BG66311B1

BG66311B1 - Integral hall magnetometer

Info

Publication number: BG66311B1
Application number: BG10110493A
Authority: BG
Inventors: SiyaЛОЗАНОВА Сия Lozanova; СветославNoykov Svetoslav НОЙКОВ; CHavdar рРУМЕНИН Чавда Roumenin
Original assignee: Institout Po Oupravlenie I Sistemni Izsledvaniya PИНСТИТУТ ПО УПРАВЛЕНИЕ И СИСТЕМНИ ИЗСЛЕДri Ban ВАНИЯ ПРИ БАН
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2013-03-29
Also published as: BG110493A

Abstract

The integral Hall magnetometer contains a semiconductor pad (1) with p-type conductivity, on one side of which a n-type ring structure (2) is created with a circular form, and only one section of thecircular chain containing three consequent p-type contacts - first (4), second (5) and third (6) - is active, while the rest contacts are pending. This three-contact section forms a Hall micro-sensor with a parallel sensitivity axis, which micro-sensor measures the radial magnetic field (7) in the plane of the pad (1). The three contacts (4, 5 and 6) are feeding, the first (4) and the third (6) are also outgoing. Through the equal in value charge resistors (8 and 9) the first (4) and the third (6) contacts are connected with one outlet of the current supply (3), the other outlet of which isconnected with the contact (5). The interface functional diagram is simplified and includes three multi-plexors (10, 11 and 12).

Description

Изобретението се отнася до интегрален магнитометър на Хол, приложимо в областта на сензориката и сензорната електроника, контролно-измервателната техника, слабополевата магнитометрия, микро- и нано-технологиите, навигацията, безконтактната автоматика, енергетиката, военното дело и др.The invention relates to a Hall integral magnetometer applicable in the fields of sensor and sensor electronics, control technology, low-field magnetometry, micro- and nano-technologies, navigation, contactless automatics, energy, military and others.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е интегрален магнитометър на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна п-тип рингова структура с циркулярна форма. Върху горната страна на п-ринга е формирана верига от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой контакти с п-тип проводимост, където k е цяло число. Всеки от контактите може да бъде в едно от следните три положения - или да е свързан със захранващ токоизточник, или да е включен към интерфейсна блок-схема, или да е висящ. Във всеки момент само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ пет последователно разположени п-тип контакти е активен, докато останалите 2^к - 5 контакти са висящи. Този петконтактен сегмент формира микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле, лежащо в равнината на р-тип подложката с п-ринга и състоящ се от един централен захранващ контакт, от двете му страни са разположени по един изходен контакт, до които се намират по един захранващ външен контакт, свързани едновременно с единия извод на токоизточника, а другият - с централния захранващ п-контакт. Интерфейсната блок-схема съдържа пет мултиплексора, всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор, управляващ мултиплексорите с фиксирана работна честота; брояч, свързан с мултиплексорите; инструментален усилвател, чийто вход е свързан през съответни два мултиплексора с изходните контакти намикросензора на Хол. Изходът на усилвателя е свързан с входа на нискочестотен филтър, изходът на който е изход на интегралния магнитометър на Хол, като стъпката на преместване на обособения петконтактен микросензор на Хол по циркулярния п-ринг е един контакт [1].A Hall Hall magnetometer is known, comprising a semiconductor substrate with p-type conductivity, on one side of which a deep and narrow n-type circular shaped ring structure is formed. On the upper side of the p-ring is formed a chain of equally spaced 2 ^k number contacts with n-type conductivity, where k is an integer. Each of the contacts can be in one of the following three positions - either connected to a power source, plugged into an interface block diagram, or hanging. At any one time, only one segment of the circular chain containing five consecutive n-type contacts is active while the remaining 2 ^k - 5 contacts are hanging. This five-contact segment forms a Hall microsensor with a parallel axis of sensitivity measuring a radial magnetic field lying in the plane of the p-type substrate with the p-ring and consisting of a central power contact, on both sides of which there is one output contact, to which are located one power external contact connected simultaneously to one terminal of the power source and the other to the central power supply n-contact. The interface block diagram contains five multiplexers, each with 2 ^k in number of inputs; a fixed oscillator controlling the multiplexers; counter connected to the multiplexers; an instrument amplifier whose input is connected through the respective two multiplexers to the output contacts of the Hall micro-sensor. The output of the amplifier is connected to the input of a low pass filter, the output of which is the output of the Hall integral magnetometer, the step of moving the detached Hall 5 pin microcontroller along the circular p-ring is one contact [1].

Недостатъци на този интегрален магнитометър на Хол са понижената пространствена разделителна способност (пространствена резолюция) при определяне стойността на радиалното магнитно поле и ъгловото му положение спрямо предварително избраното за репер начало, поради немалката активна сензорна зона, разположена между външните захранващи контакти на микросензора на Хол, и усложнената електронна схемотехника, изискваща пет отделни мултиплексори, комутиращи петте активни контакта от сегмента, формиращи микросензора на Хол.The disadvantages of this Hall integral magnetometer are the reduced spatial resolution (spatial resolution) in determining the value of the radial magnetic field and its angular position relative to the pre-selected reference point, due to the small active sensor area located between the external power contacts of the Hall microsensor, and sophisticated electronic circuitry requiring five separate multiplexers to switch the five active contacts of the segment forming the Hall microsensor.

Техническа същност на изобретениетоSUMMARY OF THE INVENTION

Задача на изобретението е да се създаде интегрален магнитометър на Хол с повишена пространствена резолюция и опростена електронна схемотехника чрез редуциране броя на мултиплексорите.It is an object of the invention to provide a Hall integrated magnetometer with increased spatial resolution and simplified electronic circuitry by reducing the number of multiplexers.

Тази задача се решава с интегрален магнитометър на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна птип рингова структура с циркулярна форма. Върху горната страна на п-ринга е формирана верига от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой контакти с п-тип проводимост, където k е цяло число. Всеки от контактите може да бъде в едно от следните три положения или да е свързан със захранващ токоизточник, или да е включен към интерфейсна блок-схема, или да е висящ. Във всеки момент само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ три последователно разположени п-тип контакти първи, втори и трети е активен, докато останалите 2^к - 3 контакти са висящи. Този триконтактен сегмент формира микроензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле, лежащо в равнината на р-тип подложката с п-ринга, трите контакти са захранващи като първият и третият са едновременно и изходни, през еднакви по стойност товарни резистори първият и третият контакт са свързани с единия извод натокоизточник, другият извод на който е съединен с втория захранващ контакт.This problem is solved with a Hall integral magnetometer containing a semiconductor substrate with p-type conductivity, on one side of which a deep and narrow ring-shaped ring structure is formed. On the upper side of the p-ring is formed a chain of equally spaced 2 ^k number contacts with n-type conductivity, where k is an integer. Each of the contacts can be in one of the following three positions, either connected to a power source, plugged into an interface block diagram, or suspended. At any one time, only one segment of the circular chain containing three n-type contacts in series, first, second and third, is active, while the remaining 2 ^k - 3 contacts are hanging. This three-contact segment forms a Hall micro-sensor with a parallel axis of sensitivity measuring a radial magnetic field lying in the plane of the p-type substrate with the p-ring, the three contacts being power supply, the first and the third being both output and output through identical load resistors the first and third contacts are connected to one socket of the source, the other terminal of which is connected to the second power socket.

66311 Bl66311 Bl

Интерфейсната блок-схема съдържа три мултиплексори, всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор, управляващ мултиплексорите е с фиксирана работна честота; брояч, свързан с мултиплексорите, като стъпката на преместване на обособения триконтактен микросензор на Хол по циркулярния п-ринг е един контакт; измервателен усилвател, на който входът е свързан през съответни два мултиплексори с изходните контакти на микросензора. Изходът на усилвателя е съединен с входа на нискочестотен филтър, изходът на който е изход на интегралния магнитометър на Хол.The interface block diagram contains three multiplexers, each with 2 ^k number of inputs; fixed-frequency clock controller for multiplexers; a counter connected to the multiplexers, the step of moving the separate Hall three-contact microsensor along the circular p-ring is one contact; a measuring amplifier to which the input is connected through the respective two multiplexers to the output contacts of the microsensor. The output of the amplifier is connected to the input of a low pass filter, the output of which is the output of a Hall integrated magnetometer.

Предимства на изобретението са повишената пространствена резолюция в резултат на силно редуцираната активна сензорна област между първия и третия контакт на микросензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, и опростената електронна схемотехника от използваните само три вместо пет броя на мултиплексори.Advantages of the invention are the increased spatial resolution as a result of the greatly reduced active sensor area between the first and third contacts of the Hall microsensor with a parallel axis of magnetic susceptibility, and the simplified electronic circuitry of only three multiplexers used instead of five.

Пояснение на приложената фигураExplanation 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

Интегралният магнитометър на Хол съдържа полупроводникова подложка 1 с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна п-тип рингова структура 2 с циркулярна форма. Върху горната страна на п-ринга 2 е формирана верига от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой контакти с п-тип проводимост, където k е цяло число. Всеки от контактите може да бъде в едно от следните три положения - или да е свързан със захранващ токоизточник 3, или да е включен към интерфейсна блок-схема, или да е висящ. Във всеки момент само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ три последователно разположени п-тип контакти първи 4, втори 5 и трети 6 е активен, докато останалите 2^к - 3 контакти са висящи. Този триконтактен сегмент формира микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле 7, лежащо в равнината на р-тип подложката 1 с п-ринга 2, трите контакти 4, 5 и 6 са захранващи, като първият 4 и третият 6 са едновременно изходни, през еднакви по стойност товарни резистори 8 и 9 първият 4 и третият 6 контакти са свързани с единия извод на токоизточника 3, другият извод на който е съединен с втория захранващ контакт 5. Интерфейсната блок-схема съдържа три мултиплексори 10, 11 и 12, всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор 13, управляващ мултиплексорите с фиксирана работна честота; брояч 14, свързан с мултиплексорите 10, 11 и 12, като стъпката на преместване на обособения триконтактен микросензор на Хол по циркулярния п-ринг 2 е един контакт; измервателен усилвател 15, на който входът е свързан през двата мултиплексора 10 и 12 с контактите 4 и 6 на микросензора; изходът на усилвателя 15 е съединен с входа на нискочестотен филтър 16, изходът на който е изход 17 на интегралния магнитометър на Хол.Hall's integral magnetometer comprises a p-type semiconductor substrate 1 with a circular-shaped deep and narrow n-type ring structure 2 formed on one side. On the upper side of the p-ring 2 is formed a chain of equally spaced 2 ^k number contacts with n-type conductivity, where k is an integer. Each of the contacts can be in one of the following three positions - either connected to a power source 3, or connected to an interface block diagram, or hanging. At any one time, only one segment of the circular chain containing three consecutively arranged n-type contacts first 4, second 5 and third 6 is active, while the remaining 2 ^k - 3 contacts are hanging. This three-contact segment forms a Hall microsensor with a parallel axis of sensitivity measuring a radial magnetic field 7 lying in the plane of the p-type pad 1 with the p-ring 2, the three contacts 4, 5 and 6 being power supply, with the first 4 and the third 6 are simultaneously output, through identical load resistors 8 and 9, the first 4 and third 6 contacts are connected to one terminal of the power source 3, the other terminal of which is connected to the second power terminal 5. The interface block diagram contains three multiplexers 10, 11 and 12, each with 2 ^k number of inputs; a clock generator 13 that controls fixed frequency multiplexers; a counter 14 connected to the multiplexers 10, 11 and 12, wherein the step of moving the detached Hall three-contact microsensor along the circular p-ring 2 is a single contact; a measurement amplifier 15 to which the input is connected through the two multiplexers 10 and 12 to the contacts 4 and 6 of the microsensor; the output of amplifier 15 is connected to the input of a low pass filter 16, the output of which is the output 17 of the Hall integrated magnetometer.

Действието на интегралния магнитометър на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на захранващия токоизточник 3, в резултат на структурната симетрия на контактите 4 и 6 по отношение на контакта 5, в така обособения сегмент от циркулярната верига 2 от 2^к контакти протичат два еднакви по стойност и противоположно насочени токови компоненти 1₄ = |IJ, като 1₅ = 1₄ + 1₆. Чрез товарните резистори R 8 и R 9 се осъществява режим на функциониране генератор на ток, 1₅ = const. В частта от ринга между контактите 4 и 6 радиалното магнитно поле В 7, лежащо в равнината на полупроводниковата р-тип подложка 1 под действие на силата на Лоренц F_l = qV_dr х В генерира ефект на Хол, където q е товарът на електрона, a V_dr е дрейфовата скорост на основните токоносители. В резултат на това в зоните, където са разположени захранващите/изходните контакти 4 и 6 възникват допълнителни противоположни по знак товари. Напрежението на Хол V₄₆(B) се развива върху контактите 4 и 6. Ето защо така конфигуриран сегментът 4-5-6 представлява микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност. В сравнение с петконтактния Холов елемент от известното решение, триконтактният микросензор е със съществено редуцирана преобразувателна област. Следователно, пространствената му резолюция превъзхожда тази от известното техническо решение. С помощта на интерфейсната блок-схема се осъществява виртуално движениеThe effect of the Hall Hall Magnetometer according to the invention is as follows. When the power source 3 is switched on, as a result of the structural symmetry of the contacts 4 and 6 with respect to the contacts 5, two identical in value and opposite current current components flow in the separate segment of the circular chain 2 of 2 ^k contacts 1 ₄ = | IJ , such as 1 ₅ = 1 ₄ + 1 ₆ . The load resistors R 8 and R 9 carry out the operating mode of a current generator, 1 ₅ = const. In the part of the ring between contacts 4 and 6, the radial magnetic field B 7 lying in the plane of the semiconductor p-type substrate 1 under the action of the Lorentz force F _l = qV _dr x B generates a Hall effect, where q is the electron load, a V _dr is the drift velocity of the main carriers. As a result, additional opposite load loads occur in the areas where the power / output contacts 4 and 6 are located. The voltage of Hall V ₄₆ (B) develops at terminals 4 and 6. Therefore, the segment 4-5-6 thus configured is a Hall microsensor with a parallel axis of magnetic sensitivity. Compared to the five-contact Hall element of the known solution, the three-contact microsensor has a substantially reduced conversion area. Therefore, its spatial resolution is superior to that of the known technical solution. Using the interface block diagram, virtual movement is performed

66311 Bl c фиксирана честота на триконтактния елемент на Хол по п-ринга 2, зададена от тактовия генератор 13. Избраната стъпка от един контакт, реализируема с трите мултиплексори 10, 11 и 12 позволява прецизното сканиране в обхвата от 360° за определяне с повишена точност посоката и стойността на радиалното магнитно поле В 7. В резултат от обработката на резултиращия сигнал с измервателния усилвател 15 и нискочестотния филтър 16, напрежението на изхода 17 на интегралния магнитометър на Хол представлява синусоидална функция от номера на стъпката с добре дефинирани максимум и фаза на отместване. Стойността на радиалното магнитно поле В 7 представлява максимумът на амплитудата на тази синусоида, а стойността на ъгъла на магнитното поле В 7, определящ посоката му е фазовото отместване на синусоидата по отношение на предварително избрана нулева стойност. Както в известното решение, така и при новото се запазват такива важни предимства като пълно неутрализиране на офсета между контактите 4 и 6 V_{4 6} (В = 0) = 0 в отсъствие на магнитното поле В 7, както и драстичното минимизиране на собствения шум Ι/f. В нашия случай, обаче е налице съществено опростяване на електронната схемотехника чрез трите мултиплексора като следствие от новата в техническото решение триконтактна сензорна конструкция на Хол.66311 Bl c fixed frequency of the 3-pin Hall element in p-ring 2, set by the clock generator 13. The selected single-contact step realized with the three multiplexers 10, 11 and 12 allows precise scanning in the 360 ° range for enhanced accuracy determination direction and value of the radial magnetic field B 7. As a result of processing the result signal with the measuring amplifier 15 and the low pass filter 16, the output voltage 17 of the Hall integral magnetometer is a sinusoidal function of the step number with good efinirani maximum and phase shift. The value of the radial magnetic field B 7 represents the maximum of the amplitude of this sine wave, and the value of the angle of the magnetic field B 7 determining its direction is the phase shift of the sine wave with respect to a pre-selected zero value. Both the famous and the new solutions retain such important advantages as completely offsetting the offset between contacts 4 and 6 V _{4 6} (B = 0) = 0 in the absence of the magnetic field B 7, as well as drastically minimizing its own noise Ι / f. In our case, however, there is a significant simplification of electronic circuitry through the three multiplexers as a consequence of Hall's new three-contact sensor construction.

Неочакваният положителен ефект, постигнат с интегралния магнитометър на Хол е приложената за първи път необичайна триконтактна конструкция на микросензора на Хол, размерите на която съществено миниатюризират активната сензорна зона, което води до повишена пространствена резолюция. Едновременно с това се опростява схемотехниката на интерфейсната блок-електроника - мултиплексорните елементи 10, 11 и 12 вместо 5 са 3.The unexpected positive effect achieved with the Hall integrated magnetometer is the first applied unusual three-contact construction of the Hall microsensor, the dimensions of which substantially miniaturize the active sensor zone, resulting in increased spatial resolution. Simultaneously, the circuitry of the interface block electronics is simplified - the multiplexer elements 10, 11 and 12 instead of 5 are 3.

Предпочитаният полупроводник и технология за реализация на интегралния магнитометър на Хол са силицият и CMOS процесите. Върху общ чип могат да се формират едновременно интегралният магнитометър, включително интерфейсната блок-електроника. Броят на контактите 2^к върху циркулярния п-тип ринг е свързан от една страна с възможностите на конкретната разновидност интегрална технология на производство, а от друга - логическите елементи, използвани в интерфейсната цифрова електроника. Силно редуцираната активна сензорна област на интегралния магнитометър на Хол е предпоставка за бъдещата му нанотехнологична реализация.The preferred semiconductor and technology for the realization of Hall's integral magnetometer are silicon and CMOS processes. An integral magnetometer, including interface block electronics, can be formed simultaneously on a common chip. The number of contacts 2 ^k on the circular n-type ring is connected on one side to the capabilities of the particular variant integral production process, and on the other - the logical elements used in digital electronics interface. The heavily reduced active sensor area of Hall's integral magnetometer is a prerequisite for its future nanotechnological realization.

Патентни претенцииClaims

Claims

1. Hall integral magnetometer comprising a p-conductor semiconductor support on which a deep and narrow n-type circular-shaped ring structure is formed on one side, a chain of equal distances is formed on the upper side of the p-ring. 2 ^k contacts of n-type conductivity, where k is an integer, each of the contacts may be in one of the following three positions - either connected to a power source or connected to an interface block diagram or hanging, like in every girl t only one segment of the circular chain containing a number of sequentially arranged n-type contacts is active while the other contacts are hanging, and the segment with the active contacts forms a Hall microsensor with a parallel axis of sensitivity measuring a radial magnetic field lying in the plane on the p-type substrate with the p-ring, the interface block diagram comprising multiplexers, each with 2 ^k number of inputs; a fixed oscillator controlling the multiplexers; a counter connected to a multiplexer, the step of moving the separate Hall three-contact microsensor along the circular p-ring is one contact; an instrument amplifier whose input is connected through the respective two multiplexers to the output contacts of the Hall microsensor, and the output of the amplifier is coupled to the input of a low pass filter, the output of which is the output of a Hall integral magnetometer, characterized in that the contacts of the Hall microsensor with a parallel axis of magnetic susceptibility are three (4, 5 and 6) and are power supply, and the first (4) and third (6) are both output and through the same load resistors (8 and 9) the first ( 4) and the third (6) contact are connected to one of sh natokoiztochnika (3), the other terminal of which is connected to the second (5) power outlet, such as the multiplexers are three (10, 11 and 12).