BG66640B1 - Semiconductor three-component magnetometer - Google Patents

Semiconductor three-component magnetometer Download PDF

Info

Publication number
BG66640B1
BG66640B1 BG111329A BG11132912A BG66640B1 BG 66640 B1 BG66640 B1 BG 66640B1 BG 111329 A BG111329 A BG 111329A BG 11132912 A BG11132912 A BG 11132912A BG 66640 B1 BG66640 B1 BG 66640B1
Authority
BG
Bulgaria
Prior art keywords
contacts
magnetic field
orthogonal component
component
output
Prior art date
Application number
BG111329A
Other languages
Bulgarian (bg)
Other versions
BG111329A (en
Inventor
Чавдар РУМЕНИН
Вълчева Лозанова Сия
Сия ЛОЗАНОВА
Станоев Руменин Чавдар
Original Assignee
Институт По Системно Инженерство И Роботика
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт По Системно Инженерство И Роботика filed Critical Институт По Системно Инженерство И Роботика
Priority to BG111329A priority Critical patent/BG66640B1/en
Publication of BG111329A publication Critical patent/BG111329A/en
Publication of BG66640B1 publication Critical patent/BG66640B1/en

Links

Landscapes

  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

The semiconductor three-component magnetometer contains a n-type semiconductor wafer (1) in a rectangular shape, as at its surface has two elongated ohmic contacts (3 and 4), which are connected through a direct current source (9). The magnetic field (10) is in any direction to the wafer (1), and the rectangular n-wafer (1) is surrounded by a deep p-ring (2). Along the long sides of the inner zone there are also four identical elongated ohmic contacts - first (5), second (6), third (7) and fourth (8), as the first (5) is located opposite the second (6), and the third (7) is opposite the fourth (8). All ohmic contacts (3, 4, 5, 6, 7 and 8) are symmetrical to the centre of enclosed by the p-ring (2) the inner zone. To measure the first orthogonal component of a magnetic field, the first (5) and fourth (8) and respectively the second (6) and third (7) contacts are connected to each other, as the second (6) and fourth (8) are the output ( 11) for the first orthogonal component. To measure the second orthogonal component, the first (5) and third (7), and respectively the second (6) and fourth (8) contacts are connected to each other, as the output (12) for the second component are the two points of connection. To measure the third orthogonal component of the magnetic field, the four ohmic contacts (5, 6, 7 and 8) are connected, as the contacts (3 and 4) are connected through a high-ohmic trimmer (13), the midpoint of which and the contact point of the contacts (5, 6, 7 and 8) are the output (14) for the third orthogonal component.

Description

(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВ ТРИКОМПОНЕНТЕН МАГНИТОМЕТЪР(54) SEMICONDUCTOR THREE-COMPONENT MAGNETOMETER

Област на техникатаField of technology

Изобретението се отнася до полупроводников трикомпонентен магнитометър, приложимо в областта на сензориката, системното инженерство, роботиката и мехатрониката, микро- и нано-технологиите, включително биоинженерството, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в пространството, безконтактната автоматика, биомедицинските изследвания, енергетиката и енергийната ефективност, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.The invention relates to a semiconductor three-component magnetometer applicable in the field of sensorics, systems engineering, robotics and mechatronics, micro- and nano-technologies, including bioengineering, non-contact measurement of angular and linear displacements, positioning of objects in space, non-contact automation , energy and energy efficiency, control and measurement technology and low-field magnetometry, military affairs and security, etc.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е полупроводников трикомпонентен магнитометър, измерващ последователно трите взаимноперпендикулярни компоненти на вектора на магнитното поле, съдържащ п-тип полупроводникова подложка с правоъгълна форма, върху едната страна на която откъм късите й страни, са формирани по един продълговат омичен базов контакт - първи и втори. В близост до първия базов контакт и симетрично на него е разположен р-тип емитер. По дължините на дългите страни на правоъгълната п-подложка са формирани по два продълговати с еднакви размери р-тип колектори - първият и вторият са от едната страна, а третият и четвъртият от другата. Двата базови контакта са свързани през първи токоизточник, емитерът е включен в права посока през втори токоизточник спрямо втория базов контакт. Магнитното поле е с произволна посока спрямо полупроводниковата п-тип подложка. За измерване на първата ортогонална компонента на магнитното поле първият и четвъртият, и съответно вторият и третият р-колектори са свързани помежду си като двете точки на свързване са съединени с по един товарен резистор и през трети токоизточник двойките колектори са включени в обратна посока спрямо втория базов контакт. Изходът за първата ортогонална компонента са двете точки на свързване на колекторите. За измерване на втората ортогонална компонента на магнитното поле първият и вторият, и съответно третият и четвъртият р-колектори са свързани помежду си като двете точки на свързване са съединени с по един товарен резистор и през третия токоизточник двойките колектори са включени в обратна посока спрямо втория базов контакт. Изходът за втората ортогонална компонента са двете точки на свързване на колекторите. За измерване на третата ортогонална компонента на вектора на магнитното поле първият и третият, и респективно вторият и четвъртият р-колектори са свързани помежду си като точките на свързване са съединени с по един товарен резистор и през третия токоизточник двойките колектори са включени в обратна посока спрямо втория базов контакт. Изходът за третата ортогонална компонента са двете точки на свързване на колекторите /1, 3/.A semiconductor three-component magnetometer is known, measuring successively the three mutually perpendicular components of the magnetic field vector, containing a rectangular p-type semiconductor substrate, on one side of which on its short sides are formed one elongated ohmic base contact - first and second. Near the first basic contact and symmetrically on it is located a p-type emitter. Along the lengths of the long sides of the rectangular p-substrate are formed two elongated p-type collectors of equal size - the first and second are on one side, and the third and fourth on the other. The two base contacts are connected through a first current source, the emitter is connected in a forward direction through a second current source relative to the second base contact. The magnetic field has an arbitrary direction with respect to the semiconductor n-type substrate. To measure the first orthogonal component of the magnetic field, the first and fourth, and respectively the second and third p-collectors are connected to each other as the two connection points are connected by one load resistor and through a third current source the collector pairs are connected in the opposite direction to the second. basic contact. The output for the first orthogonal component are the two connection points of the collectors. To measure the second orthogonal component of the magnetic field, the first and second, and respectively the third and fourth p-collectors are connected to each other as the two connection points are connected by one load resistor and through the third current source the pairs of collectors are connected in the opposite direction to the second basic contact. The output for the second orthogonal component are the two connection points of the collectors. To measure the third orthogonal component of the magnetic field vector, the first and third, and respectively the second and fourth p-collectors are connected to each other as the connection points are connected by one load resistor and through the third current source the collector pairs are connected in the opposite direction. the second base contact. The output for the third orthogonal component are the two connection points of the collectors / 1, 3 /.

Недостатък на този полупроводников трикомпонентен магнитометър е твърде усложнената конструкция, изискваща три отделни токоизточника и товарни резистори.The disadvantage of this semiconductor three-component magnetometer is the very complicated construction, which requires three separate current sources and load resistors.

Недостатък е също редуцираното отношение сигнал/шум и резолюцията на отделните изходни канали при измерване на магнитната индукция в резултат на повишения собствен шум от биполярното транзисторно действие на този магнитометър.Another disadvantage is the reduced signal-to-noise ratio and the resolution of the individual output channels when measuring the magnetic induction as a result of the increased intrinsic noise from the bipolar transistor action of this magnetometer.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Задача на изобретението е да се създаде полупроводников трикомпонентен магнитометър с опростена конструкция, висока резолюция и отношение сигнал/шум.It is an object of the invention to provide a semiconductor three-component magnetometer with a simplified construction, high resolution and signal-to-noise ratio.

Тази задача се решава с полупроводников трикомпонентен магнитометър, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която е формиран дълбок правоъгълен р-ринг; на повърхността на оградената от този ринг вътрешна зона и в близост до късите й страни има два продълговати омични контакти - първи и втори; по дължината на дългите страни на вътрешната зона има още четири еднакви продълговати омични контакти - първи, втори, трети и четвърти. Първият е разположен срещу втория, а третият е срещу четвъртия като всички омични контакти са симетрични спрямо центъра на оградената от р-ринга вътрешна зона. Захранващите контакти са свързани през източник на постоянен ток. Магнитното поле е с произволна посока в пространството спрямо полупроводниковата п-тип подложка. За измерване на първата ортогонална компонента на магнитно полеThis problem is solved with a semiconductor three-component magnetometer containing a n-type semiconductor substrate, on one side of which a deep rectangular p-ring is formed; on the surface of the inner zone enclosed by this ring and near its short sides there are two elongated ohmic contacts - first and second; along the long sides of the inner zone there are four more identical elongated ohmic contacts - first, second, third and fourth. The first is located opposite the second, and the third is opposite the fourth, as all ohmic contacts are symmetrical with respect to the center of the inner zone enclosed by the ring. The power contacts are connected via a DC power source. The magnetic field has an arbitrary direction in space relative to the semiconductor n-type substrate. To measure the first orthogonal component of a magnetic field

Описания на издадени патенти за изобретения № 03.1/15.03.2018 първият и четвъртият, и съответно вторият и третият контакти, разположени по дължината на дългите страни на вътрешната зона са свързани помежду си като вторият и четвъртият контакти са изходът за първата ортотонална компонента. За измерване на втората ортогонална компонента на магнитното поле първият и третият, и съответно вторият и четвъртият контакти, разположени по дължината на дългите страни на вътрешната зона са свързани помежду си, като изходът за втората ортогонална компонента са двете точки на свързване на двойките контакти. За измерване на третата ортогонална компонента на вектора на магнитното поле четирите омични контакта, разположени по дължината на дългите страни на вътрешната зона са свързани като, първият и вторият захранващи контакти са съединени през високоомен тример, средната точка на който и точката на свързване на четирите контакти са изходът за третата ортогонална компонента.Descriptions of issued patents for inventions № 03.1 / 15.03.2018 the first and fourth, and respectively the second and third contacts located along the long sides of the inner zone are interconnected as the second and fourth contacts are the output for the first orthotonal component. To measure the second orthogonal component of the magnetic field, the first and third, and the second and fourth contacts, respectively, located along the long sides of the inner zone are connected to each other, the output for the second orthogonal component being the two contact pairs. To measure the third orthogonal component of the magnetic field vector, the four ohmic contacts located along the long sides of the inner zone are connected as, the first and second power contacts are connected via a high-resistance trimmer, the midpoint of which and the connection point of the four contacts are the output for the third orthogonal component.

Предимство на изобретението е опростената конструкция, поради отпадането на два от трите захранващи токоизточника и на товарните резистори, а също така общият брой контакти е намален с един.An advantage of the invention is the simplified construction due to the failure of two of the three power supplies and the load resistors, and also the total number of contacts is reduced by one.

Предимство е също повишеното отношение сигнал/шум и резолюцията на отделните изходни канали при измерване на магнитната индукция поради отсъствието на биполярно транзисторно действие, заменено със стабилния и еднозначен като сензорен механизъм на функциониране ефект на Хол и за трите канала.Another advantage is the increased signal-to-noise ratio and the resolution of the individual output channels when measuring the magnetic induction due to the absence of bipolar transistor action, replaced by the stable and unambiguous as a sensory mechanism of operation Hall effect for all three channels.

Предимство е още редуцираното паразитно междуканално влияние при последователното измерване на магнитните компоненти в резултат на подобрената структурна и електрическа симетрия на магнитометъра.Another advantage is the reduced parasitic interchannel influence in the sequential measurement of the magnetic components as a result of the improved structural and electrical symmetry of the magnetometer.

Описание на приложените фигуриDescription of the attached figures

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложените фигури:The invention is illustrated in more detail by an exemplary embodiment thereof, given in the accompanying figures:

фигура 1 представлява неговата принципна конструкция;Figure 1 represents its basic construction;

фигура 2 (а), (б) и (в) - трите последователни свързвания на четирите продълговати контакти по дължината на дългите страни на вътрешната правоъгълна п-тип зона на подложката за последователното измерване на трите ортогонални компоненти на вектора на магнитното поле.Figure 2 (a), (b) and (c) show the three consecutive connections of the four elongated contacts along the long sides of the inner rectangular n-type zone of the substrate for sequentially measuring the three orthogonal components of the magnetic field vector.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of the invention

Полупроводниковият трикомпонентен магнитометър съдържа п-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която е формиран дълбок правоъгълен р-ринг 2. На повърхността на оградената от този ринг 2 вътрешна зона и в близост до късите й страни има два продълговати омични контакта - първи 3 и втори 4, а по дължината на дългите страни на вътрешната зона има още четири еднакви продълговати омични контакта - първи 5, втори 6, трети 7 и четвърти 8, като първият 5 е разположен срещу втория 6, а третият 7 е срещу четвъртия 8, като всички омични контакти 3, 4, 5, 6, 7 и 8 са симетрични спрямо центъра на оградената от р-ринга 2 вътрешна зона. Захранващите контакти 3 и 4 са свързани през източник на постоянен ток 9. Магнитното поле 10 е с произволна посока в пространството спрямо полупроводниковата п-тип подложка 1. За измерване на първата ортогонална компонента на магнитно поле първият 5 и четвъртият 8, и съответно вторият 6 и третият 7 контакти са свързани помежду си, като вторият 6 и четвъртият 8 контакти са изходът 11 за първата ортогонална компонента. За измерване на втората ортогонална компонента на магнитното поле първият 5 и третият 7, и съответно вторият 6 и четвъртият 8 контакт са свързани помежду си, като изходът 12 за втората ортогонална компонента са двете точки на свързване на двойките контакти 5 и 7, и съответно 6 и 8. За измерване на третата ортогонална компонента на вектора на магнитното поле четирите омични контакти 5, 6, 7 и 8 са свързани, при което първият 3 и вторият 4 захранващ контакт са съединени през високоомен тример 13, средната точка на който и точката на свързване на четирите контакти 5, 6, 7 и 8 са изходът 14 за третата ортогонална компонента.The semiconductor three-component magnetometer contains a n-type semiconductor pad 1, on one side of which a deep rectangular p-ring 2 is formed. On the surface of the inner zone enclosed by this ring 2 and near its short sides there are two elongated ohmic contacts - first 3 and a second 4, and along the long sides of the inner zone there are four more identical elongated ohmic contacts - first 5, second 6, third 7 and fourth 8, the first 5 is located opposite the second 6 and the third 7 is against the fourth 8, all ohmic contacts 3, 4, 5, 6, 7 and 8 being symmetrical about the center of the inner zone enclosed by the p-ring 2. The supply contacts 3 and 4 are connected via a DC source 9. The magnetic field 10 has an arbitrary direction in space relative to the semiconductor n-type substrate 1. To measure the first orthogonal component of the magnetic field, the first 5 and the fourth 8, and the second 6, respectively. and the third 7 contacts are interconnected, the second 6 and fourth 8 contacts being the output 11 for the first orthogonal component. To measure the second orthogonal component of the magnetic field, the first 5 and third 7, and the second 6 and fourth 8 contacts, respectively, are interconnected, the output 12 for the second orthogonal component being the two connection points of the contact pairs 5 and 7, and 6 respectively. and 8. To measure the third orthogonal component of the magnetic field vector, the four ohmic contacts 5, 6, 7 and 8 are connected, the first 3 and second 4 supply contacts being connected via a high-resistance trimmer 13, the midpoint of which and the point of connecting the four contacts 5, 6, 7 and 8 are the output 14 for the third orthogonal component.

Действието на полупроводниковия трикомпонентен магнитометър, съгласно изобретението, (фигура 1) е следното. При включване на двата контакта 3 и 4 към източника 9, между тях протича постоянен захранващ ток I3 = const, ефективната траектория на който е криволинейна. Тя стартира и завършва върху нискоомните планарни контакти 3 и 4, като в областите под тях траекторията първоначално е № 03.1/15.03.2018The operation of the semiconductor three-component magnetometer according to the invention (Figure 1) is as follows. When the two contacts 3 and 4 are connected to the source 9, a constant supply current I 3 = const flows between them, the effective trajectory of which is curvilinear. It starts and ends on the low-impedance planar contacts 3 and 4, as in the areas below them the trajectory is initially № 03.1 / 15.03.2018

Описания на издадени патенти за изобретения перпендикулярна на горната повърхност на п-подложката 1. Нискоомните захранващи контакти 3 и 4 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 10 токовите линии 13 са винаги перпендикулярни. Ефективната траектория на тока 13 в останалата част от обема на п-подложката 1 е успоредна на горната й страна. Важна особеност е, че посоките на тока 13 под контактите 3 и 4 са противоположни, I3 = |-11 = 13 4. Дълбокият р-ринг 2, ограждащ достатъчно близко омичните контакти 3,4, 5, 6, 7 и 8 драстично редуцира разтичането на тока 13 по повърхността на подложката 1. Предвид избраната структурна симетрия на всичките омични контакти 3, 4, 5, 6, 7 и 8 по отношение на центъра на вътрешната правоъгълна п-тип зона (точката на пресичане на диагоналите на тази област), траекторията на захранващия ток 13 е също симетрична спрямо този център в равнината х-у (фигура 1).Descriptions of patents for inventions perpendicular to the upper surface of the n-substrate 1. The low-resistance supply contacts 3 and 4 are equipotential planes to which in the absence of an external magnetic field B 10 the current lines 1 3 are always perpendicular. The effective current trajectory 1 3 in the rest of the volume of the n-substrate 1 is parallel to its upper side. An important feature is that the directions of current 1 3 under contacts 3 and 4 are opposite, I 3 = | -11 = 1 3 4 . The deep p-ring 2, surrounding the ohmic contacts 3,4, 5, 6, 7 and 8 close enough, drastically reduces the current flow 1 3 on the surface of the substrate 1. Given the chosen structural symmetry of all ohmic contacts 3, 4, 5, 6 , 7 and 8 with respect to the center of the inner rectangular n-type zone (the point of intersection of the diagonals of this region), the trajectory of the supply current 1 3 is also symmetrical with respect to this center in the x-y plane (Figure 1).

Външното магнитно поле В 10, което е с произволна ориентация в пространството спрямо подложката 1, чрез трите си взаимно перпендикулярни компоненти Βχ, Ву и Βζ води до възникване на три латерално отклоняващи движещите се електрони 13 сили на Лоренц, FL = qV|r х В, където q е елементарният товар на електрона, a Vdi е векторът на средната дрейфова скорост на носителите по оста у [3]. В резултат на тази Лоренцова дефлекция в равнината, в повърхностните зони, там където са разположени контактите 5, 6, 7 и 8 се генерират допълнителни електрически товари от ефекта на Хол (фигура 1). Това води до поява на съответни потенциали на Хол върху тези контакти от трите взаимно ортогонални компоненти на вектора на магнитното поле В 10 Βχ, Ву и Βζ както следва: V5 6χ) и |- V7g(Bx)|; V57(By) и |- V6g(B )|, h±V5 678(Bz). Последователното във времето свързване по определен начин на Холовите контакти 5, 6, 7 и 8 цели селективно извличане на метрологична информация за трите отделни ортогонални компоненти Βχ, Ву и Βζ на магнитния вектор В 10.The external magnetic field B 10, which has an arbitrary orientation in space relative to the substrate 1, through its three mutually perpendicular components Β χ , B y and Β ζ leads to the emergence of three laterally deflecting moving electrons 1 3 Lorentz forces, F L = qV | r x B, where q is the elementary charge of the electron, and V di is the vector of the average drift velocity of the carriers along the y-axis [3]. As a result of this Lorentz deflection in the plane, in the surface zones, where the contacts 5, 6, 7 and 8 are located, additional electrical loads are generated from the Hall effect (Figure 1). This leads to the appearance of corresponding Hall potentials on these contacts from the three mutually orthogonal components of the magnetic field vector B 10 Β χ , B y and Β ζ as follows: V 5 6χ ) and | - V 7g (B x ) |; V 57 (B y ) and | - V 6g (B) |, h ± V 5 678 (B z ). The sequential connection in a certain way of the Hall contacts 5, 6, 7 and 8 aims at selective extraction of metrological information for the three separate orthogonal components Β χ , B y and Β ζ of the magnetic vector B 10.

В поле Βχ силата на Лоренц FL = q\'dl y х Βχ въздейства върху вертикалните компоненти на дрейфовата скорост v||y на електроните (фигура 1). При съединяване на четирите еднакви контакти 5, 6, 7 и 8 накръстно (фигура 2(a)) се осъществява връзка на контакти, чиито потенциали, генерирани в магнитно поле Βχ от ефекта на Хол са с един и същ знак и са равни по стойност, V5χ) =|- V67(В )|. В този случай диференциалният изход V6 8(В ) 11 между контактите 6 и 8 дава метрологична информация за ортотоналната магнитна компонента Βχ.In the field Β χ the Lorentz force F L = q \ ' dl y x Β χ affects the vertical components of the drift velocity v || y of the electrons (Figure 1). When the four identical contacts 5, 6, 7 and 8 are connected crosswise (figure 2 (a)), a connection is made of contacts whose potentials generated in the magnetic field Β χ by the Hall effect have the same sign and are equal in value, V 5χ ) = | - V 67 (B) |. In this case, the differential output V 6 8 (B) 11 between contacts 6 and 8 gives metrological information about the orthotonic magnetic component Β χ .

В поле В силата на Лоренц FL = qvdrx х Βχ въздейства върху вертикалните компоненти на дрейфовата скорост vdrx на електроните (фигура 1). Паралелното свързване на контактите 5 и 7, и съответно 6 и 8 осъществява връзка на контактите, чиито потенциали, генерирани в магнитно поле Ву от ефекта на Хол са с един и същ знак и са равни по стойност, V5 7(В ) = |- 76 g(B )|, (фигура 2(6)). Диференциалният изход V5g(By) 12 между контактите 5 и 8 дава метрологична информация за ортогоналната магнитна компонента В.In the B field, the Lorentz force F L = qv drx x Β χ affects the vertical components of the drift velocity v drx of the electrons (Figure 1). The parallel connection of contacts 5 and 7, and respectively 6 and 8 connects the contacts whose potentials generated in the magnetic field B y by the Hall effect have the same sign and are equal in value, V 5 7 (B) = | - 7 6 g (B) |, (Figure 2 (6)). The differential output V 5g (B y ) 12 between contacts 5 and 8 gives metrological information about the orthogonal magnetic component B.

уy

Магнитно поле Bz въздейства върху латералната дрейфова скорост vdrx и вертикалната компонента на скоростта v^. (фигура 1).Така съответната сила на Лоренц FL премества траекторията 13 4 в средната област на подложката 1 в равнината х-у или към горната й повърхност или към обема й (в зависимост от посоките на тока I и магнитното поле Bz), т.е. силата на Лоренц FL “свива” или “удължава” ефективната токова траектория 13 в равнината х-у. Свързването на всички Холови контакти 5, 6, 7 и 8 осъществява сумиране на равни по стойност потенциали, генерирани от ортогоналната магнитна компонента Bz (фигура 2(b)). Така върху всички контакти 5, 6, 7 и 8, в зависимост от посоката на полето Bz се генерира едновременно линеен и полярен (нечетен) Холов потенциал ± V5 6 7 g(Bz) и квадратичен и четен от магнитното поле Bz магниторезистивен сигнал MR ~ B2z. Пълното компенсиране на паразитното, в този случай, квадратично магнитосъпротивление (квадратичното напрежение върху тези Холови контакти 5, 6, 7 и 8 от магнитната индукция Βζ 10) се осъществява с включения към захранващи контакти 3 и 4 и токоизточника 9 високоомен тример 13. Тъй като захранването на магнитометъра е в режим на постоянен ток I34 = const, квадратичното магниторезистивно напрежение V3 4(В ) ~ B2z върху захранващите контакти 3 и 4 се разпределя в средната точка на делителя (тримера 13) съобразно стойностите на съпротивленията на двете части на тримера 13. Така потенциалът върху средната точка на тримера 13 съвпада с генерирания в поле Bz квадратичен потенциал V5 6 7 върху непосредствено свързаните контакти 5, 6, 7 и 8, върхуMagnetic field B z affects the lateral drift velocity v drx and the vertical velocity component v ^. (Figure 1). Thus the corresponding Lorentz force F L moves the trajectory 1 3 4 in the middle region of the substrate 1 in the plane x-y or to its upper surface or to its volume (depending on the directions of current I and the magnetic field B z ), i.e. the Lorentz force F L “shrinks” or “lengthens” the effective current trajectory 1 3 in the x-y plane. The connection of all Hall contacts 5, 6, 7 and 8 summarizes equal potentials generated by the orthogonal magnetic component B z (figure 2 (b)). Thus, on all contacts 5, 6, 7 and 8, depending on the direction of the field B z , both linear and polar (odd) Hall potential ± V 5 6 7 g (B z ) and quadratic and even from the magnetic field B z are generated. magnetoresistive signal MR ~ B 2 z. The full compensation of the parasitic, in this case, quadratic magnetoresistance (the quadratic voltage on these Hall contacts 5, 6, 7 and 8 of the magnetic induction осъщест 10) is carried out by connecting to power contacts 3 and 4 and the current source 9 a high-impedance trimmer 13. the supply of the magnetometer is in DC mode I34 = const, the square magnetoresistive voltage V3 4 (B) ~ B 2 z on the supply contacts 3 and 4 is distributed at the midpoint of the divider (trimmer 13) according to the values of the resistances of the two parts of trimmer 13. Thus the potential on the midpoint of trimmer 13 coincides with the square potential V 5 6 7 generated in field B z on the directly connected contacts 5, 6, 7 and 8, on

Описания на издадени патенти за изобретения № 03.1/15.03.2018 които също възниква квадратично напрежение от ефекта на магнитосъпротивление (фигура 2(b)). Пълната компенсация на това паразитно квадратично напрежение се постига с нулиране на изхода 14 в отсъствие на магнитно поле Bz = 0. Тогава на изход 14 остава линейното и полярно напрежение на Хол V5 6 7 g(Bz) ~ Bz, носител на информацията за третата ортогонална магнитна компонента Bz.Descriptions of issued patents for inventions № 03.1 / 15.03.2018 which also arise quadratic voltage from the effect of magnetoresistance (figure 2 (b)). Full compensation of this parasitic quadratic voltage is achieved by resetting the output 14 in the absence of a magnetic field B z = 0. Then the output 14 remains the linear and polar Hall voltage V 5 6 7 g (B z ) ~ B z , carrier of information on the third orthogonal magnetic component B z .

Важна особеност е, че всяка една от трите последователни конфигурации на свързване на контактите 5, 6, 7 и 8 (фигура 2), съответстваща за конкретна ортогонална магнитна компонента осъществява потискане на изхода напреженията от другите две компоненти на вектора В 10. Тези сигнали се явяват синфазни добавки в съответния диференциален изход и там се компенсират. Структурната симетрия на новия З-D магнитометър минимизира съществено паразитното междуканално влияние - един от основните проблеми на векторната магнитометрия. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 10 се дава с израза: |В| = (Βχ 2 + By2+Bz2)1/2 [3].An important feature is that each of the three consecutive connection configurations of contacts 5, 6, 7 and 8 (figure 2) corresponding to a particular orthogonal magnetic component performs suppression of the output voltages from the other two components of the vector B 10. These signals are are in-phase additions in the corresponding differential output and are compensated there. The structural symmetry of the new 3-D magnetometer significantly minimizes the parasitic interchannel influence - one of the main problems of vector magnetometry. The absolute value of the vector of the magnetic field B 10 is given by the expression: | = (Β χ 2 + By 2 + Bz 2 ) 1/2 [3].

Неочакваният положителен ефект на магнитометъра се заключава във възможността само с шест омични контакти, един и същ захранващ ток 13 (един токоизточник 9) и три различни способа на включване на четирите контакти 5, 6, 7 и 8, осъществени последователно (фигура 2 (а), (б) и (в)) да се извлече информация за пълния магнитен вектор В 10. Понеже сензорният механизъм за конвертиране на магнитното поле В 10 в електрически сигнал е стабилният и еднозначен като действие ефект на Хол, отношението сигнал/шум и резолюцията на новия З-D магнитометър са високи. Дълбокият р-ринг 2 минимизира повърхностното разтичане на тока 13 и подобрява ортогоналността на токове 13 и I през двата захранващи контакта 3 и 4 спрямо горната равнина на подложката 1 в отсъствие на магнитното поле В 10. Така токовите линии 13 проникват дълбоко в обема на η-полупроводниковата подложка 1 и върху тях по-ефективно действат латералните отклоняващи сили на Лоренц. Следователно, въздействието на компонентите Βχ и Βζ на магнитното поле В 10 чрез силите на Лоренц FL върху токове 13 и I е значително повишено, и чувствителността на тези канали също.The unexpected positive effect of the magnetometer lies in the possibility of only six ohmic contacts, the same supply current 1 3 (one current source 9) and three different ways of switching on the four contacts 5, 6, 7 and 8, implemented in series (Figure 2 ( (a), (b) and (c)) to extract information about the total magnetic vector B 10. Since the sensor mechanism for converting the magnetic field B 10 into an electric signal is the stable and unambiguous Hall effect, the signal-to-noise ratio and the resolutions of the new 3-D magnetometer are high. The deep p-ring 2 minimizes the surface current flow 1 3 and improves the orthogonality of currents 1 3 and I through the two supply contacts 3 and 4 to the upper plane of the pad 1 in the absence of the magnetic field B 10. Thus the current lines 1 3 penetrate deep into the volume of the η-semiconductor substrate 1 and the lateral Lorentz deflection forces act more effectively on them. Therefore, the effect of the components Β χ and Β ζ on the magnetic field B 10 by the Lorentz forces F L on currents 1 3 and I is significantly increased, and the sensitivity of these channels as well.

Магнитометърът може да се реализира със стандартна CMOS технология или микромашининг и може да се интегрира заедно с обработващата сигналите от него периферна електроника. Последователното реализиране на трите конфигурации на свързване на контактите 5, 6, 7 и 8 (фигура 2 (а), (б) и (в)) се осъществява чрез мултиплексор.The magnetometer can be implemented with standard CMOS technology or micromachining and can be integrated together with the signal processing peripheral electronics. The sequential realization of the three connection configurations of contacts 5, 6, 7 and 8 (figure 2 (a), (b) and (c)) is carried out by means of a multiplexer.

Claims (1)

Патентни претенцииPatent claims 1. Полупроводников трикомпонентен магнитометър, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, като повърхността й има два продълговати омични контакти - първи и втори, които са захранващи и са свързани през източник на постоянен ток, като магнитното поле е с произволна посока в пространството спрямо подложката, характеризиращ се с това, че върху едната страна на п-тип подложката (1) е формиран дълбок правоъгълен р-тип ринг (2), а във вътрешната й зона в близост до късите страни са разположени двата захранващи контакта (3 и 4), като по дължината на дългите страни на тази вътрешна зона има още четири еднакви продълговати омични контакта - първи (5), втори (6), трети (7) и четвърти (8), като първият (5) е разположен срещу втория (6), а третият (7) е срещу четвъртия (8), като всички омични контакти (3, 4, 5, 6, 7 и 8) са симетрични спрямо центъра на оградената от р-ринга (2) вътрешна зона, при което за измерване на първата ортогонална компонента на магнитно поле първият (5) и четвъртият (8), и съответно вторият (6) и третият (7) контакт са свързани помежду си, като вторият (6) и четвъртият (8) контакт са изходът (11) за първата ортогонална компонента, за измерване на втората ортогонална компонента на магнитно поле първият (5) и третият (7), и съответно вторият (6) и четвъртият (8) контакт са свързани помежду си, като изходът (12) за втората ортогонална компонента са двете точки на свързване на двойките контакти (5 и 7), и съответно (6 и 8), като за измерване на третата ортогонална компонента на вектора на магнитното поле четирите омични контакта (5, 6, 7 и 8) са свързани, като първият (3) и вторият (4) захранващи контакти са съединени през високоомен тример (13), средната точка на който и точката на свързване на четирите контакта (5, 6, 7 и 8) са изходът (14) за третата ортогонална компонента.1. A semiconductor three-component magnetometer comprising a n-type semiconductor substrate, the surface of which has two elongated ohmic contacts - first and second, which are supply and are connected via a direct current source, the magnetic field being in any direction in space relative to the substrate, characterized in that a deep rectangular p-type ring (2) is formed on one side of the n-type pad (1) and the two supply contacts (3 and 4) are located in its inner zone near the short sides, along the long sides of this inner zone there are four more identical elongated ohmic contacts - first (5), second (6), third (7) and fourth (8), the first (5) being located opposite the second (6) , and the third (7) is opposite the fourth (8), as all ohmic contacts (3, 4, 5, 6, 7 and 8) are symmetrical with respect to the center of the inner zone enclosed by the p-ring (2), whereby for measurement of the first orthogonal component of the magnetic field the first (5) and the fourth (8), and respectively, the second (6) and third (7) contacts are interconnected, the second (6) and fourth (8) contacts being the output (11) for the first orthogonal component, for measuring the second orthogonal component of the magnetic field the first (5) and the third (7), and respectively the second (6) and the fourth (8) contacts are interconnected, the output (12) for the second orthogonal component being the two connection points of the contact pairs (5 and 7), and respectively and 8), for measuring the third orthogonal component of the magnetic field vector, the four ohmic contacts (5, 6, 7 and 8) are connected, the first (3) and the second (4) supply contacts being connected via a high-resistance trimmer (13). ), the midpoint of which and the point of connection of the four contacts (5, 6, 7 and 8) are the output (14) for the third orthogonal component.
BG111329A 2012-10-29 2012-10-29 Semiconductor three-component magnetometer BG66640B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BG111329A BG66640B1 (en) 2012-10-29 2012-10-29 Semiconductor three-component magnetometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BG111329A BG66640B1 (en) 2012-10-29 2012-10-29 Semiconductor three-component magnetometer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
BG111329A BG111329A (en) 2014-04-30
BG66640B1 true BG66640B1 (en) 2018-02-15

Family

ID=51454402

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BG111329A BG66640B1 (en) 2012-10-29 2012-10-29 Semiconductor three-component magnetometer

Country Status (1)

Country Link
BG (1) BG66640B1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
BG111329A (en) 2014-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2624001B1 (en) Hall sensor and sensor arrangement
BG66640B1 (en) Semiconductor three-component magnetometer
BG66954B1 (en) A 2d semiconductor magnetometer
BG66714B1 (en) Three-component magnetic field microsensor
BG112804A (en) 2d hall effect microsensor with an in-plane sensitivity
BG67134B1 (en) Hall effect microsensor
BG67039B1 (en) Two-axis magnetic field microsensor
BG67380B1 (en) Two-dimensional magnetic field microsensor
BG111199A (en) Two-dimensional magnetometer
BG67038B1 (en) A plane magneto-sensitive microsystem of hall effect sensor
BG66790B1 (en) X-, Y-, and Z-COMPONENT MAGNETOMETER
BG66660B1 (en) Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity
BG67071B1 (en) In-plane magnetosensitive hall effect device
BG66829B1 (en) Integral 3-d magnetic field microsensor
BG67250B1 (en) Hall effect semiconductor device
BG65750B1 (en) Two-component magnetometer
BG67010B1 (en) Integral magnetometer
BG67210B1 (en) Integrated two-axis magnetic field sensor
BG67551B1 (en) Biaxial magnetosensitive sensor containing hall elements
BG66704B1 (en) Two-dimensional semiconductor magnetometer
BG66433B1 (en) Two-dimensional vector magnetometer
BG65970B1 (en) Microsystem for measuring the three magnetic field components
BG66884B1 (en) Combined microsensor
BG112827A (en) Integrated hall effect microsensor with an in-plane sensitivity
BG112687A (en) Magneto-sensitive element