BG66660B1 - Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity - Google Patents

Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity Download PDF

Info

Publication number
BG66660B1
BG66660B1 BG111414A BG11141413A BG66660B1 BG 66660 B1 BG66660 B1 BG 66660B1 BG 111414 A BG111414 A BG 111414A BG 11141413 A BG11141413 A BG 11141413A BG 66660 B1 BG66660 B1 BG 66660B1
Authority
BG
Bulgaria
Prior art keywords
contacts
sensitivity
long sides
hall sensor
contact
Prior art date
Application number
BG111414A
Other languages
Bulgarian (bg)
Other versions
BG111414A (en
Inventor
Чавдар РУМЕНИН
Вълчева Лозанова Сия
Сия ЛОЗАНОВА
Станоев Руменин Чавдар
Original Assignee
Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
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 - Бан filed Critical Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority to BG111414A priority Critical patent/BG66660B1/en
Publication of BG111414A publication Critical patent/BG111414A/en
Publication of BG66660B1 publication Critical patent/BG66660B1/en

Links

Landscapes

  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

The integral sensor of Hall with parallel axis of magneto sensitivity contains a solid-state substrate (1) with a mixed-type conductivity, on one side of which are formed of distances from each other, the seven consistently rectangular ohmic contacts -first (2), second (3), third (4), fourth (5), fifth (6), sixth (7) and seventh (8), all located along the long sides. Contact 5 is the central and the long sides are positioned symmetrically contacts-pairs (2) and (8), (3) and (7), and (4) and (6). Contacts (3) and (7) are united with both the conclusion of the trimmer (9), the midpoint of which is associated with one conclusion of current source (10), the conclusion of which is incorporated with contact (5). Contacts (2) and (4) are directly electrically linked. The magnetic field (11) is applied perpendicular to the cross-sectional area of the pad (1) and is parallel to the long sides of the contacts as the output (12) Hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity are the contacts (6) and (8).

Description

Област на техникатаField of technology

Изобретението се отнася до интегрален сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, приложимо в областта на системното инженерство, включително биоинженерството, микро- и нанотехнологиите, роботиката и мехатрониката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в равнината и пространството, биомедицинските изследвания, безконтактната автоматика, енергетиката и енергийната ефективност, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.The invention relates to an integrated Hall sensor with a parallel axis of magnetic sensitivity, applicable in the field of systems engineering, including bioengineering, micro- and nanotechnology, robotics and mechatronics, non-contact measurement of angular and linear displacements, positioning of objects in the plane and space research, contactless 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 интегрален сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг пет правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни като един от тях е централен и спрямо него симетрично от двете дълги страни са разположени останалите четири - два от които са външни, а другите два - вътрешни. Външните контакти са съединени с единия извод на токоизточник, другият извод на който е свързан с централния контакт. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти като вътрешните контакти са изходът на интегралния сензор на Хол [1, 2].An integrated Hall sensor with a parallel axis of magnetic sensitivity is known, comprising a semiconductor substrate with impurity-type conductivity, on one side of which are formed at distances from each other five rectangular ohmic contacts located parallel to their long sides, one of which is central and relative to it, the other four are located symmetrically on the two long sides - two of which are external and the other two - internal. The external contacts are connected to one terminal of a power source, the other terminal of which is connected to the central contact. The magnetic field is applied perpendicular to the cross section of the substrate and is parallel to the long sides of the rectangular contacts as the internal contacts are the output of the integrated Hall sensor [1, 2].

Недостатък на този интегрален сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност е ограничената преобразувателна ефективност (чувствителността), поради използване за изходен сигнал само напрежението на Хол, генерирано върху повърхността на подложката между централния и двата крайни контакти, регистрирано с вътрешните контакти.A disadvantage of this integrated Hall sensor with a parallel axis of magnetic sensitivity is the limited conversion efficiency (sensitivity), due to the use of only the Hall voltage generated on the substrate surface between the central and two end contacts registered with the internal contacts.

Недостатък е също наличието на паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат от неминуема електрическа асиметрия, породена от геометрична асиметрия в разположението на контактите спрямо централния, както и технологични несъвършенства.Another disadvantage is the presence of a parasitic output voltage in the absence of a magnetic field (offset) as a result of inevitable electrical asymmetry caused by geometric asymmetry in the location of the contacts relative to the central, as well as technological imperfections.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Задача на изобретението е да се създаде интегрален сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност с повишена преобразувателна ефективност и компенсиран офсет.It is an object of the invention to provide an integrated Hall sensor with a parallel axis of magnetic sensitivity with increased conversion efficiency and compensated offset.

Тази задача се решава с интегрален сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг последователно седем правоъгълни омични контакти както следва - първи, втори, трети, четвърти, пети, шести и седми, всичките разположени успоредно на дългите си страни. Четвъртият контакт е централен и от двете му дълги страни са разположени симетрично двойките контакти - първи и седми, втори и шести, и трети и пети. Двойката контакти - втори и шести са съединени с двата извода на тример, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с централния контакт. Първият и третият контакт са непосредствено електрически свързани. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти като изход на сензора на Хол са петият и седмият контакт.This problem is solved with an integrated Hall sensor with a parallel axis of magnetic sensitivity, containing a semiconductor substrate with impurity type of conductivity, on one side of which are formed at distances from each other seven rectangular ohmic contacts as follows - first, second, third, fourth , fifth, sixth and seventh, all located parallel to their long sides. The fourth contact is central and on its two long sides are symmetrically located the pairs of contacts - first and seventh, second and sixth, and third and fifth. The pair of contacts - second and sixth are connected to the two terminals of the trimmer, the middle point of which is connected to one terminal of the current source, the other terminal of which is connected to the central contact. The first and third contacts are directly electrically connected. The magnetic field is applied perpendicular to the cross section of the pad and is parallel to the long sides of the rectangular contacts as the output of the Hall sensor are the fifth and seventh contacts.

Предимство на изобретението е повишената преобразувателна ефективност (чувствителност) в резултат от последователното свързване на изходите на два функционално интегрирани елементи на Хол в обща полупроводникова подложка.An advantage of the invention is the increased conversion efficiency (sensitivity) as a result of the series connection of the outputs of two functionally integrated Hall elements in a common semiconductor substrate.

Предимство е също възможността за пълно компенсиране (нулиране) на паразитното изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсетът) чрез вариране съпротивлението на тримера.Another advantage is the ability to fully compensate (reset) the parasitic output voltage in the absence of a magnetic field (offset) by varying the resistance of the trimmer.

Предимство е още редуцираното ниво на собствения шум, тъй като единият от изходните контакти - седмият е извън зоната на протичане на захранващия ток, който е основният шумов фактор в полупроводниковите структури.Another advantage is the reduced level of its own noise, as one of the output contacts - the seventh is outside the flow zone of the supply current, which is the main noise factor in semiconductor structures.

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

Интегралният сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг последователно седем правоъгълни омични контакти както следва - първи 2, втори 3, трети 4, четвърти 5, пети 6, шести 7 и седми 8, всичките разположени успоредно на дългите си страни. Четвъртият контакт 5 е централен и от двете му дълги страни са разположени симетрично двойките контакти - първи 2 и седми 8, втори 3 и шести 7, и трети 4 и пети 6. Двойката контакти - втори 3 и шести 7 са съединени с двата извода на тример 9, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточник 10, другият извод на който е съединен с централния контакт 5. Първият 2 и третият 4 контакт са непосредствено електрически свързани. Магнитното поле lie приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката 1 и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8, като изход 12 на сензора на Хол са петият 6 и седмият 8 контакт.The integrated Hall sensor with a parallel axis of magnetic sensitivity contains a semiconductor substrate 1 with an impurity type of conductivity, on one side of which are formed at distances from each other seven rectangular ohmic contacts as follows - first 2, second 3, third 4, fourth 5, fifth 6, sixth 7 and seventh 8, all parallel to their long sides. The fourth contact 5 is central and on its two long sides are symmetrically located the pairs of contacts - first 2 and seventh 8, second 3 and sixth 7, and third 4 and fifth 6. The pair of contacts - second 3 and sixth 7 are connected to the two terminals of trimmer 9, the midpoint of which is connected to one terminal of the current source 10, the other terminal of which is connected to the central contact 5. The first 2 and third 4 contacts are directly electrically connected. The magnetic field is applied perpendicular to the cross section of the pad 1 and is parallel to the long sides of the rectangular contacts 2, 3, 4, 5, 6, 7 and 8, with output 12 of the Hall sensor being the fifth 6 and seventh 8 contacts.

Действието на интегралния сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, съгласно изобретението, е следното. При включване на централния контакт 5 към единия извод на токоизточника 10, а другият към средната точка на тримера 9, който е съединен с двойката контакти 3 и 7, между контактите 5 и 3, и съответно 5 и 7 протичат компонентите I и I на захранващия ток 15, ефективните траектории на които са криволинейни. Те стартират от контакт 5 и завършват върху планарните контакти 3 и 7. Захранващите контакти 3, 5 и 7 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 11 токовите линии 15,13 и Ιγ са винаги перпендикулярни. Ефективните траектории на тока 15 3 и 15 7 в останалата част в обема на подложката 1 са успоредни на горната й страна. Важна особеност е, че посоките на тока I 3 и I 7 са противоположни като I = □ -1 □ +1 Предвид така избраната структурна симетрия на омичните контакти 2, 3, 4, 6, 7 и 8 по отношение на централния 5, двете компоненти 15 и 15 7 от траекторията на захранващия ток I са също симетрични спрямо контакт 5.The operation of the integrated Hall sensor with a parallel axis of magnetic sensitivity according to the invention is as follows. When the central contact 5 is connected to one terminal of the current source 10 and the other to the midpoint of the trimmer 9, which is connected to the pair of contacts 3 and 7, between contacts 5 and 3, and respectively 5 and 7 flow components I and I of the supply current 1 5 , the effective trajectories of which are curvilinear. They start from contact 5 and end at the planar contacts 3 and 7. The supply contacts 3, 5 and 7 are equipotential planes to which in the absence of an external magnetic field B 11 the current lines 1 5 , 1 3 and Ι γ are always perpendicular. The effective current trajectories 1 5 3 and 1 5 7 in the rest of the volume of the pad 1 are parallel to its upper side. An important feature is that the current directions I 3 and I 7 are opposite as I = □ -1 □ +1 Given the thus chosen structural symmetry of the ohmic contacts 2, 3, 4, 6, 7 and 8 with respect to the central 5, both components 1 5 and 1 5 7 of the trajectory of the supply current I are also symmetrical with respect to contact 5.

Включването на магнитното поле В 11, перпендикулярно на напречното сечение на подложката 1, води до възникване в равнината на сечението на странично отклоняващи движещите се електрони в двете криволинейни траектории I и I сили на Лоренц FL = qVd| х В, където q е елементарният товар на електрона, a е векторът на средната дрейфова скорост на носителите. В резултат на тази Лоренцова дефлекция в повърхностните зони, там където са разположени контакти 2, 4, 6 и 8 се генерират допълнителни електрически товари от ефекта на Хол, фигура 1. Това води до поява съответно на две напрежения на Хол върху тези контакти от магнитното поле В 11 V2g(B) и V (В). При това Холовите потенциали върху контакти 2 и 4, и съответно 6 и 8 са с противоположен знак. Непосредственото електрическо свързване на контакти 2 и 4 осъществява последователно сумиране на тези две напрежения на Хол: V2 g(B) + V4 6(В) = V6 g(B). Така магниточувствителността на сензора на Хол нараства значително. Следователно диференциалният изход 12 на сензора V6g(B) - контактите 6 и 8 дава метрологична информация за полярността (знака) и стойността магнитното поле В 11. Следва да се отбележи, че в резултат на структурната симетрия на сензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност спрямо централния контакт 5 като изход 12 равнопоставено могат да служат контакти 2 и 4, V24(B) при непосредствено електрически съединени контакти 6 и 8. Останалата, захранващата част от конструкцията на сензора остава непроменена.The inclusion of the magnetic field B 11, perpendicular to the cross section of the substrate 1, leads to the appearance in the plane of the section of laterally deflecting moving electrons in the two curvilinear trajectories I and I of Lorentz forces F L = qV d | x B, where q is the elementary load of the electron, and a is the vector of the average drift velocity of the carriers. As a result of this Lorentz deflection in the surface areas, where contacts 2, 4, 6 and 8 are located, additional electrical loads are generated from the Hall effect, figure 1. This leads to the appearance of two Hall voltages on these contacts from the magnetic field B 11 V 2g (B) and V (B). In this case, the Hall potentials on contacts 2 and 4, and 6 and 8, respectively, have the opposite sign. The direct electrical connection of contacts 2 and 4 performs a sequential summation of these two Hall voltages: V 2 g (B) + V 4 6 (B) = V 6 g (B). Thus, the magnetic sensitivity of the Hall sensor increases significantly. Therefore, the differential output 12 of the sensor V 6g (B) - contacts 6 and 8 gives metrological information about the polarity (sign) and the value of the magnetic field B 11. It should be noted that as a result of the structural symmetry of the Hall sensor with parallel axis magnetosensitivity to the central contact 5 as an output 12 can equally serve contacts 2 and 4, V 24 (B) at directly electrically connected contacts 6 and 8. The rest, the supply part of the sensor structure remains unchanged.

Неминуемият офсет на изхода 12 в отсъствие на магнитно поле В 11 (В = 0) лесно се компенсира (нулира) V6 g(B) = 0 чрез изменение стойността на съпротивлението в съответните вериги, включващи контакти 3 и 4, което се осъществява с тримера г 9. Редуцираното ниво на собствения (вътрешния) фликер-шум Ι/f е в резултат от разположението на единия от изходните контакти 8 извън зоната на протичане на захранващия ток, който е основният шумов фактор в полупроводниковите структури.The inevitable offset of the output 12 in the absence of a magnetic field B 11 (B = 0) is easily compensated (reset) V 6 g (B) = 0 by changing the value of the resistance in the respective circuits including contacts 3 and 4, which is done with trimmer d 9. The reduced level of intrinsic (internal) flicker noise Ι / f is the result of the location of one of the output contacts 8 outside the flow zone of the supply current, which is the main noise factor in semiconductor structures.

Технологичната реализация на новия сензор на Хол е на основата на интегралните микроелектронни процеси като CMOS или BiCMOS, използвайки силициеви подложки и преобразувателна зона с п-тип проводимост. Допълнително увеличение на чувствителността може да се постигне чрез формиране на дълбок ринг с р - тип проводимост, ограждащ достатъчно близко омичните контакти 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8. Така драстично се редуцира разтичането на захранващия ток по повърхността на подложката 1 и посоката на по-голяма част от движещите се токоносители е перпендикулярна на магнитния вектор В 11, което води до по-съществено въздействие на силата на Лоренц FThe technological implementation of the new Hall sensor is based on integrated microelectronic processes such as CMOS or BiCMOS, using silicon pads and a conversion zone with p-type conductivity. An additional increase in sensitivity can be achieved by forming a deep ring with p - type conductivity, surrounding the ohmic contacts 2, 3, 4, 5, 6, 7 and 8 close enough. This drastically reduces the flow of supply current on the surface of the substrate. 1 and the direction of most of the moving current carriers is perpendicular to the magnetic vector B 11, which leads to a more significant effect of the Lorentz force F

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е във възможността чрез оригиналната конструкция и електрически връзки между контактите да се използват за изходен сигнал 12 максимално ефективно всичките напрежения на Хол, генерирани в магнитно поле В 11 от протичането на тока 15. Това са напреженията на Хол както във вътрешната зона на елемента V46(B) (подобно на известното решение), така и напрежението на Хол V2 8(В), генерирано извън контакти 3 и 7 и неизползвано досега като средство за повишаване на магниточувствителността. Фактически новото техническо решение представлява функционална интеграция на два елемента на Хол с паралелна ос на чувствителност в полупроводниковата подложка 1, с обща преобразувателна област и един токоизточник 10.The unexpected positive effect of the new technical solution is the possibility through the original design and electrical connections between the contacts to use as an output signal 12 most efficiently all Hall voltages generated in magnetic field B 11 by the current 1 5 . These are the Hall voltages both in the inner zone of the element V 46 (B) (similar to the known solution) and the Hall voltage V 2 8 (B), generated outside contacts 3 and 7 and not used so far as a means of increasing the magnetic sensitivity . In fact, the new technical solution is a functional integration of two Hall elements with a parallel axis of sensitivity in the semiconductor substrate 1, with a common converting region and one current source 10.

Проведените експерименти с образци на сензора на Хол с паралелна ос на чувствителност, реализирани със силициева планарна технология установиха, че магниточувствителността е най-малко 1.5 пъти по-висока от тази на известното техническо решение.Experiments with samples of the Hall sensor with a parallel axis of sensitivity, realized with silicon planar technology, found that the magnetic sensitivity is at least 1.5 times higher than that of the known technical solution.

Claims (1)

Патентни претенцииPatent claims 1. Интегрален сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг правоъгълни омични контакти, всичките разположени успоредно на дългите си страни като един от тях е централен и спрямо него симетрично са разположени по двойки останалите, токоизточник като магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и е успоредно на дългите страни на контактите, характеризиращ се с това, че омичните контакти са седем както следва - първи (2), втори (3), трети (4), четвърти (5), пети (6), шести (7) и седми (8), четвъртият контакт (5) е централният и от двете му дълги страни са разположени симетрично двойките контакти - първи (2) и седми (8), втори (3) и шести (7), и трети (4) и пети (6), като двойката контакти (3 и 7) са съединени с два извода на тример (9), средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника (10), другият извод на който е съединен с централния контакт (5), а първият (2) и третият (4) контакт са непосредствено електрически свързани, като изход (12) на сензора на Хол са петият (6) и седмият (8) контакт.1. An integrated Hall sensor with a parallel axis of magnetic sensitivity, comprising a semiconductor substrate with an impurity-type conductivity, on one side of which rectangular ohmic contacts are formed at distances from each other, all located parallel to their long sides, one of which is central and relative to it are symmetrically arranged in pairs, the current source as the magnetic field is applied perpendicular to the cross section of the substrate and is parallel to the long sides of the contacts, characterized in that the ohmic contacts are seven as follows - first (2), second ( 3), third (4), fourth (5), fifth (6), sixth (7) and seventh (8), the fourth contact (5) is the central one and on its two long sides are symmetrically located the pairs of contacts - first ) and seventh (8), second (3) and sixth (7), and third (4) and fifth (6), the pair of contacts (3 and 7) being connected to two trimmer terminals (9), the midpoint of which is connected to one terminal of the current source (10), the other m terminal of which is connected to the central contact (5), and the first (2) and third (4) contact are directly electrically connected, as the output (12) of the Hall sensor are the fifth (6) and seventh (8) contact.
BG111414A 2013-03-01 2013-03-01 Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity BG66660B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BG111414A BG66660B1 (en) 2013-03-01 2013-03-01 Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BG111414A BG66660B1 (en) 2013-03-01 2013-03-01 Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity

Publications (2)

Publication Number Publication Date
BG111414A BG111414A (en) 2014-09-30
BG66660B1 true BG66660B1 (en) 2018-04-16

Family

ID=56847623

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BG111414A BG66660B1 (en) 2013-03-01 2013-03-01 Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity

Country Status (1)

Country Link
BG (1) BG66660B1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
BG111414A (en) 2014-09-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
BG66660B1 (en) Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity
TW201431144A (en) Two-dimensional folding type Hull sensing element
BG66711B1 (en) Hall effect sensor with a tangential axis of magnetosensitivity
BG66885B1 (en) A plain magnetically sensitive hall’s effect sensor
BG67134B1 (en) Hall effect microsensor
BG113014A (en) Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity
BG111487A (en) ELEMENT OF A HALL WITH A PARALLEL SECOND SUSCEPTIBILITY
BG67039B1 (en) Two-axis magnetic field microsensor
BG66704B1 (en) Two-dimensional semiconductor magnetometer
BG66404B1 (en) Semiconductor hall element with a parallel axis of sensitivity
BG65080B1 (en) Parallel-magnetopolar hall sensor
BG67336B1 (en) Hall effect sensor
BG67380B1 (en) Two-dimensional magnetic field microsensor
BG67210B1 (en) Integrated two-axis magnetic field sensor
BG66848B1 (en) Hall effect device with a in-plane sensitivity
BG67249B1 (en) Integrated hall effect microsensor with an in-plane sensitivity
BG67076B1 (en) Magnetoresistive sensor
BG66640B1 (en) Semiconductor three-component magnetometer
BG67508B1 (en) Planar magnetic field sensing element
BG66985B1 (en) A surface-magnetically sensitive hall transformer
BG66844B1 (en) Micro-hall effect sensor with an in-plane sensitivity
BG66405B1 (en) A hall magneto transformer
BG67073B1 (en) Hall effect microsensor
BG67450B1 (en) Hall effect element with an in-plane sensitivity
BG67250B1 (en) Hall effect semiconductor device