BG67188B1 - Magneto-sensitive element - Google Patents
Magneto-sensitive element Download PDFInfo
- Publication number
- BG67188B1 BG67188B1 BG112687A BG11268718A BG67188B1 BG 67188 B1 BG67188 B1 BG 67188B1 BG 112687 A BG112687 A BG 112687A BG 11268718 A BG11268718 A BG 11268718A BG 67188 B1 BG67188 B1 BG 67188B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- contact
- substrate
- long sides
- parallel
- contacts
- Prior art date
Links
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Област на техникатаField of technology
Изобретението се отнася до магниточувствителен елемент, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, автоматиката, енергетиката, безконтактното позициониране на обекти в равнината и пространството, биомедицинските изследвания, автомобилната индустрия в това число електромобилостроенето, навигацията, безпилотните летателни платформи и системи, военното дело и сигурността включително подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция, контратероризма и др.The invention relates to a magnetosensitive element applicable in the field of robotics and mechatronics, control and measurement technology and low-field magnetometry, automation, energy, non-contact positioning of objects in the plane and space, biomedical research, automotive industry, including electric vehicles, platforms and systems, military and security, including underwater, ground and air surveillance and prevention, counter-terrorism, etc.
Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION
Известен е магниточувствителен елемент, съдържащ правоъгълна полупроводникова подложка е птип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояние един от друг два правоъгьлни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни и перпендикулярно на дългите страни на подложката. Единият контакт през товарен резистор е свързан с извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с оставащия контакт. Магнитното поле е с произволна ориентация спрямо подложката, като двата контакта са изходът на елемента [1-3].A known magnetosensitive element comprising a rectangular semiconductor substrate is an impurity, on one side of which are formed at a distance from each other two rectangular ohmic contacts located parallel to their long sides and perpendicular to the long sides of the substrate. One contact through a load resistor is connected to a current source terminal, the other terminal of which is connected to the remaining contact. The magnetic field has an arbitrary orientation relative to the substrate, and the two contacts are the output of the element [1-3].
Недостатък на този магниточувствителен елемент е ниската измервателна точност поради квадратичната нелинейност на изходната характеристика в резултат на доминиращия в елемента сензорен механизъм - квадратичното обемно магнитосъпротивление.The disadvantage of this magnetically sensitive element is the low measurement accuracy due to the quadratic nonlinearity of the output characteristic as a result of the dominant sensory mechanism in the element - the quadratic volumetric magnetoresistance.
Недостатък е също невъзможността да се определи полярността (знака или посоката) на магнитното поле, тъй като изходното напрежение на елемента е винаги положително (четно) поради обемното геометрично магнитосъпротивление, независимо от полярността на магнитното поле.Another disadvantage is the impossibility to determine the polarity (sign or direction) of the magnetic field, since the output voltage of the element is always positive (even) due to the volumetric geometric magnetic resistance, regardless of the polarity of the magnetic field.
Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention
Задача на изобретението е да се създаде магниточувствителен елемент с повишена измервателна точност и нечетна изходна характеристика, съдържаща информация за полярността на магнитното поле.It is an object of the invention to provide a magnetically sensitive element with increased measurement accuracy and an odd output characteristic containing information about the polarity of the magnetic field.
Тази задача се решава с магниточувствителен елемент, съдържащ две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, успоредни една спрямо друга, формирани върху обща трета подложка от същия полупроводник с р-тип примесна проводимост. Върху горните страни на първата и втората подложка и на равни разстояния има по два правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - първи и втори, всичките перпендикулярни на дългите страни на първата и втората подложка. Първият контакт от първата подложка и вторият контакт от втората подложка през товарни резистори са свързани с крайните изводи на нискоомен тример, средната точка на които е съединена с единия извод на токоизточник. Вторият контакт от първата подложка и първият контакт от втората подложка са свързани с другия извод на токоизточника. Първият контакт от първата подложка и вторият контакт от втората са диференциалният изход на елемента, а измерваното магнитно поле лежи в равнината на трите подложки и е успоредно на дългите страни на контактите.This problem is solved with a magnetosensitive element containing two identical rectangular semiconductor substrates with p-type impurity conductivity - first and second, parallel to each other, formed on a common third substrate of the same semiconductor with p-type impurity conductivity. On the upper sides of the first and second pads and at equal distances there are two rectangular ohmic contacts, parallel to their long sides - first and second, all perpendicular to the long sides of the first and second pads. The first contact of the first pad and the second contact of the second pad through load resistors are connected to the terminals of a low-resistance trimmer, the midpoint of which is connected to one terminal of a current source. The second contact of the first pad and the first contact of the second pad are connected to the other terminal of the current source. The first contact of the first pad and the second contact of the second are the differential output of the element, and the measured magnetic field lies in the plane of the three pads and is parallel to the long sides of the contacts.
Предимство на изобретението е повишената измервателна точност в резултат на линейната изходна характеристика на елемента, генерирана от ефект на Хол, който е доминиращият сензорен механизъм.An advantage of the invention is the increased measuring accuracy as a result of the linear output characteristic of the element generated by the Hall effect, which is the dominant sensor mechanism.
BG 67188 BlBG 67188 Bl
Предимство е също възможността да се определя полярността на магнитното поле поради нечетната зависимост на изходното напрежение от полярността на магнитното поле.Another advantage is the ability to determine the polarity of the magnetic field due to the odd dependence of the output voltage on the polarity of the magnetic field.
Предимство е още пълното компенсиране на неминуемото паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсет) чрез тримера, повишавайки още повече точността на елемента.Another advantage is the complete compensation of the inevitable parasitic output voltage in the absence of a magnetic field (offset) by the trimmer, further increasing the accuracy of the element.
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
Магниточувствителният елемент съдържа две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа 1 и втора 2, успоредни една спрямо друга, формирани върху обща трета подложка 3 от същия полупроводник с р-тип примесна проводимост. Върху горните страни на първата 1 и втората 2 подложка и на равни разстояния има по два правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - първи 4 и 5, и втори 6 и 7, всичките перпендикулярни на дългите страни на подложки 1 и 2. Първият контакт 4 от подложка 1 и вторият контакт 7 от подложка 2 през товарни резистори 8 и 9 са свързани с крайните изводи на нискоомен тример 10, средната точка на който е съединена с единия извод на токоизточник 11. Вторият контакт 6 от подложка 1 и първият контакт 5 от подложка 2 са свързани с другия извод на токоизточника 11. Първият контакт 4 от подложка 1 и вторият контакт 7 от подложка 2 са диференциалният изход 12 на елемента, а измерваното магнитно поле 13 лежи в равнината на подложки 1, 2 и 3 и е успоредно на дългите страни на контакти 4, 5, 6 и 7.The magnetosensitive element comprises two identical rectangular semiconductor substrates with p-type impurity conductivity - first 1 and second 2, parallel to each other, formed on a common third substrate 3 of the same p-type impurity conductivity semiconductor. On the upper sides of the first 1 and second 2 pads and at equal distances there are two rectangular ohmic contacts, parallel to their long sides - first 4 and 5, and second 6 and 7, all perpendicular to the long sides of pads 1 and 2. The first contact 4 of substrate 1 and the second contact 7 of substrate 2 through load resistors 8 and 9 are connected to the terminals of a low-resistance trimmer 10, the midpoint of which is connected to one terminal of current source 11. The second contact 6 of substrate 1 and the first contact 5 of substrate 2 are connected to the other terminal of the current source 11. The first contact 4 of substrate 1 and the second contact 7 of substrate 2 are the differential output 12 of the element, and the measured magnetic field 13 lies in the plane of substrates 1, 2 and 3 and is parallel to the long sides of contacts 4, 5, 6 and 7.
Действието на магниточувствителния елемент, съгласно, изобретението, е следното. При включване на контакти 5 и 6 към единия извод на токоизточника 11 и на средната точка на тримера г 10 към другия му извод, в обема на подложките 1 и 2 протичат токови компоненти 14, е и 15,7. Планарните омични контакти 4 и 6, и съответно 5 и 7 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 13, В = 0, токовете през тях 14 и Is и съответно Ь и Е са винаги перпендикулярни спрямо горните страни на подложки 1 и 2, прониквайки дълбоко в обемите им. Токовите линии 14,6 и 15,7 в останалите части на подложките 1 и 2 са успоредни на горните им повърхности. Ето защо двете траектории I4, s и 15,7 на токоносителите са криволинейни. В резултат на еднаквостта на двете подложки 1 и 2, както и на контакти 4,6,5 и 7 двата тока 14,6 и 15,7 са равни, 14,6 и 15,7. Ако в резултат на технологични несъвършенства, механични напрежения при корпусирането на чиповете, температурни градиенти и т. н. [3], на изхода 12 на елемента в отсъствие на магнитно поле В 13 съществува офсет V|2(B = 0) 0 (паразитно изходно напрежение, не носещо метрологична информация), въпреки че товарните резистори Ri 8 и R2 9 са равни, Ri = R2, варираики стойността на нискоомния тример г 10 се постига пълното компенсиране на негативния офсет на диференциалния изход 12, V12 (В = 0) = 0. Стойността на товарните резистори 8 и 9 е най-малко на порядък по-голяма от ефективното съпротивление между омичните контакти 4-6 и 5-7. Изолирането на електрическите процеси в двете подложки 1 и 2 се осъществява чрез формирането им върху третата подложка 3, която за съвместимост е от същия полупроводник, но с р-тип примесна проводимост, фигура 1.The action of the magnetosensitive element according to the invention is as follows. When contacts 5 and 6 are connected to one terminal of the current source 11 and to the midpoint of the trimmer d 10 to its other terminal, current components 1 4 , e and 1 5 , 7 flow in the volume of the pads 1 and 2. The planar ohmic contacts 4 and 6, and 5 and 7, respectively, represent equipotential planes to which, in the absence of an external magnetic field B 13, B = 0, the currents through them 1 4 and Is and b and E, respectively, are always perpendicular to the upper sides of pads 1 and 2, penetrating deep into their volumes. The current lines 1 4 , 6 and 1 5 , 7 in the other parts of the pads 1 and 2 are parallel to their upper surfaces. Therefore, the two trajectories I 4 , s and 1 5 , 7 of the current carriers are curvilinear. As a result of the similarity of the two pads 1 and 2, as well as contacts 4,6,5 and 7, the two currents 1 4 , 6 and 1 5 , 7 are equal, 1 4 , 6 and 1 5 , 7 . If, as a result of technological imperfections, mechanical stresses in the housing of the chips, temperature gradients, etc. [3], at the output 12 of the element in the absence of a magnetic field B 13 there is an offset V | 2 (B = 0) 0 (parasitic output voltage, not bearing metrological information), although the load resistors Ri 8 and R 2 9 are equal, Ri = R 2 , varying the value of the low-resistance trimmer d 10 is achieved full compensation of the negative offset of the differential output 12, V 12 (B = 0) = 0. The value of the load resistors 8 and 9 is at least an order of magnitude greater than the effective resistance between the ohmic contacts 4-6 and 5-7. The isolation of the electrical processes in the two substrates 1 and 2 is carried out by forming them on the third substrate 3, which for compatibility is of the same semiconductor, but with p-type impurity conductivity, figure 1.
BG 67188 BlBG 67188 Bl
Прилагането на измерваното магнитно поле В 13 успоредно на подложките 1, 2 и 3, и на дългите страни на контакти 4, 6, 5 и 7, води до максимално деформиране с противоположен знак на токовите линии 14 6 и Ь, 7 по цялото протежение на нелинейните траектории, т. е. нарушава се електрическата симетрия на токовите траектории. Това се дължи на действието на силата на Лоренц Fl, FL = qVdr х В, където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложки 1 и 2. При така избраното свързване посоките на двата тока k 6 и - h,7ca противоположни. Следователно в резултат на Лоренцовото отклонение от силата Fl, в зависимост от конкретните посоки на токовете Ц, 6 и 15 7 и на магнитното поле ± В 13, нелинейните траектории се свиват и съответно разширява. По тази причина в обемите на подложки 1 и 2 и на повърхностите с планарни контакти 4 и 6 и съответно 5 и 7 се генерират едновременно два ефекта. Единият е квадратичният четен магниторезистивен ефект MR ~ В2, свързан с геометричното магнитосъпротивление, водещо до нарастване дължината на траекториите на токоносителите, [3]. Другият сензорен механизъм е линейният и нечетен ефект на Хол Ун ~ ± В, произтичащ от допълнителните неравновесни токоносители върху повърхностите с контакти 4 и 6 и съответно 5 и 7 на подложки 1 и 2. Ключова особеност на новото решение е, че двете подложки функционално си взаимодействат и представляват единна сензорна система, въпреки че преобразувателните области са отделени една от друга. В известното решение елементът има само два планарни контакта и на изхода присъства само нелинейното квадратично магнитосъпротивление, обуславящо съществената метрологична грешка. Избраното оригинално накръстно свързване на двете двойки магниторезистори 1 и 2 и формираният чрез двата товарни резистори Ri 8 и R2 9 диференциален изход 12 осъществява синфазно подтискане (компенсиране) на паразитното в случая квадратичното напрежение MR ~ В2 на изхода 12. Така линейното и нечетно напрежение на Хол Ун ~ ± В е изходният сигнал 12 на елемента, носещ метрологична информация едновременно за стойността на индукцията В и за посоката (знака) на магнитния вектор ± В 13. Линейното изходно напрежение 12 на сензора от фигура 1 повишава съществено метрологичната точност и едновременно определя посоката на магнитното поле ± В 13.The application of the measured magnetic field B 13 parallel to the pads 1, 2 and 3, and to the long sides of contacts 4, 6, 5 and 7, leads to maximum deformation with opposite sign of the current lines 1 4 6 and b, 7 along the entire length. of the nonlinear trajectories, ie the electrical symmetry of the current trajectories is violated. This is due to the action of the Lorentz force F l , F L = qVdr х В, where q is the elementary load of the electron, and V dr is the vector of the average drift velocity of the electrons in substrates 1 and 2. With such a connection, the directions of the two currents k 6 and - h, 7ca opposite. Therefore, as a result of the Lorentz deviation from the force Fl, depending on the specific directions of the currents C, 6 and 1 5 7 and the magnetic field ± B 13, the nonlinear trajectories contract and expand accordingly. For this reason, two effects are generated simultaneously in the volumes of pads 1 and 2 and on the surfaces with planar contacts 4 and 6 and 5 and 7, respectively. One is the quadratic even magnetoresistive effect MR ~ B 2 , associated with the geometric magnetoresistance, leading to an increase in the length of the current carrier trajectories, [3]. The other sensor mechanism is the linear and odd Hall Un ~ ± B effect resulting from the additional nonequilibrium current carriers on the surfaces with contacts 4 and 6 and respectively 5 and 7 of pads 1 and 2. A key feature of the new solution is that both pads functionally interact and represent a single sensor system, although the conversion areas are separated from each other. In the known solution, the element has only two planar contacts and only the nonlinear quadratic magnetic resistance is present at the output, causing the significant metrological error. The selected original cross-connection of the two pairs of magnetoresistors 1 and 2 and the differential output 12 formed by the two load resistors Ri 8 and R2 9 perform in-phase suppression (compensation) of the parasitic in this case quadratic voltage MR ~ B 2 at the output 12. Thus the linear and odd voltage of Hall Un ~ ± B is the output signal 12 of the element carrying metrological information both for the value of induction B and for the direction (sign) of the magnetic vector ± B 13. The linear output voltage 12 of the sensor of figure 1 significantly increases the metrological accuracy and at the same time determines the direction of the magnetic field ± B 13.
Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативната конструкция и способът на свързване, чрез които при един токоизточник 11 и два функционално интегрирани структури 1 е 2 е реализиран магниточувствителен елемент с нови свойства - генерира се линейно и нечетно напрежение на диференциалния му изход 12. Фактически за първи път с два отделни и нелинейни магниторезистори е осъществен линеен сензор на Хол.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the innovative design and connection method, through which in one current source 11 and two functionally integrated structures 1 is 2 a magnetosensitive element with new properties is realized - linear and odd voltage is generated at its differential output 12 In fact, for the first time, a linear Hall sensor was implemented with two separate and nonlinear magnetoresistors.
Магниточувствителният елемент се реализира на основата на силициевите CMOS или BiCMOS интегрални процеси. В този случай като подложки 1 и 2 се формират двойка отделни п-тип „джобове в рSi пластини. Тази сепарация позволява да се елиминират взаимните негативни влияния при работата на така сформирания елемент на Хол. Планарните омични контакти 4, 5, 6 и 7 се осъществяват, например, с йонна имплантация и са силно легирани п+ - области в n-Si „джобове” (епитаксиални слоеве). Силициевите планарни технологии позволяват едновременното реализиране върху общ чип заедно с елемента и съответните интерфейсни схеми за обработка и нормиране на изходния сигнал 12. В такова изпълнение новия елемент представлява интегрална схема. За целите на безконтактната автоматика, когато е от значение само нивото на изходното напрежение в магнитно поле В 13, може да се използва и квадратичен изход, формиран с контакти 4-6 или 5-7. Магниточувствителният елемент може да функционира и при криогенни температури, което повишава чувствителността му за целите на слабополевата магнитометрия.The magnetosensitive element is realized on the basis of silicon CMOS or BiCMOS integrated processes. In this case, a pair of separate n-type pockets in pSi plates are formed as pads 1 and 2. This separation makes it possible to eliminate the mutual negative influences in the operation of the Hall element thus formed. The planar ohmic contacts 4, 5, 6 and 7 are made, for example, by ion implantation and are strongly doped n + - regions in n-Si "pockets" (epitaxial layers). Silicon planar technologies allow the simultaneous implementation on a common chip together with the element and the corresponding interface circuits for processing and normalization of the output signal 12. In such an embodiment, the new element is an integrated circuit. For the purposes of non-contact automation, when only the level of the output voltage in magnetic field B 13 is relevant, a square output formed with contacts 4-6 or 5-7 can also be used. The magnetosensitive element can also function at cryogenic temperatures, which increases its sensitivity for the purposes of low-field magnetometry.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG112687A BG67188B1 (en) | 2018-02-20 | 2018-02-20 | Magneto-sensitive element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG112687A BG67188B1 (en) | 2018-02-20 | 2018-02-20 | Magneto-sensitive element |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG112687A BG112687A (en) | 2019-08-30 |
| BG67188B1 true BG67188B1 (en) | 2020-11-16 |
Family
ID=74126225
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BG112687A BG67188B1 (en) | 2018-02-20 | 2018-02-20 | Magneto-sensitive element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| BG (1) | BG67188B1 (en) |
-
2018
- 2018-02-20 BG BG112687A patent/BG67188B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BG112687A (en) | 2019-08-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9880026B1 (en) | Magnetic field sensor for detecting motion of an object | |
| US10215590B2 (en) | Magnetic field sensor for sensing a proximity and/or a location of an object | |
| CN106164691B (en) | Low offset and high sensitivity vertical hall effect sensor | |
| BG67188B1 (en) | Magneto-sensitive element | |
| BG112935A (en) | Hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
| BG112816A (en) | Semiconductor configuration with planar magnetic sensitivity | |
| BG67509B1 (en) | Magnetic field sensing device | |
| BG67250B1 (en) | Hall effect semiconductor device | |
| BG67247B1 (en) | Hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
| BG113356A (en) | Hall effect microsensor with more than one output | |
| BG67380B1 (en) | Two-dimensional magnetic field microsensor | |
| BG113625A (en) | INTEGRAL HALL SENSOR WITH PLANE SENSITIVITY | |
| BG67551B1 (en) | Biaxial magnetosensitive sensor containing hall elements | |
| BG112991A (en) | Electronic device with planar magnetic sensitivity | |
| BG66843B1 (en) | Two-axle hall effect magnetometer | |
| BG67386B1 (en) | Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
| BG67249B1 (en) | Integrated hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
| BG112426A (en) | A plane magneto-sensitive microsystem of hall effect sensor | |
| BG113018A (en) | In-plane magnetosensitive hall effect device | |
| BG66840B1 (en) | Hall effect sensor with a planar magnetic sensitivity | |
| BG66804B1 (en) | In-plane magnetosensitive hall effect device | |
| BG67076B1 (en) | Magnetoresistive sensor | |
| BG67245B1 (en) | 2d hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
| BG67136B1 (en) | The hall effect magnetometer | |
| BG66954B1 (en) | A 2d semiconductor magnetometer |