BG65750B1

BG65750B1 - Two-component magnetometer

Info

Publication number: BG65750B1
Application number: BG109750A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Сия ЛОЗАНОВА
Original assignee: Институт По Управление И Системни Изследвания При Бан
Priority date: 2006-11-23
Filing date: 2006-11-23
Publication date: 2009-09-30
Also published as: BG109750A

Abstract

The two-component magnetometer comprises a p-type conductivity semiconducting pad (1) with an n-type epitaxial layer (2) on one side thereof, a current source (7), the measured external magnetic field lying in the semiconducting pad plane. The sensor is characterized by that the n-type epitaxial layer (2) consists of two equal and mutually perpendicular portions, close to each of the two ends of the n-type epitaxial layer (2) and on it there are formed feeding ohmic contacts (3 and 4), while in the middle of each of the mutually perpendicular portions there are located Hall contacts (5 and 6), the two feeding contacts (3 and 4) and further two trimmers (8 and 9) being coupled to the current source (7), whereat the middle points of the trimmers (8 and 9), respectively the Hall contacts (5 and 6) are the outputs (11 and 12) for the two mutually perpendicular components of the measured magnetic field (10).

Description

Изобретението се отнася до двукомпонентен магнитометър, приложимо в областта на безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, автоматиката, контролно-измервателната технология, сензориката, микросистемите, слабополеватамагнитометрия, позиционирането на обекти, военното дело и др.The invention relates to a two-component magnetometer applicable in the field of contactless measurement of angular and linear displacements, automation, control technology, sensors, microsystems, low-field magnetometry, object positioning, military affairs, etc.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е двукомпонентен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, като на едната й повърхност е образуван п-тип епитаксиален слой с форма на равностранен кръст. Върху п-тип слоя са реализирани един централен омичен контакт, на разстояния и симетрично спрямо централния контакт на четирите страни на кръстовидния п-слой са разположени последователно по един Холов контакт и още по един краен омичен контакт. Четирите крайни омични контакти са свързани и през токоизточник са съединени с централния омичен контакт. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка, а изходите за двете му взаимно перпендикулярни компоненти са съответно срещуположните спрямо централния омичен контакт Холови контакти [1-3].A two-component magnetometer is known, comprising a semiconductor substrate with p-type conductivity, with a n-type epitaxial layer shaped like an equilateral cross formed on one surface. One central ohmic contact is realized on the n-type layer, and one Hall contact and one final ohmic contact are arranged in a distance symmetrically with respect to the central contact on the four sides of the cruciform n-layer. The four terminal ohmic contacts are connected and connected through the source to the central ohmic contact. The measured external magnetic field lies in the plane of the semiconductor substrate, and the outputs for its two mutually perpendicular components are respectively opposite to the central ohmic contact Hall contacts [1-3].

Недостатъци на този двукомпонентен магнитометър са усложнената конструкция, съдържаща девет на брой контакти и оттук понижената разделителна способност, свързана с необходимостта от значителен размер на кръстовидната сензорна област, и наличие на начални паразитни напрежения (офсети) на двата изхода в отсъствие на външно магнитно поле, понижаващи точността на измерваните магнитни компоненти.The disadvantages of this two-component magnetometer are the complicated construction containing nine contacts and hence the reduced resolution associated with the need for a significant size of the cross-shaped sensor area, and the presence of initial parasitic voltages (offsets) at both outputs in the absence of an external magnetic field reducing the accuracy of the measured magnetic components.

Техническа същност на изобретениетоSUMMARY OF THE INVENTION

Задача на изобретението е да се създаде двукомпонентен магнитометър с опростена конструкция и отсъствие на начални паразитни напрежения (офсети) на двата изхода.It is an object of the invention to provide a two-component magnetometer with a simplified construction and the absence of initial spurious voltages (offsets) at both outputs.

Тази задача се решава с двукомпонентен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран п-тип епитаксиален слой, съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В близост до двата края на птип слоя и върху него са формирани по един захранващ омичен контакт, а по средите на взаимно перпендикулярните части по един Холов контакт. Двата захранващи контакта са съединени с генератор на постоянен ток, към който са свързани още и два тримера. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка, а изходите за двете му взаимно перпендикулярни компоненти са по една от средните точки на тримерите и съответно по един Холов контакт.This problem is solved with a two-component magnetometer containing a semiconductor substrate with p-type conductivity, on one side of which is formed a n-type epitaxial layer composed of two equal and mutually perpendicular parts. Near the two ends of the pty layer and on it are formed one power ohmic contact, and in the middle of the mutually perpendicular parts one Hall contact. The two power sockets are connected to a DC generator to which two trimmers are connected. The measured external magnetic field lies in the plane of the semiconductor substrate, and the exits for its two mutually perpendicular components are at one of the midpoints of the trimers and respectively at one Hall contact.

Предимства на изобретението са опростената конструкция, съдържаща само четири контакта, а оттук и повишената разделителна способност, както и отсъствието на офсети на двата изхода в отсъствие на магнитно поле, които се нулират с помощта на двата тримера.Advantages of the invention are the simplified construction containing only four contacts and hence the increased resolution, as well as the absence of offsets at the two outputs in the absence of a magnetic field, which are canceled by the two trimmers.

Пояснение на приложените фигуриExplanation of the annexed figures

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1.The invention is explained in more detail by an exemplary embodiment given in the annexed figure 1.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of carrying out the invention

Двукомпонентният магнитометър съдържа полупроводникова подложка 1 с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран п-тип епитаксиален слой 2, съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В близост до двата края на п-тип слоя 2 и върху него са формирани по един захранващ омичен контакт 3 и 4, а по средите на взаимно перпендикулярните части по един Холов контакт 5 и 6. Двата захранващи контакта 3 и 4 са съединени с генератор на постоянен ток 7, към който са свързани още и два тримера 8 и 9. Измерваното външно магнитно поле 10 лежи в равнината на полупроводниковата подложка 1, а изходите 11 и 12 за двете му взаимно перпендикулярни компоненти са по една от средните точки на тримерите 8 и 9, и съответно по един Холов контакт 5 и 6.The two-component magnetometer comprises a semiconductor support 1 with p-type conductivity, on one side of which a n-type epitaxial layer 2 is formed, consisting of two equal and mutually perpendicular parts. Near the two ends of the n-type layer 2 and on it are formed one power ohmic contact 3 and 4, and in the middle of the mutually perpendicular parts one Hall contact 5 and 6. The two power contacts 3 and 4 are connected to a generator DC 7 to which two trimers 8 and 9 are also connected. The measured external magnetic field 10 lies in the plane of the semiconductor substrate 1, and the exits 11 and 12 for its two mutually perpendicular components are at one of the midpoints of the trimmers 8 and 9 and one Hall contact 5 and 6 respectively.

Действието на двукомпонентния магнитометър, съгласно изобретението, е следното.The action of the two-component magnetometer according to the invention is as follows.

При включването на омични контакти 3 и 4 към генератора 7, протича захранващият ток ξ ₄ през взаимно перпендикулярните части на сенWhen the ohmic contacts 3 and 4 are connected to the generator 7, the supply current ξ ₄ flows through the mutually perpendicular portions of the

65750 Bl зора като 1_{3 4} ~ У_л, където V* е средната дрейфова скорост на електроните в п-тип епитаксиалния слой 2. При това посоката на токовите линии 1_{3 4} е строго регламентирана в двете части на сензора от добре дефинираната преобразувателна област в п-тип епитаксиалния слой 2, т.е. в двете равни части на п-слоя 2 посоките на тока 1_{3 4} са взаимно перпендикулярни и преминават под съответните Холови контакти 5 Н₍ и 6 Н₂. Токът 1_{3 4} генерира върху омичните Холови контакти 5 Н] и 6 Н₂ паразитни напрежения (офсети), нямащи отношение към метрологичното предназначение на сензора. Произходът им е от резистивния пад на захранващото напрежение V_{3 4}върху контактите 5 Н_; и 6 Н₂. Чрез вариране на двата тримера 8 и 9 се постига нулиране (компенсиране) на тези две паразитни напрежения на изходите 11 и 12. Такава възможност в известното до сега решение не съществува и паразитните офсети редуцират точността на двата изходни канала.65750 Bl dawn as 1 _{3 4} ~ U _l , where V * is the mean electron drift velocity in the n-type epitaxial layer 2. Here, the direction of the current lines 1 _{3 4} is strictly regulated in both parts of the sensor by the well-defined conversion region in the n-type epitaxial layer 2, i.e. in the two equal parts of p-layer 2 the current directions 1 _{3 4} are mutually perpendicular and pass under the corresponding Hol contacts 5 H ₍ and 6 H _2. The current 1 _{3 4} generates on ohmic Hol contacts 5 H] and 6 H ₂ parasitic voltages (offset) irrelevant to the metrological purpose of the sensor, originating from the resistive drop of the supply voltage V _{3 4} on the contacts 5 N _; and 6 H _2. By varying the two trimmers 8 and 9, the zeroing (compensation) of these two parasitic voltages at outputs 11 and 12. Such an option is known in the prior art we do not exist and parasitic offsets reduce the precision of the two output channels.

Когато се приложи външно магнитно поле 10 В, лежащо в равнината на полупроводниковата подложка 1, двете му ортогонални компоненти В_х и В_у (В = В_х + В_у) чрез съответните сили на Лоренц F_Lх и F_Ly отклоняват движещите се със скорост електрони в двете взаимно перпендикулярни части на епитаксиалния слой 2. Тези отклонения са или нагоре, където са формирани Холови контакти 5 H_t и 6 Н₂, или в противоположна посока - към подложката 1. В резултат върху Ходовите контакти 5 Н_; и 6 Н₂ едновременно се генерират както напрежения на Хол V_H1(В) и съответно У_т (В), които са линейни и нечетни от посоката на магнитни компоненти 10 ВWhen an external magnetic field of 10 V lying in the plane of the semiconductor substrate 1 is applied, its two orthogonal components B _x and B _y (B = B _x + B _y ), by the corresponding Lorentz forces F _Lx and F _Ly, deflect the moving velocities electrons in the two mutually perpendicular parts of the epitaxial layer 2. These deviations are either upwards, where Hol contacts 5 H _t and 6 H ₂ are formed, or in the opposite direction to the substrate 1. As a result, the Run contacts 5 H _; and 6 H _{2 are} simultaneously generated as Hall voltages _{H H1} (B) and respectively T _m (B), which are linear and odd in the direction of the 10 V magnetic components.

X и В_у, така и квадратично и четно от посоката на компоненти 10 В_х и В_у геометрично магниторезистивно напрежение У_ш ~ В². Магниторезистивният сигнал влошава метрологичното качество на изходи 11 и 12, тъй като е квадратичен и не се влияе от посоката на полето 10. За да останат само линейните Холови напрежения е наложително напрежението V_MR да бъде напълно компенсирано. В нашия случай това се постига автоматично, и е в резултат на подходящо включените тримери 8 и 9 и използваното захранване с генератор на постоянен ток 7. Ако офсетите на изходи 11 и 12 са предварително (в отсъствие на магнитно поле 10) нулирани чрез включените към захранващи контакти 3 и 4 тримери и 9, магниторезистивните потенциали, генерирани едновременно както върху Холовите контакти 5 и 6, така и върху средните точки на тримери 8 и 9 са еднакви по стойност. Ето защо на двата диференциални изхода 11 и 12 се постига пълно компенсиране на квадратичното магнитосъпротивление. Този положителен ефект ' е неочакван в рамките на поставената иновативна задача. Тъй като Холовите контакти 5 и 6 в двете части на епитаксиалния слой 2 са симетрично разположени, магниточувствителността на двата канала е една и съща, което е допълнително предимство на решението. Намаляването на броя на контактите повече от два пъти в новия 2D магнитометър е резултат от необичайната му геометрична форма. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле 10 В и ъгъла О на полето 10 В в х-у равнината на полупроводниковата подложка 1 се дават с изразите: |В| - (В_х ² + в;)¹'² и О = tan⁴ (V(B_y)/V(B_x)).X and B _y , both square and even from the direction of the components 10 V _x and B _y geometrically magnetoresistive voltage Y _w ~ B ² . The magnetoresistive signal impairs the metrological quality of outputs 11 and 12 because it is quadratic and is not affected by the direction of the field 10. In order to remain only linear Hall voltages, it is imperative that the V _MR voltage is fully compensated. In our case, this is achieved automatically, and is the result of the properly included trimmers 8 and 9 and the DC power supply 7 used. If the offsets of outputs 11 and 12 are pre-zeroed (in the absence of a magnetic field 10) by the ones included in the supply terminals 3 and 4 trimmers and 9, the magnetoresistive potentials generated simultaneously on the Hall contacts 5 and 6 and on the midpoints of trimmers 8 and 9 are equal in value. Therefore, at both differential outputs 11 and 12 complete quadratic magnetoresistance is achieved. This positive effect is unexpected in the context of the innovative task. Since the Hall contacts 5 and 6 in the two parts of the epitaxial layer 2 are symmetrically arranged, the magnetic sensitivity of the two channels is the same, which is an additional advantage of the solution. Reducing the number of contacts more than twice in the new 2D magnetometer is the result of its unusual geometric shape. The absolute value of the vector of the 10 V magnetic field and the angle O of the 10 V field in the x-y plane of the semiconductor substrate 1 are given by the expressions: | B | - (B _x ² + c;) ¹ ' ² and O = tan ⁴ (V (B _y ) / V (B _x )).

Проведените експерименти с образци на новия двукомпонентен магнитометър, реализирани на основата на стандартна силициева биполярна технология, съгласно изобретението, и сравняването на резултатите с тези за известното решение показват, че една и съща стойност на магниточувствителността се постига с новото техническо решение само с 4 контакта, докато за нивото тя е с 9. В резултат разделителната способност в нашия случай нараства многократно от силно редуцираните размери на сензорната област. Геометричната форма на 2D сензора и технологичната му реализация драстично подобряват перпендикулярността на двата канала, което влияе положително върху точността на измерване на двете компоненти В и В на магнитния вектор 10 В. Също така офсетите в новия преобразувател лесно и стабилно се нулират с тримери 8 и 9.2D магнитометърът може да се осъществи също с CMOS или микромашининг технологии.Conducted experiments with samples of the new two-component magnetometer, based on standard silicon bipolar technology according to the invention, and comparing the results with the known solution show that the same value of magnetosensitivity is achieved with the new technical solution with only 4 contacts, while for the level it is 9. As a result, the resolution in our case increases many times over the strongly reduced dimensions of the sensor area. The geometric shape of the 2D sensor and its technological implementation dramatically improve the perpendicularity of the two channels, which positively affects the measurement accuracy of the two components B and B of the 10V magnetic vector. Also, the offsets in the new converter are easily and steadily reset by trimmers 8 and The 9.2D magnetometer can also be implemented with CMOS or micromachining technology.

Допълнително намаляване на размерите на двукомпонентния магнитометър може да се осъществи, ако се разменят местата на токовите 3 и 4 контакти с тези на Холовите 5 и 6, и под тях се формира «вкопан» (buried) п⁺ слой. Схемотехниката е същата както на вече описаното ново решение. Тогава магниточувствителността на X- и Y-каналите се определя от вертикалността на тока 1₅ и 1₆ в двете взаимно перпендикулярниA further reduction in the dimensions of the two-component magnetometer can be accomplished if the locations of current 3 and 4 contacts are exchanged with those of Hall 5 and 6, and a buried n ⁺ layer is formed below them. The circuitry is the same as the new solution already described. Then the magnetic sensitivity of the X- and Y-channels is determined by the verticality of the currents 1 ₅ and 1 ₆ in both mutually perpendicular

65750 Bl части на п-тип епитаксиалния слой 2. Вкопаната п⁺ област окъсява съпротивлението на п-тип епитаксиалния слой 2 поради по-високата си проводимост. Това е причината за вертикалността на тока 1₅ и 1₆, който вече не минава под Ходовите 5 контакти 3 и 4, а е разположен странично спрямо тях. Магнитни компоненти В_х и В_у действат чрез силите на Лоренц именно върху двата вертикални участъка на протичащия ток 1_{5 6}. Така върху контакти 3 и 4 се генерира едновременно 10 напрежение на Хол и магниторезистивно напрежение. Чрез тримери 8 и 9 и генераторът на постоянен ток 7 се постига пълно компенсиране както на офсетите, така и на квадратичното магнитосъпротивление. Описаното алтернативно реше- 15 ние, обаче изисква по-сложни технологични процеси за реализация на допълнителния п⁺ вкопан слой.65750 B1 parts of the n-type epitaxial layer 2. The buried n ⁺ region shortens the resistance of the n-type epitaxial layer 2 due to its higher conductivity. This is the reason for the verticality of the current 1 ₅ and 1 ₆ , which no longer passes below the Run 5 contacts 3 and 4, but is located laterally to them. Magnetic components B _x and B _y act through the Lorentz forces on precisely the two vertical sections of the flowing current 1 _{5 6} . In this way, 10 Hall voltage and magnetoresistive voltage are generated simultaneously on terminals 3 and 4. Trimmers 8 and 9 and the DC generator 7 achieve complete offset for both offset and quadratic magnetoresistance. The alternative solution described 15, however, requires more sophisticated technological processes to realize the additional n ⁺ entrained layer.

Claims

Claims 2θ

1. A two-component magnetometer comprising a semiconductor substrate with p-type conductivity, on one side of which a n-type epitaxial layer is formed, a current source such as the measured external magnetic field lying in the 25 plane of the semiconductor substrate, characterized in that p-type the epitaxial layer (2) consists of two equal and mutually perpendicular parts, near one end of the n-type layer (2) and on it are formed one power ohmic contact (3 and 4), and in the middle of each other perpendicular parts have one Hall socket t (5 and 6), the two power sockets (3 and 4) are connected to the power source (7), which is a direct current generator, and two trimmers (8 and 9) are connected to it, and the outputs (11 and 12) for the two mutually perpendicular components of the measured magnetic field (10) are one of the midpoints of the trimers (8 and 9) and one Hall contact (5 and 6) respectively.

Attachment: 1 figure