UA73816C2

UA73816C2 - Magnetic field strength transducer

Info

Publication number: UA73816C2
Application number: UA2003065532A
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: 2005-09-15

Abstract

The present invention relates to semiconductor magnetic field strength transducers using the Hall effect. The proposed transducer contains a semiconductor layer and a number of contacts, which are arranged along the perimeter of the said layer. The semiconductor layer is applied to the surfaces of athree-dimensional element that are arranged at an angle to each other and symmetrically relative to the longitudinal axis of the element.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід стосується напівпровідникових сенсорів магнітного поля, що використовують ефект Холла. 2 Відомий вимірювальний перетворювач магнітного поля, який містить 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. Ророміс, Наїї Еб/есі ЮОемісез, Адат Ніїдег,The invention relates to semiconductor magnetic field sensors using the Hall effect. 2 A known measuring transducer of the magnetic field, which contains a semiconductor region, typically rectangular in shape, and four terminals - one on each side of the semiconductor region. The two terminals located opposite are current, and the other two are potential (K.5. Roromis, Nayi Eb/esi YuOemisez, Adat Niyideg,

Вгізіо!ї, Рпїадеї!рніа апа Мем/ Могк, 1991. Р.61). Такий перетворювач дозволяє вимірювати індукцію магнітного поля. В першому наближенні холлівська напруга перетворювача М, (вихідний сигнал) визначається якVgizio!i, Rpiadei!rnia apa Mem/ Mogk, 1991. P.61). Such a converter allows you to measure the magnetic field induction. In the first approximation, the Hall voltage of the converter M, (output signal) is defined as

МНЕК.І.В.віпо, де К - коефіцієнт пропорційності; І - робочий струм перетворювача; В - індукція магнітного поля; віпо, - синус кута між вектором індукції та площиною напівпровідникового шару.MNEK.I.V.vipo, where K is the proportionality coefficient; I - the operating current of the converter; B - magnetic field induction; vipo is the sine of the angle between the induction vector and the plane of the semiconductor layer.

Однак, недоліком такого перетворювача є, по-перше, неможливість вимірювати просторовий розподіл магнітного поля без відповідного просторового переміщення перетворювача, і по-друге, неможливість т вимірювати магнітне поле, вектор індукції якого лежить в паралельній до напівпровідникової області площині.However, the disadvantage of such a transducer is, firstly, the impossibility of measuring the spatial distribution of the magnetic field without corresponding spatial displacement of the transducer, and secondly, the impossibility of measuring the magnetic field whose induction vector lies in a plane parallel to the semiconductor region.

Найближчим аналогом є відомий вимірювальний перетворювач магнітного поля, що містить напівпровідниковий шар прямокутної форми, два струмові контакти та декілька пар потенційних контактів, сформованих по периметру напівпровідникового шару, причому потенційні контакти знаходяться між струмовими контактами та є попарно симетричними відносно осі напівпроводникового шару, тобто лінії, що проходить через його центр і є паралельною його довшій стороні |Большакова І.А., Гумен І.С., Мороз А.П., Московець Т.А.The closest analogue is the known magnetic field measuring transducer, which contains a semiconductor layer of rectangular shape, two current contacts and several pairs of potential contacts formed along the perimeter of the semiconductor layer, and the potential contacts are located between the current contacts and are pairwise symmetric with respect to the axis of the semiconductor layer, i.e. the line, which passes through its center and is parallel to its longer side |Bolshakova I.A., Humen I.S., Moroz A.P., Moskovets T.A.

Магнітний мультисенсор. Патент на винахід Мо52637. Україна. Бюл. Мо1, 2003р.). Різниця напруг на кожній парі потенційних виводів такого перетворювача є пропорційною значенню струму через струмові виводи та індукції магнітного поля в області напівпровідникового шару, яка знаходиться між потенційними виводами.Magnetic multisensor. Patent for the invention Mo52637. Ukraine. Bul. Mo1, 2003). The voltage difference on each pair of potential terminals of such a converter is proportional to the value of the current through the current terminals and the induction of the magnetic field in the region of the semiconductor layer, which is located between the potential terminals.

Маючи декілька пар потенційних виводів, такий перетворювач дозволяє проводити вимірювання магнітного сч поля одночасно в декількох точках простору, тобто, вимірювати просторовий розподіл магнітного поля без Го) переміщення перетворювача відносно магнітного поля.Having several pairs of potential outputs, such a converter allows you to measure the magnetic field simultaneously at several points in space, that is, to measure the spatial distribution of the magnetic field without moving the converter relative to the magnetic field.

Однак, цей перетворювач дозволяє вимірювати лише компоненту магнітного поля, направлену перпендикулярно до напівпровідникового шару, що обмежує його функціональні можливості. Частковим вирішенням проблеми вимірювання магнітних полів з вектором індукції, який знаходиться в паралельній площині ї-о до напівпровідникового шару перетворювача є використання принаймні двох перетворювачів, напівпровідникові че шари яких є взаємно повернуті в просторі (переважно під прямим кутом). Принциповим недоліком такого рішення є те, що внаслідок наявності виводів, які розміщені по периметру перетворювачів - наведених вище аналогів, їх со напівпровідникові шари не можуть бути просторово суміщеними. Це істотно погіршує просторову роздільну «9 здатність та точність вимірювання магнітних полів. Тому можна вважати, що використання декількох повернутих в просторі вище розглянутих перетворювачів, і, зокрема, перетворювача - найближчого аналога, не має ге практичного сенсу.However, this converter allows measuring only the component of the magnetic field directed perpendicular to the semiconductor layer, which limits its functionality. A partial solution to the problem of measuring magnetic fields with an induction vector that is in the plane parallel to the semiconductor layer of the converter is the use of at least two converters, the semiconductor layers of which are mutually rotated in space (mostly at a right angle). The fundamental disadvantage of such a solution is that due to the presence of terminals located around the perimeter of the converters - analogues given above, their semiconductor layers cannot be spatially combined. This significantly worsens the spatial resolution and accuracy of measuring magnetic fields. Therefore, it can be assumed that the use of several transducers rotated in space, and, in particular, the transducer - the closest analogue, does not make much practical sense.

В основу винаходу поставлено задачу створити вимірювальний перетворювач магнітного поля, в якому введення нових елементів та зв'язків дозволяє розширити його функціональні можливості, а саме - забезпечити « дю вимірювання двох ортогональних проекцій вектора індукції магнітного поля, що, в свою чергу, підвищує з просторову роздільну здатність та точність вимірювання високоградієнтних магнітних полів. с Поставлене завдання досягається тим, що вимірювальний перетворювач магнітного поля, який містить :з» напівпровідниковий шар та декілька виводів, сформованих по периметру напівпровідникового шару, і в якому, згідно винаходу, напівпровідниковий шар виконано у вигляді просторового елемента, що складається з двох дзеркально симетричних плоских ділянок, причому площини цих ділянок та всіх виводів, приєднаних до них, -1 15 утворюють двогранний кут.The invention is based on the task of creating a measuring transducer of the magnetic field, in which the introduction of new elements and connections allows to expand its functionality, namely - to ensure the measurement of two orthogonal projections of the induction vector of the magnetic field, which, in turn, increases the spatial resolution and accuracy of measurement of high-gradient magnetic fields. c The task is achieved by the fact that the measuring transducer of the magnetic field, which contains a semiconductor layer and several terminals formed along the perimeter of the semiconductor layer, and in which, according to the invention, the semiconductor layer is made in the form of a spatial element consisting of two mirror-symmetric of flat areas, and the planes of these areas and all terminals connected to them -1 15 form a dihedral angle.

Таке виконання напівпровідникового шару дозволяє створити вимірювальний перетворювач магнітного поля, (95) який здатний вимірювати дві складові вектора індукції поля. Це розширює функціональні можливості со вимірювального перетворювача, зокрема, дає можливість вимірювання двох ортогональних проекцій вектора індукції магнітного поля. На відміну від найближчого аналога, завдяки тому, що дві по різному орієнтовані -о 70 чутливі до магнітного поля ділянки напівпровідникового шару перетворювача безпосередньо межують одна зThis implementation of the semiconductor layer makes it possible to create a measuring transducer of the magnetic field, (95) which is capable of measuring two components of the field induction vector. This expands the functionality of the measuring transducer, in particular, it makes it possible to measure two orthogonal projections of the magnetic field induction vector. Unlike the closest analogue, due to the fact that two differently oriented -about 70 magnetic field-sensitive sections of the semiconductor layer of the converter directly border each other

Ф одною по ребру утвореного ними двогранного кута, забезпечується висока просторова роздільна здатність та точність вимірювання високоградієнтних магнітних полів.F one along the edge of the dihedral angle formed by them provides high spatial resolution and measurement accuracy of high-gradient magnetic fields.

На Фіг. зображена схема вимірювального перетворювача магнітного поля, на якій показано напівпровідниковий шар 1. Напівпровідниковий шар має дві плоскі ділянки, які межують по ребру двогранного кута (вісь 7), утвореного ними, і до яких по їх периметру сформовано виводи 1х-5х та Ту-5у, причому ці двіIn Fig. the scheme of the measuring transducer of the magnetic field is shown, which shows the semiconductor layer 1. The semiconductor layer has two flat areas that border along the edge of the dihedral angle (axis 7) formed by them, and to which terminals 1x-5x and Tu-5u are formed along their perimeter , and these two

ГФ) ділянки симетричні відносно площини, що проходить по бісектрисі двогранного кута. Величина цього кута. рHF) sections are symmetrical relative to the plane passing through the bisector of the dihedral angle. The magnitude of this angle. p

Ге переважно становить 902. Ділянка напівпровідникового шару з виводами 1х, 2х, Зх, 4х та 5х лежить в площиніGe is mostly 902. The section of the semiconductor layer with terminals 1x, 2x, 3x, 4x and 5x lies in the plane

ХІ, а друга ділянка з виводами Ту, 2у, Зу, 4у та бу - в площині ХУ7. На Фіг. також зображено також вектор во індукції вимірюваного магнітного поля В та його проекції на осі Х та У.ХИ, and the second section with outputs Ту, 2у, Зу, 4у and бу - in the ХУ7 plane. In Fig. the vector in the induction of the measured magnetic field B and its projection on the X and Y axes are also depicted.

В процесі вимірювання чутливу ділянку перетворювача, яка прилягає до ребра двогранного кута, розміщують в магнітному полі, просторовий розподіл якого вздовж осі 7 є предметом дослідження. По відношенню до відомих перетворювачів вищенаведених аналогів, процес вимірювання вихідних сигналів перетворювача згідно винаходу має принципову відмінність. 65 При проходженні через напівпровідниковий шар струму живлення вимірювального перетворювача на його вихідних (потенційних) виводах формуються напруги, які мають дві складові. Перша складова, яка зумовлена перерозподілом носіїв заряду, що дрейфують в електричному полі під дією сили Лоренца, є корисним сигналом.In the process of measurement, the sensitive area of the transducer, which is adjacent to the edge of the dihedral angle, is placed in a magnetic field, the spatial distribution of which along axis 7 is the subject of research. In relation to known converters of the above analogues, the process of measuring the output signals of the converter according to the invention has a fundamental difference. 65 When the power supply current of the measuring transducer passes through the semiconductor layer, voltages with two components are formed at its output (potential) terminals. The first component, which is caused by the redistribution of charge carriers drifting in the electric field under the action of the Lorentz force, is a useful signal.

Ця складова (холлівська напруга Мн) є функцією індукції магнітного поля в чутливій ділянці вимірювального перетворювача. Друга складова (синфазна складова Ме), яка дорівнює спаду напруги на напівпровідниковому шарі, є паразитною.This component (Hall voltage Mn) is a function of magnetic field induction in the sensitive area of the measuring transducer. The second component (in-phase component Me), which is equal to the voltage drop on the semiconductor layer, is parasitic.

В перетворювачах - аналогах вихідний сигнал формується на парі потенційних виводів в диференційній формі, що дозволяє вважати синфазну складову сигналу М 5 рівною нулю, а вихідний сигнал рівним холлівській напрузі Мн. На відміну від цього, вихідні сигнали перетворювача згідно винаходу формуються на потенційних виводах, які не мають своєї пари. Таким чином, ці вихідні сигнали мають обидві вищезгадані складові, 7/0. Мошт-Мв"Мн, а тому потребують компенсації синфазної складової сигналу Ма. Для компенсації формують ряд опорних напруг Мо. Враховуючи дрейф синфазної складової Ме, який обумовлений магніторезистивним та терморезистивним ефектами опорні напруги Мо також повинні відповідно змінюватися.In analog converters, the output signal is formed on a pair of potential outputs in a differential form, which allows us to consider the in-phase component of the signal M 5 equal to zero, and the output signal equal to the Hall voltage Mn. In contrast, the output signals of the converter according to the invention are formed on potential outputs that do not have their own pair. Thus, these output signals have both the aforementioned components, 7/0. Mosht-Mv"Mn, and therefore require compensation of the in-phase component of the Ma signal. For compensation, a series of reference voltages Mo are formed. Taking into account the drift of the in-phase component Me, which is caused by magnetoresistive and thermoresistive effects, the reference voltages Mo must also change accordingly.

Живлення вимірювального перетворювача, формування опорних напруг М о та вимірювання вихідних напруг здійснюється в такий спосіб. При кожному вимірюванні вибирають трійку суміжно розміщених виводів і струм /5 Живлення пропускають через крайні виводи трійки. На цих же виводах вимірюють напругу М, яка служить для формування опорної напруги М 0). Типово при однакових розмірах виводів та однаковій відстані між нимиPowering the measuring transducer, forming the reference voltages M o and measuring the output voltages is carried out in the following way. At each measurement, a trio of adjacently placed terminals is selected and the current /5 Power is passed through the extreme terminals of the trio. At these same terminals, the voltage M is measured, which serves to form the reference voltage M 0). Typically, with the same dimensions of the outputs and the same distance between them

Мо-М/у2. Вихідна напруга Моут, що є сумою холлівської та синфазної напруг, вимірюється як напруга між середнім виводом та одним з виводів трійки. Є очевидним, що синфазна складова Ме становить половину від напруги між крайніми виводами трійки Ме- Му2. Таким чином, результатом вимірювання буде 20. МоштМоМавяМн-Мо-мугМ н-Му2 М н, тобто холлівська напруга.Mo-M/u2. The output voltage of the Mout, which is the sum of the Hall and common-mode voltages, is measured as the voltage between the middle terminal and one of the three terminals. It is obvious that the common-phase component Me is half of the voltage between the extreme terminals of the trio Me-Mu2. Thus, the measurement result will be 20. MoshtMoMavyaMn-Mo-mugM n-Mu2 M n, i.e. Hall voltage.

В таблиці наведено комбінації виводів перетворювача (Фіг.), спосіб формування його корисних сигналів та інформативне магнітне поле, яке обумовлює корисний сигнал. Перетворювач дозволяє виміряти дві ортогональні складові магнітного поля В у, Ву в трьох ділянках простору, які відповідають ділянкам напівпровідникового шару між виводами 2х-2у, Зх-Зу та 4х-4у. сч щі о о » й со 111111 Музрмвдує) 00 Ва соThe table shows the combinations of the outputs of the converter (Fig.), the method of forming its useful signals and the informative magnetic field that determines the useful signal. The converter makes it possible to measure two orthogonal components of the magnetic field B y, Vu in three areas of space, which correspond to the areas of the semiconductor layer between terminals 2х-2у, Жх-Зу and 4х-4у. sch shchi o o » y so 111111 Muzrmvduye) 00 Va so

Зо Виготовляють вимірювальний перетворювач використовуючи технологію об'ємних або тонкоплівкових - структур. При виготовленні перетворювача на тонкоплівкових структурах його напівпровідниковий шар та виводи наносять на підкладку, після чого здійснюють розділення на дзеркально симетричні ділянки та їх поворот на потрібний кут разом з підкладкою. «Zo They make a measuring transducer using the technology of volumetric or thin-film structures. When manufacturing a converter on thin-film structures, its semiconductor layer and terminals are applied to the substrate, after which they are divided into mirror-symmetric sections and turned to the desired angle together with the substrate. "

На відміну від найближчого аналога, завдяки безпосередній просторовій близькості чутливих ділянок напівпровідникового шару перетворювача згідно винаходу забезпечується висока просторова роздільна в) с здатність, а отже точність вимірювання високоградієнтних магнітних полів. Просторова роздільна здатність "» такого перетворювача залежить від ширини ділянок напівпровідникового шару між виводами та ребром " двогранного кута ними утвореного. Ця ширина може бути зроблена малою (типово менше декількох десятків мікрометрів, що визначається параметрами фотолітографії та травлення плівки).Unlike the closest analogue, due to the close spatial proximity of the sensitive areas of the semiconductor layer of the converter according to the invention, a high spatial resolution is ensured, and therefore the accuracy of the measurement of high-gradient magnetic fields. The spatial resolution "" of such a converter depends on the width of the sections of the semiconductor layer between the terminals and the edge " of the dihedral angle formed by them. This width can be made small (typically less than a few tens of micrometers, which is determined by the parameters of photolithography and film etching).

Таким чином, просторова роздільна здатність вимірювального перетворювача згідно винаходу не перевищує - декілька десятків мікрометрів. Як вище відзначалось, наявність виводів, які розміщені по периметру відомого со перетворювача, не дозволяє просторово сумістити напівпровідникові шари до відстані менше декількох міліметрів. Таким чином, просторова роздільна здатність та і обумовлена нею точність вимірювального со перетворювача згідно винаходу покращені на два порядки. - 50Thus, the spatial resolution of the measuring transducer according to the invention does not exceed several tens of micrometers. As noted above, the presence of terminals located around the perimeter of the known co-converter does not allow the semiconductor layers to be spatially aligned to a distance of less than a few millimeters. Thus, the spatial resolution and the resulting accuracy of the measuring transducer according to the invention are improved by two orders of magnitude. - 50

ФF

Claims

The formula of the invention

A magnetic field measuring transducer containing a semiconductor layer and several terminals,

formed along the perimeter of the semiconductor layer, which is distinguished by the fact that the semiconductor layer o is made on a spatial element consisting of two mirror-symmetric flat areas, and the planes of these areas and all terminals attached to them form a dihedral angle. name) 60 b5