BG66711B1 - Hall effect sensor with a tangential axis of magnetosensitivity - Google Patents
Hall effect sensor with a tangential axis of magnetosensitivity Download PDFInfo
- Publication number
- BG66711B1 BG66711B1 BG111538A BG11153813A BG66711B1 BG 66711 B1 BG66711 B1 BG 66711B1 BG 111538 A BG111538 A BG 111538A BG 11153813 A BG11153813 A BG 11153813A BG 66711 B1 BG66711 B1 BG 66711B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- contacts
- central contact
- central
- long sides
- contact
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Description
(54) СЕНЗОР НА ХОЛ С ТАНГЕНЦИАЛНА ОС НА МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНОСТ(54) HALL SENSOR WITH TANGENTIAL AXIS OF MAGNETIC SENSITIVITY
Област на техникатаField of technology
Изобретението се отнася до сензор на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, автоматизация на производството, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в пространството, микро- и нанотехнологиите, биомедицинските изследвания, енергетиката и енергийната ефективност, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.The invention relates to a Hall sensor with a tangential axis of magnetosensitivity, applicable in the field of robotics and mechatronics, production automation, non-contact measurement of angular and linear displacements, positioning of objects in space, micro- and nanotechnologies, biomedical energy research, energy efficiency, control and measurement technology and low-field magnetometry, military affairs and security, etc.
Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION
Известен е сензор на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни като един от тях е централен и спрямо него от двете му дълги страни са разположени другите два, които са крайни. Откъм късите страни на централния контакт и на равни разстояния от него има още по един страничен омичен контакт. Крайните контакти са съединени с единия извод на токоизточник, другият извод на който е свързан с централния контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е перпендикулярно на трите успоредни правоъгълни контакти като двата странични контакта са изходът на сензора на Хол [1,2].A Hall sensor with a tangential axis of magnetic sensitivity is known, containing a semiconductor substrate with an impurity-type conductivity, on one side of which three rectangular ohmic contacts are formed at equal distances from each other, located parallel to their long sides, one of which is central and relative to it on its two long sides are the other two, which are extreme. On the short sides of the central contact and at equal distances from it there is another side ohmic contact. The end contacts are connected to one terminal of a power source, the other terminal of which is connected to the central contact. The measured magnetic field is in the plane of the substrate and is perpendicular to the three parallel rectangular contacts, the two side contacts being the output of the Hall sensor [1,2].
Недостатък на този сензор на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност е редуцираната стойност на магниточувствителността в резултат на: а) частично регистриране на пълното напрежение на Хол върху повърхността на подложката в зоните откъм късите страни на централния контакт поради същественото разтичане по повърхността на захранващия ток, б) неподходящото разположение на изходните контакти откъм късите страни на правоъгълния централен контакт, значителната част от тока, през който протича в областите на двете му дълги страни.The disadvantage of this Hall sensor with a tangential axis of magnetic sensitivity is the reduced value of the magnetic sensitivity as a result of: a) partial registration of the total Hall voltage on the substrate surface in the areas on the short sides of the central contact due to significant leakage on the supply current surface; b) the inappropriate location of the output contacts on the short sides of the rectangular central contact, the significant part of the current flowing in the areas of its two long sides.
Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention
Задача на изобретението е да се създаде сензор на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност с повишена стойност на магниточувствителността.It is an object of the invention to provide a Hall sensor with a tangential axis of magnetic sensitivity with an increased value of magnetic sensitivity.
Тази задача се решава със сензор на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която е формиран централен омичен контакт с правоъгълна форма. От двете му дълги страни и симетрично на тях има по една двойка еднакви омични контакти като срещуположните са свързани помежду си. Общите точки на свързване през еднакви по стойност товарни резистори са съединени с тример, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с централния контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е перпендикулярно на дългите страни на централния контакт като двете общи точки на свързаните контакти са изходът на сензора на Хол.This problem is solved with a Hall sensor with a tangential axis of magnetic sensitivity, containing a semiconductor substrate with an impurity type of conductivity, on one side of which is formed a central ohmic contact with a rectangular shape. On its two long sides and symmetrically on them there is a pair of identical ohmic contacts as the opposite ones are connected to each other. The common connection points through load resistors of the same value are connected to a trimmer, the middle point of which is connected to one terminal of a current source, the other terminal of which is connected to the central contact. The measured magnetic field is in the plane of the substrate and is perpendicular to the long sides of the central contact, the two common points of the connected contacts being the output of the Hall sensor.
Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на регистрираната максимална стойност на генерираното напрежение на Хол от захранващия ток.An advantage of the invention is the high magnetic sensitivity as a result of the registered maximum value of the generated Hall voltage from the supply current.
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.
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
Сензорът на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която е формиран централен омичен контакт 2 с правоъгълна форма. От двете му дълги страни и симетрично на тях има по една двойка еднакви омични контакти 3 и 4, и 5 и 6 като срещуположните 3 и 6, и съответно 4 и 5 са свързани помежду си. Общите точки на свързване през еднакви по стойност товарни резистори 7 и 8 са съединени с тример 9, среднатаThe Hall sensor with a tangential axis of magnetic sensitivity contains a semiconductor substrate 1 with an impurity type of conductivity, on one side of which a central ohmic contact 2 with a rectangular shape is formed. On its two long sides and symmetrically on them there is a pair of identical ohmic contacts 3 and 4, and 5 and 6 as the opposite 3 and 6, and respectively 4 and 5 are connected to each other. The common connection points through the same value load resistors 7 and 8 are connected to trimmer 9, the average
Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/17.09.2018 точка на който е свързана с единия извод на токоизточник 10, другият извод на който е съединен с централния контакт 2. Измерваното магнитно поле 11 е в равнината на подложката 1 и е перпендикулярно на дългите страни на централния контакт 2 като двете общи точки на свързаните контакти 3 и 6, и съответно 4 и 5 са изходът 12 на сензора на Хол.Descriptions of issued patents for inventions № 09.1 / 17.09.2018 point of which is connected to one terminal of the current source 10, the other terminal of which is connected to the central contact 2. The measured magnetic field 11 is in the plane of the substrate 1 and is perpendicular to the long sides of the central contact 2 as the two common points of the connected contacts 3 and 6, and 4 and 5, respectively, are the output 12 of the Hall sensor.
Действието на сензора на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност, съгласно изобретението, е следното.The operation of the Hall sensor with a tangential axis of magnetic sensitivity according to the invention is as follows.
При включване на централния контакт 2 към единия извод на токоизточника 10, а другият към средната точка на тримера 9, съединен през товарните резистори 7 и 8 с контакти 3 и 6, и съответно 4 и 5, в областите под контакти 2, 3, 4, 5 и 6 на подложката 1 протичат токови компоненти 12 3,12 12 и 12 5, ефективните траектории на които са криволинейни. Те стартират от централния контакт 2 и завършват върху крайните контакти 3 и 6 и съответно 4 и 5. Захранващите контакти 2, 3, 4, 5 и 6 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 11, В = 0, токовете 12,13, I I и 16 са винаги перпендикулярни към горната страна на подложката 1 и проникват дълбоко в нея. Токовите линии 12 3, 12 6, 12 и 12 в останалата част от обема на подложката 1 са успоредни на горната й страна. В резултат на структурната симетрия на сензора са в сила следните съотношения между тези компоненти: L = L = L = L, като L, + 1+1 + L = L. Важна особеност е, че посоките на токове 13 и 16 и съответно I и 15 през контактите 3, 4, 5 и 6 са съпосочни. Предвид структурната симетрия на контакти 3,4,5 и 6 по отношение на централния 2, криволинейните траектории на отделните компоненти на захранващия ток 12 са също симетрични спрямо контакт 2. В случай на евентуална електрическа асиметрия, на изхода 12 възниква паразитно напрежение на несиметрия (офсет). Този недостатък в отсъствие на магнитно поле В 11 (В = 0) лесно се компенсира (нулира) V3 4(В) = 0 или V5 6(В) = 0 чрез изменение стойността на съпротивлението с тримера г 9 в съответните вериги, включващи контакти 3,4, 5 и 6.When connecting the central contact 2 to one terminal of the current source 10 and the other to the midpoint of the trimmer 9, connected through the load resistors 7 and 8 with contacts 3 and 6, and respectively 4 and 5, in the areas under contacts 2, 3, 4 , 5 and 6 on the substrate 1 current components 1 2 3 , 1 2 1 2 and 1 2 5 flow, the effective trajectories of which are curvilinear. They start from the central contact 2 and end at the end contacts 3 and 6 and respectively 4 and 5. The supply contacts 2, 3, 4, 5 and 6 are equipotential planes to which in the absence of an external magnetic field B 11, B = 0, the currents 1 2 , 1 3 , II and 1 6 are always perpendicular to the upper side of the pad 1 and penetrate deep into it. The current lines 1 2 3 , 1 2 6 , 1 2 and 1 2 in the rest of the volume of the pad 1 are parallel to its upper side. As a result of the structural symmetry of the sensor, the following relations between these components are in force: L = L = L = L, as L, + 1 + 1 + L = L. An important feature is that the directions of currents 1 3 and 1 6 and respectively I and 1 5 through contacts 3, 4, 5 and 6 are directional. Given the structural symmetry of contacts 3,4,5 and 6 with respect to the central 2, the curvilinear trajectories of the individual components of the supply current 1 2 are also symmetrical with respect to 2. In case of possible electrical asymmetry, a parasitic asymmetry voltage occurs at output 12 (offset). This disadvantage in the absence of a magnetic field B 11 (B = 0) is easily compensated (reset) V 3 4 (B) = 0 or V 5 6 (B) = 0 by changing the value of the resistance with the trimmer d 9 in the respective circuits, including contacts 3,4, 5 and 6.
Включването на тангенциално (странично) спрямо правоъгълния централен контакт 2 магнитно поле В 11, перпендикулярно на дългите му страни води до възникване на странична и съпосочна Лоренцова дефлекция на вертикалните токови компоненти 13,16 и I I под контактите 3 и 6 и съответно 4 и 5, генерирана от силите на Лоренц FL = qVdi х В, където q е елементарният товар на електрона, а е векторът на средната дрейфова скорост на електроните. В зависимост от взаимните посоки на токовете I3,1 I I и вектора на магнитното поле В 11, токовете през двойките контакти 3 и 6, и съответно 4 и 5 едновременно нарастват или намаляват като тези изменения са с една и съща стойност. Фактически електрически са съединени тези контакти 3 и 6, и съответно 4 и 5, на които в магнитно поле В 11 изменението на токовете през тях е съпосочно, т.е. или нараства или намалява. По този начин възниква сензорният механизъм ток на Хол ΔΙΗ(Β). Чрез товарните резистори R ( 7 и R; 8 генерираният ток на Хол ΔΙΗ(Β) се трансформира в напрежение на Хол VH(B) = V12, което се регистрира на изхода 12. В резултат чувствителността нараства значително, в сравнение с известния сензор на Хол, тъй като избраните иновативни конструкция и схема на включване превръщат максимално генерирания ефект на Хол върху повърхността на полупроводниковата подложка 1 в изходно диференциално напрежение 12, VH(B) ξ V Ето защо не се “губи” полезен сензорен сигнал, който да не се регистрира с изхода 12, каквато е ситуацията при елемента на Хол, описан в [1]. Именно така е постигнат неочакваният положителен ефект на новото техническо решение.The inclusion of a tangential (lateral) to the rectangular central contact 2 magnetic field B 11, perpendicular to its long sides leads to lateral and directional Lorentz deflection of the vertical current components 1 3 , 1 6 and II under contacts 3 and 6 and respectively 4 and 5, generated by the Lorentz forces F L = qV di x B, where q is the elementary load of the electron and a is the vector of the average drift velocity of the electrons. Depending on the mutual directions of the currents I 3 , 1 II and the vector of the magnetic field B 11, the currents through the pairs of contacts 3 and 6, and respectively 4 and 5 increase or decrease simultaneously and these changes are of the same value. In fact, these contacts 3 and 6, and 4 and 5, respectively, are electrically connected, in which in a magnetic field B 11 the change of currents through them is directional, i. either increases or decreases. In this way the Hall current sensor mechanism ΔΙ Η (Β) arises. Through the load resistors R ( 7 and R ; 8) the generated Hall current ΔΙ Η (Β) is transformed into a Hall voltage V H (B) = V 12 , which is registered at the output 12. As a result, the sensitivity increases significantly compared to known Hall sensor, as the selected innovative design and switching scheme convert the maximum generated Hall effect on the surface of the semiconductor substrate 1 into output differential voltage 12, V H (B) ξ V Therefore, no useful sensor signal is "lost", which is not registered with output 12, as is the situation with the Hall element described in [1], which is how the unexpected positive effect of the new technical solution was achieved.
Новият преобразувател е едноосен сензор - чувствителен е към магнитно поле В 11, насочено по една от трите взаимноперпендикулярни оси х, у или z на координатната система, в конкретния случай това е оста у, която е тангенциалната. Ако към сензора от Фигура 1 се приложи магнитно поле В 11 по оста х или оста z, всяка от токовите компоненти отляво и отдясно на централния контакт 2 получава едновременно изменение на тока си от Лоренцовата дефлекция с положителен и отрицателен знак, така че токове 13 и 16 едновременно, например, нарастват, а компоненти I и 15 намаляват. В резултат на диференциалния изход 12 не настъпва изменение, т.е. съответните добавки са синфазни.The new transducer is a uniaxial sensor - it is sensitive to the magnetic field B 11, directed along one of the three mutually perpendicular axes x, y or z of the coordinate system, in this case it is the y-axis, which is tangential. If a magnetic field B 11 is applied to the sensor in Figure 1 along the x-axis or the z-axis, each of the current components to the left and right of the central contact 2 receives a simultaneous change in its Lorentz deflection current with a positive and negative sign, so that currents 1 3 and 1 6 simultaneously, for example, increase and components I and 1 5 decrease. As a result of the differential output 12 no change occurs, i. the respective additives are in-phase.
Допълнително повишаване на преобразувателната ефективност на новия сензор може да се постигне чрез разполагането му в криогенна среда, например при течен азот, Т = - 200°С. Резултатът е свързан с драстичното нарастване на подвижността на токоносителите. За целите на слабополевата магнито52A further increase in the conversion efficiency of the new sensor can be achieved by placing it in a cryogenic environment, for example in liquid nitrogen, T = - 200 ° C. The result is associated with a drastic increase in the mobility of current carriers. For the purposes of the low-field magneto52
Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/17.09.2018 метрия е целесъобразно използването и на концентратори на магнитното поле от ферит или μ-метал.Descriptions of issued patents for inventions № 09.1 / 17.09.2018 metric it is expedient to use concentrators of the magnetic field of ferrite or μ-metal.
Технологичната реализация на сензора на Хол с тангенциална ос на магниточувствителност е на основата на силициевите интегрални микроелектронни процеси като CMOS или BiCMOS, използвайки силициеви подложки или преобразувателна зона с п-тип проводимост.The technological implementation of the Hall sensor with a tangential axis of magnetic sensitivity is based on silicon integrated microelectronic processes such as CMOS or BiCMOS, using silicon pads or a conversion zone with p-type conductivity.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG111538A BG66711B1 (en) | 2013-07-16 | 2013-07-16 | Hall effect sensor with a tangential axis of magnetosensitivity |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG111538A BG66711B1 (en) | 2013-07-16 | 2013-07-16 | Hall effect sensor with a tangential axis of magnetosensitivity |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BG111538A BG111538A (en) | 2015-01-30 |
BG66711B1 true BG66711B1 (en) | 2018-08-15 |
Family
ID=56847821
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BG111538A BG66711B1 (en) | 2013-07-16 | 2013-07-16 | Hall effect sensor with a tangential axis of magnetosensitivity |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
BG (1) | BG66711B1 (en) |
-
2013
- 2013-07-16 BG BG111538A patent/BG66711B1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
BG111538A (en) | 2015-01-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
BG66711B1 (en) | Hall effect sensor with a tangential axis of magnetosensitivity | |
BG113014A (en) | Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
BG66985B1 (en) | A surface-magnetically sensitive hall transformer | |
BG112808A (en) | Hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
BG67073B1 (en) | Hall effect microsensor | |
BG112771A (en) | Hall sensor configuration with planar magnetic sensitivity | |
BG111414A (en) | Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity | |
BG112918A (en) | Hall effect microsensor | |
BG67380B1 (en) | Two-dimensional magnetic field microsensor | |
BG113356A (en) | Hall effect microsensor with more than one output | |
BG67250B1 (en) | Hall effect semiconductor device | |
BG67298B1 (en) | Hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
BG112991A (en) | Electronic device with planar magnetic sensitivity | |
BG66885B1 (en) | A plain magnetically sensitive hall’s effect sensor | |
BG67076B1 (en) | Magnetoresistive sensor | |
BG66844B1 (en) | Micro-hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
BG67249B1 (en) | Integrated hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
BG67071B1 (en) | In-plane magnetosensitive hall effect device | |
BG113056A (en) | Integrated hall effect sensor | |
BG66954B1 (en) | A 2d semiconductor magnetometer | |
BG67039B1 (en) | Two-axis magnetic field microsensor | |
BG66848B1 (en) | Hall effect device with a in-plane sensitivity | |
BG67038B1 (en) | A plane magneto-sensitive microsystem of hall effect sensor | |
BG112804A (en) | 2d hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
BG66704B1 (en) | Two-dimensional semiconductor magnetometer |