BG66624B1 - Two-dimensional magnetometer - Google Patents
Two-dimensional magnetometer Download PDFInfo
- Publication number
- BG66624B1 BG66624B1 BG111199A BG11119912A BG66624B1 BG 66624 B1 BG66624 B1 BG 66624B1 BG 111199 A BG111199 A BG 111199A BG 11119912 A BG11119912 A BG 11119912A BG 66624 B1 BG66624 B1 BG 66624B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- contacts
- square
- dimensional magnetometer
- rectangular
- plane
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Област на техникатаTechnical field
Изобретението се отнася до двумерен магнитометър, приложим в областта на сензориката микро- и нано-технологиите, системното инженерство, включително биоинженерството, роботиката и мехатрониката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, биомедицинските изследвания, енергетиката и енергийната ефективност, позиционирането на обекти, автоматиката, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.The invention relates to a two-dimensional magnetometer applicable in the field of sensor micro- and nano-technologies, systems engineering, including bioengineering, robotics and mechatronics, contactless measurement of angular and linear displacements, biomedical research, energy and energy objects, automation positions , control technology and low-field magnetometry, military and security, and more.
Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION
Известен е двумерен магнитометър, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт с квадратна форма като на разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има последователно по един правоъгълен вътрешен омичен контакт и по един външен омичен контакт. Четирите външни контакта са съединени и през токоизточник са свързани с централния контакт. Измерваното външно магнитно поле лежи в равнината на п-тип подложката, като всяка двойка срещуположни вътрешни контакти спрямо централния са изходите на двумерния магнитометър за двете ортогонални равнинни компоненти на вектора на магнитното поле [1,2].A two-dimensional magnetometer comprising a n-type semiconductor substrate is known, on one side of which a central ohmic contact with a square shape is formed, with a rectangular internal ohmic contact and an external ohmic contact alternately at its four sides. The four external contacts are connected and connected to the central contact via a power source. The measured external magnetic field lies in the plane of the n-type substrate, with each pair of opposite internal contacts relative to the central one being the outputs of the two-dimensional magnetometer for the two orthogonal plane components of the magnetic field vector [1,2].
Недостатък на този двумерен магнитометър е редуцираната точност на отделните сензорни канали при измерване на равнинните компоненти на магнитното поле в резултат на паразитното междуканално влияние от повърхностното разтичане на четирите захранващи тока между централния и четирите крайни контакти.The disadvantage of this two-dimensional magnetometer is the reduced accuracy of the individual sensor channels when measuring the plane components of the magnetic field as a result of the parasitic interchannel influence of the surface flow of the four supply currents between the central and four terminal contacts.
Техническа същност на изобретениетоSUMMARY OF THE INVENTION
Задача на изобретението е да се създаде двумерен магнитометър с висока измервателна точност на двата сензорни канала.It is an object of the invention to provide a two-dimensional magnetometer with high measurement accuracy of the two sensor channels.
Тази задача се решава с двумерен магнитометър, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани в близост един до друг два еднакви с квадратна форма омични контакти като на разстояния и симетрично спрямо четирите страни на всеки един от тях има разположени последователно по часовниковата стрелка по един правоъгълен омичен контакт - първи, втори, трети и четвърти, всичките с еднакви размери. Всяка от двете групи, съдържаща квадратен и четири правоъгълни контакта е обградена с дълбок р-тип ринг. Двата квадратни контакта са съединени с токоизточник. Първите и съответно вторите контакти от всяка група са свързани помежду си. Четвъртите и съответно третите контакти от всяка група са изходите на двумерния магнитометър за двете ортогонални компоненти на магнитното поле, лежащо в равнината на п-подложката.This problem is solved by means of a two-dimensional magnetometer containing a n-type semiconductor substrate, on which one side is formed adjacent to each other by two square-shaped ohmic contacts, spaced and symmetrically with respect to the four sides of each of them. clockwise one rectangular ohmic contact - first, second, third and fourth, all of the same size. Each of the two groups containing square and four rectangular contacts is surrounded by a deep p-type ring. The two square contacts are connected to a power source. The first and second contacts of each group are linked. The fourth and third contacts of each group, respectively, are the outputs of the two-dimensional magnetometer for the two orthogonal components of the magnetic field lying in the plane of the n-substrate.
Предимство на изобретението е високата измервателна точност на двата сензорни канала поради силно редуцираното повърхностно разтичане на захранващия ток, постигнато с обграждащия двете групи контакти р-тип ринг.An advantage of the invention is the high measurement accuracy of the two sensor channels due to the greatly reduced surface flow of the supply current achieved by the p-ring surrounding the two contact groups.
Предимство е също повишената магниточувствителност на двата сензорни канала в резултат на последователното свързване на изходите на двата магнитопреобразувателя, формирани от двете групи омични контакти и от наличие на обграждащия ги дълбок р-тип ринг.An advantage is also the increased magnetosensitivity of the two sensor channels as a result of the sequential connection of the outputs of the two transducers formed by the two groups of ohmic contacts and the presence of the deep p-ring surrounding them.
Предимство е още повишеното съотношение сигнал/шум и резолюцията на измерваната магнитна индукция от нарасналата чувствителност на сензорните канали.An advantage is the increased signal-to-noise ratio and resolution of the measured magnetic induction from the increased sensitivity of the sensor channels.
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 explained in more detail by an exemplary embodiment given in the annexed figure 1.
Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of carrying out the invention
Двумерният магнитометър съдържа п-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която са формирани в близост един до друг два еднакви с квадратна форма омични контакти 2 и 3 като на разстояния и симетрично спрямо четирите страни на всеки един от тях има разположени последователно по часовниковата стрелка по един правоъгълен омичен контакт - първи 4 и 5, втори 6 и 7, третиThe two-dimensional magnetometer contains a n-type semiconductor support 1, on which one square-shaped ohmic contacts 2 and 3 are formed on one side of each other and are spaced symmetrically with respect to the four sides of each of them. arrow on one rectangular ohmic contact - first 4 and 5, second 6 and 7, third
66624 В1 и 9 и четвърти 10 и 11, всичките с еднакви размери. Всяка от двете групи, съдържаща квадратен 2 и 3 и четири правоъгълни контакта 4 и 5, 6 и 7, и съответно 8 и 9, 10 и 11 е обградена с дълбок р-тип ринг 12. Двата квадратни контакта 2 и 3 са съединени с токоизточник 13. Първите 4 и 5 и съответно вторите 6 и 7 контакти от всяка група са свързани помежду си. Четвъртите 10 и 11 и съответно третите 8 и 9 контакти от всяка група са изходите 14 и 15 на двумерния магнитометър за двете ортогонални компоненти на магнитното поле 16, лежащо в равнината на п-тип подложката 1.66624 B1 and 9 and Quarters 10 and 11, all of the same size. Each of the two groups containing square 2 and 3 and four rectangular contacts 4 and 5, 6 and 7, respectively 8 and 9, 10 and 11 is surrounded by a deep p-type ring 12. The two square contacts 2 and 3 are connected by source 13. The first 4 and 5 and respectively the second 6 and 7 contacts of each group are interconnected. The fourth 10 and 11 and respectively the third 8 and 9 contacts of each group are the outputs 14 and 15 of the two-dimensional magnetometer for the two orthogonal components of the magnetic field 16 lying in the plane of the n-type substrate 1.
Действието на двумерния магнитометър, съгласно изобретението, е следното.The action of the two-dimensional magnetometer according to the invention is as follows.
При включване на двата квадратни контакта 2 и 3 към токоизточника 13, между тях протича захранващ ток 123. Неговата траектория в областите под контакти 2 и 3 първоначално е перпендикулярна на горната повърхност на п-подложката 1, тъй като квадратните нискоомни контакти 2 и 3 представляват еквипотенциални равнини. Другата част от ефективната траектория на тока 12 3 е в обема на п-подложката 1 и е успоредна на горната й страна. Важна особеност е, че посоките на тока 123 под квадратните контакти 2 и 3 са противоположни, 12 = |-13| = 12 3. Дълбокият р-тип ринг, обграждащ достатъчно близко омичните контакти 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 драстично редуцира разтичането по повърхността на подложката 1 на захранващия ток 123.When the two square pins 2 and 3 are connected to the power source 13, a supply current 1 23 flows between them. Its trajectory in the areas under contacts 2 and 3 is initially perpendicular to the upper surface of the n-pad 1, since the square low-ohmic contacts 2 and 3 represent equipotential planes. The other part of the effective current path 1 2 3 is in the volume of the n-pad 1 and is parallel to its upper side. An important feature is that the directions of current 1 23 below the square contacts 2 and 3 are opposite, 1 2 = | -1 3 | = 1 2 3 . The deep p-type ring surrounding sufficiently close ohmic contacts 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11 drastically reduces the drainage on the surface of the supply current substrate 1 23 23 .
Външното магнитно поле В 16, което е с произволна ориентация в равнината на подложката 1, чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти Βχ и Ву води до възникване на съответни латерално отклоняващи движещи се токоносители 123 сили на Лоренц, РЕ = ц У0г х В, където ς е елементарния товар на електрона, а У0г е векторът на средната дрейфова скорост на токоносителите, в нашия случай електроните. В резултат на тази Лоренцова дефлекция в повърхностните зони, там където са разположени омични контакти 4 и 8, и съответно би 10 от едната група и 5 и 9, и съответно 7 и 11 от другата, се генерират противоположни по знак електрически товари. Това води до поява на напрежения на Хол върху тези контакти както следва: У48(Вх) и У610(Ву), и съответно У59(Вх) и У7 и(Ву). Поради структурната симетрия на двете групи контакти и противоположната посока на тока 12 3 под контакти 2 и 3, тези напрежения са еднакви по стойност и са с противоположна полярност, У4 8(Вх) = |- У5 9(Вх)| и У6ю(Ву) = |- У7 „(В )|. Когато двата първи 4 и 5 и двата втори 6 и 7 контакта от всяка група са свързани съответно помежду си, се осъществява сумиране на напреженията на Хол: У8 9(Βχ) = У4 8(Βχ) + У5 9(Вх) и У6 ],(В ) = \10(Ву) + У71,(В ). Ето защо върху диференциалните изходи УШ|1(Ву) 14 и У89(Вх) 15 на двуосния векторен магнитометър се генерират двойно по-големи напрежения на Хол, отколкото ако се използва само един магнитопреобразувател, конфигуриран от една група омични контакти, например 2,4,6, 8 и 10. Двата изходни Ходови сигнали 14 и 15 са линейни и нечетни функции от стойностите и посоките на компонентите Βχ и Ву на полето В 16, и следователно гарантират високо метрологично качество на 2-Ό сензора. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 16 в равнината х-у на п-подложката 1 и ъгълът Θ на полето В 16 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина се дават с изразите: |В| = (Вх 2 + Ву2)1/2 и Θ = 1ап-’(У(Ву)/Ух(Вх)).The external magnetic field B 16, which is of arbitrary orientation in the plane of the substrate 1, through its two mutually perpendicular components χ χ and B y leads to the emergence of corresponding laterally deflecting current carriers 1 23 Lorentz forces, P E = μ W 0r x B, where ς is the elemental load of the electron and Y 0r is the vector of the average drift velocity of the carriers, in our case electrons. As a result of this Lorentzian deflection, in the surface areas where ohmic contacts 4 and 8, and respectively 10 in one group and 5 and 9, and 7 and 11 in the other respectively, are generated, opposite electric signs are generated. This leads to the appearance of Hall stresses on these contacts as follows: Y 48 (B x ) and Y 610 (B y ), and respectively Y 59 (B x ) and Y 7 and (B y ). Due to the structural symmetry of the two groups of contacts and the opposite direction of current 1 2 3 under contacts 2 and 3, these voltages are equal in value and have opposite polarity, Y 4 8 (B x ) = | - Y 5 9 (B x ) | and Y 6y (B y ) = | - Y 7 '(B) |. When the two first 4 and 5 and the two second 6 and 7 contacts of each group are connected respectively to each other, the Hall stresses are summed up: Y 8 9 (Β χ ) = Y 4 8 (Β χ ) + Y 5 9 ( In x ) and Y 6] , (B) = \ 10 (Y y ) + Y 71 , (B). Therefore, twice the Hall voltages are generated on the differential outputs Y W | 1 (H y ) 14 and Y 89 (H x ) 15 of the biaxial vector magnetometer than if only one magnet converter configured by one group of ohmic contacts is used , eg 2,4,6, 8 and 10. The two output Stroke signals 14 and 15 are linear and odd functions of the values and directions of the components Β χ and B y of field B 16, and therefore guarantee high metrological quality of 2-Ό sensor. The absolute value of the vector of the magnetic field B 16 in the x-y plane of the n-pad 1 and the angle Θ of the field B 16 with respect to a fixed reference axis in the same plane are given by the expressions: | B | = (B x 2 + Wu 2 ) 1/2 and Θ = 1ap - '(B (Wu) / B x (B x )).
Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във възможността с един и същ захранващ ток 12 чрез две максимално опростени конфигурации омични контакти да се генерират две по две линейни и нечетни Холови напрежения, регистриращи компонентите на равнинния магнитен вектор В(В ,В ). След сумиране на изходните сигнали без допълнителна схемотехника магниточувствителността на двата изхода 14 и 15 практически се удвоява. От съществено значение за опростяване на последващата обработка на изходните напрежения 14 и 15 е, че избраната симетрична структура определя равенство на магниточувствителностите на изходи 14 и 15. Чрез специфичната геометрия на р-тип ринга 12 драстично са минимизирани повърхностните паразитни токове. Разтичането им по повърхността практически е отстранено и измервателната точност на двата сензорни канала е съществено подобрена. Дълбокият р-ринг 12 подобрява също ортогоналността на токове 12 и 13 през двата квадратни захранващи контакта 2 и 3 в отсъствие на магнитно поле В 16 спрямо горната равнина на подложката 1. Така токовите линии 12 3 проникват дълбоко в обема на п-полупроводниковата подложка 1. Следователно въздействието на двете компоненти В и В на магнитното поле В 16 чрезThe unexpected positive effect of the new technical solution lies in the possibility of generating two by two linear and odd Hall voltages registering the components of the plane magnetic vector B (B, B) with the same power supply 1 2 through two maximally simplified ohmic contacts configurations. . After summing the output signals without additional circuitry, the magnetic sensitivity of the two outputs 14 and 15 is practically doubled. It is essential to simplify the subsequent processing of output voltages 14 and 15 that the selected symmetrical structure determines the equality of the magnetic sensitivities of outputs 14 and 15. Surface parasitic currents are drastically minimized by the specific geometry of the p-type ring 12. Their flow to the surface has been virtually eliminated and the measurement accuracy of the two sensor channels has been significantly improved. The deep p-ring 12 also improves the orthogonality of currents 1 2 and 1 3 through the two square power contacts 2 and 3 in the absence of a magnetic field B 16 with respect to the upper plane of the substrate 1. Thus, the current lines 1 2 3 penetrate deeply into the volume of n- semiconductor pad 1. Therefore, the effect of the two components B and B on the magnetic field B 16 by
X у силите на Лоренц Рь върху токове 12 и 13 е значително повишено, и магниточувствителността на двата канала също.X at the Lorentz force P b on currents 1 2 and 1 3 is significantly increased, and the magnetic sensitivity of both channels is also.
66624 В166624 B1
Проведените експерименти с прототипи на новия двумерен магнитометър, реализирани на основата на силициева биполярна технология съгласно изобретението и сравняването на резултатите с тези за известното решение показват, че при фиксирана стойност на захранващия ток 12 3 = сопз! и определена посока на магнитното поле В 16 в равнината на η-δϊ подложка 1, магниточувствителностите на двата х- и у-сензорни канали 14 и 15 са равни и двойно по-големи. Подобрен е също и един от най-важните сензорни параметри на х- и у-каналите - съотношението сигнал/шум δ/Ν. Установено е, че паразитното влияние между двата сензорни канали е съществено минимизирано като измервателната точност на двумерния магнитометър е значително повишена. При необходимост 2-Ό магнитометърът може да се реализира с микромашининг силициева технология.The experiments performed with prototypes of the new two-dimensional magnetometer, based on the silicon bipolar technology according to the invention and comparing the results with the known solution, show that at a fixed value of the supply current 1 2 3 = const! and a certain direction of the magnetic field B 16 in the plane of the η-δϊ substrate 1, the magnetic sensitivities of the two x- and y-sensor channels 14 and 15 are equal and twice as large. One of the most important sensory parameters of the x- and y-channels is also improved - the signal-to-noise ratio δ / Ν. It has been found that the parasitic influence between the two sensor channels is substantially minimized and the measurement accuracy of the two-dimensional magnetometer is significantly increased. If necessary, the 2-magnetometer can be implemented with micromachining silicon technology.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG111199A BG66624B1 (en) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | Two-dimensional magnetometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG111199A BG66624B1 (en) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | Two-dimensional magnetometer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BG111199A BG111199A (en) | 2013-10-31 |
BG66624B1 true BG66624B1 (en) | 2017-11-30 |
Family
ID=49753730
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BG111199A BG66624B1 (en) | 2012-04-17 | 2012-04-17 | Two-dimensional magnetometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
BG (1) | BG66624B1 (en) |
-
2012
- 2012-04-17 BG BG111199A patent/BG66624B1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
BG111199A (en) | 2013-10-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
BG66624B1 (en) | Two-dimensional magnetometer | |
BG66954B1 (en) | A 2d semiconductor magnetometer | |
BG111840A (en) | Integral 3d microsensor for magnetic field | |
BG67134B1 (en) | Hall effect microsensor | |
BG67380B1 (en) | Two-dimensional magnetic field microsensor | |
BG112804A (en) | 2d hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
BG67039B1 (en) | Two-axis magnetic field microsensor | |
BG66714B1 (en) | Three-component magnetic field microsensor | |
BG67210B1 (en) | Integrated two-axis magnetic field sensor | |
BG111329A (en) | Semiconducting three component magnetometer | |
BG67551B1 (en) | Biaxial magnetosensitive sensor containing hall elements | |
BG67038B1 (en) | A plane magneto-sensitive microsystem of hall effect sensor | |
BG66704B1 (en) | Two-dimensional semiconductor magnetometer | |
BG66885B1 (en) | A plain magnetically sensitive hall’s effect sensor | |
BG66436B1 (en) | Integrated three-dimensional magnetic field sensor | |
BG111414A (en) | Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity | |
BG113014A (en) | Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
BG66884B1 (en) | Combined microsensor | |
BG66933B1 (en) | Hall effect microsensor | |
BG66843B1 (en) | Two-axle hall effect magnetometer | |
BG66433B1 (en) | Two-dimensional vector magnetometer | |
BG66985B1 (en) | A surface-magnetically sensitive hall transformer | |
BG66711B1 (en) | Hall effect sensor with a tangential axis of magnetosensitivity | |
BG112445A (en) | Magnetoresistive sensor | |
BG66404B1 (en) | Semiconductor hall element with a parallel axis of sensitivity |