни усилватели (11 и 12), като изходите (13 и 14) на тези операционни усилватели (11 и 12) са свързани с входа на трети операционен усилвател (15), изходът (16) на който е изход на магниточувствителния сензор.A magnetosensitive sensor according to claim 1, characterized in that its two outputs (8 and 9) are connected respectively to the two inputs of two operational amplifiers (11 and 12), such as the outputs (13 and 14) of these operational amplifiers (11 and 12) are connected to the input of a third operational amplifier (15), the output (16) of which is the output of the magnetosensitive sensor.
BG106877A 2002-06-25 2002-06-25 Magnetosensitive sensor BG65231B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BG106877A BG65231B1 (en) 2002-06-25 2002-06-25 Magnetosensitive sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BG106877A BG65231B1 (en) 2002-06-25 2002-06-25 Magnetosensitive sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
BG106877A BG106877A (en) 2003-12-31
BG65231B1 true BG65231B1 (en) 2007-08-31

Family

ID=29783742

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BG106877A BG65231B1 (en) 2002-06-25 2002-06-25 Magnetosensitive sensor

Country Status (1)

Country Link
BG (1) BG65231B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BG65935B1 (en) * 2007-05-02 2010-05-31 Институт По Управление И Системни Изследвания При Бан Hall-effect micro converter

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BG41974A1 (en) * 1986-05-06 1987-09-15 Rumenin Hall sensor

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BG41974A1 (en) * 1986-05-06 1987-09-15 Rumenin Hall sensor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BG65935B1 (en) * 2007-05-02 2010-05-31 Институт По Управление И Системни Изследвания При Бан Hall-effect micro converter

Also Published As

Publication number Publication date
BG106877A (en) 2003-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1654552B1 (en) Method and apparatus for measuring a magnetic field by using a hall-sensor
CN110726423B (en) Hall sensor, corresponding device and method
BG65231B1 (en) Magnetosensitive sensor
RU2387046C1 (en) Integral electromagnetic transducer built around bipolar magnetic transistor
RU2453947C2 (en) Integrated gradient magnetic transistorised sensor
BG65935B1 (en) Hall-effect micro converter
BG67136B1 (en) The hall effect magnetometer
BG66403B1 (en) A hall micro-sensor with parallel axis of magnetic sensitivity
BG65340B1 (en) Magnetic gradiometer
Petoussis et al. „Novel Dynamic Technique Reducing the Offset Voltage in a Hall Effect Sensor”
BG65079B1 (en) Three-dimensional magnetosensitive microsystem
BG113273A (en) Magnetic field microsensor element
BG66281B1 (en) Bipolar magnetotransistor
BG67509B1 (en) Magnetic field sensing device
BG67508B1 (en) Planar magnetic field sensing element
BG66404B1 (en) Semiconductor hall element with a parallel axis of sensitivity
BG112687A (en) Magneto-sensitive element
BG67038B1 (en) A plane magneto-sensitive microsystem of hall effect sensor
BG66433B1 (en) Two-dimensional vector magnetometer
BG66804B1 (en) In-plane magnetosensitive hall effect device
BG65526B1 (en) Semiconductor magnetosensitive sensor
BG66560B1 (en) A duplex semiconductor hall sensor
Popovic et al. Integrated Hall magnetic sensors
BG65345B1 (en) Trimmer vector hall sensor
Petoussis et al. INTRODUCING A NEW HALL EFFECT SENSOR