BG113056A - Integrated hall effect sensor - Google Patents

Abstract

The integrated Hall effect sensor contains four identical semiconductor wafers with n-type hopping conduction and a rectangular shape - first (1), second (2), third (3) and fourth (4). On one of the sides of each wafer (1, 2, 3 and 4) are formed successively at equal distances from left to right three rectangular ohmic contacts - first (5, 6, 7 and 8), second (9, 10, 11 and 12) and third (13, 14, 15 and 16), as the first (5, 6, 7 and 8) and the third contacts (13, 14, 15 and 16) are terminal and the second contacts (9, 10, 11 and 12) are central. The wafers (1, 2, 3 and 4) lie in one plane, as the contacts (6, 7, 8, 10, 11, 12, 14, 15 and 16) are parallel to both their long sides and the long sides of the the contacts (5, 9 and 13) of the first wafer (1). All contacts (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 and 16) are located either only on the upper or only on the lower surface of the wafers (1, 2, 3 and 4). The contacts (9 and 11) of the first (1) and third (3) wafer are connected to a current source (17). The contact (5) of the wafer(1) is connected to the contact (14) of the second wafer (2), the contact (13) of the wafer (1) is connected to the contact (8) of the fourth wafer (4), the contact (6) of the wafer (2) is connected to the contact (15) of the third wafer (3), and the contact (7) of the wafer (3) is connected to the contact (16) of the fourth wafer (4). The differential output (18) of the sensor are the contacts (10 and 12), as the measured magnetic field is parallel to the plane of the wafers (1, 2, 3 and 4) and to the long sides of the contacts (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 and 16).

Description

ИНТЕГРАЛЕН СЕНЗОР НА ХОЛINTEGRATED LIVING ROOM SENSOR

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАFIELD OF THE INVENTION

Изобретението се отнася до интегрален сензор на Хол, приложимо в областта на роботиката, включително роботизираната, минимално инвазивната хирургия и телемедицината; квантовата комуникация; сензориката; системите за сигурност е изкуствен интелект; безконтактното измерване на линейни и ъглови премествания; слабополевата магнитометрия; електромобилите и хибридните превозни средства; безконтактната автоматика; навигацията; мултироторните безпилотни системи, космическите изследвания и военното дело; контратероризма в това число подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция, и др.The invention relates to an integrated Hall sensor applicable in the field of robotics, including robotic, minimally invasive surgery and telemedicine; quantum communication; sensors; security systems is artificial intelligence; non-contact measurement of linear and angular displacements; low-field magnetometry; electric cars and hybrid vehicles; contactless automation; navigation; multi-rotor unmanned systems, space research and military affairs; counter-terrorism, including underwater, ground and air surveillance and prevention, etc.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е интегрален сензор на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с правоъгълна форма и п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния три правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - един централен и два крайни. Крайните контакти са симетрични спрямо централния. С по един товарен резистор крайните контакти са свързани с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с централния контакт. Диференциалният изход на сензора на Хол са крайните контакти като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, [1 - 12].An integrated Hall sensor is known, containing a rectangular-shaped semiconductor substrate and p-type impurity conductivity, on one side of which three rectangular ohmic contacts are formed at equal distances, parallel to their long sides - one central and two end. The end contacts are symmetrical to the central one. With one load resistor, the end contacts are connected to one terminal of a current source, the other terminal of which is connected to the central contact. The differential output of the Hall sensor are the end contacts as the measured magnetic field is parallel to the plane of the substrate and to the long sides of the contacts, [1 - 12].

Недостатък на този интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност е наличието на паразитно напрежение на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет) поради геометрична и електрична асиметрия, възникваща от несъосност в разположението на крайните контакти спрямо централния, неизбежни технологични несъвършенства, механични напрежения при корпусирането на чипа, температурни изменения и др.The disadvantage of this integrated Hall sensor with plane sensitivity is the presence of parasitic output voltage in the absence of magnetic field (offset) due to geometric and electrical asymmetry arising from misalignment in the location of the end contacts relative to the central, unavoidable technological imperfections, mechanical stress. of the chip, temperature changes, etc.

Недостатък е също усложнената реализация чрез интегралните силициеви технологии, използвани в микроелектрониката, изискваща различни по своята същност физикохимични процеси в изграждането на силициевата подложка с планарните контакти и при формирането на товарните резистори.Another disadvantage is the complicated realization through the integrated silicon technologies used in microelectronics, which requires different in nature physicochemical processes in the construction of the silicon substrate with planar contacts and in the formation of load resistors.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE

Задача на изобретението е да се създаде интегрален сензор на Хол, който да е с редуциран офсет и опростена технологична реализация.The objective of the invention is to create an integrated Hall sensor, which has a reduced offset and a simplified technological implementation.

Тази задача се решава с интегрален сензор на Хол, съдържащ четири еднакви полупроводникови подложки с л-тип примесна проводимост и правоъгълна форма - първа, втора, трета и четвърта. Върху една от страните на всяка подложка са формирани от ляво на дясно последователно и на равни разстояния по три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети като първите и третите са крайни, а вторите са централни. Подложките лежат в една равнина като контактите са успоредни на дългите си страни и са разположени или само на горната или само на долната повърхност на подложките. Централните контакти на първата и третата подложка са свързани с токоизточник. Първият контакт на първата подложка е свързан с третия контакт на втората, третият контакт на първата подложка е съединен с първия контакт на четвъртата, първият контакт на втората подложка е свързан с третия контакт на третата, а първият контакт на третата подложка е съединен с третия контакт на четвъртата. Диференциалният изход на сензора на Хол са централните контакти на втората и четвъртата подложка като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложките и на дългите страни на контактите.This problem is solved with an integrated Hall sensor, containing four identical semiconductor pads with l-type impurity conductivity and rectangular shape - first, second, third and fourth. On one of the sides of each pad are formed from left to right in series and at equal distances by three rectangular ohmic contacts - first, second and third as the first and third are terminal and the second are central. The pads lie in one plane as the contacts are parallel to their long sides and are located either only on the upper or only on the lower surface of the pads. The central contacts of the first and third pads are connected to a power source. The first contact of the first pad is connected to the third contact of the second, the third contact of the first pad is connected to the first contact of the fourth, the first contact of the second pad is connected to the third contact of the third, and the first contact of the third pad is connected to the third pin. on the fourth. The differential output of the Hall sensor is the central contacts of the second and fourth pads as the measured magnetic field is parallel to the plane of the pads and the long sides of the contacts.

Предимство на изобретението е силно редуцираното паразитно изходно напрежение (офсет) на сензора поради оригиналното свързване на крайните контакти на четирите идентични подложки, водещо до окъсяване на неминуемите паразитни потенциали в структурите чрез протичане на компенсиращи токове, изравняващи електрическите условия в подложките в отсъствие на магнитно поле, включително в зоните на двата изходни контакта.An advantage of the invention is the strongly reduced parasitic output voltage (offset) of the sensor due to the original connection of the end contacts of the four identical pads, leading to shortening of the inevitable parasitic potentials in the structures by compensating currents equalizing the electrical conditions in the pads. , including in the areas of the two output contacts.

Предимство е също пълната технологична съвместимост чрез еднотипните физикохимични процеси на силициевите интегрални технологии, използвани в микроелектрониката за реализация изцяло на четирите структурни компоненти на сензора на Хол.Another advantage is the full technological compatibility through the same type of physicochemical processes of silicon integrated technologies used in microelectronics for the realization of all four structural components of the Hall sensor.

Предимство е още високата преобразувателна ефективност (чувствителност) в резултат на генериране в магнитно поле на допълнителни е различна полярност (знак) потенциали на Хол съответно върху втората и четвъртата подложка чрез крайните им контакти, свързващи ги с първата и третата подложка, което води до усилване на изходното напрежение на Хол.Another advantage is the high conversion efficiency (sensitivity) as a result of generating in the magnetic field of additional polarity (sign) potentials of Hall, respectively, on the second and fourth substrate through their end contacts connecting them to the first and third substrate, which leads to amplification of the Hall output voltage.

Предимство е и повишената измервателна точност на интегралния сензор на Хол поради съществено минимизирания паразитен офсет и високата магниточувствителност.Another advantage is the increased measuring accuracy of the integrated Hall sensor due to the significantly minimized parasitic offset and the high magnetic sensitivity.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURES

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1.The invention is illustrated in more detail by an exemplary embodiment thereof, given in the attached Figure 1.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕEXAMPLES OF IMPLEMENTATION

Интегралният сензор на Хол съдържа четири еднакви полупроводникови подложки е п-тип примесна проводимост и правоъгълна форма - първа 1, втора 2, трета 3 и четвърта 4. Върху една от страните на всяка подложка 1, 2, 3 и 4 са формирани от ляво на дясно последователно и на равни разстояния по три правоъгълни омични контакти - първи 5, 6, 7 и 8, втори 9, 10, 11 и 12, и трети 13, 14, 15 и 16 като първите 5, 6, 7 и 8 и третите 13, 14, 15 е 16 са крайни, а вторите 9, 10, 11 и 12 са централни. Подложките 1, 2, 3 и 4 лежат в една равнина като контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16 са успоредни на дългите си страни и са разположени или само на горната или само на долната повърхност на подложки 1, 2, 3 и 4. Централните контакти 9 и 11 на първата 1 и третата 3 подложка са свързани с токоизточник 17. Първият контакт 5 на първата подложка 1 е свързан с третия контакт 14 на втората 2, третият контакт 13 на първата подложка 1 е съединен с първия контакт 8 на четвъртата 4, първият контакт 6 на втората подложка 2 е свързан с третия контакт 15 на третата 3, а първият контакт 7 на третата подложка 3 е съединен с третия контакт 16 на четвъртата 4. Диференциалният изход 18 на сензора на Хол са контакти 10 и 12 на втората 2 и четвъртата 4 подложка като измерваното магнитно поле 19 е успоредно на равнината на подложките 1, 2, 3 и 4 и на дългите страни на контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16.The integrated Hall sensor contains four identical semiconductor pads is a p-type impurity conductivity and a rectangular shape - first 1, second 2, third 3 and fourth 4. On one of the sides of each pad 1, 2, 3 and 4 are formed on the left of right consecutively and at equal distances on three rectangular ohmic contacts - first 5, 6, 7 and 8, second 9, 10, 11 and 12, and third 13, 14, 15 and 16 as the first 5, 6, 7 and 8 and the third 13, 14, 15 and 16 are finite and the second 9, 10, 11 and 12 are central. The pads 1, 2, 3 and 4 lie in one plane as contacts 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 and 16 are parallel to their long sides and are located or only on the upper or only on the lower surface of pads 1, 2, 3 and 4. The central contacts 9 and 11 of the first 1 and third 3 pads are connected to a current source 17. The first pin 5 of the first pad 1 is connected to the third pin 14 of the second 2, the third contact 13 of the first pad 1 is connected to the first pin 8 of the fourth 4, the first pin 6 of the second pad 2 is connected to the third pin 15 of the third 3, and the first pin 7 of the third pad 3 is connected to the third pin 16 of the fourth 4. The differential output 18 of the Hall sensor are contacts 10 and 12 of the second 2 and fourth 4 pads as the measured magnetic field 19 is parallel to the plane of the pads 1, 2, 3 and 4 and to the long sides of pins 5, 6, 7. , 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 and 16.

Действието на интегралния сензор на Хол, съгласно изобретението, се основава на генериране на напрежение на Хол с магнитно поле В 19, приложено успоредно на равнината на полупроводниковите структури 1, 2, 3 и 4 (противно на общоприетото активизиране на явлението на Хол с перпендикулярно на повърхността на полупроводниците поле В (19). Тази закономерност е открита и използвана за първи път от Ч. Руменин и П. Костов, [1-8] и е доразвита от С. Лозанова, [10-12]. Сензорната конфигурация функционира чрез равнинно-магниточувствителния ефект на Хол като с нея се надгражда разнообразието от елементи и конструкции в микроелектронната сензорика, Фигура 1. На тази фигура четирите подложки 1, 2, 3 и 4 схематично са разположени в четири успоредни равнини, но при микроелектронната реализация на сензора те се формират в една равнина, тази на силициевия чип. Действието на новото решение е следното. Предвид планарността на омичните контакти 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15 и 16, Фигура 1, при включване на източника E_s 17 и в отсъствие на магнитно поле 19, В = 0, те представляват еквипотенциални равнини за токовите линии. Токовите траектории през тези десет контактни повърхности 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15 и 16 първоначално са насочени вертикално надолу в обема на подложките 1, 2, 3 и 4, след това стават успоредни на горните им повърхности, и накрая отново са перпендикулярни към планарните омични контакти 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15 и 16. Следователно токовите линии в подложките 1, 2, 3 и 4 са криволинейни. Съгласно иновативното свързване на двойките контакти 5 14, 6 - 15, 7 - 16 и 8 - 13, през тях протичат токови компоненти ДД2 с една и съща стойност (в резултат на симетрията и еднаквите размери на еднотипните подложки 1, 2, 3 и 4), равни на половината от общия захранващ ток /₁₇ ξ /_{9 п} през централните контакти 9 и 11. Посоките на двата тока /₁₇/2 = /941/2 обаче са противоположни. В резултат на неминуема геометрична асиметрия - несъосност на маските в разположението на крайните контакти 5, 13, 6, 14, 7, 15, 8 и 16 спрямо централните 9, 10, 11 и 12, неизбежни технологични несъвършенства и структурни дефекти, механични напрежения при корпусирането на чипа и метализизацията на шините, температурни флуктуации и др., на изхода V₁₈ = Ею,12, 18, на конфигурацията от Фигура 1 в отсъствие на магнитно поле В 19, В = 0, възниква офсет Vi₈(B = 0) / 0. Фактически наличието на такова паразитно изходно напрежение У₁₈ означава, че в идентичните симетрични структури 1, 2, 3 и 4 съществува електрическа асиметрия. В новото решение преодоляването на този съществен сензорен недостатък (офсет) се постига с директното свързване на контакти 5 - 14, 6 - 15, 7 - 16 и 8 - 13 на подложки 1, 2, 3 и 4. При това нестандартно окъсяване протичат компенсиращи (изравняващи) токове между самите подложки 1, 2, 3 и 4, уеднаквяващи електрическите условия (потенциали) в тях. Ето защо в зоните на двата изходни контакта 10 и 12, в отсъствие на магнитно поле В 19, В = 0, офсетът е драстично редуциран или компенсиран (нулиран), Vi₈(5 = 0) = У₁₀,1₂(В = 0) ~ 0. Този подход в сравнение със сложната динамична компенсация на офсета чрез т.н. токов спининг е съществено опростен и е иманентен на самото техническо решение като крайните резултати и в двата случая са твърде близки.The operation of the integrated Hall sensor according to the invention is based on the generation of a Hall voltage with a magnetic field B 19 applied parallel to the plane of the semiconductor structures 1, 2, 3 and 4 (contrary to the conventional activation of the Hall phenomenon with perpendicular to The surface of semiconductors is field B. (19) This pattern was first discovered and used by Ch. Rumenin and P. Kostov, [1-8] and was further developed by S. Lozanova, [10-12]. the plane-magnetosensitive Hall effect by upgrading the variety of elements and constructions in the microelectronic sensor, Figure 1. In this figure the four pads 1, 2, 3 and 4 are schematically located in four parallel planes, but in the microelectronic realization of the sensor they are formed in one plane, that of the silicon chip.The action of the new solution is as follows: Given the planarity of the ohmic contacts 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15 and 16, Figure 1, when switching on source E _s 17 and in the absence of magnetic field 19, B = 0, they represent equipotential planes for the current lines. The current trajectories through these ten contact surfaces 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15 and 16 are initially directed vertically downwards in the volume of the pads 1, 2, 3 and 4, then become parallel to their upper ones. surfaces, and finally are again perpendicular to the planar ohmic contacts 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15 and 16. Therefore, the current lines in the pads 1, 2, 3 and 4 are curvilinear. According to the innovative connection of the pairs of contacts 5 14, 6 - 15, 7 - 16 and 8 - 13, current components DD2 with the same value flow through them (as a result of the symmetry and the same dimensions of the same type of pads 1, 2, 3 and 4 ), equal to half of the total supply current / ₁₇ ξ / _{9 n} through the central contacts 9 and 11. However, the directions of the two currents / _17/2 = / 941/2 are opposite. As a result of inevitable geometric asymmetry - misalignment of the masks in the location of the end contacts 5, 13, 6, 14, 7, 15, 8 and 16 to the central 9, 10, 11 and 12, inevitable technological imperfections and structural defects, mechanical stresses at the chip housing and the metallization of the busbars, temperature fluctuations, etc., at the output V ₁₈ = Eyu, 12, 18, the configuration of Figure 1 in the absence of a magnetic field B 19, B = 0, an offset Vi ₈ occurs (B = 0 ) / 0. In fact, the presence of such a parasitic output voltage Y ₁₈ means that in the identical symmetrical structures 1, 2, 3 and 4 there is an electrical asymmetry. In the new solution, the overcoming of this significant sensory defect (offset) is achieved by the direct connection of contacts 5 - 14, 6 - 15, 7 - 16 and 8 - 13 on pads 1, 2, 3 and 4. In this non-standard shortening compensating (equalizing) currents between the pads 1, 2, 3 and 4, equalizing the electrical conditions (potentials) in them. Therefore, in the areas of the two output contacts 10 and 12, in the absence of a magnetic field B 19, B = 0, the offset is drastically reduced or compensated (reset), Vi ₈ (5 = 0) = Y ₁₀ , 1 ₂ (B = 0) ~ 0. This approach compared to the complex dynamic offset compensation by so-called. current spinning is significantly simplified and is immanent to the technical solution itself as the final results in both cases are very close.

Прилагане на измерваното магнитно поле В 19 успоредно на равнината на подложките 1, 2, 3 и 4 и на дългите страни на контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16 води до странично (латерално) отклонение на нелинейните токови линии по цялата им дължина. Това въздействие е в резултат на силите на Лоренц F^ = gV_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се електрони в обемите на подложки 1, 2, 3 и 4, [6,8,10-12]. (На Фигура 1 магнитният вектор В 19 е перпендикулярен на напречните сечения на структури 1, 2, 3 и 4). В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F^, в зависимост от посоките на захранващите токове в подложки 1, 2, 3 и 4, и на магнитното поле В 19, нелинейните траектории се удължават и/или съответно скъсяват. По тази причина върху планарните контакти 5, 14, 6 и 15 както и върху изходния терминал 10 се генерират едновременно Холови потенциали с един и същ знак, например +Ец5(В), +Ун14(#)> +Унб(В), +Ен15(В) и +Уню(В). Върху контакти 7, 16, 13 и 8 както и върху другия изходен терминал 12 се генерират едновременно също Холови потенциали, но с противоположен знак -У_Н7(В), -УщбС·#), -Ун1з(#)> Vhs(^) и -Vhi2(^)· Следователно на диференциалния изход 18 на сензора възниква напрежение на Хол, Vi₈(B) = УюдгС®). То се генерира от противоположно протичащите захранващи токове Ι-^ и/_8;1₆ във втората 2 и четвъртата 4 подложка. Така изходното напрежение Уцщф) е резултат от Холови потенциали с противоположен знак върху контактите 10 и 12. Сигналът Vi₈(B) е линейна и нечетна функция от силата и посоката на общия захранващ ток/_9;ц и на магнитното поле В 19.Application of the measured magnetic field B 19 parallel to the plane of the pads 1, 2, 3 and 4 and to the long sides of contacts 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 and 16 leads to lateral (lateral) deviation of nonlinear current lines along their entire length. This effect is due to the Lorentz forces F ^ = gV _dr x B, where q is the elementary load of the electron, and V _dr is the vector of the average drift velocity of the moving electrons in the volumes of substrates 1, 2, 3 and 4, [6,8,10-12]. (In Figure 1, the magnetic vector B 19 is perpendicular to the cross sections of structures 1, 2, 3 and 4). As a result of the Lorentz deviation from the forces F ^, depending on the directions of the supply currents in pads 1, 2, 3 and 4, and the magnetic field B 19, the nonlinear trajectories lengthen and / or shorten accordingly. For this reason, Hall potentials with the same sign are generated simultaneously on the planar contacts 5, 14, 6 and 15 as well as on the output terminal 10, for example + Ец5 (В), + Ун14 (#)> + Унб (В), + En15 (B) and + Unyu (B). On contacts 7, 16, 13 and 8 as well as on the other output terminal 12 Hall potentials are also generated simultaneously, but with opposite sign -Y _H7 (B), -UshbS · #), -Un1z (#)> Vhs (^) and -Vhi2 (^) · Therefore, a Hall voltage, Vi ₈ (B) = UydrC®) occurs at the differential output 18 of the sensor. It is generated by the oppositely flowing supply currents Ι- ^ and / _8; 1 ₆ in the second 2 and the fourth 4 pad. Thus, the output voltage Ustshf) is the result of Hall potentials with opposite sign on contacts 10 and 12. The signal Vi ₈ (B) is a linear and odd function of the strength and direction of the total supply current / _9; and the magnetic field B 19.

В новото решение, обаче се използва иновативен способ за допълнително повишаване на магниточувствителността на изхода Vi₈(B) с помощта на еднакви по стойност, но с противоположен знак Холови потенциали, генерирани от протичащите токове в първата 1 и третата 3 подложка. По същество структури 1 и 3 заедно с контакти 5, 9 и 13, и съответно 7, 11 и 15 представляват триконтактни равнинно-чувствителни елементи на Хол, [1-3,5,6,8-12]. Генерираните от тези сензори в магнитно поле В 19 Холови потенциали чрез директното свързване на контакти 5 14 и 6 - 15 както 7 - 16 и 8 - 13 едновременно допълнително повдигат и/или съответно понижават общото потенциално състояние на втората 2 и четвъртата 4 подложка с терминалите 10 и 12, формиращи изхода 18 на сензора. Способът на свързване и разположението на подложките 1, 2, 3 и 4, приложени в конфигурацията на Фигура 1 осъществява сумиране на изхода 18 на всички генерирани в структурите напрежения на Хол. За да се гарантира този резултат на повишаване на Ходовия сигнал V₁₈(B) всички контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16 трябва да са разположени от една и съща страна на подложките 1, 2, 3 и 4, само на горната или само на долната повърхност. Така силите на Лоренц Fy, действащи върху движещите се токоносители (електроните) чрез свързването реализират върху повърхностите на подложки 2 и 4 с изходни контакти 10 и 12 допълнителни потенциали със същия знак, какъвто се формира върху тези терминали от протичането на токове /_14>6 и /₈д₆· В противен случай (при други конфигурации на свързване и разположение на подложките 1, 2, 3 и 4 с контактите) допълнителните потенциали ще редуцират изходния сигнал, а няма да го повишат. В резултат на предложения способ на свързване от Фигура 1, изходното напрежение Vi₈(B) значително се увеличава и магниточувствителността нараства. Същевременно омичните съпротивления на втората 2 и четвъртата 4 подложка изпълняват функциите на товарни резистори, включени към крайните контакти 5 и 13 на първата 1, и 7 и 15 на третата 3 подложка. По такъв начин отпада необходимостта да се използват усложняващи технологични операции и процеси за реализиране на двата товарни резистори от известното решение. Постига се пълна технологична съвместимост чрез еднотипни физикохимични процеси на силициевите технологии за реализация на новия сензор на Хол. Минимизираният паразитен офсет и нарастналата преобразувателна ефективност повишават значително измервателната точност на системата от Фигура 1.In the new solution, however, an innovative method is used to further increase the magnetosensitivity of the output Vi ₈ (B) by means of equal in value but opposite sign Hall potentials generated by the currents flowing in the first 1 and third 3 pads. In essence, structures 1 and 3 together with contacts 5, 9 and 13, and 7, 11 and 15, respectively, represent three-contact plane-sensitive Hall elements, [1-3,5,6,8-12]. Generated by these sensors in magnetic field B 19 Hall potentials by directly connecting contacts 5 14 and 6 - 15 as 7 - 16 and 8 - 13 simultaneously further raise and / or lower the overall potential state of the second 2 and fourth 4 substrate with the terminals 10 and 12 forming the output 18 of the sensor. The connection method and the arrangement of the pads 1, 2, 3 and 4 applied in the configuration of Figure 1 perform the summation of the output 18 of all the Hall voltages generated in the structures. To ensure this result of increasing the travel signal V ₁₈ (B) all contacts 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 and 16 must be located on the same side. on pads 1, 2, 3 and 4, only on the upper or only on the lower surface. Thus, the Lorentz forces Fy acting on the moving current carriers (electrons) through the connection realize on the surfaces of pads 2 and 4 with output contacts 10 and 12 additional potentials with the same sign as is formed on these terminals by the flow of currents / _{14> 6} i / ₈ e ₆ · Otherwise (in other connection configurations and arrangement of pads 1, 2, 3 and 4 with contacts) the additional potentials will reduce the output signal and will not increase it. As a result of the proposed connection method of Figure 1, the output voltage Vi ₈ (B) is significantly increased and the magnetic sensitivity increases. At the same time, the ohmic resistances of the second 2 and fourth 4 pads perform the functions of load resistors connected to the terminal contacts 5 and 13 of the first 1, and 7 and 15 of the third 3 pad. Thus, there is no need to use complex technological operations and processes to implement the two load resistors of the known solution. Full technological compatibility is achieved through the same type of physicochemical processes of silicon technologies for the implementation of the new Hall sensor. The minimized parasitic offset and the increased conversion efficiency significantly increase the measurement accuracy of the system of Figure 1.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством оригиналната конструкция и иновативното свързване на подложките 1, 2, 3 и 4 се постига допълнително напрежение на Хол, което синфазно се сумира с изходния сигнал, генерирайки повишена чувствителност. При това едновременно драстично се редуцира един от най-сериозните недостатъци - офсетът чрез изравняващи токове, включително и съществено се опростява технологичната реализация.The unexpected positive effect of the new technical solution is that by means of the original design and the innovative connection of the pads 1, 2, 3 and 4 an additional Hall voltage is achieved, which is in phase summed with the output signal, generating increased sensitivity. At the same time, one of the most serious shortcomings is drastically reduced - offset through equalizing currents, including the technological realization is significantly simplified.

Изпълнението на сензора на Хол се осъществява с CMOS или BiCMOS интегрални процеси в единен технологичен цикъл върху силициева пластина (силициев чип). Конфигурацията от четирите п-тип структури 1, 2, 3 и 4, Фигура 1, се формира в равнината на чипа като се спазва ориентацията и функционалностите на планарните омични контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16, съгласно новото решение. В този случай подложките 1, 2, 3 и 4 представляват п-тип „джобове” в д-Si пластини. Те се осъществяват с йонна имплантация и са силно легирани п⁺⁺- п зони в и-Si „джобове”. Интегралните технологии позволяват едновременно формиране на същия чип и на обработващата електронна схемотехника за изходното напрежение Vi₈(5), в зависимост от конкретното приложение, включително реализирането на цифрови сензорни платформи. Конфигурацията от Фигура 1 е работоспособна и в областта на ниските температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К, което разширява сферата на приложимост за целите на криотрониката, особено в слабополевата магнитометрия и контратероризма.The implementation of the Hall sensor is performed with CMOS or BiCMOS integrated processes in a single technological cycle on a silicon wafer (silicon chip). The configuration of the four n-type structures 1, 2, 3 and 4, Figure 1, is formed in the plane of the chip taking into account the orientation and functionalities of the planar ohmic contacts 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 and 16, according to the new solution. In this case, pads 1, 2, 3 and 4 represent n-type "pockets" in d-Si plates. They are performed with ion implantation and are strongly doped n ⁺⁺ - n zones in i-Si "pockets". Integrated technologies allow the simultaneous formation of the same chip and the processing electronic circuitry for the output voltage Vi ₈ (5), depending on the specific application, including the implementation of digital sensor platforms. The configuration of Figure 1 is also workable in the field of low temperatures, for example, the boiling point of liquid nitrogen T = 77 K, which expands the scope of application for the purposes of cryotronics, especially in low-field magnetometry and counterterrorism.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигураAPPENDIX: one figure

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Планарен датчик на Хол, Авт. свид. BG № 37208/26.12.1983.[1] Ch.S. Rumenin, P.T. Kostov, Planar Hall Sensor, Author. witness. BG № 37208 / 26.12.1983.

[2] С. Roumenin, Р. Kostov, Tripole Hall sensor, Compt. Rendus ABS, 38(9) (1985) 273-279.[2] S. Roumenin, R. Kostov, Tripole Hall sensor, Compt. Rendus ABS, 38 (9) (1985) 273-279.

[3] C.S. Roumenin, Parallel-field triple Hall device, Compt. rendus ABS, 39(11)(1986) 65-68.[3] C.S. Roumenin, Parallel-field triple Hall device, Compt. rendus ABS, 39 (11) (1986) 65-68.

[4] C. Roumenin, Bipolar magnetotransistor sensors - An invited review, Sensors and Actuators, A 24 (1990) 83-105.[4] C. Roumenin, Bipolar magnetotransistor sensors - An invited review, Sensors and Actuators, A 24 (1990) 83-105.

[5] C. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sensors and Actuators, A 30 (1992) 77-87.[5] C. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sensors and Actuators, A 30 (1992) 77-87.

[6] C. Roumenin, „Solid State Magnetic Sensors”, Elsevier, Amsterdam, 1994, p. 450; ISBN: 0 444 89401.[6] C. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, Elsevier, Amsterdam, 1994, p. 450; ISBN: 0 444 89401.

[7] C. Roumenin, Magnetic sensors continue to advance towards perfection, Sensors and Actuators, A 46-47 (1995) 273-279.[7] C. Roumenin, Magnetic sensors continue to advance towards perfection, Sensors and Actuators, A 46-47 (1995) 273-279.

[8] C. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Chapter 9, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.[8] C. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Chapter 9, in “MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.

[9] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, Numerical modeling of vertical Hall-effect devices, IEEE Electron Device Letters, 5(9) (1984) pp. 482-484.[9] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, Numerical modeling of vertical Hall-effect devices, IEEE Electron Device Letters, 5 (9) (1984) pp. 482-484.

[10] C.B. Лозанова, „Триконтактни силициеви сензори на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, PhD Дисертация, София, 2006 г.; (S.V. Lozanova, „In-plane sensitive three contact silicon Hall sensors”, PhD Dissertation, Sofia, 2006).[10] C.B. Lozanova, “Three-contact silicon Hall sensors with a parallel axis of magnetic sensitivity, PhD Dissertation, Sofia, 2006; (SV Lozanova, “In-plane sensitive three contact silicon Hall sensors”, PhD Dissertation, Sofia, 2006).

[11] S.V. Lozanova, C.S. Roumenin, Paralell-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors Journal, 9(7) (2009) 761-766.[11] S.V. Лозанова, Ц.С. Roumenin, Parallel-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors Journal, 9 (7) (2009) 761-766.

[12] S.V. Lozanova, C.S. Roumenin, A three-point-probe method for measuring resistivity and the Hall coefficient using Hall devices with minimal design complexity, Measurement, 43 (2010) 385-391.[12] S.V. Лозанова, Ц.С. Roumenin, A three-point-probe method for measuring resistance and the Hall coefficient using Hall devices with minimal design complexity, Measurement, 43 (2010) 385-391.

Claims (1)

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИPATENT CLAIMS Интегрален сензор на Хол, съдържащ правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която от ляво на дясно са формирани последователно на равни разстояния три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети като първият и третият са крайни, а вторият - централен, всичките успоредни на дългите си страни, измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, има още токоизточник, единият извод на който е свързан с централния контакт на подложката, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има още други три полупроводникови подложки - втора (2), трета (3) и четвърта (4), идентични на първата (1), върху една от страните на които също от ляво на дясно са формирани последователно на равни разстояния по три правоъгълни омични контакти - първи (6), (7) и (8), втори (10), (11) и (12) и трети (14), (15) и (16) като първите (6), (7) и (8) и третите (14), (15) и (16) са крайни, а вторите (10), (11) и (12) - централни, подложките (1), (2), (3) и (4) лежат в една равнина, контакти (6), (7), (8), (10), (11), (12), (14), (15) и (16) са успоредни както на дългите си страни, така и на дългите страни на контакти (5), (9), и (13) на първата подложка (1) като всички контакти (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15) и (16) са разположени или само на горната или само на долната повърхност на подложки (1), (2), (3) и (4), централният контакт (11) на третата подложка (3) е свързан с другия извод на токоизточника (17), първият контакт (5) на първата подложка (1) е свързан с третия контакт (14) на втората (2), третият контакт (13) на първата подложка (1) е съединен с първия контакт (8) на четвъртата (4), първият контакт (6) на втората подложка (2) е свързан с третия контакт (15) на третата (3), а първият контакт (7) на третата подложка (3) е съединен с третия контакт (16) на четвъртата (4), диференциалният изход (18) на сензора на Хол са контакти (10) и (12) на втората (2) и четвъртата (4) подложка.Integrated Hall sensor, containing a rectangular semiconductor substrate with p-type impurity conductivity, on one side of which from left to right are formed successively at equal distances three rectangular ohmic contacts - first, second and third as the first and third are terminal and the second - central, all parallel to its long sides, the measured magnetic field is parallel to the plane of the substrate and the long sides of the contacts, there is also a current source, one terminal of which is connected to the central contact of the substrate, CHARACTERIZED by the fact that there is more three other semiconductor pads - a second (2), a third (3) and a fourth (4), identical to the first (1), on one of the sides of which, from left to right, are formed successively at equal distances by three rectangular ohmic contacts, first (6), (7) and (8), second (10), (11) and (12) and third (14), (15) and (16) as the first (6), (7) and ) and the third (14), (15) and (16) are extreme, and the second (10), (11) and (12) are central, the pads (1), (2), (3) and (4) lie in one plane, contacts (6), (7), (8), (10), (11), (12), (14), (15) and (16) are parallel to both their long sides and the long sides of contacts (5), (9), and (13) on the first pad (1) as all contacts (5), (6) , (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15) and (16) are located either only on the upper or only on the lower surface of pads (1), (2), (3) and (4), the central contact (11) of the third pad (3) is connected to the other terminal of the current source (17), the first contact (5) of the first pad 1) is connected to the third contact (14) of the second (2), the third contact (13) of the first pad (1) is connected to the first contact (8) of the fourth (4), the first contact (6) of the second pad 2) is connected to the third contact (15) of the third (3), and the first contact (7) of the third pad (3) is connected to the third contact (16) of the fourth (4), the differential output (18) of the sensor of Hall are contacts (10) and (12) of the second (2) and fourth (4) pads a.