BG66660B1 - Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity - Google Patents
Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity Download PDFInfo
- 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
Links
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
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)
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) |
-
2013
- 2013-03-01 BG BG111414A patent/BG66660B1/en unknown
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 |