BG66433B1 - Two-dimensional vector magnetometer - Google Patents
Two-dimensional vector magnetometer Download PDFInfo
- Publication number
- BG66433B1 BG66433B1 BG110676A BG11067610A BG66433B1 BG 66433 B1 BG66433 B1 BG 66433B1 BG 110676 A BG110676 A BG 110676A BG 11067610 A BG11067610 A BG 11067610A BG 66433 B1 BG66433 B1 BG 66433B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- mutually perpendicular
- ohmic contacts
- equal
- epitaxial layer
- magnetic field
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Description
(54) ДВУМЕРЕН ВЕКТОРЕН МАГНИТОМЕТЪР(54) TWO-DIMENSIONAL VECTOR MAGNETOMETER
Област на техникатаField of technology
Изобретението се отнася до двумерен векторен магнитометър, приложимо в областта на сензориката и микросистемите, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти, системното инженерство, автоматичното управление, контролно-измервателната технология, биомедицинските изследвания и биопроцесите. слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.The invention relates to a two-dimensional vector magnetometer applicable in the field of sensors and microsystems, non-contact measurement of angular and linear displacements, object positioning, systems engineering, automatic control, control and measurement technology, biomedical research and bioprocesses. low-field magnetometry, military affairs and security, etc.
Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION
Известен е двукомпонентен векторен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран п-тип епитаксиален слой, съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В близост до двата края на птип слоя и върху него са формирани по един захранващ омичен контакт, а по средите на взаимно перпендикулярните части по един Холов контакт. Двата захранващи контакта са съединени с генератор на постоянен ток, към който са свързани още и два тримера. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка, а изходите за двете му взаимно перпендикулярни компоненти са по една от средните точки на тримерите и съответно по един Холов контакт [1].A two-component vector magnetometer is known, comprising a semiconductor substrate with p-type conductivity, on one side of which a n-type epitaxial layer is formed, consisting of two equal and mutually perpendicular parts. Near the two ends of the ptip layer and on it are formed a supply ohmic contact, and in the middle of the mutually perpendicular parts one Hall contact. The two power contacts are connected to a DC generator, to which two more trimmers are connected. The measured external magnetic field lies in the plane of the semiconductor substrate, and the outputs for its two mutually perpendicular components are one of the midpoints of the trimmers and one Hall contact, respectively [1].
Недостатък на този двукомпонентен векторен магнитометър е ниската му чувствителност при измерване на компонентите на вектора на магнитното поле в резултат от генериране на двата му изхода само половините от стойностите на двете развиващи се напрежения на Хол в епитаксиалния слой.The disadvantage of this two-component vector magnetometer is its low sensitivity when measuring the components of the magnetic field vector as a result of generating at its two outputs only half the values of the two evolving Hall voltages in the epitaxial layer.
Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention
Задача на изобретението е да се създаде двукомпонентен векторен магнитометър с висока магниточувствителност.It is an object of the invention to provide a two-component vector magnetometer with high magnetic sensitivity.
Тази задача се решава с двукомпонентен векторен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран п-тип епитакси ален слой, съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В близост до двата края на п-тип слоя и върху него са формирани на равни разстояния един от друг по два еднакви омични контакти. Всяка двойка омични контакти през еднакви по стойност товарни резистори е свързана съответно с по един от изводите на източник на напрежение. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на полупроводниковата подложка, а диференциалните изходи за двете му взаимно перпендикулярни равнинни компоненти са съответно двойките омични контакти.This problem is solved by a two-component vector magnetometer containing a semiconductor substrate with p-type conductivity, on one side of which a n-type epitaxial layer is formed, consisting of two equal and mutually perpendicular parts. Near the two ends of the p-type layer and on it are formed at equal distances from each other two identical ohmic contacts. Each pair of ohmic contacts through the same value load resistors is connected respectively to one of the terminals of the voltage source. The measured external magnetic field lies in the plane of the semiconductor substrate, and the differential outputs for its two mutually perpendicular plane components are the pairs of ohmic contacts, respectively.
Предимство на изобретението е високата магниточувствителност поради измерване с двете двойки изходни контакти на пълните напрежения на Хол, генерирани в п-тип епитаксиалния слой от двете магнитни компоненти.An advantage of the invention is the high magnetic sensitivity due to the measurement with the two pairs of output contacts of the total Hall voltages generated in the p-type epitaxial layer of the two magnetic components.
Пояснение на приложената фигураExplanation of the attached figure
По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1.The invention is illustrated in more detail by one of its embodiments given in the attached figure 1.
Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of the invention
Двукомпонентният векторен магнитометър съдържа полупроводникова подложка 1 с р-тип проводи мост, върху едната страна на която е формиран п-тип епитаксиален слой 2. съставен от две равни и взаимно перпендикулярни части. В близост до двата края на п-тип слоя 2 и върху него са формирани на равни разстояния един от друг по два еднакви омични контакти 3 и 4. и съответно 5 и 6. Всяка двойка омични контакти 3 и 4, и 5 и 6 през еднакви по стойност товарни резистори 7, 8,9 и 10 е свързана съответно с по един от изводите на източник на напрежение 11. Измерваното външно магнитно поле 12 лежи в равнината на полупроводниковата подложка 1. а диференциалните изходи 13 и 14 за двете му взаимно перпендикулярни равнинни компоненти са двойките омични контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6.The two-component vector magnetometer comprises a semiconductor substrate 1 with a p-type conductive bridge, on one side of which a n-type epitaxial layer 2 is formed, consisting of two equal and mutually perpendicular parts. Near the two ends of the n-type layer 2 and on it are formed at equal distances from each other two identical ohmic contacts 3 and 4. and respectively 5 and 6. Each pair of ohmic contacts 3 and 4, and 5 and 6 through equal in value load resistors 7, 8,9 and 10 is connected respectively to one of the terminals of the voltage source 11. The measured external magnetic field 12 lies in the plane of the semiconductor substrate 1. and the differential outputs 13 and 14 for its two mutually perpendicular plane components are the pairs of ohmic contacts 3 and 4, and 5 and 6, respectively.
Действието на двукомпонентния векторен магнитометър, съгласно изобретението, е следното.The operation of the two-component vector magnetometer according to the invention is as follows.
При включване на двойките омични контакти 3 и 4. и 5 и 6 през еднакви по стойност товарни резистори (R() 7, (Щ) 8 и съответно(R,) 9 и (R4) 10 (R1 = R, = R3= R4) към източника наWhen switching on the pairs of ohmic contacts 3 and 4. and 5 and 6 through the same value load resistors (R ( ) 7, (III) 8 and respectively (R,) 9 and (R 4 ) 10 (R 1 = R, = R 3 = R 4 ) to the source of
66433 Bl напрежение 11, в п-слоя 2 вследствие структурната и електрическата симетрия на микросензора протичат четири еднакви по стойност компоненти I„ I4, L и 16 на захранващия ток I , 1,+14 + I. + 1( = 15 Индивидуалните траектории на компоненти I, 14, I. и 16 са криволинейни в областите под съответните контакти 3, 4, 5 и 6. В останалата част на п-тип епитаксиалния слой 2 захранващият ток I е успореден на страните му, като I ~ Vdr, където Vdr е средната дрейфова скорост на електроните в п-слоя 2. При това посоката на тока I е строго регламентирана в двете взаимно перпендикулярни части на сензора от добре дефинираната преобразувателна област в п-слоя 2, т.е. в двете равни части на пслоя 2 посоките на тока 1 . са също взаимно перпендикулярни. В резултат на симетрията на двукомпонентния векторен магнитометър и в отсъствие на външно магнитно поле В 12, В = 0, на двата сензорни изхода V (Bj 13 и V (В ) 14 отсъстват паразитни напрежения (офсети). В случай на офсет/офсети чрез подбор на един или два от товарните резистори (R ) 7, (К,) 8, (RJ 9 или (R4) 10 се постига нулиране, т.е. пълно компенсиране на паразитните напрежения на изходи 13 и 14.66433 Bl voltage 11, in the p-layer 2 due to the structural and electrical symmetry of the microsensor four equal in value components I „I 4 , L and 1 6 of the supply current I, 1, + 1 4 + I. + 1 ( = 1 5 The individual trajectories of components I, 1 4 , I. and 1 6 are curvilinear in the areas below the respective contacts 3, 4, 5 and 6. In the rest of the n-type epitaxial layer 2 the supply current I is parallel to its sides, as I ~ V dr , where V dr is the average drift velocity of the electrons in the p-layer 2. The direction of the current I is strictly regulated in the two mutually perpendicular parts of the sensor from the well-defined conversion region in the p-layer 2, i.e. in the two equal parts of the layer 2 the directions of the current 1 are also mutually perpendicular, as a result of the symmetry of the two - component vector magnetometer and in the absence of an external magnetic field B 12, B = 0, of the two sensor outputs V (Bj 13 and V (B) 14 no parasitic voltages (offsets) In the case of offset / offsets via boron of one or two of the load resistors (R) 7, (K,) 8, (RJ 9 or (R 4 ) 10 a reset is achieved, i. full compensation of parasitic voltages at outputs 13 and 14.
Когато се приложи външно магнитно поле В 12, лежащо в равнината на р-тип полупроводниковата подложка 1, двете му ортогонални компоненти Βχ и В (В = Βχ + В ) чрез съответните сили на Лоренц FLx = qVd Βχ и F)y = qVdB отклоняват движещите се със скорост Vdr електрони в двете взаимно перпендикулярни части на епитаксилния слой 2. При фиксирана посока на захранващия ток I . в зависимост от посоките на магнитните компоненти В и В , тези отклонения са или нагоре, където са формирани контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6, или в противоположна посока - към р-подложката 1, фигура 1. В резултат върху контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6 се развиват пълните напрежения на Хол VHx(By) и V (Bv), генерирани в двете взаимно перпендикулярни части на п-тип епитаксиалния слой 2. Именно тези два Ходови сигнали формират двете изходни диференциални напрежения на магнитометъра V (В ) 13 и съответно V (В ) 14. Диференциалните изходи 13 и 14 потискат напълно четното квадратично магнитосъпротивление MR ~ В2, възникващо в полупроводниковите структури едновременно с ли нейния и нечетен от магнитното поле В 12 ефект на Хол. Ето защо двата изходни Холови сигнали 13 и 14 салинейни и нечетни функции от стойностите и посоките на компонентите В и В на полеX у то 12, и следователно гарантират високо метрологично качество на двата сензорни изхода 13 и 14.When an external magnetic field B 12 is applied, lying in the plane of the p-type semiconductor substrate 1, its two orthogonal components Β χ and B (B = Β χ + B) by the respective Lorentz forces F Lx = qV d Β χ and F ) y = qV d B deflect the electrons moving with speed V dr in the two mutually perpendicular parts of the epitaxial layer 2. At a fixed direction of the supply current I. depending on the directions of the magnetic components B and B, these deviations are either upwards, where contacts 3 and 4, and 5 and 6, respectively, are formed, or in the opposite direction - to the p-pad 1, figure 1. As a result on contacts 3 and 4, and 5 and 6, respectively, develop the total Hall voltages V Hx (B y ) and V (B v ) generated in the two mutually perpendicular parts of the n-type epitaxial layer 2. It is these two travel signals that form the two output differentials. voltages of the magnetometer V (B) 13 and V (B) respectively. 14. The differential outputs 13 and 14 completely suppress the even quadratic magnetic resistance MR ~ B 2 occurring in the semiconductor structures simultaneously with the linear and odd from the magnetic field B 12 Hall effect. Therefore, the two output Hall signals 13 and 14 are linear and odd functions of the values and directions of the components B and B of the field X y to 12, and therefore guarantee high metrological quality of the two sensor outputs 13 and 14.
Неочакваният положителен ефект на предложеното техническо решение се заключава във възможността да се “извадят” навън от обема на активната сензорна зона 2 чрез нетрадиционно разположените двойки контакти 3 и 4. и 5 и 6 пълните, а не само половините, от генерираните в п-тип епитаксиалния слой 2 напрежения на Хол. Друга иновативна особеност на решението е, че двойките контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6 са едновременно захранващи (входни) и изходни (Ходови). Важна характеристика на двумерния векторен магнитометър е, че знаците (полярностите) на двете изходни напрежения V (В ) 13 и Vv(Bv) 14 съвпадат, което сериозно облекчава последващата им електронна обработка. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 12 и ъгъла Θ на полето В 12 в х-у равнината нар-подложката 1 се давате изразите: |В| = (Βχ 2+ Ву2)|2и 0 = tan '(V (Bx)/V(BJ).The unexpected positive effect of the proposed technical solution lies in the possibility to "take out" from the volume of the active sensor zone 2 through the unconventionally located pairs of contacts 3 and 4. and 5 and 6 full, not only halves, of those generated in p-type the epitaxial layer 2 Hall voltages. Another innovative feature of the solution is that the pairs of contacts 3 and 4, and respectively 5 and 6 are both supply (input) and output (running). An important feature of the two-dimensional vector magnetometer is that the signs (polarities) of the two output voltages V (B) 13 and V v (B v ) 14 coincide, which greatly facilitates their subsequent electronic processing. The absolute value of the vector of the magnetic field B 12 and the angle Θ of the field B 12 in the x-y plane of the pomegranate substrate 1 is given by the expressions: | = (Β χ 2 + Vu 2 ) | 2 and 0 = tan '(V (Bx) / V (BJ).
Проведените експерименти с образци на новия двукомпонентен векторен магнитометър, реализирани на основата на стандартна силициева биполярна технология, съгласно изобретението, и сравняване на резултатите с тези за известното решение показват: при фиксирана стойност на захранващия ток 1 , и определена посока на магнитното поле В 12 в равнината на подложката 1, магниточувствителностите на двата X- и Y-сензорни канали е еднаква и двойно поголяма. Подобрен е също и един от най-важните сензорни параметри на X- и Y-каналите отношението сигнал/шум. Двумерният векторен магнитометър може да се осъществи и с CMOS или микромашининг технологии. Паразитното влияние между X- и Y-сензорните канали е достатъчно минимизирано. Силите на Лоренц F и F , в контекста на предложеното техническо решение, действат върху вертикалните участъци на криволинейните токови компоненти 1,, 1 I. и Ι(ι под контакти 3. 4, 5 и 6. Същевременно влиянията респективно на Вх и By магнитни компоненти върху токове I и I, и съответно върху токове 1, и 14 е синфазно. Ето защо в първо прибThe experiments with samples of the new two-component vector magnetometer, realized on the basis of standard silicon bipolar technology according to the invention, and comparison of the results with those for the known solution show: at a fixed value of supply current 1, and a certain direction of magnetic field B 12 in the plane of the substrate 1, the magnetic sensitivities of the two X- and Y-sensor channels is equal and twice as large. One of the most important sensor parameters of the X- and Y-channels signal-to-noise ratio has also been improved. The two-dimensional vector magnetometer can also be implemented with CMOS or micromachining technologies. The parasitic influence between the X- and Y-sensor channels is sufficiently minimized. The Lorentz forces F and F, in the context of the proposed technical solution, act on the vertical sections of the curvilinear current components 1 ,, 1 I. and Ι (ι under contacts 3. 4, 5 and 6. At the same time the influences of I and By magnetic respectively components on currents I and I, and respectively on currents 1, and 1 4 is in phase.
66433 Bl лижение влиянието на полета В и В върху изходни напрежения V (В ) 14 и VJBJ 13 е максимално потиснато. Стойностите на товарните резистори (RJ 7, (1<() 8, (R.) 9 и (R4) 10 следва да надвишават най-малко с един порядък вътрешното съпротивление R на п-тип епитаксиалния слой 2 между контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6. Това условие гарантира режим на функциониране на 2D микросензора генератор на ток I = const.66433 Bl the influence of fields B and B on output voltages V (B) 14 and VJBJ 13 is maximally suppressed. The values of the load resistors (RJ 7, (1 <() 8, (R.) 9 and (R 4 ) 10 should exceed by at least one order the internal resistance R of the n-type epitaxial layer 2 between contacts 3 and 4 , and respectively 5 and 6. This condition guarantees the mode of operation of the 2D microsensor current generator I = const.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG110676A BG66433B1 (en) | 2010-06-15 | 2010-06-15 | Two-dimensional vector magnetometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG110676A BG66433B1 (en) | 2010-06-15 | 2010-06-15 | Two-dimensional vector magnetometer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BG110676A BG110676A (en) | 2011-12-30 |
BG66433B1 true BG66433B1 (en) | 2014-05-30 |
Family
ID=45877164
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BG110676A BG66433B1 (en) | 2010-06-15 | 2010-06-15 | Two-dimensional vector magnetometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
BG (1) | BG66433B1 (en) |
-
2010
- 2010-06-15 BG BG110676A patent/BG66433B1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
BG110676A (en) | 2011-12-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
BG66433B1 (en) | Two-dimensional vector magnetometer | |
BG66954B1 (en) | A 2d semiconductor magnetometer | |
BG113014A (en) | Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
BG111199A (en) | Two-dimensional magnetometer | |
BG66436B1 (en) | Integrated three-dimensional magnetic field sensor | |
BG67249B1 (en) | Integrated hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
BG113356A (en) | Hall effect microsensor with more than one output | |
BG111840A (en) | Integral 3d microsensor for magnetic field | |
BG66714B1 (en) | Three-component magnetic field microsensor | |
BG113272A (en) | Planar magnetically sensitive sensor | |
BG112804A (en) | 2d hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
BG67136B1 (en) | The hall effect magnetometer | |
BG111329A (en) | Semiconducting three component magnetometer | |
BG67038B1 (en) | A plane magneto-sensitive microsystem of hall effect sensor | |
BG66884B1 (en) | Combined microsensor | |
BG113488A (en) | Planar magnetic-sensitive hall sensor | |
BG112485A (en) | Hall microsensor | |
BG67380B1 (en) | Two-dimensional magnetic field microsensor | |
BG67250B1 (en) | Hall effect semiconductor device | |
BG65750B1 (en) | Two-component magnetometer | |
BG113589A (en) | PLANE-SENSITIVE HALL SENSOR | |
BG65231B1 (en) | Magnetosensitive sensor | |
BG66234B1 (en) | Two-component magnetosensitive sensor | |
BG66874B1 (en) | A multisensory device | |
BG66764B1 (en) | Hall effect integral element with a parallel axis of magnetic sensitivity |