BG66403B1 - A hall micro-sensor with parallel axis of magnetic sensitivity - Google Patents
A hall micro-sensor with parallel axis of magnetic sensitivity Download PDFInfo
- Publication number
- BG66403B1 BG66403B1 BG10110498A BG11049809A BG66403B1 BG 66403 B1 BG66403 B1 BG 66403B1 BG 10110498 A BG10110498 A BG 10110498A BG 11049809 A BG11049809 A BG 11049809A BG 66403 B1 BG66403 B1 BG 66403B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- hall
- contacts
- parallel axis
- parallel
- sensor
- Prior art date
Links
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 title claims abstract description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 18
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 2
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000005404 magnetometry Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретението се отнася до микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, приложимо в областта на микро- и наносензориката, слабополеватамагнитометрия, безконтактната автоматика и управление, безжичните комуникации, контролно-измервателната технология, навигацията, автомобилостроенето, енергетиката, позиционирането на обекти в пространството, уредостроенето, медицината, военното дело и антитерористичната дейност и др.The invention relates to a Hall micro-sensor with a parallel axis of magnetic sensitivity, applicable in the field of micro- and nanosensory, low-field magnetometry, contactless automation and control, wireless communications, control technology, navigation, automotive, energy, object engineering , medicine, military affairs and anti-terrorism, etc.
Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION
Известен е микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на разстояния един от друг четири правоъгълни омични контакти първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и третият са свързани с първи захранващ източник в режим генератор на ток. Вторият и четвъртият омичен контакт са свързани през втори източник в режим генератор на ток. Полярностите на захранване на втория и третия омичен контакгсъвпадат. Изходите на микросензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност са съответно първият и четвъртият, и вторият и третият омични контакти. Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка и е успоредно на дългите страни на правоъгълните омични контакти [1].A Hall Hall microsensor with a parallel axis of magnetic susceptibility is known, comprising a semiconductor conductor of impurity type, on one side of which four rectangular ohmic contacts, first, second, third and fourth, arranged parallel to one another, are formed on one side countries. The first and third are connected to the first power source in current generator mode. The second and fourth ohmic contacts are connected through a second source in current generator mode. The polarity of the power supply of the second and third ohmic contacts coincide. The outputs of the Hall microsensor with a parallel axis of magnetic susceptibility are respectively the first and fourth, and the second and third ohmic contacts. The external magnetic field is applied perpendicular to the cross-section of the semiconductor substrate and is parallel to the long sides of the rectangular ohmic contacts [1].
Недостатък на този микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност е ниската преобразувателна ефективност (магниточувствителност) в резултат на значително редуцираното напрежение на Хол между изходните на втория и третия омични контакти, тъй като в зоната между тях двата захранващи тока са противоположно насочени, което отслабва в значителна степен генерирания чрез тях ефект на Хол.The disadvantage of this Hall Hall microsensor with a parallel axis of magnetosensitivity is the low conversion efficiency (magnetosensitivity) as a result of the significantly reduced Hall voltage between the outputs of the second and third ohmic contacts, since in the area between them the two supply currents are opposite, which are opposite to each other. to a large extent the Hall effect generated by them.
Техническа същност на изобретениетоSUMMARY OF THE INVENTION
Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност с висока преобразувателна ефективност (магниточувствителност).It is an object of the invention to provide a Hall Hall microsensor with a parallel axis of magnetosensitivity with high conversion efficiency (magnetosensitivity).
Тази задача се решава с микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на разстояния един от друг четири правоъгълни омични контакти първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и вторият контакти през съответни товарни резистори са свързани с по един от изводите на два захранващи източника, които са в режим генератор на напрежение като полярността на тези изводи съвпада, а третият и четвъртият контакти също през съответни товарни резистори са съединени с другите изводи на източниците на напрежение, като четирите товарни резистори са с една и съща стойност. Първият и вторият, и съответно третият и четвъртият омични контакти са двата независими изхода на микросензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, като външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти.This problem is solved with a Hall Hall microsensor with a parallel axis of magnetic susceptibility, containing a semiconductor substrate with impurity type, on one side of which four rectangular ohmic contacts, first, second, third and fourth, parallel to each other, are formed on its long sides. The first and second contacts through respective load resistors are connected to one of the terminals of two power sources that are in voltage generator mode, the polarity of these terminals is the same, and the third and fourth contacts are also connected to the other terminals of the respective load resistors. voltage sources, with the four load resistors having the same value. The first and second and third and fourth ohmic contacts, respectively, are the two independent outputs of the Hall microsensor with a parallel axis of magnetic sensitivity, the external magnetic field being applied perpendicular to the cross-section of the semiconductor substrate and parallel to the long sides of the right sides of the semiconductor substrate.
Пояснение на приложената фигураExplanation of the attached figure
По-подробно изобретението се пояснява с приложената фигура, представляваща напречното сечение на едно негово примерно изпълнение.The invention is illustrated in more detail with the accompanying figure, which is a cross-section of an embodiment thereof.
Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of carrying out the invention
Микросензорът на Хол с паралелна ос на магниточувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на разстояния един от друг четири правоъгълни омични контакти първи 2, втори 3, трети 4 и четвърти 5, разположени успоредно на дългите си страни. Първият 2 и вторият 3 контакти през съответни товарни резистори 6 и 7 са свързани с по един от изводите на два захранващи източника 8 и 9, които са в режим генератор на напрежение, като полярността на тези изводи съвпада, а третият 4 и четвъртият 5 контакти също през съответни товарни резистори 10 и 11 са съединени с другите изводи на източниците на напрежение 8 и 9, като товарните резистори 6,7,10 и 11 са с една и същаThe Hall microsensor with a parallel axis of magnetic susceptibility contains a semiconductor substrate 1 with impurity conductivity on one side of which four rectangular ohmic contacts 1, 2, 3, 4 and 4 are arranged parallel to each other. its long sides. The first 2 and second 3 contacts through respective load resistors 6 and 7 are connected to one of the terminals of two power sources 8 and 9, which are in voltage generator mode, the polarity of these terminals being the same, and the third 4 and fourth 5 contacts also through respective load resistors 10 and 11 are connected to the other terminals of the voltage sources 8 and 9, with load resistors 6,7,10 and 11 being the same
66403 Bl стойност. Първият 2 и вторият 3, и съответно третият 4 и четвъртият 5 омични контакти са двата независими изходи 12 и 13 на микросензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, като външното магнитно поле 14 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1 и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2,3, 4 и 5.66403 Bl value. The first 2 and the second 3, and respectively the third 4 and the fourth 5 ohmic contacts are the two independent outputs 12 and 13 of the Hall microsensor with a parallel axis of magnetic sensitivity, the outer magnetic field 14 being applied perpendicular to the cross section of the semiconductor substrate 1 and parallel to the semiconductor substrate 1. on the long sides of the rectangular contacts 2,3, 4 and 5.
Действието на микросензора на Хол е паралелна ос на магниточувствителност, съгласно изобретението, е следното.The operation of the Hall microsensor is a parallel axis of the magnetic sensitivity according to the invention, as follows.
При включване на източниците на напрежение 8 и 9, в резултат на еднаквите по стойност товарни резистори R, 6 и 7, и съответно R3 10 и R4 11, R = R2 = R3 = R4, които са свързани към изводите с една и съща полярност на източниците 8 и 9, в подложката 1 протичат два еднакви и съпосочни тока 125 и 134 като 12 5 = 13 4. Понеже омичните контакти 2,3,4 и 5 са планарни и представляват еквипотенциални равнини, токовете през тях 12, 13, 14 и 15 първоначално са перпендикулярни на горната повърхност на подложката 1 и проникват навътре в обема й, след което траекториите им стават успоредни на горната повърхност на подложката 1. Ако по някакви причини (например, различна по повърхността на полупроводниковата подложка 1 температураТот протичането на токове 12, I 1 и 15; наличие на механични напрежения от корпусирането на чипа с микросензора на Хол; нанасяне на изолиращи диелектрични покрития, проводящи тънки слоеве или шини върху полупроводниковата подложка 1 при технологичните процеси; неминуеми геометрични литографски грешки в разположението на омичните контакти 2 и 3, и 4 и 5; нееднородности в легирането на подложката 1 и др.) двата тока 1,5 и 13 4 се отличават по стойност или топология на протичане в обема. В резултат между контактите 2 и 3, и съответно 4 и 5 могат да възникнат в отсъствие на магнитното поле В 14 паразитни напрежения (офсети) V23(B = 0) ? 0 и V45(B = 0) * о. Тяхното компенсиране (включително нулиране) лесно се постига чрез вариране стойностите на някои от товарните резистори 6, 7, 10 или 11. Резисторите 6, 7, 10 и 11, с които се установяват двата захранващи тока 1,5 и 1,4 следва да превишават най-малко с един порядък стойността на входното съпротивление на микросензора на Хол. В отличие от известното решение, ключова особеност на новото решение, че захранващите токове 12 и I 4 са съпосочни във всяка една част от траекториите си в подложката 1. Анализът показва, че новият микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност функционално обединява в обща сензорна област на подложката 1 два елемента на Хол с изходните контакти 2 и 3, и съответно 4 и 5. По същество това е мултисензор, предоставящ информация за магнитното поле В 14 едновременно с два независими изходи 12 и 13.When the voltage sources 8 and 9 are switched on, as a result of the identical load resistors R, 6 and 7, and respectively R 3 10 and R 4 11, R = R 2 = R 3 = R 4 , which are connected to the terminals with the same polarity of sources 8 and 9, two identical and alternating currents 1 25 and 1 34 flow in the substrate 1 as 1 2 5 = 1 3 4 . Because the ohmic contacts 2,3,4 and 5 are planar and represent equipotential planes, the currents through them 1 2 , 1 3 , 1 4 and 1 5 are initially perpendicular to the upper surface of the substrate 1 and penetrate into its volume, after which the trajectories they become parallel to the upper surface of the substrate 1. If for any reason (for example, a temperature different from the surface of the semiconductor substrate 1, the currents 1 2 , I 1 and 1 5 ; the presence of mechanical stresses from the enclosure of the chip with the Hall microsensor; application of insulating di Electric coatings, conductive thin films or strips on the semiconductor substrate 1 in the processes; inevitable geometric lithographic errors in the placement of ohmic contacts 2 and 3, and 4 and 5, discontinuities in the alloying of the substrate 1, etc.). Both current 1, 5 and 1 3 4 differ in value or flow topology in volume. As a result, between contacts 2 and 3, and respectively 4 and 5, can occur in the absence of the magnetic field B 14 spurious voltages (offsets) V 23 (B = 0)? 0 and V 45 (B = 0) * o. Their compensation (including reset) is easily achieved by varying the values of some of the load resistors 6, 7, 10 or 11. The resistors 6, 7, 10 and 11, which establish the two supply currents 1, 5 and 1, 4 should exceed by at least one order the value of the input impedance of the Hall microsensor. In contrast to the known solution, a key feature of the new solution is that the supply currents 1 2 and I 4 are parallel in each part of their trajectories in the substrate 1. The analysis shows that the new Hall microsensor with a parallel axis of magnetic sensitivity functionally integrates into a common the sensing region of the substrate 1 are two Hall elements with output contacts 2 and 3, respectively 4 and 5. It is essentially a multisensor providing information about the magnetic field B 14 simultaneously with two independent outputs 12 and 13.
Прилагането на външното магнитно поле В 14 перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1 и успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2,3,4 и 5 чрез силата на Лоренц FL = qVdr х В води до отклонение и деформиране като цяло на двата съпосочни тока 12 5 и 13 4, Vdr е дрейфовата скорост на движение на носителите, q е товарът на електрона. Например, двете траектории на токове 125 и I в зависимост от посоката на магнитното поле В 14 или едновременно се “свиват” към горната повърхност на подложката 1, или едновременно се “разширяват” навътре в обема. В резултат върху горната повърхност на подложката 1, където са разположени вътрешните омични контакти 3 и 4, магнитното поле В 14, без какьвто и да е механизъм на неутрализиране, генерира допълнителни електрически товари с един и същ знак, т.е. ефектът на Хол не се редуцира. Същевременно токът 13 4 и полето В 14 индуцират върху външните контакти 2 и 5 допълнителни товари също с един и същ знак, обаче противоположен по отношение на генерираните върху контактите 3 и 4. Следователно, ефектът на Хол създава две независими напрежения на Хол V,3(B) и - V45(B) върху изходите 12 и 13, които превъзхождат по стойност тези от известното решение, т.е. магниточувствителността S на микросензора на Хол е повишена в съответствие със задачата на изобретението. Омичните контакти 2, 3, 4 и 5 на функционално интегрирания микросензор на Хол са едновременно захранващи и изходни. Възникването на напрежения на Хол се обуславя и от товарните резистори R] 6 и R2 7, и съответно R310 и R411. Важната особеност на двете изходни напрежения УЩЗ(В) и VH45(B) е, че са с противоположен знак, т.е. VH2 3(В) = |-VH4 5(В)|. Ако магниточувствителностите в двата сензорни канала евентуално се отличават, изравняването им става на следващия етап от обработката на сигналите.The application of the external magnetic field B 14 perpendicular to the cross section of the semiconductor substrate 1 and parallel to the long sides of the rectangular contacts 2,3,4 and 5 by the Lorentz force F L = qV dr x B leads to deflection and deformation of the whole of both alternating currents 1 2 5 and 1 3 4 , V dr is the drift velocity of the carriers, q is the electron load. For example, the two trajectories of currents 1 25 and I, depending on the direction of the magnetic field B 14, either "shrink" to the upper surface of the substrate 1, or simultaneously "expand" inward in volume. As a result, on the upper surface of the pad 1, where the internal ohmic contacts 3 and 4 are located, the magnetic field B 14, without any neutralization mechanism, generates additional electrical loads with the same sign, i. the Hall effect is not reduced. At the same time, current 1 3 4 and field B 14 induce additional loads on the external contacts 2 and 5 also with the same sign, however, opposite to those generated on contacts 3 and 4. Therefore, the Hall effect creates two independent voltages on Hall V, 3 (B) and - V 45 (B) on outputs 12 and 13, which exceed by value those of the known solution, i. the magnetic sensitivity S of the Hall microsensor is increased in accordance with the object of the invention. The ohmic contacts 2, 3, 4 and 5 of the functionally integrated Hall microsensor are both power and output. The occurrence of voltages of the Hall is determined by the load resistors R] 6 and R 2 7, and respectively R 3 and R 4 10 11. The important feature of the two output voltages V SHTZ (B) and V H45 (B) is that they are with the opposite sign, i. V H2 3 (B) = | -V H4 5 (B) |. If the magnetic sensitivities in the two sensor channels are possibly different, their alignment occurs at the next stage of signal processing.
66403 Bl66403 Bl
Това може да стане, както е в известното решение, с вариране коефициентите на усилване на два суматора, към които са включени двата сензорни изходи 12 и 13. Ако изходните напрежения на двата суматора се извадят с диференциален усилвател се 5 постига драстично редуциране на резултиращия офсет и на температурния му дрейф, и удвояване на изходното напрежение [ 1 ].This can be done, as is well known in the art, by varying the gain of two adders to which the two sensor outputs 12 and 13 are included. If the output voltages of the two adders are subtracted with a differential amplifier 5 a drastic reduction of the resulting offset is achieved and its temperature drift and doubling of the output voltage [1].
Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение, в сравнение с известния 10 четириконтактен микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност е отстраняване на съществуващото редуциране на ефекта на Хол чрез съпосочност на двата захранващи тока I2 5 и 13 4, и необичайно избраните изходи 12 и 13 - напре- 15 женията V2 3(В) 12 и V4 5(В) 13 се снемат от съседните контакти 2 и 3, и съответно 4 и 5, противно на общоприетия метод, при който сензорните и захранващите контакти се редуват. При необходимост микросензорът на Хол може да се 20 опрости, заменяйки захранването му от двата източника 8 и 9 с един източник на напрежение 8. В този случай резисторите 6 и 7, и съответно 10 и 11 се включват към изводите на източника 8.The unexpected positive effect of the new technical solution, compared to the famous 10 Hall Hall 4-pin microsensor with a parallel axis of sensitivity, is to remove the existing Hall effect reduction by comparing the two supply currents I 2 5 and 1 3 4 , and the abnormally selected outputs 12 and 13 - the voltages V 2 3 (B) 12 and V 4 5 (B) 13 are removed from the adjacent contacts 2 and 3, and respectively 4 and 5, contrary to the conventional method in which the sensor and power contacts alternate . If necessary, the Hall microsensor can be 20 simplified by replacing its power supply from both sources 8 and 9 with one voltage source 8. In this case, resistors 6 and 7, and 10 and 11 respectively, are connected to the terminals of source 8.
Проведените експерименти с п-тип 25 силициеви микросензори на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, съгласно изобретението, показват нарастване на преобразувателната ефективност с не по-малко от 30 %, в сравнение с известното решение. 30Experiments with Hall-type n-type 25 silicon microsensors with a parallel axis of magnetosensitivity according to the invention show an increase in conversion efficiency of at least 30% compared to the known solution. 30
Предпочитаната технология за реализиране на новия микропреобразувател на Хол е CMOS.The preferred technology for implementing the new Hall micro converter is CMOS.
Патентни претенцииClaims
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG10110498A BG66403B1 (en) | 2009-10-20 | 2009-10-20 | A hall micro-sensor with parallel axis of magnetic sensitivity |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG10110498A BG66403B1 (en) | 2009-10-20 | 2009-10-20 | A hall micro-sensor with parallel axis of magnetic sensitivity |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG110498A BG110498A (en) | 2011-04-29 |
| BG66403B1 true BG66403B1 (en) | 2013-12-31 |
Family
ID=45877005
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BG10110498A BG66403B1 (en) | 2009-10-20 | 2009-10-20 | A hall micro-sensor with parallel axis of magnetic sensitivity |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| BG (1) | BG66403B1 (en) |
-
2009
- 2009-10-20 BG BG10110498A patent/BG66403B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BG110498A (en) | 2011-04-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105652220B (en) | Hall sensor and compensation method for offset caused by temperature distribution of Hall sensor | |
| CN106164691B (en) | Low offset and high sensitivity vertical hall effect sensor | |
| BG66403B1 (en) | A hall micro-sensor with parallel axis of magnetic sensitivity | |
| BG65935B1 (en) | Hall-effect micro converter | |
| BG67509B1 (en) | Magnetic field sensing device | |
| BG65231B1 (en) | Magnetosensitive sensor | |
| BG66404B1 (en) | Semiconductor hall element with a parallel axis of sensitivity | |
| BG113275A (en) | Planar magnetically sensitive element | |
| BG113356A (en) | Hall effect microsensor with more than one output | |
| BG113625A (en) | Integral hall sensor with planar sensitivity | |
| BG112091A (en) | A surface-magnetically sensitive hall transformer | |
| BG67386B1 (en) | Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
| BG66955B1 (en) | ) hall effect microsensor with tangential sensitivity | |
| BG66848B1 (en) | Hall effect device with a in-plane sensitivity | |
| BG111414A (en) | Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity | |
| BG67551B1 (en) | Biaxial magnetosensitive sensor containing hall elements | |
| BG67380B1 (en) | Two-dimensional magnetic field microsensor | |
| BG67038B1 (en) | A plane magneto-sensitive microsystem of hall effect sensor | |
| BG67134B1 (en) | Hall effect microsensor | |
| BG66840B1 (en) | Hall effect sensor with a planar magnetic sensitivity | |
| BG67136B1 (en) | The hall effect magnetometer | |
| BG65970B1 (en) | Microsystem for measuring the three magnetic field components | |
| BG67384B1 (en) | Hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
| BG67188B1 (en) | Magneto-sensitive element | |
| BG67298B1 (en) | Hall effect sensor with an in-plane sensitivity |