BG66266B1 - Integral magnetogradiometer - Google Patents

Abstract

The integral magnetogradiometer is characterized by the fact that on one side of a semiconductor shim (1) there are formed four identical rectangular ohmic contacts û first (2), second (3), third (4)and fourth (5). The first contact (2) and the fourth contact (5) are connected both to the current source (6) and to two pairs of in-series connected resistors û first pair (7 and 8) and second pair (9 and 10). The second contact (3) and the common point of the first pair of resistors (7 and 8) are connected to the non-inverting input of a first operational amplifier (11), while the third contact(4) and the common point of the second pair of resistors (9 and 10) are connected to the non-inverting input of a second operational amplifier (12). The outputs of the first and the second operational amplifiers (11 and 12) are connected to the inverting input of a third operational amplifier (13), which extracts the signals from the outputs of the first (11) and the second (12) operational amplifiers. Output (15) of the integral magnetogradiometer is the output of the third operational amplifier (13).

Description

Област на техникатаTechnical field

Изобретението се отнася до интегрален магнитоградиометър, приложимо в областта на безконтактната автоматика, контролно-измервателната технология, микроелектрониката, слабополевата магнитометрия, сензориката, микросистемите, уредостроенето, военното дело и др.The invention relates to an integrated magnetometer, applicable in the field of contactless automation, control technology, microelectronics, low-field magnetometry, sensor, microsystems, instrumentation, military and others.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е интегрален магнитоградиометър, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани централен емитер, симетрично на него последователно по един колектор и по един базов контакт. Емитерът е включен в права посока през първи токоизточник и нискоомен тример, крайните изводи на който са свързани с двата базови контакти. Двата колектора са свързани непосредствено и са включени в обратна посока през втори токоизточник към средната точка на тримера, като изход на интегралния магнитоградиометър е измервател на ток, включен между общата точка на двата колектора и втория токоизточник. Градиентното (нееднородно) магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка [1, 2].Known is an integral magnetometer, containing a semiconductor substrate with impurity conductivity type, on one side of which a central emitter is formed, symmetrically on it in series with one collector and one base contact. The emitter is connected in a straight direction through a first current source and a low-ohm trimmer, the terminal terminals of which are connected to the two base contacts. The two manifolds are directly connected and connected in reverse direction through a second source to the midpoint of the trimmer, the output of the integral magnetometer being a current meter connected between the common point of the two collectors and the second source. The gradient (nonuniform) magnetic field is applied perpendicular to the cross section of the semiconductor substrate [1, 2].

Недостатъци на този интегрален магнитоградиометър са относително високото ниво на собствен шум в изхода поради биполярния транзисторен характер на протичащите в сензора процеси; наличие на начален паразитен ток (офсет) в колекторната верига в отсъствие на магнитно поле, нямащ отношение за определянето на градиента на магнитното поле и повишена нелинейност на изходния сигнал от силно изразената повърхностна рекомбинация вследствие биполярния принцип на функциониране. Всичко това влошава метрологичните качества на този сензорен елемент.The disadvantages of this integral magnetometer are the relatively high level of output noise due to the bipolar transistor nature of the processes occurring in the sensor; presence of an initial parasitic current (offset) in the collector circuit in the absence of a magnetic field, irrelevant to the determination of the magnetic field gradient and increased nonlinearity of the output signal from the pronounced surface recombination due to the bipolar principle of operation. All this impairs the metrological qualities of this sensory element.

Техническа същност на изобретениетоSUMMARY OF THE INVENTION

Задача на изобретението е да се създаде интегрален магнитоградиометър с ниско ниво на собствения шум, без начален паразитен ток (офсет) и подобрена линейност на изхода.It is an object of the invention to provide an integrated magnetogrammeter with low self-noise, no initial parasitic current (offset) and improved linearity of output.

Тази задача се решава с интегрален магнитоградиометър, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг четири еднакви и правоъгълни омични контакти първи, втори, трети и четвърти, последователно разположени успоредно на дългите си страни, от които двата крайни първия и четвъртия и двата вътрешни - втория и третия. Първият и четвъртият контакти са свързани както с генератор на постоянен ток, така и с две двойки последователно свързани помежду си резистори, съответно - първа и втора. Вторият контакт и общата точка на първата двойка резистори са свързани с неинвертиращия вход на първи операционен усилвател, а третият контакт и общата точка на втората двойка резистори са свързани с неинвертиращия вход на втори операционен усилвател. Изходите на първия и втория операционни усилватели са свързани с инвертиращия вход на трети операционен усилвател, изваждащ сигналите от изходите на първия и втория операционни усилватели. Измерваното градиентно магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка, а изход на интегралния магнитоградиометър е изходът на третия операционен усилвател.This problem is solved by an integral magnetogrammeter containing a semiconductor substrate with impurity conductivity type, on one side of which four equal and rectangular ohmic contacts of first, second, third and fourth, arranged parallel to their long sides, are formed at equal distances from one another. , of which the two ends first and fourth and the two internal - the second and third. The first and fourth contacts are connected to both a direct current generator and two pairs of resistors in series, respectively, first and second. The second contact and the common point of the first pair of resistors are connected to the non-inverting input of the first operational amplifier, and the third contact and the common point of the second pair of resistors are connected to the non-inverting input of the second operational amplifier. The outputs of the first and second operational amplifiers are connected to the inverting input of the third operational amplifier, which subtracts the signals from the outputs of the first and second operational amplifiers. The measured gradient magnetic field is applied perpendicular to the cross section of the semiconductor substrate, and the output of the integral magnetometer is the output of the third operational amplifier.

Предимства на изобретението са ниското ниво на собствен шум на изхода, типично за сензорите Хол, използващи основни токоносители; отсъствие на начален сигнал (офсет) без магнитно поле; подобрена линейност на изходния сигнал, произтичаща от високата линейност на Холовия сензорен механизъм и възможност за определяне на надлъжния градиент на концентрацията на токоносителите, който в хомогенно магнитно поле има същото действие в изхода.Advantages of the invention are the low level of own output noise typical of Hall sensors using main carriers; absence of starting signal (offset) without magnetic field; improved linearity of the output signal resulting from the high linearity of the Hall sensor mechanism and the ability to determine the longitudinal gradient of the concentration of current carriers, which in the homogeneous magnetic field has the same effect in the output.

Пояснение на приложената фигураExplanation of the attached figure

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура.The invention is explained in more detail by an exemplary embodiment given in the accompanying figure.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of carrying out the invention

Интегралният магнитоградиометър съдържа полупроводникова подложка 1 с примесенThe integral magnetometer contains a semiconductor substrate 1 with an impurity

66266 Bl тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг четири еднакви и правоъгълни омични контакти - първи 2, втори 3, трети 4 и четвърти 5, последователно разположени успоредно на дългите си страни, от които двата са крайни - първия 2 и четвъртия 5 и двата са вътрешни - втория 3 и третия 4. Първият 2 и четвъртият 5 контакти са свързани както с генератор на постоянен ток 6, така и с две двойки последователно свързани помежду си резистори съответно първа 7, 8 и втора 9,10. Вторият контакт 3 и общата точка на първата двойка резистори 7 и 8 са свързани с неинвертиращия вход на първи операционен усилвател 11, а третият контакт 4 и общата точка на втората двойка резистори 9 и 10 са свързани с неинвертиращия вход на втори операционен усилвател 12. Изходите на първия и втория операционни усилватели 11 и 12 са свързани с инвертиращия вход на трети операционен усилвател 13, изваждащ сигналите от изходите на първия и втория операционни усилватели 11 и 12.66266 Bl type conductivity on one side of which four equal and rectangular ohmic contacts are formed on one side of each other - first 2, second 3, third 4 and fourth 5, consecutively arranged parallel to their long sides, both ends of which - the first 2 and fourth 5 and both are internal - the second 3 and the third 4. The first 2 and fourth 5 contacts are connected to both a DC generator 6 and two pairs of resistors respectively respectively the first 7, 8 and second 9.10. The second contact 3 and the common point of the first pair of resistors 7 and 8 are connected to the non-inverting input of the first operational amplifier 11, and the third contact 4 and the common point of the second pair of resistors 9 and 10 are connected to the non-inverting input of the second operational amplifier 12. Outputs of the first and second operational amplifiers 11 and 12 are connected to the inverting input of the third operational amplifier 13, which subtracts the signals from the outputs of the first and second operational amplifiers 11 and 12.

Измерваното градиентно магнитно поле 14 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1, а изходът 15 на интегралния магнитоградиометър е изходът на третия операционен усилвател 13.The measured gradient magnetic field 14 is applied perpendicular to the cross-section of the semiconductor substrate 1, and the output 15 of the integral magnetometer is the output of the third operational amplifier 13.

Действието на интегралния магнитоградиометър, съгласно изобретението, е следното.The action of the integral magnetometer according to the invention is as follows.

При включване на генератора на постоянен ток 6, през крайните контакти 2 и 5 протича захранващият ток на сензора I_{2 5} ~ v_drn, където v_dr е средната дрейфова скорост на движещите се токоносители, формиращи тока 1_{2 5}, а η е тяхната концентрация. Тъй като омичните контакти 2 и 5 представляват еквипотенциални равнини, траекторията на тока 1_{2 5} в зоните под тях е перпендикулярна както на тези равнини, така и на повърхността на подложката 1, съдържаща контакти 2, 3, 4 и 5. В областта обаче между контактите 2 и 5 токовите линии I ₅ са успоредни на горната повърхност, включително и под двата вътрешни контакти 3 и 4. Протичането на тока 1_{2 5} в отсъствие на градиентното магнитно поле В 14 създава върху вътрешните контакти 3 и 4 паразитни напрежения или офсети V₃(B = 0) ψ 0 и V₄(B = 0) Ф 0. С помощта на включените между крайните контакти 2 и 5 последователно свързани помежду си две двойки резистори R_] 7 и R₂ 8, и съответно R₃ 9 и R₄ 10 офсетите върху контактите 3 и 4 се компенсират напълно, V₃(B = 0) = 0 и V₄(B = 0) = 0.When the DC generator 6 is switched on, the supply current of the sensor I _{2 5} ~ v _dr n flows through the terminal contacts 2 and 5, where v _dr is the average drift velocity of the moving current carriers forming the current 1 _{2 5} and η is their concentration. Since the ohmic contacts 2 and 5 represent equipotential planes, the trajectory of the current 1 _{2 5} in the zones below them is perpendicular to both these planes and the surface of the substrate 1 containing contacts 2, 3, 4 and 5. However, in the region between contacts 2 and 5 current lines I ₅ are parallel to the upper surface, including under both internal contacts 3 and 4. The flow of current 1 _{2 5} in the absence of a gradient magnetic field B 14 creates on the internal contacts 3 and 4 spurious voltages or offsets V ₃ (B = 0) ψ 0 and V ₄ (B = 0) F 0. With the help of the included ones I wait for the terminal contacts 2 and 5 to be connected in series by two pairs of resistors R ₁ 7 and R ₂ 8, and respectively R ₃ 9 and R ₄ 10, the offsets on the contacts 3 and 4 are fully compensated, V ₃ (B = 0) = 0 and V ₄ (B = 0) = 0.

Ако се приложи хомогенно (еднородно) външно магнитно поле В 14, успоредно на планарните контакти 2, 3,4 и 5, т.е. перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1, чрез силата на Лоренц F_L = qv_dr х В върху горната повърхност се генерира паралелно-магнитополевия ефект на Хол. При равномерно разпределение на концентрация η на основните токоносители в подложката 1, върху вътрешните контакти 3 и 4 едновременно възникват две еднакви по стойност и полярност напрежения на Хол, съответно V~ L <.В и V„„ ~ 1,..В, които се подават на неинвертиращите входове на първия и втория операционни усилватели 11 и 12. След операционните усилватели 11 и 12, тези две напрежения на Хол се изваждат чрез подаване на инвертиращия вход на третия операционен усилвател 13. В резултат на изхода V_out(B) 15 на интегралния магнитоградиометър отсъства сигнал, V (В) = 0. Функционирането на този сензор в хомогенното магнитно поле В 14 и при фиксиран захранващ ток I_{2 5} = const позволява чрез изходното напрежение V_outll(B) на първия или V (В)^на втория операционни усилватели 11 или да се определи експериментално абсолютната волтова магниточувствителност S_A = V /ДелтаВ = У_ои1|2/ДелтаВ на сензора.If a homogeneous (homogeneous) external magnetic field B 14 is applied in parallel to planar contacts 2, 3,4 and 5, i. perpendicular to the cross-section of the semiconductor substrate 1, a parallel-magnet Hall effect is generated on the upper surface by the Lorentz force F _L = qv _dr x B. With a uniform distribution of the concentration η of the main carriers in the substrate 1, on the internal contacts 3 and 4, two Hall Hall voltages and values equal simultaneously, respectively, V ~ L <.B and V „„ ~ 1, .. B, which are fed to the non-inverting inputs of the first and second operational amplifiers 11 and 12. Following the operational amplifiers 11 and 12, these two Hall voltages are subtracted by feeding the inverting input to the third operational amplifier 13. As a result of the output V _out (B) 15 there is no signal on the integral magnetometer, V (B) = 0. The operation of this sensor in the homogeneous magnetic field B 14 and at a fixed supply current I _{2 5} = const allows, through the output voltage V _outll (B) of the first or V (B) ^{of the} second operational amplifiers 11, or experimentally determined the absolute voltaic magnetic susceptibility S _A = V / DeltaB = Y or _{1 | 2} / DeltaB of the sensor.

Съвсем различен е случаят, когато перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1 се приложи градиентно магнитно поле VB 14 с градиент, насочен по оста, свързваща вътрешните контакти 3 и 4. Приемаме, че градиентът В 14 е линейна функция от разстоянието като стойностите на магнитната индукция VB 14 в зоната под втория контакт 3 е В_]5 а под третия контакт 4 е съответно В₂, т.е. градиентът на индукцията В 14 съставлява Делта(В, - В₂)/It is quite different when a gradient magnetic field VB 14 is applied perpendicular to the cross section of the semiconductor substrate 1 with a gradient directed along the axis connecting the internal contacts 3 and 4. We assume that the gradient B 14 is a linear function of the distance as the values of the magnetic the induction of VB 14 in the area under the second contact 3 is B _{] 5} and under the third contact 4 is respectively B ₂ , i.e. the induction gradient B 14 is the Delta (B, - B ₂ ) /

1_{3 4}, където 1_{3 4} е разстоянието между вътрешните контакти 3 и 4. Ключов факт е, че при същата фиксирана стойност на тока 1₂ , при която е определена абсолютната волтова магниточувствителност S_A в хомогенното магнитно поле В 14, върху втория 3 и третия 4 контакти ще се генерират различни по стойност Холови напрежения, ^νΗ3 ~ ^вг Ϊ2.5 ^и съответно ν_Η4 ~ в₂ . 1_{2 5}. Следователно, изходното напрежение V_outl3(B) на изхода на третия операционен усилвател 13, т.е. на изхода V (В) 15 на интегралния магнитогра1 _{3 4} , where 1 _{3 4} is the distance between the internal contacts 3 and 4. The key fact is that at the same fixed value of the current 1 ₂ , which determines the absolute voltage magnetosensitivity S _A in the homogeneous magnetic field B 14, on the second 3 and the third 4 contacts will generate different Hall voltages, ^ν Η3 ~ ⁱⁿ g Ϊ2.5 ^and respectively ν _Η4 ~ in ₂ . 1 _{2 5} . Therefore, the output voltage V _outl3 (B) at the output of the third operational amplifier 13, i. at output V (B) 15 of the integral magnetograph

66266 Bl диометър е мярката за градиента на магнитното поле:66266 Bl diameter is the measure of the magnetic field gradient:

УВ = У_оц1(ДелтаВ)/(8_А.1₃₄). _HC = B _oc1 (DeltaB) / (8 _A .1 ₃₄ ).

Проведените експерименти с п-тип силициеви образци на новия интегрален магнитоградиометър, реализирани на основата на стандартна силициева интегрална технология, съгласно изобретението, показват, че нивото на собствения шум е поне с два порядъка по-ниско от това на известното решение, тъй като принципът на действие е паралелно-магнитополевият ефект на Хол от основни токоносители; стартовите напрежения или офсетите върху входовете двата операционни усилватели 11 и 12 отсъстват, тъй като те лесно се компенсират чрез двете двойки резистори 7-8 и 9-10, каквато възможност отсъства в известния магнитоградиометър от транзисторен тип и линейността е подобрена около 4 пъти в сравнение с известното техническо решение. Този нов тип интегрален елемент на Хол позволява да се определи евентуален надлъжен градиент на концентрацията натоконосителите ако се приложи хомогенно магнитно поле 14. Такава ситуация може да възникне, например, при израстване на кристалите, когато се очаква разпределението на примесите да е нееднородно, при облъчване на полупроводниковата подложка 1 със светлина в спектралния диапазон на примесно поглъщане, инжекционни процеси на неосновни носители и др. В този случай изходът 15 на устройството ще регистрира напрежение V_out(B), въпреки хомогенността на полето В 14, тъй като Ходовите напрежения V_H3 ~ η, и V_H4 ~ п₂ върху вътрешните контакти 3 и 4 са различни в резултат на различната концентрация на носителите, п_: и п₂ са концентрациите на носителите в областта под контактите 3 и 4. Изходът 15 ще бъде мярка за надлъжния градиент на концентрацията на токоносителите в областта между вътрешните контакти 3 и 4. Практически това устройство може да се реализира като тестер в микроелектронната индустрия за експресно определяне качеството на силициевите пластини. За целта четирите контакта 2, 3,4 и 5 се изготвят във вид на немагнитни метални сонди (игли), които чрез натиск контактуват с изследваната пластина или полупроводников образец. По този начин се разширява обхвата от функционалните възможности на интегралния магнитоградиометър.Experiments with the n-type silicon samples of the new integral magnetogrammeter based on standard silicon integrated technology according to the invention show that the noise level is at least two orders of magnitude lower than the known solution, since the principle of action is the parallel-magnet effect of Hall on major carriers; the starting voltages or offsets on the inputs of the two operational amplifiers 11 and 12 are absent as they are easily compensated by the two pairs of resistors 7-8 and 9-10, which is not possible in the known transistor-type magnetometer and the linearity is improved about 4 times in comparison with the known technical solution. This new type of Hall integral allows us to determine a possible longitudinal gradient of the carrier concentration if a homogeneous magnetic field is applied 14. Such a situation may occur, for example, when crystals grow, when the distribution of impurities is expected to be irregular, when irradiated. on semiconductor substrate 1 with light in the spectral range of impurity absorption, injection processes on non-basic carriers, and the like. In this case, the output 15 of the device will register a voltage V _out (B), despite the homogeneity of the field B 14, since the running voltages V _H3 ~ η, and V _H4 ~ n ₂ on the internal contacts 3 and 4 are different due to the different carrier concentration, n _: and n ₂ are the carrier concentrations in the area under contacts 3 and 4. Output 15 will be a measure of the longitudinal gradient of the carrier concentration in the area between internal contacts 3 and 4. Practically, this device can be implemented as tester in the microelectronic industry for express but determining the quality of silicon wafers. For this purpose, the four contacts 2, 3,4 and 5 are made in the form of non-magnetic metal probes (needles) which, by pressure, contact the test plate or semiconductor sample. In this way, the functionality of the integral magnetometer is expanded.

Постигнатият неочакван положителен ефект на новото техническо решение произтича от оригиналната конструкция на елемента и използваната обработка на двете Ходови напрежения. По същество това е функционален мултисензор за магнитно поле. Той може изцяло да се реализира като интегрална схема с методите на планарната силициева технология CMOS, BiCMOS и др.The unexpected positive effect of the new technical solution is due to the original design of the element and the processing of the two running voltages used. It is essentially a functional magnetic field multisensor. It can be fully implemented as an integrated circuit with the planar silicon technology methods CMOS, BiCMOS and others.

Claims (1)

Патентни претенцииClaims 1. Интегрален магнитоградиометър, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, към напречното сечение на която се прилага измерваното градиентно магнитно поле и токоизточник, характеризиращ се с това, че върху едната страна на полупроводниковата подложка (1) са формирани на равни разстояния един от друг четири еднакви и правоъгълни омични контакта - първи (2), втори (3), трети (4) и четвърти (5), последователно разположени успоредно на дългите си страни, от които двата са крайни - първият (2) и четвъртият (5), и двата са вътрешни - вторият (3) и третият (4), като първият (2) и четвъртият (5) контакт са свързани както с токоизточника (6), който е генератор на постоянен ток, така и с две двойки последователно свързани помежду си резистори - първа (7, 8) и съответно втора (9, 10), а вторият контакт (3) и общата точка на първата двойка резистори (7 и 8) са свързани с неинвертиращия вход на първи операционен усилвател (11), третият контакт (4) и общата точка на втората двойка резистори (9 и 10) са свързани с неинвертиращия вход на втори операционен усилвател (12), като изходите на първия и втория операционен усилвател (11 и 12) са свързани с инвертиращия вход на трети операционен усилвател (13), изваждащ сигналите от изходите на първия (11) и втория (12) операционен усилвател, а изход (15) на интегралния магнитоградиометър е изходът на третия операционен усилвател (13).An integrated magnetogrammeter comprising a semiconductor substrate of impurity conductivity type, to which the measured gradient magnetic field and current source are applied to the cross-section, characterized in that they are formed at equal distances from one another on one side of the semiconductor substrate (1). four equal and rectangular ohmic contacts - first (2), second (3), third (4) and fourth (5), consecutively arranged parallel to their long sides, two of which are extreme - first (2) and fourth (5) , both are internal - Tue. The first (2) and fourth (5) contacts are connected to both the current source (6), which is a direct current generator, and to two pairs of resistors in series - first ( 7, 8) and second (9, 10) respectively, and the second contact (3) and the common point of the first pair of resistors (7 and 8) are connected to the non-inverting input of the first operational amplifier (11), the third contact (4), and the common point of the second pair of resistors (9 and 10) is connected to the non-inverting input of the second operational amplifier (12), such as the outputs of the first and second operations The amplifier (11 and 12) is connected to the inverting input of the third operational amplifier (13), which subtracts the signals from the outputs of the first (11) and second (12) operational amplifiers, and the output (15) of the integral magnetometer is the output of the third operational amplifier. amplifier (13). Приложение: 1 фигураAttachment: 1 figure