BG66234B1

BG66234B1 - Two-component magnetosensitive sensor

Info

Publication number: BG66234B1
Application number: BG10110104A
Authority: BG
Original assignee: Институт По Управление И Системни Изследвания При Бан
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2012-07-31
Also published as: BG110104A

Abstract

The two-component magnetosensitive sensor contains a semiconductive substrate (1) with p-type conductivity, on one side of which there is formed an n-type epitaxial layer (2) and a current source (7), the magnetic field (10) lying in the plane of the substrate (1). The epitaxial layer (2) consists of two mutually perpendicular components. By each of the two short sides of the n-type layer (2) there are formed Hall contacts (3 and 4) as well as power contacts (5 and 6) at a distance therefrom. The contacts (5 and 6) are connected to the current source (7), to which two trimmers (8 and 9) are connected as well. The outputs (11 and 12) for the two orthogonal components of the field (10) are the middle points of the trimmers (8 and 9), respectively the Hall contacts (3 and 4).

Description

Област на техникатаTechnical field

Изобретението се отнася до двукомпонентен магниточувствителен сензор, приложим в областта на слабополевата магнитометрия, позиционирането на обекти в пространството, магнитната биодетекция, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, автоматиката, контролно-измервателната технология, сензориката, микросистемите, медицината, военното дело, и други.The invention relates to a two-component magnetosensitive sensor applicable in the field of low-field magnetometry, positioning of objects in space, magnetic biodetection, contactless measurement of angular and linear displacements, automation, control and measurement technology, sensorimotor, media sensorics .

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е двукомпонентен магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, като на едната й повърхност е формиран п-тип епитаксиален слой във вид на равностранен кръст с фиксирана дебелина. Върху п-тип слоя са реализирани един централен омичен електрод, на разстояния и симетрично спрямо него на четирите рамене на кръстовидния п-слой са разположени последователно по един Холов контакт и още по един краен омичен електрод. Четирите крайни омични електроди са свързани и през токоизточник са съединени с централния омичен електрод. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка и е с произволна ориентация. Изходите за двете му взаимно перпендикулярни компоненти са съответно срещуположните спрямо централния електрод Холови контакти, [1,2,3].A two-component magnetosensitive sensor is known, comprising a semiconductor substrate with p-type conductivity, and a n-type epitaxial layer in the form of a flat cross with a fixed thickness is formed on one surface. One central ohmic electrode is realized on the n-type layer, and one Hall contact and one end ohmic electrode are arranged in a distance symmetrically to it on the four shoulders of the cruciform n-layer. The four terminal ohmic electrodes are connected and connected to the central ohmic electrode through a current source. The measured external magnetic field lies in the plane of the semiconductor substrate and is of arbitrary orientation. The outputs for its two mutually perpendicular components are respectively opposite to the central electrode Hall contacts, [1,2,3].

Недостатък на този двукомпонентен магниточувствителен сензор е високото ниво на собствения нискочестотен шум, влошаващ съществено както отношението сигнал/шум, така и основния параметър - разделителна способност (резолюция), дефиниращ най-ниската измервана от сензора стойност на магнитното поле.The disadvantage of this two-component magnetosensitive sensor is the high level of intrinsic low-frequency noise, which significantly degrades both the signal-to-noise ratio and the basic resolution parameter, which defines the lowest value of the magnetic field measured by the sensor.

Друг недостатък е усложнената конструкция, съдържаща девет контакта и оттук значителните размери на активната преобразувателна зона, неподходящи за прецизно определяне разпределението на магнитната индукция.Another disadvantage is the complicated structure comprising nine contacts and hence the considerable dimensions of the active conversion zone, which are not suitable for the precise determination of the distribution of magnetic induction.

Освен това недостатък е и наличието на начални паразитни напрежения (офсети) на двата изхода в отсъствие на външно магнитно поле, понижаващи точността на измерване на двете магнитни компоненти.The disadvantage is the presence of initial parasitic voltages (offsets) at both outputs in the absence of an external magnetic field, which reduces the measurement accuracy of the two magnetic components.

Техническа същност на изобретениетоSUMMARY OF THE INVENTION

Задача на изобретението е да се създаде двукомпонентен магниточувствителен сензор с ниско ниво на собствения нискочестотен шум, опростена конструкция и отсъствие на начални паразитни напрежения (офсети) на двата изхода.It is an object of the invention to provide a two-component magnetosensitive sensor with a low level of intrinsic low-frequency noise, a simplified design and the absence of initial spurious voltages (offsets) at both outputs.

Тази задача се решава с двукомпонентен магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е реализиран п-тип епитаксиален слой с правоъгълна форма и фиксирана дебелина, съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В близост до късите страни на п-тип слоя и върху него са формирани по един Холов контакт, на еднакви разстояния от тях, не по-големи от дебелината на слоя и не по-малки от ширината на Ходовия контакт, има още по един захранващ омичен контакт. Двата захранващи контакта са съединени с токоизточник, към който са свързани още и два тримера. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка и е с произволна ориентация, а изходи 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 magnetosensitive sensor containing a p-type conductive substrate, on one side of which a n-type epitaxial layer with a rectangular shape and a fixed thickness consisting of two equal and mutually perpendicular parts is realized. Near the short sides of the p-type layer and on it are formed one Hall contact, at the same distances therefrom, not greater than the thickness of the layer and not less than the width of the Running contact, there is another feeder ohmic contact. The two power sockets are connected to a power source to which two trimmers are connected. The measured external magnetic field lies in the plane of the semiconductor substrate and is of arbitrary orientation, and the outputs for its two mutually perpendicular components are at one of the midpoints of the trimers and respectively at one Hall contact.

Предимство на изобретението е ниското ниво на собствения нискочестотен шум едновременно с високата разделителна способност, тъй като захранващият ток не преминава под Ходовите контакти.An advantage of the invention is the low level of its own low-frequency noise at the same time as the high resolution, since the supply current does not pass below the running contacts.

Друго предимство е опростената конструкция, съдържаща само четири контакта, а оттук и малките размери измервателна зона на двумерния сензор.Another advantage is the simplified design, which contains only four contacts and hence the small dimensions of the measuring area of the two-dimensional sensor.

Освен това предимство е и отсъствието на офсети на двата изхода, компенсиращи се с двата тримера.An advantage is the lack of offset at the two outputs, offset by the two trimmers.

Описание на приложената фигураDescription of the attached figure

По-подробно изобретението се пояснява с приложената фигура 1, представляваща едно негово примерно изпълнение.The invention is explained in more detail with the accompanying figure 1, which is an exemplary embodiment thereof.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of carrying out the invention

Двукомпонентният магниточувствителен сензор съдъожа полупповолникпия пппплжкя 1The two-component magnetosensitive sensor contains a half-wave sensor 1

66234 Bl c р-тип проводимост, върху едната страна на която е реализиран п-тип епитаксиален слой 2 с правоъгълна форма и фиксирана дебелина, съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В близост до късите страни на п-тип слоя 2 и върху него са формирани по един Холов контакт 3 и 4, на еднакви разстояния от тях не поголеми от дебелината на слоя 2 и не по-малки от ширината на Ходовия контакт 3 или 4, има още по един захранващ омичен контакт 5 и 6. Двата захранващи контакта 5 и 6 са съединени с токоизточник 7, към който са свързани още и два тримера 8 и 9. Измерваното външно магнитно поле 10 лежи в равнината на полупроводниковата подложка 1 и е с произволна ориентация, а изходи 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 3 и 4.66234 Bl c p-type conductivity, on one side of which a n-type epitaxial layer 2 of rectangular shape and a fixed thickness composed of two equal and mutually perpendicular portions is realized. Near the short sides of the n-type layer 2 and on it are formed one Hall contact 3 and 4, at equal distances from them not greater than the thickness of the layer 2 and not less than the width of the contact contact 3 or 4, there is one more power ohmic contact 5 and 6. The two power contacts 5 and 6 are connected to a current source 7 to which two trimers 8 and 9 are connected. The measured external magnetic field 10 lies in the plane of the semiconductor substrate 1 and has random orientation, and outputs 11 and 12 for its mutually perpendicular components are one of the the midpoints of trimmers 8 and 9 and one Hall contact 3 and 4 respectively.

Действието на двукомпонентния магниточувствителен сензор, съгласно изобретението, е следното.The action of the two-component magnetosensitive sensor according to the invention is as follows.

При включването на омични контакти 5 и 6 към токоизточника 7, през двете взаимно перпендикулярни части на сензора протича захранващият ток 1_{5 6} като I_{5 6} ~ където е средната дрейфова скорост на електроните в п-тип епитаксиалния слой 2. Протичането на тока 1_{5 6} е добре ограничено в двата дяла на сензора, т.е. в двете равни и взаимно перпендикулярни части на п-слоя 2. Траекторията на токовата компонента 1₅, например от захранващия омичен контакт 5, който представлява еквипотенциална равнина, първоначално е насочена вертикално надолу в епитаксиалния п-слой 2. След това токовите линии 1_{5 6} стават успоредни на равнината на п-слоя 2 в двете му взаимно перпендикулярни части. Под другия омичен контакт 6, който също е еквипотенциална равнина, токът отново променя посоката си като компонента 1₆ е вертикално насочена нагоре към повърхността на п-слоя 2. Очевидно всичките три токови компоненти са равни 1₅ = 1_{5 б} = 1₆. Фактически това е един и същ ток 1_{5 6}, но с променяща се в различните части на п-слоя посока.The incorporation of ohmic contacts 5 and 6 to the power supply 7 in two mutually perpendicular parts of the sensor is carried mains current 1 _{5 6} _{5 6} as I ~ where the average drifts speed of electrons in n-type epitaxial layer 2. The flow of current 1 _{5 6} is well confined to both sensor portions, i. in the two equal and mutually perpendicular parts of the n-layer 2. The trajectory of the current component 1 ₅ , for example from the supply ohmic contact 5, which is an equipotential plane, is initially directed vertically downward in the epitaxial n-layer 2. Then the current lines 1 _{5 6} become parallel to the plane of the n-layer 2 in its mutually perpendicular portions. Under the other ohmic contact 6, which is also an equipotential plane, the current changes its direction again as component 1 ₆ is vertically pointing upward to the surface of the n-layer 2. Obviously all three current components are equal to 1 ₅ = 1 _{5 b} = 1 ₆ . In fact, this is the same current 1 _{5 6} , but with varying directions in the different parts of the n-layer.

Съгласно теорията и експерименталните изследвания на шумовите процеси в полупроводниковите елементи и структури, в обхвата честоти до f ? 1000 Hz доминира добре известния нискочестотен Ι/f собствен шум. Той е об ратно пропорционален на честотата f, т.е. колкото е по-ниска честотата f, толкова амплитудите на хаотичните шумови флуктуации са по-големи. В резултат на тези паразитни сигнали разделителната способност, например, на магниточувствителния сензор, е съществено редуцирана. При честота f ~ 0 негативната роля на шума Ι/f е максимална. Първопричина за този вид шум е протичащият ток като спектралната плътност на шума е квадратична функция от него. Именно в повърхностната област с регистриращите Холови сонди хаотичните флуктуации на токоносителите генерират паразитни шумови потенциали, влошаващи разделителната способност на Холовия сензор в магнитно поле. Иновативната идея, заложена в новото решение на двукомпонентния магниточувствителен сензор е отстраняване на паразитното влияние на Ι/f шума върху сензорните характеристики чрез изнасяне на Холовите контакти 3 и 4 извън зоната, в която тече захранващият ток 1_{5 6}. Предполагаме, че този тип шум се определя от преминаването на тока директно под измервателните контакти, както това е в известното техническо решение. Тук за първи път се използва подход за редуциране на Ι/f шума в елементи на Хол чрез местоположението на измервателните електроди 3 и 4.According to theory and experimental studies of noise processes in semiconductor elements and structures, in the frequency range up to f? 1000 Hz is dominated by the well-known low frequency f / f noise. It is inversely proportional to the frequency f, ie. the lower the frequency f, the greater the amplitudes of the chaotic noise fluctuations are greater. As a result of these parasitic signals, the resolution of, for example, the magnetosensitive sensor is substantially reduced. At frequency f ~ 0, the negative role of noise Ι / f is maximal. The primary cause of this kind of noise is the current flow, with the spectral noise density being a quadratic function of it. It is in the surface area of the Hall probing registers that the chaotic fluctuations of the current carriers generate parasitic noise potentials that impair the resolution of the Hall sensor in a magnetic field. The innovative idea behind the new two-component magnetosensitive sensor solution is to eliminate the parasitic influence of Ι / f noise on the sensor characteristics by moving the Hall contacts 3 and 4 out of the area where the supply current flows 1 _{5 6} . We assume that this type of noise is determined by the passage of current directly below the measuring contacts, as in the known technical solution. Here, for the first time, an approach is used to reduce Ι / f noise in Hall elements through the location of measuring electrodes 3 and 4.

Токът 1_{5 6}, респективно резистивният пад на захранващото напрежение V_{5 6}, създава на изходи 11 и 12 в отсъствие на магнитно поле В 10 напрежения (офсети), нямащи отношение към метрологичното предназначение на 2D сензора. Тези паразитни сигнали са най-често в резултат на технологични несъвършенства и структурна асиметрия. Чрез вариране на двата тримера 8 и 9 се постига компенсиране (нулиране) на офсетите на изходи 11 и 12. Такава възможност в известното решение не съществува и офсетите редуцират точността на двата изходни канала.The current 1 _{5 6} , respectively, the resistive drop of the supply voltage V _{5 6} , generates outputs 11 and 12 in the absence of a magnetic field B 10 voltages (offsets), irrelevant to the metrological purpose of the 2D sensor. These parasitic signals are most often the result of technological imperfections and structural asymmetry. By varying the two trimmers 8 and 9, offsetting of the offsets of outputs 11 and 12 is achieved (such a possibility does not exist in the known solution and offsets reduce the accuracy of the two output channels.

За преобразуването на двете ортогонални компоненти В_х и В_у на вектора на магнитното поле В 10, който лежи в равнината х-у на подложката 1 и е с произволна посока (В = В_х + В_у), са отговорни двете вертикални към повърхността на п-слоя 2 токови компоненти 1₅ и 1₆. Магнитният вектор Β_χ чрез съпътстващото го странично (по оста у) Лоренцово отклонение F_L ~ I₆x В_х ~ V_drχΒ_χ генерира върху горната повърхност на п-слоя 2 в зоната, където е разположен Холов контакт 4 допълнителни електрически товари. Този параFor the transformation of the two orthogonal components B _x and B _y of the magnetic field vector B 10, which lies in the x-y plane of the substrate 1 and has an arbitrary direction (B = B _x + B _y ), both vertically to the surface are responsible. of the n-layer 2 current components 1 ₅ and 1 ₆ . The magnetic vector Β _χ by the Lorenz deviation F _L ~ I ₆ x B _x ~ V _dr χΒ _χ generates additional electrical loads on the upper surface of the n-layer 2 in the area where Hall contact 4 is located. This couple

66234 Bl лелно-магнитополеви ефект на Хол създава поле на Хол Е_{н 4} и съответен Холов потенциал V_{H 4} върху контакт 4. Както е добре известно, напрежението V_H4 (Β_χ) е линейна и нечетна функция на компонентата В_х на магнитното поле В10. Същият сензорен механизъм генерира Ходовото напрежение V„, (В) от компонентата В на магнитния вектор В 10. Разполагането на захранващите омични контакти 5 и 6 са формирани на еднакви разстояния от Ходовите електроди 3 и 4, не поголеми от дебелината на n-епитаксиалния слой 2 и не по-малки от ширината на Ходовия контакт 3 или 4. Целта е от една страна да се създадат условия за постигане на максимална стойност на Холовото напрежение в зоната, където е формиран съответният Холов контакт 3 или 4, а от друга да се минимизира окъсяването на самото Ходово напрежение V_H3 (В_у) или V_H4 (Β_χ) от съответните захранващи контакти 3 и 4. Указаните съотношения са оптималните.The 66234 Bl Hall-Magnetic Field Effect of Hall creates a Hall field E _{n 4} and a corresponding Hall potential V _{H 4} on contact 4. As is well known, the voltage V _H4 (Β _χ ) is a linear and odd function of the component B _x of the magnetic field AT 10. The same sensing mechanism generates the travel voltage V ', (B) from component B of the magnetic vector B 10. The location of the supply ohmic contacts 5 and 6 are formed at equal distances by the travel electrodes 3 and 4, not greater than the thickness of the n-epitaxial layer 2 and not less than the width of the Chassis contact 3 or 4. The purpose is to create conditions on the one hand to achieve the maximum value of the Hall voltage in the area where the corresponding Hall contact 3 or 4 is formed, and on the other minimize the shortening of the suspension itself cutting V _H3 (V _y ) or V _H4 (Β _χ ) from the respective power sockets 3 and 4. The ratios indicated are optimal.

Върху контакти 3 и 4, освен Холов сигнал, се генерира също квадратично и четно от посоката на компоненти В и В геометрично магнитоX у ^г съпротивление V_MR ~ В². Магниторезистивният сигнал влошава метрологичните качества на изходи 11 и 12. Той е силно нелинеен и не се влияе от посоката на полето В 10. За да останат само линейните Ходови напрежения V_H3 (В_у) и V_{H 4} (Β_χ) е наложително магнитосъпротивлението да бъде напълно компенсирано. В нашия случай това се постига автоматично, и е в резултат на подходящо включените към токоизточника 7 тримери 8 и 9. Ако офсетите са предварително нулирани чрез тримери 8 и 9, магниторезистивните потенциали, генерирани едновременно както върху Ходовите контакти 3 и 4, 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 V . Този положителен ефект е неочакван в рамките на поставената задача. В резултат на симетричното разположение спрямо захранващи електроди 5 и 6 Ходови контакти 3 и 4, и общият за двата сензорни канала ток 1_{5 6} магниточувствителностга на изходи 11 и 12 е една и съща. Това е допълнително предимство на новото решение.On contacts 3 and 4, in addition to Hall signal, it is also generated quadratically and evenly from the direction of components B and B geometric magnetX y ^r resistance V _MR ~ B ² . The magnetoresistive signal impairs the metrological qualities of outputs 11 and 12. It is highly nonlinear and is not affected by the direction of field B 10. In order to remain only the linear travel voltages V _H3 (B _y ) and V _{H 4} (Β _χ ), magnetic resistance is imperative to be fully compensated. In our case, this is achieved automatically, and is the result of the trimmers 8 and 9 properly connected to the power source 7. If the offsets are pre-zeroed by trimmers 8 and 9, the magnetoresistive potentials generated both on the Running contacts 3 and 4 and on the midpoints of trimmers 8 and 9 are the same in value. Therefore, at both differential outputs 11 and 12, a complete compensation of the quadratic magnetoresistance V is achieved. This positive effect is unexpected within the stated task. As a result of the symmetrical arrangement with regard to power supply electrodes 5 and 6 stockyard contacts 3 and 4 and the total of the two sensor channels current 1 _{5 6} magnitochuvstvitelnostga of exits 11 and 12 is the same. This is an added benefit of the new solution.

Намаляването броя на контактите на четири (т.е. повече от два пъти) в новия двукомпонентен магниточувствителен сензор е в резултат от оригиналната му геометрична конструкция. Също така с тримери 8 и 9 лесно се нулира неминуемият офсет на изходи 11 и 12, и напълно се потиска нелинейното магнитосъпротивление. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле 10 В и ъгъла на полето В 10 в х-у равнината на полупроводниковата подложка 1 се дават с изразите: |В| = (В_х ² + В ²)'^/2 и = tan'(V(B_y)/V(B_x)).Reducing the number of contacts to four (ie more than twice) in the new two-component magnetosensitive sensor is the result of its original geometric construction. Also, trimmers 8 and 9 easily reset the imminent offset of outputs 11 and 12 and completely suppress the nonlinear magnetoresistance. The absolute value of the vector of the magnetic field 10 V and the angle of the field B 10 in the x-y plane of the semiconductor substrate 1 are given by the expressions: | B | = (In_x ² + B²) '^{/ 2} and = tan'(V (B_y) / V (B_x)).

Проведени са експериментални изследвания на спектралната плътност на Ι/f шума с образци на новия двукомпонентен магниточувствителен сензор, реализирани със стандартна силициева биполярна технология, съгласно изобретението. Те са сравнени с резултатите за известното решение и затриконтактен сензор на Хол, близък по конструкция с единия от каналите на новия 2D магнитометър, на който Ходовият контакт е разположен в средата на разстоянието между двата захранващи електрода. Установено е еднозначно, че собствения Ι/f шум на новия 2D магнитометър е с около два порядъка по-нисък от другите два силициеви елементи. Двумерната магниточувствителна микросистема също може да се реализира със CMOS или микромашининг технологии. Повишаване чувствителността на двата Β_χ- и В_уканали се постига, ако в зоните на п-слоя 2, разположени под захранващите контакти 5 и 6, се формират “вкопани” (buried) силно легирани п⁺подслоеве. Тези п⁺ области са със съществено по-висока проводимост, което подобрява вертикалността на токовите компоненти I. и L.Experimental studies of the spectral density of Ι / f noise were performed with samples of the new two-component magnetosensitive sensor, implemented with standard silicon bipolar technology according to the invention. These are compared with the results of the known solution and a Hall contact sensor, similar in construction, to one of the channels of the new 2D magnetometer, at which the running contact is located in the middle of the distance between the two supply electrodes. It is unequivocally established that the inherent ум / f noise of the new 2D magnetometer is about two orders of magnitude lower than the other two silicon elements. The two-dimensional magnetosensitive microsystem can also be implemented with CMOS or micromachining technology. Increasing the sensitivity of both Β _χ - and B _y channels is achieved if, in the zones of the n-layer 2 located below the feed contacts 5 and 6, "buried" highly alloyed n ⁺ sublayers are formed. These n ⁺ regions have significantly higher conductivity, which improves the verticality of the current components I. and L.

и Следователно напреженията на Хол в магнитни полета В и В нарастват.and, therefore, Hall stresses in magnetic fields B and B increase.

Неочакваният положителен ефект в новото техническо решение е доказаната възможност чрез подходящо разполагане на измервателните Ходови сонди 3 и 4 да се постига съществено редуциране на основен сензорен недостатък, какъвто е Ι/f шумът. При това е значително подобрена разделителната способност на двата сензорни канала 11 и 12 както и отношението сигнал/шум.An unexpected positive effect in the new technical solution is the proven ability to achieve a significant reduction of a fundamental sensory defect, such as Ι / f noise, by appropriately positioning the measuring probes 3 and 4. The resolution of the two sensor channels 11 and 12 as well as the signal-to-noise ratio are greatly improved.

Claims

1. A two-component magnetosensitive sensor containing a p-type semiconductor support on one side of

66234 Bl which is a formed n-type epitaxial layer of fixed thickness, supplying ohmic contacts and Hall contacts, current source, with the measured external magnetic field lying in the plane of the semiconductor substrate and having an arbitrary orientation, characterized in that p-type epitaxial layer (2) has a rectangular shape and is composed of two equal and mutually perpendicular parts, close to the short sides of the n-type layer (2) and one Hall contact (3 and 4) is formed on it, and the same distances of not more than the thickness of the layer (2) and not less than the width of the Hall contact (3 or 4), there is one more power contact (5 and 6), the two power contacts (5 and 6) are connected to the source (7) to which two more trimmers are connected (8 and 9), 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 respectively one Hall contact (3 and 4) ).