UA72832C2

UA72832C2 - Magnetic field strength transducer

Info

Publication number: UA72832C2
Application number: UA2003065533A
Authority: UA
Inventors: Inesa Antonivna Bolshakova; Roman Liubomyrovych Holiaka
Original assignee: Inesa Antonivna Bolshakova; Roman Liubomyrovych Holiaka
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-04-15

Abstract

The present invention relates to semiconductor magnetic field strength transducers using the Hall effect. The proposed transducer contains a substrate with a semiconductor plate, three current contacts, and two voltage contacts. Two current contacts are arranged symmetrically relative to the third, central contact. The first voltage contact is arranged between the second and the third current contacts. The semiconductor plate is designed as two strips, which are arranged at an angle to each other. The central current contact is arranged at the angle part of the plate. The voltage contacts are arranged at a minimal possible distance from the current contacts. According to the other variant of the proposed transducer, the strips of the semiconductor plate are arranged at right angle to each other. The present invention provides the possibility to increase the resolution and measurement accuracy of the transducer.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід стосується напівпровідникових сенсорів магнітного поля, які використовують ефект Холла. 2 Відомий вимірювальний перетворювач магнітного поля, який містить сформовані на підкладці напівпровідникову область, типово прямокутної форми, та чотири виводи - по одному на кожній стороні напівпровідникової області. Два навпроти розміщені виводи є струмовими, а два інші - потенційними |К.5.The invention relates to semiconductor magnetic field sensors that use the Hall effect. 2 A known measuring transducer of the magnetic field, which contains a semiconductor region formed on a substrate, typically rectangular in shape, and four terminals - one on each side of the semiconductor region. Two terminals located opposite are current, and the other two are potential |K.5.

Ророміс, Наї! ЕПесі ЮОемісез, Адат Ніїдег, Вгізіо!ї, Рпйадеї!рніа апа Мем/ МогК, 1991. Р.61.4 (перший аналог).Roromis, Nai! EPesi Yuemisez, Adat Niideg, Vgizio!i, Rpyadei!rnia apa Mem/MogK, 1991. P.61.4 (first analogue).

Такий перетворювач дозволяє вимірювати індукцію магнітного поля. Однак, його недоліком є низька просторова 710 роздільна здатність, що, зокрема, перешкоджає його використанню для вимірювання високоградієнтних полів.Such a converter allows you to measure the magnetic field induction. However, its disadvantage is low spatial 710 resolution, which, in particular, prevents its use for measuring high-gradient fields.

Цей недолік обумовлений тим, що по периметру напівпровідникової області перетворювача розміщені виводи, які не дозволяють достатньо наблизити напівпровідникову область (активну область перетворювача) до поверхні джерела досліджуваного магнітного поля. Це перешкоджає використанню таких перетворювачів у 3-0 сенсорах індукції магнітного поля, оскільки виводи, які оточують по периметру напівпровідникові області 12 перетворювачів 3-О сенсора для вимірювання трьох ортогональних проекцій вектора індукції магнітного поля, не дозволяють наблизити ці області одна до другої. В результаті цьоро активні області трьох перетворювачів 3-0 сенсора знаходяться в просторово суттєво різних ділянках вимірюваного поля. Це зменшує просторову роздільну здатність інтегрованого 3-0 сенсора, і як наслідок, погіршує точність вимірювання високо градієнтних магнітних полів.This shortcoming is due to the fact that along the perimeter of the semiconductor region of the converter there are leads that do not allow the semiconductor region (the active region of the converter) to be brought close enough to the surface of the source of the magnetic field under study. This prevents the use of such transducers in 3-0 magnetic field induction sensors, since the leads that surround the perimeter of the semiconductor regions 12 of the 3-O sensor transducers for measuring three orthogonal projections of the magnetic field induction vector do not allow these regions to approach each other. As a result, the active areas of the three transducers of the 3-0 sensor are located in spatially significantly different areas of the measured field. This reduces the spatial resolution of the integrated 3-0 sensor, and as a result, degrades the accuracy of the measurement of highly gradient magnetic fields.

Відомий також вимірювальний перетворювач магнітного поля, який містить сформовані на підкладці напівпровідниковий шар та п'ять виводів до нього, перший з яких є центральним струмовим виводом, другий та третій виводи розміщені симетрично відносно першого виводу і є боковими струмовими виводами, четвертий та п'ятий виводи також розміщені симетрично відносно першого виводу і є потенційними виводами, причому четвертий вивід розміщено між першим та другим виводами, а п'ятий вивід розміщено між першим та третім с 29 виводами (|К.5. Ророміс, Наїї ЕпПесі Оемісез5, Адат Ніїдег, Вгізіо!, РНпйадеїрніа апа Мем Могк, 1991. Р.61.1 Ге) (другий аналог). Перевагами такого рішення є те, що, поєднавши на єдиній підкладці два таких перетворювача, напівпровідникові шари яких перетинаються під прямим кутом, як це описано в |Г. Вигдег, Р.-А. Везве, К.5.A measuring transducer of the magnetic field is also known, which contains a semiconductor layer formed on the substrate and five terminals to it, the first of which is the central current terminal, the second and third terminals are placed symmetrically with respect to the first terminal and are side current terminals, the fourth and fifth the leads are also placed symmetrically with respect to the first lead and are potential leads, with the fourth lead placed between the first and second leads and the fifth lead placed between the first and third with 29 leads (|K.5. Roromis, Nayi Eppesi Oemisez5, Adat Niyideg, Vgizio!, RNpyadeirnia apa Mem Mogk, 1991. P.61.1 Ge) (second analogue). The advantages of this solution are that, by connecting two such converters on a single substrate, the semiconductor layers of which intersect at a right angle, as described in |G. Vygdeg, R.-A. Vezve, K.5.

Ророміс. Мем ТШПу іпіедгабе(й 3-0 віїсоп НаїЇ зепвог їог ргесізе апдшіаг-розйіоп теазигетепів. Зепзогве апаRoromis. Mem TSHPU ipiedgabe(y 3-0 viiisop NaiYi zepvog iog rgesize apdshiag-rozyiop teazigetepiv. Zepzogve apa

Асіцагв. А 67. 1998. РР. 72-7 64 можна вимірювати дві ортогональні проекції вектора індукції магнітного сч поля. Це рішення є найближчим аналогом винаходу. Однак, як і перший аналог, цей перетворювач є со непридатним для вимірювання магнітного поля в беспосередній близькості до поверхні джерела магнітного поля. Окрім того, вимірювання лише двох ортогональних проекцій вектора індукції магнітного поля в багатьох со випадках є недостатнім. ГаAsia A 67. 1998. RR. 72-7 64 it is possible to measure two orthogonal projections of the induction vector of the magnetic field. This solution is the closest analogue of the invention. However, like the first analogue, this converter is unsuitable for measuring the magnetic field in the immediate vicinity of the surface of the magnetic field source. In addition, the measurement of only two orthogonal projections of the magnetic field induction vector is insufficient in many cases. Ha

В основі винаходу поставлено задачу створити вимірювальний перетворювач магнітного поля, в якому 32 введення нових елементів та зв'язків дозволяє підвищити просторову роздільну здатність та точність в вимірювання.At the heart of the invention is the task of creating a measuring transducer of the magnetic field, in which the introduction of new elements and connections allows to increase the spatial resolution and accuracy of measurements.

Технічне рішення поставленої задачі досягається тим, що у. вимірювальному перетворювачі магнітного поля, що містить сформовані на підкладці напівпровідниковий шар та п'ять виводів до нього, перший з яких є « центральним струмовим виводом, другий та третій виводи розміщені симетрично відносно першого виводу і є З 70 боковими струмовими виводами, четвертий та п'ятий виводи також розміщені симетрично відносно першого с виводу і є потенційними виводами, причому четвертий вивід розміщено між першим та другим виводами, аThe technical solution to the given problem is achieved by the fact that measuring transducer of the magnetic field, containing a semiconductor layer formed on the substrate and five terminals to it, the first of which is the "central current terminal, the second and third terminals are placed symmetrically with respect to the first terminal and are With 70 side current terminals, the fourth and fifth" yth terminals are also placed symmetrically with respect to the first s terminal and are potential terminals, and the fourth terminal is placed between the first and second terminals, and

Із» п'ятий вивід розміщено між першим та третім виводами, згідно винаходу, напівпровідниковий шар сформовано у виді двох, з'єднаних під кутом стрічок, так що кутова ділянка, утворена цими стрічками, контактує з першим виводом та знаходиться в кутовій частині підкладки, а четвертий та п'ятий виводи знаходяться на мінімально можливій відстані від першого виводу. 7 Позитивний ефект досягається завдяки розміщенню активної частини вимірювального перетворювача ка магнітного поля, якою є напівпровідниковий шар в зоні контактування до нього четвертого та п'ятого потенційних виводів, в безпосередній близькості до кутової частини підкладки. В свою чергу кутова частина со підкладки може бути максимально наближеною до поверхні джерела досліджуваного магнітного поля. Це со 20 дозволяє підвищити просторову роздільну здатність та точність вимірювання магнітного поля.From" the fifth terminal is placed between the first and third terminals, according to the invention, the semiconductor layer is formed in the form of two tapes connected at an angle, so that the corner area formed by these tapes is in contact with the first terminal and is located in the corner part of the substrate. and the fourth and fifth terminals are at the minimum possible distance from the first terminal. 7 The positive effect is achieved by placing the active part of the magnetic field measuring transducer, which is the semiconductor layer in the contact zone of the fourth and fifth potential terminals, in close proximity to the corner part of the substrate. In turn, the corner part of the substrate can be as close as possible to the surface of the source of the magnetic field under study. This CO 20 allows to increase the spatial resolution and accuracy of the magnetic field measurement.

Переважно підкладка перетворювача має прямокутну форму, а стрічки напівпровідникового шару утворюють о прямий кут. Вказана ознака дозволяє поєднати три вимірювальні перетворювачі в єдину конструкцію інтегрованого 3-0 сенсора таким чином, що вони складають три взаємно перпендикулярні сторони куба з спільною вершиною, в якій знаходяться кутові ділянки цих вимірювальних перетворювачів. Така конструкція 29 забезпечує можливість вимірювання трьох ортогональних проекцій вектора індукції магнітного поля, причомуPreferably, the substrate of the converter has a rectangular shape, and the ribbons of the semiconductor layer form a right angle. This feature allows you to combine three measuring transducers into a single design of an integrated 3-0 sensor in such a way that they form three mutually perpendicular sides of a cube with a common vertex in which the corner sections of these measuring transducers are located. This design 29 provides the possibility of measuring three orthogonal projections of the induction vector of the magnetic field, and

ГФ) активні частини вимірювальних перетворювачів знаходяться у взаємній близькості одна до другої. Це дозволяє підвищити просторову роздільну здатність та точність вимірювання трьох ортогональних проекцій магнітного о поля.GF) active parts of measuring transducers are in close proximity to each other. This makes it possible to increase the spatial resolution and measurement accuracy of three orthogonal projections of the magnetic field.

На Фіг.1 зображена схема вимірювального перетворювача магнітного поля, де 71 - підкладка, 2, З - бо відповідно, перша та друга області напівпровідникового шару, 4 - кутова ділянка, 5, 6, 7 -струмові перший, другий, третій виводи, відповідно, 8, 9 - потенційні четвертий та п'ятий виводи, відповідно.Fig. 1 shows the scheme of the measuring transducer of the magnetic field, where 71 is the substrate, 2, Z - respectively, the first and second regions of the semiconductor layer, 4 - the corner section, 5, 6, 7 - the current first, second, third terminals, respectively , 8, 9 - potential fourth and fifth conclusions, respectively.

Вимірювальний перетворювач магнітного поля працює так. Струм живлення в перетворювачі протікає від першого струмового виводу 5 через першу область 2 напівпровідникового шару до другого струмового виводу 6 та через другу область З напівпровідникового шару до третього струмового виводу 7. В магнітному полі під дією бо сили Лоренца в напівпровідниковому шарі відбувається відхилення траєкторії рухомих носіїв заряду. Це обумовлює виникнення електрорушійної сили (Холлівської напруги) в напрямку перпендикулярному до напрямку протікання струму живлення. Значення електрорушійної сили є пропорційне значенню струму через напівпровідниковий шар та проекції вектора індукції магнітного поля на нормаль до площини перетворювача.The magnetic field measuring transducer works as follows. The supply current in the converter flows from the first current terminal 5 through the first region 2 of the semiconductor layer to the second current terminal 6 and through the second region C of the semiconductor layer to the third current terminal 7. In the magnetic field, under the action of the Lorentz force in the semiconductor layer, the trajectory of the moving carriers is deflected charge This causes the emergence of an electromotive force (Hall voltage) in the direction perpendicular to the direction of flow of the supply current. The value of the electromotive force is proportional to the value of the current through the semiconductor layer and the projection of the induction vector of the magnetic field on the normal to the plane of the converter.

Кожна з двох областей напівпровідникового шару та відповідні виводи до них являють собою напівелементиEach of the two regions of the semiconductor layer and the corresponding leads to them are semiconductors

Холла. Оскільки струми живлення І, І» та геометричні розміри областей напівпровідникових шарів обох напівелементів Холла є однаковими, то величини синфазних складових напруг на потенційних виводах також є однаковими. Проте, враховуючи напрями струму в цих напівелементах Холла, електрорушійні сили на їх потенційних виводах будуть мати взаємно протилежні знаки. Таким чином, в першому наближенні різниця напруг 7/0 Між потенційними виводами становить мне пнЕоа, де Кн - постійна Холла; І-І4-Іі» - струм через напівелементи Холла (половина струму живлення вимірювального перетворювача); В - індукція магнітного поля; со5 о - кут між вектором індукції магнітного 7/5 поля та нормаллю до площини перетворювача; 4 - товщина напівпровідникового шару.Hall. Since the supply currents I, I" and the geometric dimensions of the regions of the semiconductor layers of both Hall semi-elements are the same, the values of the in-phase component voltages at the potential terminals are also the same. However, given the current directions in these Hall half-cells, the electromotive forces at their potential terminals will have mutually opposite signs. Thus, in the first approximation, the voltage difference 7/0 Between the potential outputs is mne pnEoa, where Kn is Hall's constant; I-I4-Ii" - current through the Hall semi-elements (half of the power supply current of the measuring transducer); B - magnetic field induction; со5 о - the angle between the induction vector of the magnetic 7/5 field and the normal to the plane of the transducer; 4 - the thickness of the semiconductor layer.

Активна частина вимірювального перетворювача магнітного поля згідно винаходу може розміщатися на як завгодно малій відстані від до кутової частини підкладки. В залежності від технології виготовлення перетворювача (технологія твердотільних інтегральних схем, тонкоплівкова технологія, технологія об'ємних структур тощо), ця відстань може знаходитися в межах від декількох мікрометрів до декількох сотень Мікрометрів.The active part of the measuring transducer of the magnetic field according to the invention can be placed at any small distance from the corner part of the substrate. Depending on the transducer manufacturing technology (solid-state integrated circuit technology, thin-film technology, three-dimensional structure technology, etc.), this distance can range from a few micrometers to several hundreds of micrometers.

Зокрема, використовуючи традиційну технологію тонкоплівкових перетворювачів Холла на напівпровідникових матеріалах групи АуВу, можна виготовити вимірювальний перетворювач магнітного поля з відстанню між активною частиною перетворювача та об'єктом дослідження не більше 5О0мкм, що приблизно на порядок менше ніж в аналога. Таким чином, при дослідженні приповерхневих магнітних полів на мінімально с можливих відстанях, наприклад 5Омкм від мікрооб'єктів чи об'єктів з зернистою (доменною) структурою, запропонований вимірювальний перетворювач дозволяє підвищити в декілька разів точність вимірювання о магнітного поля.In particular, using the traditional technology of thin-film Hall transducers on semiconductor materials of the AuVu group, it is possible to manufacture a magnetic field measuring transducer with a distance between the active part of the transducer and the research object of no more than 500μm, which is about an order of magnitude less than the analogue. Thus, when studying near-surface magnetic fields at the minimum possible distances, for example, 5 Ωm from micro-objects or objects with a granular (domain) structure, the proposed measuring transducer allows to increase the accuracy of the magnetic field measurement several times.

Переваги вимірювального перетворювача згідно винаходу найкраще проявляються при створенні на його основі інтегрованих 3-0 сенсорів для вимірювання трьох ортогональних проекцій В ух, Вг, В; вектора індукції с магнітного поля В. Для цього три одинакові вимірювальні перетворювачі розміщують в рамках єдиної конструкції таким чином, що їх підкладки складають три взаємно перпендикулярні сторони куба із спільною вершиною, в якій і. знаходяться кутові ділянки цих вимірювальних перетворювачів (Фіг.2). Ге)The advantages of the measuring transducer according to the invention are best manifested when creating on its basis integrated 3-0 sensors for measuring three orthogonal projections В ух, Вг, В; induction vector c of the magnetic field B. For this, three identical measuring transducers are placed within the framework of a single structure in such a way that their substrates form three mutually perpendicular sides of a cube with a common vertex, in which and. corner sections of these measuring transducers are located (Fig. 2). Gee)

Вихідні напруги, які формуються на потенційних виводах вимірювальних перетворювачів такого інтегрованого 3-0 сенсора, в першому наближенні становлять: с 32 Ук пн. мне пн чна - пох. тThe output voltages, which are formed at the potential outputs of the measuring transducers of such an integrated 3-0 sensor, in the first approximation are: s 32 Uk pn. for me, Monday - Friday. t

Унікальною особливістю інтегрованого 3-0 сенсора на основі трьох вимірювальних перетворювачів згідно винаходу є можливість наблизити активні частини цих перетворювачів безпосередньо до поверхні досліджуваного магнітного об'єкту. Відстані між активними частинами вимірювальних перетворювачів за « винаходом, виготовлених за традиційною технологією тонкоплівкових перетворювачів Холла, можуть бути Пд с 100мкм і менше. Приблизно така ж відстань є між активними частинами перетворювачів та поверхнею об'єкту, й що, принаймні, на порядок менше ніж у найближчого аналога. Вказане підвищення просторової роздільної "» здатності, в свою чергу, забезпечує підвищення в декілька раз точність вимірювання приповерхневих магнітних полів. 2 4 20 шк и МИ то ' о. . . М . 5 9/7A unique feature of the integrated 3-0 sensor based on three measuring transducers according to the invention is the ability to approach the active parts of these transducers directly to the surface of the magnetic object under investigation. The distances between the active parts of the measuring transducers according to the invention, manufactured according to the traditional technology of thin-film Hall transducers, can be Pd s 100 μm or less. There is approximately the same distance between the active parts of the transducers and the surface of the object, and that, at least, is an order of magnitude less than that of the nearest analogue. The specified increase in spatial resolution, in turn, provides a several-fold increase in the accuracy of measuring near-surface magnetic fields.

Ф) ко Фіг. 1. 60 б5 пн я ННF) as Fig. 1. 60 b5 pn i NN

Ще ин ШЕ ск м Я як с. га ст Ех б, ю ПІСКИ ЯStill another SHE sk m I as p. ha st Eh b, yu PISKY Ya

Інн нн ї пиття І ! Е вва,Inn nn y drinking And ! Wow,

Claims

The formula of the invention with 25 o

1. The measuring transducer of the magnetic field, which contains a semiconductor layer formed on the substrate and five terminals to it, the first of which is the central current terminal, the second and third terminals are placed symmetrically with respect to the first terminal and are side current terminals, the fourth and fifth terminals sch zo are also placed symmetrically with respect to the first terminal and are potential terminals, and the fourth terminal is located between the first and second terminals, and the fifth terminal is located between the first and third terminals, which differs in that the semiconductor layer is formed in the form of two z' of strips connected at an angle, and the corner section formed by these strips is in contact with the first terminal and is located in the corner part of the substrate, and the fourth and fifth terminals are at the minimum possible distance from the first terminal. p 35 2. Magnetic field measuring transducer according to claim 1, which is characterized by the fact that the strips of the semiconductor layer form a right angle, the apex of which lies in one of the corners of the substrate of the rectangular measuring transducer. Official bulletin "Industrial Property". Book 1 "Inventions, useful models, topographies of integrated "microcircuits", 2005, M 4, 15.04.2005. State Department of Intellectual Property of the Ministry of Education and Science of Ukraine. . and? -i ime) (ee) (95) Ko) ime) 60 b5