BG66933B1 - Hall effect microsensor - Google Patents
Hall effect microsensor Download PDFInfo
- Publication number
- BG66933B1 BG66933B1 BG112090A BG11209015A BG66933B1 BG 66933 B1 BG66933 B1 BG 66933B1 BG 112090 A BG112090 A BG 112090A BG 11209015 A BG11209015 A BG 11209015A BG 66933 B1 BG66933 B1 BG 66933B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- contact
- contacts
- pad
- central
- microsensor
- Prior art date
Links
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Област на техникатаField of technology
Изобретението се отнася до микросензор на Хол, приложимо в областта на сензориката, роботиката и роботизираните безпилотни летателни апарати, електромобилите и хибридните превозни средства, микро- и нанотехнологиите, мехатрониката и когнитивните интелигентни системи, енергетиката и енергийната ефективност, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, контролноизмервателната техника и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността.The invention relates to a Hall microsensor, applicable in the field of sensors, robotics and robotic unmanned aerial vehicles, electric vehicles and hybrid vehicles, micro- and nanotechnologies, mechatronics and cognitive intelligent systems, energy and energy efficiency, non-contact measurement and measurement , control and measuring equipment and low - field magnetometry, military affairs and security.
Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION
Известен е микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно по пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третите контакти са централни като първите и петите, и съответно вторите и четвъртите са симетрично разположени спрямо тях. Всички първи и пети контакти са свързани помежду си. Вторият контакт от първата подложка е съединен с четвъртия от втората, а четвъртият контакт от първата - с втория контакт от втората подложка. Изводите на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт от първата подложка. Диференциалният изход на микросензора на Хол са двата централни контакта като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите [1, 2, 3].A Hall microsensor is known, containing a current source and two identical rectangular semiconductor pads with p-type impurity conductivity - first and second, located parallel to each other. On one side of each of the pads, successively and at distances from each other, five rectangular ohmic contacts are formed from left to right - first, second, third, fourth and fifth. The third contacts are central as the first and fifth, and respectively the second and fourth are symmetrically located relative to them. All first and fifth contacts are interconnected. The second contact of the first pad is connected to the fourth of the second, and the fourth contact of the first to the second contact of the second pad. The terminals of the current source are connected to the second and fourth contact of the first pad. The differential output of the Hall microsensor are the two central contacts and the measured magnetic field is parallel to both the planes of the pads and the long sides of the contacts [1, 2, 3].
Недостатък на този микросензор на Хол е понижената му магниточувствителност, тъй като в полупроводниковите подложки се използва само половината от общия ток през съответните захранващи контакти за генериране на еднакви по стойност и противоположни по знак потенциали на Хол върху двата изходни контакта.The disadvantage of this Hall microsensor is its reduced magnetic sensitivity, as the semiconductor pads use only half of the total current through the respective power contacts to generate equal and opposite Hall potentials on the two output contacts.
Недостатък е също усложнената конструкция на микросензора, съдържащ общо десет омични контакта и множество връзки между тях.Another disadvantage is the complicated design of the microsensor, containing a total of ten ohmic contacts and multiple connections between them.
Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention
Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с висока магниточувствителност и опростена конструкция с редуциран брой контакти и връзки между тях.It is an object of the invention to provide a Hall microsensor with high magnetic sensitivity and a simple construction with a reduced number of contacts and connections between them.
Тази задача се решава с микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на първата подложка последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети като вторият контакт е централен, а първият и третият са симетрични спрямо него. Върху едната страна на втората подложка са формирани от ляво на дясно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият са симетрични спрямо него. Изводите на токоизточника са съединени с централните контакти. Първият контакт от първата подложка е свързан с петия контакт от втората, а третият контакт от първата - с първия контакт от втората подложка. Диференциалният изход на микросензора на Хол са вторият и четвъртият контакт от втората подложка, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.This problem is solved with a Hall microsensor containing a current source and two rectangular semiconductor pads with p-type impurity conductivity - first and second, located parallel to each other. On one side of the first pad, three rectangular ohmic contacts are formed sequentially and at distances from each other from left to right - first, second and third, the second contact being central and the first and third being symmetrical with respect to it. On one side of the second pad are formed from left to right five rectangular ohmic contacts - first, second, third, fourth and fifth. The third contact is central as the first and fifth, and the second and fourth are symmetrical to it, respectively. The terminals of the power source are connected to the central contacts. The first contact of the first pad is connected to the fifth contact of the second, and the third contact of the first to the first contact of the second pad. The differential output of the Hall microsensor is the second and fourth contacts of the second pad, the measured magnetic field being parallel to both the planes of the pads and the long sides of the contacts.
Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на генериране от целия захранващ ток през централния контакт на първата подложка на напрежение на Хол върху първия и третия контакт, което се сумира с напрежението на Хол, получено върху втория и четвъртия изходни контакти от втората подложка.An advantage of the invention is the high magnetic sensitivity as a result of generating from the entire supply current through the central contact of the first Hall voltage substrate on the first and third contact, which sums the Hall voltage obtained on the second and fourth output contacts of the second substrate.
Предимство е също опростената конструкция на микросензора, съдържащ общо осем, вместо десет омични контакта и две връзки между тях вместо пет.Another advantage is the simplified design of the microsensor, containing a total of eight instead of ten ohmic contacts and two connections between them instead of five.
Предимство е още повишената метрологична точност и резолюция от високото ниво сигнал/шум, поради съществената магниточувствителност на микросензора.Another advantage is the increased metrological accuracy and resolution of the high signal / noise level due to the significant magnetic sensitivity of the microsensor.
Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/16.09.2019Descriptions of issued patents for inventions № 09.1 / 16.09.2019
Пояснение на приложената фигураExplanation of the attached figure
По-подробно изобретението се пояснява е едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1, представляваща напречното му сечение.The invention is explained in more detail by an exemplary embodiment thereof, given in the attached figure 1, representing its cross section.
Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of the invention
Микросензорът на Хол съдържа токоизточник 1 и две правоъгълни полупроводникови подложки е п-тип примесна проводимост - първа 2 и втора 3, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на първата подложка 2 последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно три правоъгълни омични контакти - първи 4, втори 5 и трети 6, като вторият контакт 5 е централен, а първият 4 и третият 6 контакт са симетрични спрямо него. Върху едната страна на втората подложка 3 са формирани отляво надясно пет правоъгълни омични контакти - първи 7, втори 8, трети 9, четвърти 10 и пети 11. Третият контакт 9 е централен, като първият 7 и петият 11, и съответно вторият 8 и четвъртият контакт 10 са симетрични спрямо него. Изводите на токоизточника 1 са съединени е централните контакти 5 и 9. Първият контакт 4 от първата подложка 2 е свързан е петия контакт 11 от втората подложка 3, а третият контакт 6 от първата подложка 2 - е първия контакт 7 от втората подложка 3. Диференциалният изход 12 на микросензора на Хол са вторият 8 и четвъртият 10 контакт от втората подложка 3, като измерваното магнитно поле 13 е успоредно както на равнините на подложките 2 и 3, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11.The Hall microsensor contains a current source 1 and two rectangular semiconductor pads is a p-type impurity conductivity - first 2 and second 3, located parallel to each other. On one side of the first pad 2 in series and at distances from each other are formed from left to right three rectangular ohmic contacts - first 4, second 5 and third 6, the second contact 5 is central and the first 4 and third 6 contacts are symmetrical to it. . On one side of the second pad 3 are formed from left to right five rectangular ohmic contacts - first 7, second 8, third 9, fourth 10 and fifth 11. The third contact 9 is central, as the first 7 and fifth 11, and respectively the second 8 and fourth contact 10 are symmetrical to it. The terminals of the current source 1 are connected to the central contacts 5 and 9. The first contact 4 of the first pad 2 is connected to the fifth pin 11 of the second pad 3, and the third pin 6 of the first pad 2 is the first pin 7 of the second pad 3. The differential output 12 of the Hall microsensor are the second 8 and the fourth 10 contact of the second pad 3, the measured magnetic field 13 being parallel both to the planes of the pads 2 and 3 and to the long sides of the contacts 4, 5, 6, 7, 8 , 9, 10 and 11.
Действието на микросензора на Хол, съгласно изобретението, е следното.The operation of the Hall microsensor according to the invention is as follows.
При включване на централните контакти 5 и 9 към токоизточника 1, в обема на подложките 2 и 3 протичат по две противоположно насочени токови компоненти - между централните 5 и 9 и крайните захранващи контакти 4 и 6, и съответно 7 и 11 (Фигура 1). Траекториите на тези токове са криволинейни [4]. Дълбочината на проникване на токовите линии при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси ND в подложките 2 и 3 зависи от съотношението М между ширината I на централните контакти 5 и 9 и разстоянието / между тях и крайните 4 и 6, и съответно 7 и 11 електроди, М = / // Максималната стойност на дълбочината на проникване при ND « 1015 cm-3 съставлява около 40 μηι. В триконтактния елемент на Хол (подложката 2 е контактите 4, 5 и 6) токът I през контакта 5 е подложен на отклоняващото действие на силата на Лоренц FL като върху крайните електроди 4 и 6 се генерира напрежение на Хол VH4 6(В). Произходът на това напрежение е от вътрешните съпротивления Rg 7 и R9 п между централния 9 и крайните контакти 7 и 11 (петконтактният елемент на Хол от подложката 3). Съпротивленията R97 и R9 п трансформират в триконтактния сензор измененията на токовете Δ74(Β) и АД/В) в поле В 13 в напрежение на Хол VH46(B). Тъй като съотношението М е оптимизирано да е максимално, сигналът VH4 6(В) е резултат на целия захранващ ток 15, а не на една втора от него. В петконтактния равнинно-магниточувствителен преобразувател на Хол, реализиран върху втората подложка 3, напрежението на Хол VHg 10(В) върху контактите 8 и 10, обаче, се генерира от половината от тока 19/2 през контакта 9. Основната причина е, че собствените размери на изходните контакти 8 и 10, разположени между централния 9 и крайните контакти 7 и 11 увеличават общия линеен размер / на този елемент на Хол и съотношението М = Д//2 е понижено. При това токът/9 през контакти 9 се разделя определено на две равни компоненти/7 и/п, т.е. само една втора от тока /,/2 активно генерира потенциалите на Хол VHg(B) и V (В) върху контактите 8 и 10. Такава е ситуацията и в известното решение [1, 2, 3], поради което чувствителността на петконтактните елементи е понижена. В новото решение на Фигура 1, съдържащо интегрирани триконтактен и петконтактен преобразувател на Хол са постигнати следните нови положителни качества. Напрежението на Хол VH4 6(В) върху контактите 4 и 6 се подава върху контактите 7 и 11 на петконтактната структура 3. Така в магнитното поле В ψ 0 13 потенциалите върху контактите 7 и 11 се променят в сравнение със случая В - 0. Напрежението VH4 6(В) въздейства и върху изходните електроди 8 и 10 - техните потенциали също се отместват полярно единият нараства, а другият намалява е една и съща стойност. Освен това в петконтактния елемент от подложката 3 проявата на ефекта на Хол е активна от протичането на двете противоположно насочени компонентии -7 Следователно, Ходовите потенциали върху изходните контакти 8 и 10 нарастват още повече. Двете напрежения на Хол VH46(B) и VHg (В) действат синфазно, т.е. те се сумират катоWhen the central contacts 5 and 9 are connected to the current source 1, two oppositely directed current components flow in the volume of the pads 2 and 3 - between the central 5 and 9 and the final power contacts 4 and 6, and 7 and 11 respectively (Figure 1). The trajectories of these currents are curvilinear [4]. The depth of penetration of the current lines at a fixed concentration of doping donor impurities N D in the pads 2 and 3 depends on the ratio M between the width I of the central contacts 5 and 9 and the distance / between them and the final 4 and 6, and respectively 7 and 11 electrodes , М = / // The maximum value of the penetration depth at N D «10 15 cm -3 is about 40 μηι. In the three-contact Hall element (the pad 2 is the contacts 4, 5 and 6) the current I through the contact 5 is subjected to the deflecting action of the Lorentz force F L as a Hall voltage V H4 6 (B) is generated on the end electrodes 4 and 6. . The origin of this voltage is from the internal resistances Rg 7 and R 9 n between the central 9 and the end contacts 7 and 11 (the five-contact Hall element from the pad 3). The resistors R 97 and R 9 n transform in the three-contact sensor the changes of the currents Δ7 4 (Β) and AD / V) in field B 13 in Hall voltage V H46 (B). Since the ratio M is optimized to be maximal, the signal V H4 6 (B) is the result of the entire supply current 1 5 and not one-half of it. However, in the five-contact plane-magnetosensitive Hall transducer realized on the second pad 3, the Hall V voltage H H 10 (B) on the contacts 8 and 10 is generated by half of the current 1 9/2 through the contact 9. The main reason is that the proper dimensions of the output contacts 8 and 10 located between the central 9 and the end contacts 7 and 11 increase the total linear size / of this Hall element and the ratio M = D // 2 is reduced. In this case, the current / 9 through contacts 9 is definitely divided into two equal components / 7 and / n , ie. only one second of the current /, / 2 actively generates Hall potentials V Hg (B) and V (B) on contacts 8 and 10. This is the situation in the known solution [1, 2, 3], due to which the sensitivity of the five-contact items is lowered. In the new solution of Figure 1, containing integrated three-contact and five-contact Hall converter, the following new positive qualities have been achieved. The voltage of Hall V H4 6 (B) on the contacts 4 and 6 is applied to the contacts 7 and 11 of the five-contact structure 3. Thus in the magnetic field B 13 0 13 the potentials on the contacts 7 and 11 change in comparison with the case B - 0. The voltage V H4 6 (B) also affects the output electrodes 8 and 10 - their potentials are also shifted polarly, one increases and the other decreases is the same value. Furthermore, in the five-contact element of the substrate 3, the manifestation of the Hall effect is active by the flow of the two oppositely directed components -7. Therefore, the travel potentials at the output contacts 8 and 10 increase even more. The two Hall voltages V H46 (B) and V Hg (B) act in phase, ie. they are summed as
Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/16.09.2019 магниточувствителността на изхода 11 нараства съществено, V (В) = VH46(B) + V (В). Новият микросензор съдържа осем, а не десет омични контакти, което опростява конструкцията му, ФигураDescriptions of issued patents for inventions № 09.1 / 16.09.2019 the magnetic sensitivity of the output 11 increases significantly, V (B) = V H46 (B) + V (B). The new microsensor contains eight instead of ten ohmic contacts, which simplifies its design, Figure
1. Връзките между контактите са две, а не пет.1. The connections between the contacts are two, not five.
Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната конструкция и нестандартното свързване на контактите 4-11 и 6-7 на двете структури 2 и 3. Освен това захранването може да бъде в режим генератор на ток и генератор на напрежение, разширявайки схемотехническите възможности. Интегрираното действие на триконтактен и петконтактен елемент на Хол, освен че повишава магниточувствителността, но и подобрява отношението сигнал/шум и резолюцията за детектиране на минимална магнитна индукция В^.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the original design and non-standard connection of contacts 4-11 and 6-7 of the two structures 2 and 3. In addition, the power supply can be in the mode of current generator and voltage generator, expanding the circuit capabilities . The integrated action of the three-contact and five-contact Hall element not only increases the magnetic sensitivity, but also improves the signal-to-noise ratio and the resolution for detecting minimal magnetic induction B ^.
Микросензорът на Хол може да се реализира с CMOS, BiCMOS или микромашининг технологии, като преобразувателните зони представляват дълбоки п-тип силициеви джобове 2 и 3. Чрез формиране на дълбоки ограничителни р-тип рингове или на обратно поляризирани р+-п ринг-диоди около правоъгълните омични контакти 4, 5, 6 и съответно 7, 8, 9, 10 и 11 се постига по-дълбоко проникване на токовете в обема на подложките 2 и 3, респективно по-ефективно е въздействието на силата на Лоренц Fl върху токовите компоненти. Функционирането на микросензора е в широк температурен интервал, включително при криогенна среда. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия, контратероризма и навигацията, подложките 2 и 3 могат да се разположат между два еднакви концентратора на полето В 13 от ферит или μ-метал.The Hall microsensor can be realized with CMOS, BiCMOS or micromachining technologies, as the conversion zones are deep p-type silicon pockets 2 and 3. By forming deep restrictive p-type rings or inversely polarized p + -p ring diodes around the rectangular ohmic contacts 4, 5, 6 and 7, 8, 9, 10 and 11 respectively achieve deeper penetration of the currents in the volume of the pads 2 and 3, respectively the effect of the Lorentz force F l on the current components is more effective. . The operation of the microsensor is in a wide temperature range, including in a cryogenic environment. For even higher sensitivity for the purposes of low-field magnetometry, counter-terrorism and navigation, pads 2 and 3 can be placed between two identical field B 13 concentrators made of ferrite or μ-metal.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG112090A BG66933B1 (en) | 2015-09-02 | 2015-09-02 | Hall effect microsensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG112090A BG66933B1 (en) | 2015-09-02 | 2015-09-02 | Hall effect microsensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG112090A BG112090A (en) | 2017-03-31 |
| BG66933B1 true BG66933B1 (en) | 2019-08-15 |
Family
ID=59012193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BG112090A BG66933B1 (en) | 2015-09-02 | 2015-09-02 | Hall effect microsensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| BG (1) | BG66933B1 (en) |
-
2015
- 2015-09-02 BG BG112090A patent/BG66933B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BG112090A (en) | 2017-03-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9252355B2 (en) | Low offset and high sensitivity vertical hall effect sensor | |
| BG66933B1 (en) | Hall effect microsensor | |
| BG67038B1 (en) | A plane magneto-sensitive microsystem of hall effect sensor | |
| BG67386B1 (en) | Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
| BG67250B1 (en) | Hall effect semiconductor device | |
| BG67039B1 (en) | Two-axis magnetic field microsensor | |
| BG66885B1 (en) | A plain magnetically sensitive hall’s effect sensor | |
| BG67249B1 (en) | Integrated hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
| BG67134B1 (en) | Hall effect microsensor | |
| BG112445A (en) | Magnetoresistive sensor | |
| BG66985B1 (en) | A surface-magnetically sensitive hall transformer | |
| BG112804A (en) | 2d hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
| BG67210B1 (en) | Integrated two-axis magnetic field sensor | |
| BG66714B1 (en) | Three-component magnetic field microsensor | |
| BG67551B1 (en) | Biaxial magnetosensitive sensor containing hall elements | |
| BG113488A (en) | Planar magnetic-sensitive hall sensor | |
| BG66790B1 (en) | X-, Y-, and Z-COMPONENT MAGNETOMETER | |
| BG66704B1 (en) | Two-dimensional semiconductor magnetometer | |
| BG66954B1 (en) | A 2d semiconductor magnetometer | |
| BG67071B1 (en) | In-plane magnetosensitive hall effect device | |
| BG113275A (en) | Planar magnetically sensitive element | |
| BG112808A (en) | Hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
| BG66624B1 (en) | Two-dimensional magnetometer | |
| BG66711B1 (en) | Hall effect sensor with a tangential axis of magnetosensitivity | |
| BG111414A (en) | Integral hall sensor with parallel axis of magneto sensitivity |