BG66336B1 - Semiconductor magnetic gradient meter - Google Patents
Semiconductor magnetic gradient meter Download PDFInfo
- Publication number
- BG66336B1 BG66336B1 BG10110245A BG11024508A BG66336B1 BG 66336 B1 BG66336 B1 BG 66336B1 BG 10110245 A BG10110245 A BG 10110245A BG 11024508 A BG11024508 A BG 11024508A BG 66336 B1 BG66336 B1 BG 66336B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- hall
- contacts
- output
- sensor
- semiconductor
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000002122 magnetic nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретението се отнася до полупроводников магнитоградиометър, приложим в областта на сензорната електроника, сканиране на топологията на магнитното поле в близост до магнитни повърхности (постоянни магнити, дефектоскопия, биомагнетизъм), контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, микро- и наносистемите, медицината, позиционирането на обекти в пространството, военното дело и др.The invention relates to a semiconductor magnetometer, applicable in the field of sensor electronics, scanning the topology of the magnetic field near magnetic surfaces (permanent magnets, flaw detection, biomagnetism), control technology and low-field magnetotinometry, micro-magnetotinometry, of objects in space, military affairs, etc.
Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION
Известен е полупроводников магнитоградиометър, съдържащ правоъгълен полупроводников сензор на Хол с четири контакта - два захранващи и два изходни (Холови) и сумиращоизваждащ усилвател с един неинвертиращ и два инвертиращи входа. Двата захранващи контакта на сензора на Хол са свързани с източник на постоянен ток. Неинвертиращият вход на усилвателя през първи резистор е свързан с единия от захранващите контакти на сензора на Хол, а двата му инвертиращи входа съответно през втори и трети еднакви резистори са свързани с двата изходни контакта на сензора на Хол. Стойностите на трите резистора на входовете на усилвателя са многократно по-големи от вътрешното съпротивление на сензора на Хол. Измерваното нееднородно магнитно поле е перпендикулярно на равнината на правоъгълния сензор на Хол. Изход на полупроводниковия магнитоградиометър е изходът на сумиращо-изваждащия усилвател, като стойността на градиента се получава от отношението на изходното напрежение и разстоянието между двата изходни контакта на сензора на Хол [1].A semiconductor magnetic gradiometer is known, comprising a rectangular Hall semiconductor sensor with four contacts - two power and two output (Hall) and summing output amplifier with one non-inverting and two inverting inputs. The two power sockets of the Hall sensor are connected to a DC power source. The non-inverting input of the amplifier through the first resistor is connected to one of the power contacts of the Hall sensor, and its two inverting inputs respectively through the second and third identical resistors are connected to the two output contacts of the Hall sensor. The values of the three resistors at the inputs of the amplifier are many times greater than the internal resistance of the Hall sensor. The non-uniform magnetic field measured is perpendicular to the plane of the rectangular Hall sensor. The output of the semiconductor magnetometer is the output of the summation subtractor, the gradient value being obtained from the ratio of the output voltage and the distance between the two output contacts of the Hall sensor [1].
Недостатък на този полупроводников магнитоградиометьр е ниската измервателна точност от паразитната компонента в полезния изходен сигнал от съществуването на неотстранимо напрежение на несиметрия (офсет) между изходните контакти на сензора на Хол в отсъствие на магнитно поле.The disadvantage of this semiconductor magnetometer is the low measurement accuracy of the parasitic component in the useful output signal from the existence of irreversible asymmetry (offset) voltage between the output contacts of the Hall sensor in the absence of a magnetic field.
Друг недостатък е грешката, внасяна в крайната стойност на градиента от неотстранимото квадратично магниторезистивно напрежение, възникващо винаги едновременно с линейния Холов сигнал.Another disadvantage is the error introduced into the final value of the gradient by the irreducible quadratic magnetoresistive voltage, which always occurs simultaneously with the linear Hall signal.
Недостатък е още силно стесненият обхват на полупроводниковия магнитоградиометър сензори на Хол, поради ограничителното изискване стойностите на трите резистора на входовете на усилвателя да са многократно по-големи от вътрешното съпротивление на сензорите на Хол, вариращо в различните видове в изключително широки граници,The disadvantage is the even narrower range of the semiconductor magnetogrammeter Hall sensors, due to the restrictive requirement that the values of the three resistors at the amplifier inputs be many times greater than the internal resistance of the Hall sensors, varying in different types, in extremely wide ranges,
Техническа същност на изобретениетоSUMMARY OF THE INVENTION
Задача на изобретението е да се създаде полупроводников магнитоградиометър с висока измервателна точност чрез пълно компенсиране на напрежението на несиметрия и на магниторезистивното напрежение, и приложимост на всички видове полупроводникови сензори на Хол, независимо от вътрешното им съпротивление.It is an object of the invention to provide a high-precision semiconductor magnetometer by fully compensating for the asymmetry voltage and the magnetoresistive voltage, and the applicability of all types of Hall semiconductor sensors, regardless of their internal resistance.
Тази задача се решава с полупроводников магнитоградиометър, съдържащ правоъгълен полупроводников сензор на Хол с четири контакта - два захранващи и два изходни (Холови), два измервателни усилвателя и един суматор. Двата захранващи контакта на сензора на Хол са свързани с източник на постоянен ток. Двата Холови контакта са съединени съответно с неинвертиращите входове на двата измервателни усилвателя, а инвертиращите им входове - съответно със средните точки на два тримера, които са свързани с източника на постоянен ток. Изходите на двата измервателни усилвателя са съединени с входа на суматора, изходът на който е изход на полупроводниковия магнитоградиометър. Измерваното нееднородно магнитно поле е перпендикулярно на равнината на правоъгълния сензор на Хол, като стойността на градиента се получава с отношението на изходното напрежение и разстоянието между двата изходни контакта на сензора на Хол.This problem is solved with a semiconductor magnetometer containing a rectangular Hall semiconductor sensor with four contacts - two power and two output (Hall), two measuring amplifiers and one adder. The two power sockets of the Hall sensor are connected to a DC power source. The two Hall contacts are connected respectively to the non-inverting inputs of the two measuring amplifiers and their inverting inputs respectively to the midpoints of the two trimmers, which are connected to the DC source. The outputs of the two measuring amplifiers are connected to the input of the adder, the output of which is the output of a semiconductor magnetometer. The measured non-uniform magnetic field is perpendicular to the plane of the rectangular Hall sensor, the value of the gradient being obtained by the ratio of the output voltage and the distance between the two output contacts of the Hall sensor.
Предимства на изобретението са високата измервателна точност от възможността за пълно компенсиране на напрежението на несиметрия на полупроводниковия сензор на Хол и на магниторезистивното напрежение, и приложимост на всички видове полупроводникови сензори наThe advantages of the invention are the high measurement accuracy of the ability to fully compensate for the asymmetry of the Hall semiconductor sensor and the magnetoresistive voltage, and the applicability of all types of semiconductor sensors.
66336 Bl66336 Bl
Хол, независимо от вътрешното им съпротивление.Hall, despite their internal resistance.
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
Полупроводниковият магнитоградиометър съдържа правоъгълен полупроводников сензор на Хол 1 с четири контакта - два захранващи 2 и 3 и два изходни (Ходови) 4 и 5, два измервателни усилвателя 6 и 7 и един суматор 8. Двата захранващи контакта 2 и 3 на сензора на Хол 1 са свързани с източник на постоянен ток 9. Двата Ходови контакта 4 и 5 са съединени съответно с неинвертиращите входове на двата измервателни усилвателя 6 и 7, а инвертиращите им входове - съответно със средните точки на два тримера 10 и 11, които са свързани с източника на постоянен ток 9. Изходите на двата измервателни усилвателя 6 и 7 са съединени с входа на суматора 8, изходът на който е изход 12 на полупроводниковия магнитоградиометър. Измерваното нееднородно магнитно поле 13 е перпендикулярно на равнината на правоъгълния сензор на Хол 1, като стойността на градиента се получава от отношението на изходното напрежение 12 и разстоянието между двата изходни контакта 4 и 5 на сензора на Хол 1.The semiconductor magnetometer contains a rectangular Hall 1 semiconductor sensor with four contacts - two power 2 and 3 and two output 4 and 5, two measuring amplifiers 6 and 7 and one adder 8. The two power contacts 2 and 3 on the Hall 1 sensor are connected to a direct current source 9. The two running contacts 4 and 5 are connected respectively to the non-inverting inputs of the two measuring amplifiers 6 and 7 and their inverting inputs to the midpoints of the two trimmers 10 and 11, respectively, which are connected to the source at a constant current of 9. It turns out is on both measuring amplifiers 6 and 7 are connected to the input of the adder 8, the output of which is the output 12 of the semiconductor magnetometer. The measured non-uniform magnetic field 13 is perpendicular to the plane of the rectangular Hall sensor 1, the gradient value being obtained from the ratio of the output voltage 12 and the distance between the two output contacts 4 and 5 of the Hall sensor 1.
Действието на полупроводниковия магнитоградиометър, съгласно изобретението, е следното. При включване на полупроводниковия сензор на Хол 1 към източника на постоянен ток 9 и в отсъствие на външно магнитно поле В 13, вследствие на неминуема структурна, електрическа и технологична асиметрия на сензора на Хол 1 върху двата му изходни контакта 4 и 5 възникват различни по стойност напрежения V4(B = 0) ф V5(B = 0). В идеалния случай теоретично би следвало да се очаква тяхното равенство като V4(B = 0) = V5(B = 0) = 1/2V23(B = 0), където V2 3(В = 0) е падът на захранващото напрежение върху контакти 2 и 3. Ако се приложи външно еднородно магнитно поле В 13, перпендикулярно на равнината на полупроводниковия сензор на Хол 1, върху двата изходни контакта 4 и 5 се генерират едновременно както еднакви по стойност, но с противоположен знак линейни от индукцията В 13 напрежения на Хол, така и квадратични от магнитната индукция В 13 еднакви по стойност, но с един и същ знак магниторезистивни напрежения. Стойността на Ходовите сигнали е половината от развиващото се пълно напрежение на Хол в сензора. Същото се отнася и до магниторезистивните потенциали върху контактите 4 и 5, които са половината от пълното магниторезистивно напрежение върху захранващите контакти 2 и 3. Интерес за поставената в изобретението метрологична задача представляват двата линейни Холови сигнала върху контактите 4 и 5, докато двете магниторезистивни компоненти трябва да се компенсират. Също така е задължително и постигането на равенство на двете стартови напрежения V4(B = 0) и V5(B = 0) в отсъствие на магнитно поле В 13, V4(B = 0) = V5(B = 0).The action of the semiconductor magnetometer according to the invention is as follows. When the Hall 1 semiconductor sensor is connected to the DC source 9 and in the absence of an external magnetic field B 13, due to the inevitable structural, electrical and technological asymmetry of the Hall 1 sensor, its two output contacts 4 and 5 appear different in value. voltages V 4 (B = 0) f V 5 (B = 0). Ideally, their equality should theoretically be expected to be V 4 (B = 0) = V 5 (B = 0) = 1 / 2V 23 (B = 0), where V 2 3 (B = 0) is the fall of the supply voltage to terminals 2 and 3. If an external homogeneous magnetic field B 13, perpendicular to the plane of the Hall 1 semiconductor sensor, is applied to both output contacts 4 and 5, they are simultaneously generated as identical in value but with opposite sign linear from induction. In 13 Hall voltage and quadratic magnetic induction in 13 equal in value but with the same sign of magnetoresis ivni voltages. The value of the Run Signals is half of Hall's developing full voltage in the sensor. The same applies to the magnetoresistive potentials at contacts 4 and 5, which are half of the total magnetoresistive voltage at the power contacts 2 and 3. The two linear Hall signals on contacts 4 and 5 are of interest for the metrological task set out in the invention, while the two magnetoresistive components have to compensate. It is also mandatory to achieve equality of the two starting voltages V 4 (B = 0) and V 5 (B = 0) in the absence of a magnetic field B 13, V 4 (B = 0) = V 5 (B = 0) .
Всички известни компенсационни методи и реализиращите ги схемни решения за сензорите на Хол са приложими към офсета, т.е. към паразитното диференциално напрежение V4 5(В = 0), възникващо върху изходните контакти 4 и 5 в отсъствие на магнитното поле В 13. Освен това при диференциалния (класическия) работен режим на сензора на Хол 1 индивидуалните, върху контакти 4 и 5 противоположни по знак Холови сигнали, се изваждат, което по същество е сумиране на две еднакви Холови компоненти. Едновременно с това съпътстващите с един и същ знак две магниторезистивни напрежения се неутрализират напълно. При този режим на функциониране обаче, е невъзможно с единствен сензор на Хол 1 да се измери евентуален градиент на магнитното поле В 13 в зоната I4J между контактите 4 и 5. Причината е, че в общия случай Ходовото напрежение е на порядъци по-голямо от стойността на градиента, което прави измерването му практически невъзможно.All known compensation methods and their schematic solutions for Hall sensors are applicable to offset, i.e. to the parasitic differential voltage V 4 5 (B = 0) occurring on the output contacts 4 and 5 in the absence of the magnetic field B 13. In addition, in the differential (classical) operating mode of the Hall 1 sensor, the individual ones, on the contacts 4 and 5 opposite by Hall sign, they are subtracted, which is essentially the summation of two identical Hall components. At the same time, two magnetoresistive voltages accompanying the same sign are completely neutralized. However, in this mode of operation, it is not possible to measure with a single Hall 1 sensor a possible gradient of the magnetic field B 13 in zone I 4J between contacts 4 and 5. The reason is that in general the running voltage is of orders of magnitude greater of the gradient value, which makes it practically impossible to measure it.
Изход от тази ситуация е подход, заключаващ се в алгебрично сумиране на напреженията на Хол V4(B) и - V (В). В хомогенното магнитно поле В 13 в този случай резултатът е нулев. В нехомогенното магнитно поле обаче, алгебричната сума от двата Холови сигнала ще бъде пропорционална на градиента между контактите 4 и 5. Този метод има практическо значение единствено и само ако се намери начин да се компенсира напълно съпътстващото магниторезистив3A way out of this situation is an approach consisting in the algebraic summation of Hall stresses V 4 (B) and - V (B). In the homogeneous magnetic field B 13 in this case the result is zero. However, in the non-homogeneous magnetic field, the algebraic sum of the two Hall signals will be proportional to the gradient between contacts 4 and 5. This method is of practical importance only if a way is found to compensate completely for the accompanying magnetoresistance3
66336 Bl но напрежение и се неутрализират двете стартови напрежения V4(B = 0) и V5(B = 0). Предложеното в полупроводниковия магнитоградиометър ново техническо решение, реализиращо адекватно този метод, осъществява индивидуална компенсация на квадратичния магниторезистивен потенциал, развиващ се върху изходните контакти 4 и 5 на Хол сензора 1. Средните точки на тримерите 10 и 11 и съответно Ходовите контакти 4 и 5 осъществяват компенсация както на стартовата стойност на напреженията V4(B = 0) и V5(B = 0), така и на магниторезистивните сигнали върху контактите 4 и 5. Тъй като тримерите 10 и 11 са свързани със захранващите контакти 2 и 3 на сензора на Хол 1, върху средните им точки може да се генерира магниторезистивна компонента равна на тази върху съответния Холов контакт 4 или 5. На практика това се осъществява чрез вариране на стойностите на тримерите 10 и 11. Така в отсъствие на магнитното поле В 13 се постига нулиране на съответните два изхода: средна точка на тримерите 10 и 11 и контактите 4 и 5. Фактически от сензора на Хол 1 са формирани два отделни сензора с диференциални изходи, които позволяват пълно компенсиране на офсетите с тримерите 10 и 11. Така формираните два изхода се свързват с входовете на двата измервателни усилватели 6 и 7 за подходяща калибровка. Изходните напрежения на усилвателите 6 и 7 със съответните знаци се сумират чрез суматора 8, чийто изход е изходът 12 на полупроводниковия магнитоградиометър. Ако се приложи перпендикулярно на повърхността на сензора на Хол 1 нееднородното магнитно поле В 13, стойностите на сигналите на изходите на усилвателите 6 и 7 ще са различни, и тяхната сума ще бъде пропорционална на градиента на полето В 13, т.е. Делта В/14 5 = (В, - В2)/14 5, където В! и В2 са стойностите на индукцията В 13 при контактите 4 и 5.66336 Bl voltage and neutralize the two starting voltages V 4 (B = 0) and V 5 (B = 0). The new technical solution proposed in the semiconductor magnetometer, which adequately implements this method, individually compensates for the quadratic magnetoresistive potential developing on the output contacts 4 and 5 of the Hall sensor 1. The midpoints of trimmers 10 and 11 and respectively the running contacts 4 and 5 perform as the starting value of the voltages V 4 (B = 0) and V 5 (B = 0) and the magnetoresistive signals on the contacts 4 and 5. Since the tabs 10 and 11 are connected to the power sockets 2 and 3 of sen In the absence of the magnetic field B 13, in the absence of the magnetic field B 13, in the absence of the magnetic field B 13, a magnetoresistive component equal to that on the corresponding Hall contact 4 or 5 can be generated. achieves resetting of the two outputs: the midpoint of the trimmers 10 and 11 and the contacts 4 and 5. In fact, two separate sensors with differential outputs are formed from the Hall 1 sensor, which allow complete offset compensation with the trimmers 10 and 11. The two thus formed the output is connected item to the inputs of the two measuring amplifiers 6 and 7 to the appropriate calibration. The output voltages of amplifiers 6 and 7 with the corresponding signs are summed by the adder 8, the output of which is the output 12 of the semiconductor magnetometer. If applied non-uniformly magnetic field B 13 perpendicular to the surface of the Hall 1 sensor, the output values of the amplifiers 6 and 7 will be different and their sum will be proportional to the field gradient B 13, i. Delta B / 1 4 5 = (B, - B 2 ) / 1 4 5 where B! and B 2 are the values of the induction of B 13 at contacts 4 and 5.
Практическото използване на полупроводниковия магнитоградиометър изисква първоначална настройка чрез определяне на магниточувствителността S4 и S5 на двата канала, формирани от контактите 4 и 5 на сензора на Хол 1 в еднородното магнитно поле В 13. При известно разстояние 145 се измерва градиента на нееднородното магнитно поле В 13 с отношението (V|2/S4 V|2/s5)/l4,5 = (6^)/1,.5Неочакваният положителен ефект от новото техническо решение на полупроводниковия магнитоградиометър е възможността измервателната му точност да бъде драстично повишена чрез пълната компенсация на офсета и на магниторезистивното паразитно напрежение. Същевременно вътрешното съпротивление на сензора на Хол 1 няма отношение към функционирането на магнитоградиометъра, което означава, че могат да се използват всички известни видове сензори на Хол 1, независимо от вътрешното си съпротивление и приборна конструкция - ортогонални и паралелно-полеви. Магнитоградиометърът може да се използва и в криогенна среда, което го прави особено актуален в изследването на биосензорни системи с магнитни наночастици.The practical use of a semiconductor magnetometer requires initial tuning by determining the magnetic susceptibility S 4 and S 5 of the two channels formed by contacts 4 and 5 of the Hall 1 sensor in a homogeneous magnetic field B 13. At a known distance of 1 45 , the nonuniform magnetic gradient is measured field B 13 with the ratio (V | 2 / S 4 V | 2 / s 5 ) / l 4 , 5 = (6 ^) / 1, .5The unexpected positive effect of the new technical solution of the semiconductor magnetometer is the possibility that its measuring accuracy can be dramatically increased through alnata compensation of offset and Magneto parasitic voltage. At the same time, the internal resistance of the Hall 1 sensor is irrelevant to the operation of the magnetometer, which means that all known types of Hall 1 sensors can be used, regardless of their internal resistance and instrument design - orthogonal and parallel-field. The magnetometer can also be used in a cryogenic environment, making it particularly relevant in the study of biosensor systems with magnetic nanoparticles.
Патентни претенцииClaims
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG10110245A BG66336B1 (en) | 2008-10-31 | 2008-10-31 | Semiconductor magnetic gradient meter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG10110245A BG66336B1 (en) | 2008-10-31 | 2008-10-31 | Semiconductor magnetic gradient meter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG110245A BG110245A (en) | 2010-04-30 |
| BG66336B1 true BG66336B1 (en) | 2013-06-28 |
Family
ID=44907565
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BG10110245A BG66336B1 (en) | 2008-10-31 | 2008-10-31 | Semiconductor magnetic gradient meter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| BG (1) | BG66336B1 (en) |
-
2008
- 2008-10-31 BG BG10110245A patent/BG66336B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BG110245A (en) | 2010-04-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10837943B2 (en) | Magnetic field sensor with error calculation | |
| US11561268B2 (en) | Devices and methods for measuring a magnetic field gradient | |
| US10001530B2 (en) | Reading circuit with automatic offset compensation for a magnetic-field sensor, and related reading method with automatic offset compensation | |
| Di Rienzo et al. | Circular arrays of magnetic sensors for current measurement | |
| Crescentini et al. | A broadband, on-chip sensor based on Hall effect for current measurements in smart power circuits | |
| US7345476B2 (en) | Method and apparatus for measuring an entity of a magnetic field by using a hall plate, an excitation signal and a detection signal | |
| US20150160325A1 (en) | Offset error compensation systems and methods in sensors | |
| Bazzocchi et al. | Interference rejection algorithm for current measurement using magnetic sensor arrays | |
| US11307017B2 (en) | Single channel magnetoresistance-based angle sensor | |
| US9739812B2 (en) | Sensor element with temperature compensating function, and magnetic sensor and electric power measuring device which use same | |
| WO2019064657A1 (en) | Current sensor | |
| US20150198677A1 (en) | Circuit and Method for Reducing an Offset Component of a Plurality of Vertical Hall Elements Arranged in a Circle | |
| Kejik et al. | First fully CMOS-integrated 3D Hall probe | |
| Yu et al. | Comparison of Multiple Methods for Obtaining P $\Omega $ Resistances With Low Uncertainties | |
| JP2015078949A (en) | Hall electromotive force signal detection circuit | |
| BG66336B1 (en) | Semiconductor magnetic gradient meter | |
| Roumenin et al. | 3-D silicon vector sensor based on a novel parallel-field Hall microdevice | |
| Liu et al. | Dual measurement of current and temperature using a single tunneling magnetoresistive sensor | |
| TWI418804B (en) | Voltage sense measurement unit with minimized common mode errors | |
| CN112964928B (en) | Clamp ammeter without integrated magnet core and automatic balance adjustment method | |
| Matsuno et al. | A bridge circuit for temperature drift cancellation | |
| Popovic et al. | Three-axis teslameter with integrated hall probe free from the planar hall effect | |
| Dixiang et al. | Study on accurate 3D magnetic field measurement system | |
| Ripka | Improving the accuracy of magnetic sensors | |
| WO1996028738A1 (en) | Electricity measurement apparatus |