BG67386B1 - Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity - Google Patents

Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity Download PDF

Info

Publication number
BG67386B1
BG67386B1 BG113014A BG11301419A BG67386B1 BG 67386 B1 BG67386 B1 BG 67386B1 BG 113014 A BG113014 A BG 113014A BG 11301419 A BG11301419 A BG 11301419A BG 67386 B1 BG67386 B1 BG 67386B1
Authority
BG
Bulgaria
Prior art keywords
contacts
contact
pad
wafer
parallel
Prior art date
Application number
BG113014A
Other languages
Bulgarian (bg)
Other versions
BG113014A (en
Inventor
Сия ЛОЗАНОВА
Вълчева Лозанова Сия
Чавдар РУМЕНИН
Станоев Руменин Чавдар
Original Assignee
Институт По Роботика - Бан
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт По Роботика - Бан filed Critical Институт По Роботика - Бан
Priority to BG113014A priority Critical patent/BG67386B1/en
Publication of BG113014A publication Critical patent/BG113014A/en
Publication of BG67386B1 publication Critical patent/BG67386B1/en

Links

Landscapes

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

Abstract

The integrated Hall sensor with an in-plane sensitivity comprises two semiconductor wafers of an n-type conductivity, arranged in parallel - first (1) and second (2), and a current source (3). On one side of the wafers (1 and 2) are formed in series from left to right five and respectively three ohmic rectangular contacts, parallel to their long sides - first (4), second (5), third (6), fourth (7) and fifth (8) on wafer (1), and first (9), second (10) and third (11) of the second (2) wafer. Contact (6) of the first (1) and contact (10) of the wafer (2) are central and relative to them the first (4) and the fifth (8), and respectively the second (5) and the fourth (7) contact of the wafer (1), as the first (9) and third (11) contacts of the second (2) wafer are arranged symmetrically. Close to the two long sides of the contacts (6 and 10), in parallel and at equal distances from them, there is a deep zone (12) with p-type conductivity, the length of which is equal to that of the contacts (6 and 10). The two terminals of the current source (3) are connected to the contacts (6 and 10). The first contact (4) of wafer (1) is connected to the contact (9) of the second (2) one, and the fifth contact (8) of the first (1) wafer is connected to contact (11) of the wafer (2). The first (4) and fourth (7) contacts, and respectively the second (5) and fifth (8) contacts of the wafer (1) are connected. The differential output (13) of the sensor is the first (9) and third (11) contact of the wafer (2), and the measured magnetic field (14) is parallel to both the planes of the wafers (1 and 2) and the long sides of the contacts (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11).

Description

(54) ИНТЕГРАЛЕН СЕНЗОР НА ХОЛ С РАВНИННА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ(54) INTEGRAL HALL SENSOR WITH PLANE SENSITIVITY

Област на техникатаField of technique

Изобретението се отнася до интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, приложимо в областта на сензориката; роботиката и мехатрониката включително роботизираната и минимално инвазивната хирургия; биомедицината; квантовата комуникация; системите за сигурност с изкуствен интелект и военното дело; електромобилите и хибридните превозни средства; безпилотните летателни апарати; машиностроенето и автоматизацията на производството; безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания; слабополевата магнитометрия; енергетиката; контратероризма включително подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция; навигацията и др.The invention relates to an integral Hall sensor with planar sensitivity, applicable in the field of sensors; robotics and mechatronics including robotic and minimally invasive surgery; biomedicine; quantum communication; artificial intelligence security systems and military affairs; electric cars and hybrid vehicles; unmanned aerial vehicles; mechanical engineering and production automation; non-contact measurement of angular and linear displacements; weak-field magnetometry; energy; counter-terrorism including underwater, land and air surveillance and prevention; navigation etc.

Предшестващо състояние на техникатаPrior art

Известен е интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ две еднакви полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно и токоизточник. Върху едната страна на всяка от подложките последователно от ляво на дясно и на равни разстояния са формирани по пет правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - първи, втори, трети, четвърти и пети. Първите и петите, и съответно вторите и четвъртите контакти са симетрични спрямо третите. Първите и петите контакти са свързани помежду си. Вторият контакт на първата подложка е съединен с четвъртия на втората, а четвъртият контакт на първата подложка - с втория контакт на втората. Двата извода на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт на първата подложка. Диференциалният изход на сензора на Хол са двата централни контакта, като измерваното магнитно поле е успоредно, както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите, [1-7].An integral Hall sensor with planar sensitivity is known, containing two identical semiconductor substrates with n-type impurity conductivity - first and second, located in parallel and a current source. Five rectangular ohmic contacts parallel to their long sides - first, second, third, fourth and fifth - are formed on one side of each of the pads successively from left to right and at equal distances. The first and fifth, and respectively the second and fourth contacts are symmetrical with respect to the third. The 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 pad to the second contact of the second. The two terminals of the current source are connected to the second and fourth contacts of the first pad. The differential output of the Hall sensor is the two central contacts, and the measured magnetic field is parallel, both to the planes of the pads and to the long sides of the contacts, [1-7].

Недостатък на този интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност е ниската преобразувателна ефективност (магниточувствителност) поради планарно разположените върху една и съща повърхност на подложките на входните и изходните контакти, като захранващият ток протича в по-голямата си част хоризонтално. Действието на магнитното поле чрез отклоняващата сила на Лоренц върху хоризонталния ток е несъществено и чувствителността се генерира от вертикалната компонента на тока.A disadvantage of this integral Hall sensor with planar sensitivity is the low conversion efficiency (magnetosensitivity) due to the input and output contact pads being planar on the same surface, with the supply current flowing mostly horizontally. The action of the magnetic field through the deflecting Lorentz force on the horizontal current is negligible and the sensitivity is generated by the vertical component of the current.

Недостатък е също усложнената конструкция на сензора, съдържаща десет контакта с общо четири връзки между тях, които ограничават технологичната реализация чрез интегралните микроелектронни процеси.A disadvantage is also the complicated construction of the sensor, containing ten contacts with a total of four connections between them, which limit the technological implementation through integral microelectronic processes.

Недостатък е още понижената измервателна точност поради ниската чувствителност и повишеното ниво на собствения 1/f (фликер) шум от преминаването на хоризонталната компонента на захранващия ток през изходните Холови контакти.A disadvantage is the reduced measurement accuracy due to the low sensitivity and the increased level of the own 1/f (flicker) noise from the passage of the horizontal component of the supply current through the output Hall contacts.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Задача на изобретението е да се създаде интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, който да е с висока преобразувателна ефективност (магниточувствителност), опростена конструкция чрез намаляване на броя на контактите и връзките между тях и повишена измервателна точност чрез редуциране на собствения 1/f шум.The task of the invention is to create an integral Hall sensor with planar sensitivity, which has high conversion efficiency (magnetosensitivity), simplified construction by reducing the number of contacts and connections between them, and increased measurement accuracy by reducing the inherent 1/f noise .

Тази задача се решава с интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ две полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост, разположени успоредно - първа и втора, и токоизточник. Върху едната страна на всяка подложка са формирани последователно от ляво надясно пет и съответно три омични правоъгълни контакти, успоредно на дългите си страни - първи, втори, трети, четвърти и пети на първата подложка, и първи, втори и трети на втората. Третият контакт на първата и вторият контакт на втората подложка са централни, като спрямо тях първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт на първата подложка, както първият и третият контакт на втората са разположени симетрично. В близост до двете дълги страни на централните контакти, успоредно и на равни разстояния от тях има по една дълбока зона с р-тип примесна проводимост, чиято дължина е равна на тази на третите контакти. Двата извода на токоизточника са свързани с централните контакти. Първият контакт на първата подложка е съединен с първия контакт на втората, а петият контакт на първата е свързан с третия контакт на втората подложка. Първият и четвъртият и съответно вторият и петият контакт на първата подложка са съединени. Диференциалният изход на сензора на Хол са първият и третият контакт на втората подложка, а измерваното магнитно поле е успоредно, както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.This task is solved with an integral Hall sensor with planar sensitivity, containing two semiconductor substrates with n-type impurity conductivity, located in parallel - first and second, and a current source. On one side of each pad, five and three ohmic rectangular contacts are formed sequentially from left to right, parallel to their long sides - first, second, third, fourth and fifth on the first pad, and first, second and third on the second. The third contact of the first and the second contact of the second pad are central, and relative to them the first and fifth, and respectively the second and fourth contacts of the first pad, as well as the first and third contact of the second are located symmetrically. Near the two long sides of the central contacts, parallel and equidistant from them, there is a deep zone of p-type impurity conductivity, the length of which is equal to that of the third contacts. The two terminals of the current source are connected to the central contacts. The first contact of the first pad is connected to the first contact of the second, and the fifth contact of the first is connected to the third contact of the second pad. The first and fourth and second and fifth contacts of the first pad, respectively, are connected. The differential output of the Hall sensor is the first and third contacts of the second pad, and the measured magnetic field is parallel to both the planes of the pads and the long sides of the contacts.

Предимство на изобретението е повишената магниточувствителност в резултат на: 1. силно редуцираните хоризонтални компоненти на захранващия ток в двете подложки от формираните дълбоки р-тип зони откъм дългите страни на централните контакти, определящи проникването на захранващия ток дълбоко в обема на структурите и способстващи за доминиране на магнитноуправляемите вертикални компонети; 2. близко разположените първи и втори, и съответно четвърти и пети контакт на първата подложка чрез свързването си обединяват значителните съпосочни изменения в магнитно поле на вертикалните токови компоненти, генерирани от Лоренцовото им отклонение.An advantage of the invention is the increased magnetosensitivity as a result of: 1. the greatly reduced horizontal components of the supply current in both pads from the formed deep p-type zones on the long sides of the central contacts, determining the penetration of the supply current deep into the volume of the structures and contributing to dominance of the magnetically controlled vertical components; 2. the closely located first and second, and respectively the fourth and fifth contacts of the first pad through their connection unite the significant co-directional changes in the magnetic field of the vertical current components generated by their Lorentz deviation.

Предимство е също опростената конструкция на сензора на Хол, съдържаща общо осем, вместо десет омични контакта, което спомага за технологичната реализация.An advantage is also the simplified structure of the Hall sensor, containing a total of eight instead of ten ohmic contacts, which helps the technological implementation.

Предимство е още редуцираният 1/f фликер шум чрез сензорната конструкция, съдържаща дълбоки p-тип ограждащи зони, равни по дължина на централните контакти, което драстично редуцира хоризонталните токови компоненти, за да не преминават те през изходните контакти.An advantage is the further reduced 1/f flicker noise due to the sensor design containing deep p-type gate regions equal in length to the center contacts, which drastically reduces the horizontal current components so that they do not pass through the output contacts.

Предимство освен това е повишената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция в резултат на увеличеното отношение сигнал/шум посредством високата чувствителност и редуцирания фликер шум.An additional advantage is the increased resolution when measuring the minimum magnetic induction as a result of the increased signal-to-noise ratio through high sensitivity and reduced flicker noise.

Предимство е и високата измервателна точност в резултат на нарастналата чувствителност и редуцирания 1/f шум от отстраненото преминаване на хоризонталните компоненти на захранващия ток през контактите.An advantage is also the high measurement accuracy as a result of the increased sensitivity and the reduced 1/f noise from the removed passage of the horizontal components of the supply current through the contacts.

Предимство е и минимизираният паразитен офсет на изхода чрез непосредствените връзки на двойките контакти на първата подложка, компенсиращи неминуеми паразитни потенциали и подобряващи електрическата симетрия спрямо изхода.An advantage is also the minimized parasitic offset of the output through the immediate connections of the pairs of contacts on the first pad, compensating inevitable parasitic potentials and improving electrical symmetry with respect to the output.

Предимство е също така повишената стабилност на изходното напрежение към температурни флуктуации поради функционирането на сензора на Хол в режим генератор на ток, формиран от вътрешните съпротивления на подложките.An advantage is also the increased stability of the output voltage to temperature fluctuations due to the operation of the Hall sensor in the current generator mode formed by the internal resistances of the pads.

Пояснение на приложената фигураExplanation of the attached figure

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1, представляваща напречното сечение на интегралния сензор на Хол.The invention is explained in more detail with an exemplary embodiment given in the attached Figure 1, representing the cross-section of the integral Hall sensor.

Пример за изпълнение на изобретениетоExample of implementation of the invention

Интегралният сензор на Хол с равнинна чувствителност съдържа две полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост, разположени успоредно - първа 1 и втора 2, и токоизточник 3. Върху едната страна на подложките 1 и 2 са формирани последователно от ляво надясно пет и съответно три омични правоъгълни контакти, успоредни на дългите си страни - първи 4, втори 5, трети 6, четвърти 7 и пети 8 на първата подложка 1, и първи 9, втори 10 и трети 11 на втората 2. Третият контакт 6 на първата 1 и вторият контакт 10 на втората подложка 2 са централни като спрямо тях първият 4 и петият 8, и съответно вторият 5 и четвъртият 7 контакт на първата подложка 1 както първият 9 и третият 11 контакт на втората 2 са разположени симетрично. В близост до двете дълги страни на централните контакти 6 и 10, успоредно и на равни разстояния от тях има по една дълбока зона 12 с р -тип примесна проводимост, чиято дължина е равна на тази на контакти 6 и 10. Двата извода на токоизточника 3 са свързани с централните контакти 6 и 10. Първият контакт 4 на първата подложка 1 е съединен с първия контакт 9 на втората 2, а петият контакт 8 на първата 1 е свързан с третия контакт 11 на втората подложка 2. Първият 4 и четвъртият 7 контакт, и съответно вторият 5 и петият 8 контакт на първата подложка 1 са съединени. Диференциалният изход 13 на сензора на Хол са първият 9 и третият 11 контакт на втората подложка 2, а измерваното магнитно поле 14 е успоредно, както на равнините на подложките 1 и 2, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11.The integral Hall sensor with planar sensitivity contains two semiconductor pads with n-type impurity conductivity located in parallel - the first 1 and the second 2, and a current source 3. On one side of the pads 1 and 2, five and three ohmic resistors are formed sequentially from left to right rectangular contacts parallel to their long sides - first 4, second 5, third 6, fourth 7 and fifth 8 on the first pad 1, and first 9, second 10 and third 11 on the second 2. The third contact 6 on the first 1 and the second contact 10 of the second pad 2 are central and relative to them the first 4 and the fifth 8, and respectively the second 5 and the fourth 7 contact of the first pad 1 as well as the first 9 and the third 11 contact of the second 2 are located symmetrically. Near the two long sides of the central contacts 6 and 10, parallel and at equal distances from them, there is one deep zone 12 with p-type impurity conductivity, the length of which is equal to that of contacts 6 and 10. The two terminals of the current source 3 are connected to the central contacts 6 and 10. The first contact 4 of the first pad 1 is connected to the first contact 9 of the second 2, and the fifth contact 8 of the first 1 is connected to the third contact 11 of the second pad 2. The first 4 and the fourth 7 contact , and respectively the second 5 and fifth 8 contacts of the first pad 1 are connected. The differential output 13 of the Hall sensor is the first 9 and the third 11 contact of the second pad 2, and the measured magnetic field 14 is parallel, both to the planes of the pads 1 and 2, and to the long sides of the contacts 4, 5, 6, 7 , 8, 9, 10 and 11.

Действието на интегралния сензор на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното. При включване на централните контакти 6 и 10 към токоизточника 3, и свързването на електроди 4 с 9, 8 с 11, 4 със 7, и 5 с 8 съгласно Фигура 1, в обемите на двете подложки 1 и 2 протичат токовете I6,4, Ie,5 и -I6,7, -I6,8, и съответно 1ю,9 и -Ιιο,ιι. Поради симетрията на структури 1 и 2 спрямо контакти 6 и 10, и способът на свързване, тези токови компоненти са равни и противоположно насочени. Траекториите на електроните в подложки 1 и 2 са криволинейни, тъй като в отсъствие на магнитно поле В 14 омичните планарни контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11, през които протичат захранващите токови компоненти са еквипотенциални равнини. Ето защо токовите линии първоначално са перпендикулярни на горните повърхности на подложки 1 и 2, след което променят посоката си и в определен участък в обемите им са успоредни на горните равнини. Освен това дълбоките p-тип ограждащи зони 12, равни по дължина на правоъгълните централни контакти 6 и 10 не позволяват наличие на хоризонтални токови компоненти по повърхността на структурите 1 и 2. Обикновено, съобразно използваната силициева технология, дълбочината на р-зоните 12 варира до около 12-15 μm. В резултат дълбочината на проникване w на токовите линии при фиксирана концентрация на легиращата донорна примес ND в n-тип Si подложки 1 и 2 зависи и от съотношението М между ширината 11 на контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11, и разстоянията 12 между тях, М = 11/12, [1, 2, 5 - 7]. Максималната дълбочина w при най-често използваната в микроелектрониката концентрация на легиращи донорни примеси ND ~ 1015 cm3 в Si и ширина на контактите до около 5-10 μm съставлява около w ~ 30-40 μm. Същевременно подложка 2 с контакти 9, 10 и 11 представлява първият равнинно-чувствителен микросензор на Хол с три омични контакти. Този клас елементи са създадени и развити от Руменин и Лозанова, [5, 8 - 10]. Товарните резистори, които се включват в крайните електроди 9 и 11 на тези микросензори, [8], в новото решение от Фигура 1 са заменени с вътрешните съпротивления R9,10, R10,n, R4,6 и R6,8 на двете подложки 1 и 2. Тези резистори обуславят работен режим генератор на ток. Съпротивленията R9,10, = R10,n, и R4,6 = R6,8 са еднакви поради структурната симетрия на подложките 1 и 2 спрямо контакти 10 и 6. Обикновено на диференциалния изход VH(В) = V9,11(B) 13, формиран от контакти 9 и 11, в отсъствие на външно магнитно поле В 14, В = 0, присъства несвързано с магнитната индукция паразитно напрежение или офсет. Неговото минимизиране в нашия случай се постига чрез иновативното решение от Фигура 1. Непосредствените връзки на двойките контакти 4 - 7 и 5 - 8 окъсяват паразитните офсет-потенциали в структури 1 и 2 спрямо потенциалите на изходни контакти 9 и 11 чрез протичането на изравняващи токове. Такава възможност отсъства в известното решение.The operation of the integral Hall sensor with planar sensitivity according to the invention is as follows. When connecting the central contacts 6 and 10 to the current source 3, and connecting electrodes 4 with 9, 8 with 11, 4 with 7, and 5 with 8 according to Figure 1, the currents I 6 , 4 flow in the volumes of the two pads 1 and 2 , Ie,5 and -I 6 , 7 , -I 6 , 8 , and respectively 1ю,9 and -Ιιο,ιι. Due to the symmetry of structures 1 and 2 with respect to contacts 6 and 10, and the method of connection, these current components are equal and oppositely directed. The trajectories of the electrons in pads 1 and 2 are curvilinear, since in the absence of a magnetic field B 14 the ohmic planar contacts 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11 through which the supply current components flow are equipotential planes. That is why the current lines are initially perpendicular to the upper surfaces of pads 1 and 2, then change their direction and in a certain section in their volumes are parallel to the upper planes. In addition, the deep p-type enclosure zones 12, equal in length to the rectangular central contacts 6 and 10, do not allow the presence of horizontal current components on the surface of the structures 1 and 2. Typically, according to the silicon technology used, the depth of the p-zones 12 varies up to about 12-15 μm. As a result, the penetration depth w of the current lines at a fixed concentration of the doping donor impurity ND in n-type Si substrates 1 and 2 also depends on the ratio M between the width 11 of contacts 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11, and the distances 1 2 between them, M = 11/1 2 , [1, 2, 5 - 7]. The maximum depth w at the most commonly used in microelectronics concentration of doping donor impurities N D ~ 10 15 cm 3 in Si and contact width up to about 5-10 μm constitutes about w ~ 30-40 μm. At the same time, pad 2 with contacts 9, 10 and 11 represents the first planar-sensitive Hall microsensor with three ohmic contacts. This class of elements was created and developed by Rumenin and Lozanova, [5, 8 - 10]. The load resistors that are included in the end electrodes 9 and 11 of these microsensors, [8], in the new solution of Figure 1 are replaced by the internal resistances R 9 , 10 , R 10 ,n, R4, 6 and R 6 , 8 of the two pads 1 and 2. These resistors determine the operating mode of the current generator. The resistances R 9 , 10 , = R 10 ,n, and R4, 6 = R 6 , 8 are the same due to the structural symmetry of pads 1 and 2 with respect to contacts 10 and 6. Usually at the differential output V H (B) = V 9 , 11 (B) 13, formed by contacts 9 and 11, in the absence of an external magnetic field B 14, B = 0, there is a parasitic voltage or offset unrelated to the magnetic induction. Its minimization in our case is achieved by the innovative solution from Figure 1. The direct connections of the pairs of contacts 4 - 7 and 5 - 8 shorten the parasitic offset potentials in structures 1 and 2 relative to the potentials of output contacts 9 and 11 by the flow of equalizing currents. Such possibility is absent in the known decision.

Режимът генератор на ток, който се осъществява едновременно за двете структури 1 и 2 стабилизира температурния дрейф на изхода 13 на сензора от въздействието на температурата Т. Това се дължи на ясно регламентираното влияние при такъв работен режим на температурата Т върху кинетичните и галваномагнитните процеси в полупроводниковите структури, [5].The current generator mode, which occurs simultaneously for both structures 1 and 2, stabilizes the temperature drift at the output 13 of the sensor from the influence of the temperature T. This is due to the clearly regulated influence of the temperature T in such an operating mode on the kinetic and galvanomagnetic processes in semiconductors structures, [5].

При наличие на външно магнитно поле В 14, в подложките 1 и 2, формиращи интегралния сензор и представляващи петконтактен и триконтактен елемент на Хол, токовите компоненти I6,4, 16,5 -I6,7, -I6,8 и съответно I10,9 и -1ю,ц са подложени на отклоняващото странично действие на силите на Лоренц FLj [1, 2, 5 - 10]. Топологията на токовите линии в резултат на оригинално видоизменената приборна конструкция 1 е основно вертикална в зоните на контакти 4 и 5, както 7 и 8. Същевременно двойките електроди 4 - 5 и 7 - 8 са разположени достатъчно близко един до друг. Ето защо Лоренцовото отклонение на токовите линии, в зависимост от полярностите на токоизточника Es 3 и на магнитното поле В 14, води до съществено изменение на токовете през контактите. Например, компоненти - ΔI4(В) и -ΔΙ7(Β) намаляват, а компоненти + ΔI5(В) и + ΔI8(В) нарастват. Промяната на тези токове е с една и съща стойност. Следователно чрез свързването на контакти 4 - 7 и 5 - 8 се обединяват съществените съпосочни изменения в магнитно поле В 14 на токовите компоненти през тях. Аналогична е ситуацията и за конфигурация 2 с токовете през контакти 9 и 11 в поле В 14. Чрез товарните резистори R9,10, R10,11, R4,6 и R6,8 измененията на токовете на Хол се трансформират в промяна на изходното напрежение Vh(B) = V9,11(В). Ето защо решението от Фигура 1 води до съществено нарастване на магниточувствителността на сензора. Новата конфигурация е с опростена конструкция. Тя съдържа осем контакта и намален брой връзки, което улеснява технологичната й реализация. Драстичното минимизиране на хоризонталните магнитнонеуправляеми токови компоненти в двете подложки 1 и 2 редуцира преминаването им през изходните контакти 4 и 5, и 7 и 8. По тази причина собственият 1/f шум е редуциран. Вече не се налага за намаляването му прилагане на метода токов спининг [1, 6, 7], изискващ допълнителни схемни ресурси, повишаване на ефективната площ на чипа и допълнителна консумация на захранваща мощност, като отделящата се топлина води до влошаване на метрологичното качество на изходния сигнал. Едновременно с увеличената магниточувствителност и повишеното отношение сигнал/шум нараства и резолюцията при детектиране на минималната магнитна индукция Bmin, което е ключова характеристика за целите на слабополевата магнитометрия. От друга страна точността нараства поради синергията на висока чувствителност, намален паразитен офсет, редуциран шум и температурна стабилизация на изхода 13.In the presence of an external magnetic field B 14, in pads 1 and 2 forming the integral sensor and representing a five-contact and three-contact Hall element, the current components I 6 , 4 , 16.5 -I 6 , 7 , -I6, 8 and respectively I 10 , 9 and -1ju,c are subjected to the deflecting lateral action of the Lorentz forces F L j [1, 2, 5 - 10]. The topology of the current lines as a result of the originally modified instrument structure 1 is mainly vertical in the areas of contacts 4 and 5 as well as 7 and 8. At the same time, the pairs of electrodes 4 - 5 and 7 - 8 are located sufficiently close to each other. That is why the Lorentz deviation of the current lines, depending on the polarities of the current source E s 3 and the magnetic field B 14, leads to a significant change in the currents through the contacts. For example, components - ΔI 4 (B) and -ΔΙ 7 (Β) decrease, and components + ΔI 5 (B) and + ΔI 8 (B) increase. The change in these currents is of the same value. Therefore, by connecting contacts 4 - 7 and 5 - 8, the significant co-directional changes in magnetic field B 14 of the current components through them are combined. The situation is similar for configuration 2 with the currents through contacts 9 and 11 in field B 14. Through the load resistors R 9 , 10 , R 10 , 11 , R4,6 and R6, 8 the changes in the Hall currents are transformed into a change in the output voltage Vh(B) = V 9 , 11 (V). Therefore, the solution of Figure 1 leads to a substantial increase in the magnetic sensitivity of the sensor. The new configuration has a simplified design. It contains eight contacts and a reduced number of connections, which facilitates its technological implementation. The drastic minimization of the horizontal magnetically uncontrolled current components in both pads 1 and 2 reduces their passage through the output contacts 4 and 5 and 7 and 8. Therefore, the inherent 1/f noise is reduced. To reduce it, it is no longer necessary to apply the current spinning method [1, 6, 7], which requires additional circuit resources, an increase in the effective area of the chip and additional consumption of power supply, and the released heat leads to a deterioration of the metrological quality of the output signal. Simultaneously with the increased magnetic sensitivity and increased signal-to-noise ratio, the resolution in detecting the minimum magnetic induction Bmin, which is a key feature for the purposes of weak-field magnetometry, also increases. On the other hand, accuracy increases due to the synergy of high sensitivity, reduced parasitic offset, reduced noise and output temperature stabilization 13.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната конструкция, нестандартното свързване на контактите 4 със 7, и 5 с 8, както и близкото им разположение. Само чрез модифициране на приборната конструкция и без използване на допълнителни схемни подходи са постигнати висока чувствителност и отношение сигнал/шум, офсетът и температурният дрейф са редуцирани и метрологичната точност е повишена.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the original design, the non-standard connection of contacts 4 with 7 and 5 with 8, as well as their close location. Only by modifying the instrument design and without using additional circuit approaches, high sensitivity and signal-to-noise ratio have been achieved, offset and temperature drift have been reduced, and metrological accuracy has been increased.

Интегралният сензор на Хол се реализира с CMOS, BiCMOS или микромашининг микроелектронни технологии, като двете преобразувателни зони на петконтактния и триконтактния елемент 1 и 2 представляват дълбоки n-тип силициеви джобове в р-тип подложки. Омичните контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 представляват силно легирани n+ области, формирани най-често с епитаксия. Микросензорът на Хол може да функционира в широк температурен интервал, включително в криогенна среда, което драстично повишава чувствителността и редуцира шума, подобрявайки като цяло неговия перформанс в приложенията. За още по-висока преобразувателна ефективност за целите на слабополевата магнитометрия, контратероризма и навигацията, чипът с подложките (например n-тип силициевите джобове) 1 и 2 може да се разположи между два еднакви концентратори на полето В 14 от ферит или μметал. Новото сензорно решение е базово за изграждане на високочувствителни 2D и 3D магнитометри.The integrated Hall sensor is implemented with CMOS, BiCMOS or micromachining microelectronic technologies, with the two conversion areas of the five-pin and three-pin elements 1 and 2 being deep n-type silicon pockets in p-type pads. Ohmic contacts 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11 represent heavily doped n + regions, formed most often by epitaxy. The Hall microsensor can operate over a wide temperature range, including cryogenic environments, which dramatically increases sensitivity and reduces noise, improving overall performance in applications. For even higher conversion efficiency for weak-field magnetometry, counter-terrorism and navigation purposes, the chip with pads (eg n-type silicon pockets) 1 and 2 can be located between two identical field concentrators B 14 of ferrite or μmetal. The new sensor solution is the basis for building highly sensitive 2D and 3D magnetometers.

Claims (1)

Интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ две полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост, разположени успоредно - първа и втора, и токоизточник, върху едната страна на първата подложка са формирани последователно от ляво надясно пет омични правоъгълни контакти, успоредни на дългите си страни - първи, втори, трети, четвърти и пети, третият контакт на първата подложка е централен, като спрямо него първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт са разположени симетрично, измерваното магнитно поле е успоредно, както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите, характеризиращ се с това, че върху едната страна на втората подложка (2) има последователно от ляво надясно три омични правоъгълни контакти, успоредни на дългите си страни - първи (9), втори (10) и трети (11) като вторият (10) е ценрален, а първият (9) и третият (11) контакт са разположени симетрично спрямо него, в близост до двете дълги страни на контакти (6) и (10), успоредно и на равни разстояния от тях има по една дълбока зона (12) с р-тип примесна проводимост, чиято дължина е равна на тази на контакти (6) и (10), двата извода на токоизточника (3) са свързани с централните контакти (6) и (10), първият контакт (4) на първата подложка (1) е съединен с първия контакт (9) на втората (2), а петият контакт (8) на първата (1) е свързан с третия контакт (11) на втората подложка (2), първият (4) и четвъртият (7) контакт, и съответно вторият (5) и петият (8) контакт на първата подложка (1) са съединени, като диференциалният изход (13) на сензора на Хол са първият (9) и третият (11) контакт на подложка (2)Integral Hall sensor with plane sensitivity, containing two semiconductor pads with n-type impurity conductivity, located in parallel - first and second, and a current source, on one side of the first pad are formed in series from left to right five ohmic rectangular contacts parallel to their long sides - first, second, third, fourth and fifth, the third contact of the first pad is central, with respect to it the first and fifth, and respectively the second and fourth contacts are located symmetrically, the measured magnetic field is parallel to both the planes of the pads and and on the long sides of the contacts, characterized in that on one side of the second pad (2) there are three ohmic rectangular contacts in series from left to right, parallel to their long sides - first (9), second (10) and third 11) the second (10) being central and the first (9) and third (11) contacts being located symmetrically with respect to it, close to the two long sides of contacts (6) and (10), parallel and at equal distances from them there is a deep zone (12) with p-type impurity conductivity, the length of which is equal to that of contacts (6) and (10), the two terminals of the current source (3) are connected to the central contacts (6) and (10), the first contact (4) of the first pad (1) is connected to the first contact (9) of the second (2), and the fifth contact (8) of the first (1) is connected to the third contact ( 11) on the second pad (2), the first (4) and the fourth (7) contact, and respectively the second (5) and the fifth (8) contact of the first pad (1) are connected, as the differential output (13) of the sensor of Living room are the first (9) and third (11) contact of the pad (2)
BG113014A 2019-10-16 2019-10-16 Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity BG67386B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BG113014A BG67386B1 (en) 2019-10-16 2019-10-16 Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BG113014A BG67386B1 (en) 2019-10-16 2019-10-16 Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity

Publications (2)

Publication Number Publication Date
BG113014A BG113014A (en) 2021-04-29
BG67386B1 true BG67386B1 (en) 2021-11-15

Family

ID=77179782

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BG113014A BG67386B1 (en) 2019-10-16 2019-10-16 Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity

Country Status (1)

Country Link
BG (1) BG67386B1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
BG113014A (en) 2021-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105810815A (en) Hall element
BG67386B1 (en) Integrated hall effect sensor with an in-plane sensitivity
BG67250B1 (en) Hall effect semiconductor device
BG113356A (en) Hall effect microsensor with more than one output
BG67249B1 (en) Integrated hall effect microsensor with an in-plane sensitivity
BG112808A (en) Hall effect microsensor with an in-plane sensitivity
BG113056A (en) Integrated hall effect sensor
BG67509B1 (en) Magnetic field sensing device
BG112991A (en) Electronic device with planar magnetic sensitivity
BG67550B1 (en) Planar magnetosensitive sensor
BG66985B1 (en) A surface-magnetically sensitive hall transformer
BG67380B1 (en) Two-dimensional magnetic field microsensor
BG67508B1 (en) Planar magnetic field sensing element
BG67298B1 (en) Hall effect sensor with an in-plane sensitivity
BG112935A (en) Hall effect microsensor with an in-plane sensitivity
BG67414B1 (en) Hall effect element
BG113488A (en) Planar magnetic-sensitive hall sensor
BG67551B1 (en) Biaxial magnetosensitive sensor containing hall elements
BG67038B1 (en) A plane magneto-sensitive microsystem of hall effect sensor
BG67076B1 (en) Magnetoresistive sensor
BG67039B1 (en) Two-axis magnetic field microsensor
BG113589A (en) PLANE-SENSITIVE HALL SENSOR
BG67383B1 (en) In-plane magnetosensitive hall effect device
BG67450B1 (en) Hall effect element with an in-plane sensitivity
BG66711B1 (en) Hall effect sensor with a tangential axis of magnetosensitivity