BG66830B1 - In-plane magnetosensitive sensor device - Google Patents

Abstract

(57) The in-plane-magnetosensitive sensor device contains two identical semiconductor wafers with n-type hopping conduction in the shape of a rectangular parallelepiped - first (1) and second (2), on one side of which are formed successively five rectangular ohmic contacts - first (3 and 4), second (5 and 6), third (7 and 8), fourth (9 and 10), and fifth (11 and 12), all parallel to each other, and a current source (13). The first (3 and 4) and fifth contacts (11 and 12) and respectively the second (5 and 6) and the fourth (9 and 10) contacts, , are symmetrical to the third (7 and 8) contacts. The contacts (3 and 11) and respectively (4 and 12) are connected directly. The fourth contact (9) of the wafer (1) is connected to the second contact (6) of the wafer(2), and the second contact (5) of the first wafer (1)- to the fourth contact (10) of the second wafer (2), as the two groups of contacts (5 and 10) and respectively (9 and 6) are connected to a current source (13). The first (3) and the fifth (5) and respectively the third contact (7) of the wafer (1) are connected to the input of the first measuring amplifier (14). The first (4) and the fifth (12) , and respectively the third contact (8) of the wafer (2)- to the input of the second measuring amplifier (15). The contacts (3 and 4), and respectively the contacts (11 and12) are connected simultaneously only to the non-inverting or respectively only to the inverting inputs of the amplifiers (14 and 15). The outputs of the amplifiers (14 and 15) are connected to the input of a differential amplifier (16) whose output is the output (17) of the sensor device device, as the measured magnetic field is parallel to the long sides of all contacts. 1 claim, 1 figure A declaration of license readiness has been submitted in accordance with Art. 30 of the Law on Patents and Utility Model Registration.

Description

(54) РАВНИННО-МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНО СЕНЗОРНО УСТРОЙСТВО(54) PLANE-MAGNETIC SENSITIVE SENSOR DEVICE

Област на техникатаField of technology

Изобретението се отнася до равнинно-магниточувствително сензорно устройство, приложимо в областта на микро- и нанотехнологиите, роботиката, сензориката, мехатрониката и когнитивните интелигентни системи, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, космическите изследвания, електромобилите и хибридните превозни средства, биомедицината, енергетиката, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността.The invention relates to a plane-magnetically sensitive sensor device applicable in the field of micro- and nanotechnologies, robotics, sensorics, mechatronics and cognitive intelligent systems, non-contact measurement of angular and linear displacements, space research, electric vehicles, hybrid vehicles and biohybrid vehicles. control and measuring equipment and low-field magnetometry, military affairs and security.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известно е равнинно-магниточувствително сензорно устройство, съдържащо две еднакви с п-тип примесна проводимост полупроводникови подложки с формата на правоъгълен паралелепипед - първа и втора, върху едната страна на които на разстояния един от друг са формирани последователно по пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети - всичките успоредни помежду си, и токоизточник. Първите и петите, и съответно вторите и четвъртите контакти са симетрично разположени спрямо третите контакти. Първите и петите контакти са съединени непосредствено помежду си. Вторият контакт от първата подложка е свързан с четвъртия контакт от втората подложка, а четвъртият контакт от първата подложка - с втория контакт от втората подложка, като двете групи контакти са съединени съответно с изводите на токоизточника. Двата трети контакта са диференциалният изход на сензорното устройство, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините с контактите, така и на дългите страни на омичните контакти [1, 2, 3, 4].A plane-magnetosensitive sensor device is known, containing two identical to p-type impurity conductivity semiconductor pads in the form of a rectangular parallelepiped - first and second, on one side of which at a distance from each other are formed successively five rectangular ohmic contacts - first, second, third, fourth and fifth - all parallel to each other, and current source. The first and fifth contacts, and the second and fourth contacts respectively, are symmetrically arranged with respect to the third contacts. The first and fifth contacts are connected directly to each other. The second contact of the first pad is connected to the fourth contact of the second pad, and the fourth contact of the first pad is connected to the second contact of the second pad, the two groups of contacts being connected to the terminals of the current source, respectively. The two third contacts are the differential output of the sensor device, as the measured magnetic field is parallel both to the planes with the contacts and to the long sides of the ohmic contacts [1, 2, 3, 4].

Недостатък на това равнинно-магниточувствително сензорно устройство е понижената метрологична точност в резултат на високата стойност на паразитното напрежение на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет), поради неминуема геометрична асиметрия при технологичната реализация на първите и петите, и съответно на вторите и четвъртите контакти по отношение на третите.The disadvantage of this plane-magnetosensitive sensor device is the reduced metrological accuracy as a result of the high value of the parasitic voltage at the output in the absence of a magnetic field (offset), due to inevitable geometric asymmetry in the technological implementation of the first and fifth and fourth and fourth contacts. in respect of third parties.

Недостатък, който допълнително понижава метрологичната точност е също температурният дрейф на офсета по причини на: остатъчни термични деформации на чипа с полупроводниковите подложки при капсулирането му, неминуемите технологични несъвършенства при производството и нееднородната дисипация на топлината при функциониране на сензорното устройство.A disadvantage that further reduces the metrological accuracy is also the temperature drift of the offset due to: residual thermal deformations of the chip with the semiconductor pads during its encapsulation, the inevitable technological imperfections in production and inhomogeneous heat dissipation during operation of the sensor device.

Недостатък е още непредсказуемото изменение стойността на офсета с течение на времето (дрейфът) в резултат от процесите на стареене и миграция на легиращите примеси в подложките, което отново понижава измервателната точност.Another disadvantage is the unpredictable change in the value of the offset over time (drift) as a result of the aging and migration of alloying impurities in the substrates, which again reduces the measurement accuracy.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Задача на изобретението е да се създаде равнинно-магниточувствително сензорно устройство с повишена метрологична точност чрез редуциране стойността на паразитния офсет на изхода, температурния му дрейф и неговите времеви флуктуации.It is an object of the invention to provide a plane-magnetosensitive sensor device with increased metrological accuracy by reducing the value of the parasitic offset at the output, its temperature drift and its time fluctuations.

Тази задача е решена с равнинно-магниточувствително сензорно устройство, съдържащо две еднакви с п-тип примесна проводимост полупроводникови подложки с формата на правоъгълен паралелепипед - първа и втора, върху едната страна на които на разстояния един от друг са формирани последователно по пет правоъгълни омични контакта - първи, втори, трети, четвърти и пети - всичките успоредни помежду си, и токоизточник. Първите и петите, и съответно вторите и четвъртите контакти са симетрично разположени спрямо третите контакти. Първият и петият контакт от всяка подложка са съответно съединени непосредствено. Четвъртият контакт от първата подложка е свързан с втория контакт от втората подложка, а вторият контакт от първата подложка - с четвъртия контакт от втората подложка, като двете групи непосредствено свързани контакти са съединени съответно с изводите на токоизточник. Първият и петият, и съответно третият контакт от първата подложка са свързани с входа на първи измервателен усилвател. Първият и петият, и съответно третият контакт от втората подложка - с входа на втори измервателен усилвател. Първите и петите контакти от двете подложки са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата измервателни усилватели. Изходите на тези усилватели са свързани с входа на диференциаленThis problem is solved with a plane-magnetosensitive sensor device containing two identical with p-type impurity conductivity semiconductor pads in the shape of a rectangular parallelepiped - first and second, on one side of which at distances from each other are formed successively five rectangular ohmic contacts - first, second, third, fourth and fifth - all parallel to each other, and current source. The first and fifth contacts, and the second and fourth contacts respectively, are symmetrically arranged with respect to the third contacts. The first and fifth contacts of each pad are connected directly, respectively. The fourth contact of the first substrate is connected to the second contact of the second substrate, and the second contact of the first substrate is connected to the fourth contact of the second substrate, the two groups of directly connected contacts being connected to the terminals of the current source. The first and fifth, and respectively the third contact of the first pad are connected to the input of the first measuring amplifier. The first and fifth, and respectively the third contact of the second pad - with the input of a second measuring amplifier. The first and fifth contacts of the two pads are connected simultaneously only to the non-inverting or only to the inverting inputs of the two measuring amplifiers. The outputs of these amplifiers are connected to the input of a differential

Описания на издадени патенти за изобретения № 03.1/15.03.2019 усилвател, чийто изход е изход на сензорното устройство, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.Descriptions of issued patents for inventions № 03.1 / 15.03.2019 amplifier, the output of which is the output of the sensor device, as the measured magnetic field is parallel to both the planes of the pads and the long sides of the contacts.

Предимство на изобретението е повишената метрологична точност в резултат на редуцираната стойност на паразитния офсет на равнинно-магниточувствителното сензорно устройство, тъй като в изходните сигнали на конструктивно конфигурираните две архитектури от тип на Хол (каквито представляват подложките с формираните върху тях контакти), осъществени в единен технологичен цикъл напреженията на Хол са равни по стойност и са с противоположен знак, а паразитните офсети са с еднакъв знак и са приблизително равни, и при изваждане на сигналите с диференциалния усилвател остатъчният офсет се компенсира (нулира), а „чистите” напрежения на Хол се сумират.An advantage of the invention is the increased metrological accuracy as a result of the reduced value of the parasitic offset of the plane-magnetosensitive sensor device, because in the output signals of the structurally configured two Hall-type architectures (such as pads with contacts formed on them) technological cycle Hall voltages are equal in value and have the opposite sign, and parasitic offsets are of the same sign and are approximately equal, and when subtracting the signals with the differential amplifier the residual offset is compensated (reset) and the "pure" Hall voltages are summed.

Предимство е също допълнителното увеличаване на измервателната точност от компенсирания дрейф (собствен от стареенето и температурен) на остатъчния офсет поради практически едно и също поведение на индивидуалните изходни дрейфове на двете конфигурации на Хол и при изваждане на тези два паразитни сигнала с диференциалния усилвател дрейфът на офсета се компенсира драстично.Another advantage is the additional increase in the measurement accuracy of the compensated drift (own from aging and temperature) of the residual offset due to practically the same behavior of the individual output drifts of the two Hall configurations and when subtracting these two parasitic signals with the differential amplifier offset drift is compensated drastically.

Предимство е още повишената магниточувствителност на сензорното устройство поради елиминиране на окъсяващите ефекти в изходите на двете конфигурации на Хол чрез схемотехнично развързване на изходите им с двата измервателни усилватели, минимизирайки драстично негативното влияние.Another advantage is the increased magnetic sensitivity of the sensor device due to the elimination of the shortening effects in the outputs of the two Hall configurations by circuit-disconnecting their outputs with the two measuring amplifiers, drastically minimizing the negative impact.

Предимство е и подобреното отношение сигнал/шум, т.е. резолюцията на сензорното устройство при детектиране на минимално магнитно поле в резултат на драстично редуцираните паразитен офсет и неговия дрейф, и повишената магниточувствителност.An advantage is the improved signal-to-noise ratio, ie. the resolution of the sensor device in detecting a minimal magnetic field as a result of the drastically reduced parasitic offset and its drift, and the increased magnetic sensitivity.

Пояснение на приложената фигураExplanation of the attached figure

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1, съдържаща напречното сечение на двете подложки с контактите върху страните и схемотехниката.The invention is illustrated in more detail by an embodiment thereof, given in the attached Figure 1, comprising the cross-section of the two pads with the contacts on the sides and the circuitry.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of the invention

Равнинно-магниточувствителното сензорно устройство съдържа две еднакви с п-тип примесна проводимост полупроводникови подложки с формата на правоъгълен паралелепипед - първа 1 и втора 2, върху едната страна на които на разстояния един от друг са формирани последователно по пет правоъгълни омични контакти - първи 3 и 4, втори 5 и 6, трети 7 и 8, четвърти 9 и 10, и пети 11 и 12, всичките успоредни помежду си, и токоизточник 13. Първите 3 и 4 и петите 11 и 12, и съответно вторите 5 и 6 и четвъртите 9 и 10 контакти са симетрично разположени спрямо третите 7 и 8 контакти. Контактите 3 и 11 и съответно 4 и 12 от всяка подложка 1 и 2 са съединени непосредствено. Четвъртият контакт 9 от първата подложка 1 е свързан с втория контакт 6 от втората 2, а вторият контакт 5 от първата 1 - с четвъртия контакт 10 от втората подложка 2, като двете групи непосредствено свързани контакти 5 и 10, и съответно 9 и 6 са съединени с изводите на токоизточника 13. Първият 3 и петият 5, и съответно третият контакт 7 от първата подложка 1 са свързани с входа на първи измервателен усилвател 14. Първият 4 и петият 12, и съответно третият контакт 8 от втората подложка 2 - с входа на втори измервателен усилвател 15. Първите 3 и 4, и петите 11 и 12 контакти от двете подложки 1 и 2 са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата измервателни усилватели 14 и 15. Изходите на усилвателите 14 и 15 са свързани с входа на диференциален усилвател 16, чийто изход е изход 17 на сензорното устройство, като измерваното магнитно поле 18 е успоредно както на равнините на подложките 1 и 2, така и на дългите страни на контактите 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12.The plane-magnetic sensor device contains two identical with p-type impurity conductivity semiconductor pads in the form of a rectangular parallelepiped - first 1 and second 2, on one side of which at distances from each other are formed successively five rectangular ohmic contacts - first 3 and 4, second 5 and 6, third 7 and 8, fourth 9 and 10, and fifth 11 and 12, all parallel to each other, and current source 13. The first 3 and 4 and the fifth 11 and 12, and respectively the second 5 and 6 and the fourth 9 and 10 contacts are symmetrically arranged relative to the third 7 and 8 contacts. Contacts 3 and 11 and 4 and 12 of each pad 1 and 2, respectively, are connected directly. The fourth contact 9 of the first pad 1 is connected to the second pin 6 of the second 2, and the second pin 5 of the first 1 is connected to the fourth pin 10 of the second pad 2, the two groups of directly connected contacts 5 and 10, and 9 and 6 respectively. connected to the terminals of the current source 13. The first 3 and fifth 5, and respectively the third contact 7 of the first substrate 1 are connected to the input of the first measuring amplifier 14. The first 4 and fifth 12, and respectively the third terminal 8 of the second substrate 2 - to the input of a second measuring amplifier 15. The first 3 and 4, and the fifth 11 and 12 contacts of the two pads 1 and 2 are connected simultaneously only to the non-inverting or only to the inverting inputs of the two measuring amplifiers 14 and 15. The outputs of the amplifiers 14 and 15 are connected to the input of a differential amplifier 16, the output of which is the output 17 of the sensor device, the measured magnetic field 18 being parallel both to the planes of the pads 1 and 2 and to the long sides of the contacts 3, 4. , 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 and 12.

Действието на равнинно-магниточувствителното сензорно устройство, съгласно изобретението, е следното. При включване на двете групи непосредствено свързани контакти 5 и 10, и съответно 9 и 6 към изводите на токоизточника 13, в двете еднакви архитектури (подложка 1 с контакти 3, 5, 7, 9 и 11, и подложка 2 с контакти 4, 6, 8, 10 и 12) протичат равни по стойност и противоположно насочени захранващи токове I ₍ и -1 Омични контакти 5 и 9, и съответно 6 и 10 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външното магнитно поле В 18, В = 0, токовите компоненти през тях 1₅ и 1₉ и съответно I и I са перпендикулярно насочени спрямо горните страни на подложките 1 и 2,The operation of the plane-magnetosensitive sensor device according to the invention is as follows. When connecting the two groups of directly connected contacts 5 and 10, and respectively 9 and 6 to the terminals of the current source 13, in the two identical architectures (pad 1 with contacts 3, 5, 7, 9 and 11, and pad 2 with contacts 4, 6 , 8, 10 and 12) flow equal in value and oppositely directed supply currents I ₍ and -1 Ohmic contacts 5 and 9, and respectively 6 and 10 represent equipotential planes to which in the absence of the external magnetic field B 18, B = 0 , the current components thereby 1 ₅ and 1 ₉ and respectively I and I are perpendicular to the upper sides of pads 1 and 2,

Описания на издадени патенти за изобретения № 03.1/15.03.2019 прониквайки дълбоко в обемите им. Токовите линии 1_{5 9} и 1₆ в останалата част от обемите на подложките 1 и 2 са успоредни на горните страни. В резултат обаче на неминуема асиметрия (геометрични грешки на маските в процеса на производство) на контактите, например 5и9, ибиЮпо отношение на третите контакти 7 и 8, възникват паразитни изходни напрежения (офсети) в отсъствие на магнитното поле В 14, В = 0, V_{7 п}(0) # 0 и V_{s 12}(0) / 0. Тъй като двете сензорни архитектури са реализирани в единен технологичен процес, двата паразитни офсета V_{7 п}(0) и V_{g 12}(0) се очаква да бъдат почти равни по стойност и да са с един и същ знак, V_{7 п}(0) « V_g (0).Descriptions of issued patents for inventions № 03.1 / 15.03.2019 penetrating deep into their volumes. The current lines 1 _{5 9} and 1 ₆ in the rest of the volumes of the pads 1 and 2 are parallel to the upper sides. However, as a result of the inevitable asymmetry (geometric errors of the masks in the production process) of the contacts, for example 5 and 9, and in relation to the third contacts 7 and 8, parasitic output voltages (offsets) occur in the absence of magnetic field B 14, B = 0, V _{7 n} (0) # 0 and V _{s 12} (0) / 0. Since the two sensor architectures are implemented in a single technological process, the two parasitic offsets V _{7 n} (0) and V _{g 12} (0) are expected to be almost equal in value and having the same sign, V _{7 n} (0) «V _g (0).

Прилагане на измерваното магнитно поле В 18 успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12 води до възникване на странично (латерално) отклонение на токовите линии в двете архитектури от силите на Лоренц F F_L = qV_d| х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_di е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложките 1 иApplication of the measured magnetic field B 18 parallel to the long sides of the rectangular contacts 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 and 12 leads to the occurrence of lateral (lateral) deviation of the current lines in both architectures from the forces of Lorentz FF _L = qV _{d |} x B, where q is the elementary load of the electron, and V _di is the vector of the average drift velocity of the electrons in the substrates 1 and

2. В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F траекториите на противоположно насочените токови компоненти I ₍ и -1_; едновременно се “свиват” и/или съответно “разширяват”. В зависимост от взаимните посоки на токове ( и - I, и вектора на магнитното поле В 18, върху средните контакти 7 и 8, и съответно върху непосредствено свързаните крайни контакти - първи 3 и 4, и пети 11 и 12 се генерират противоположни по знак и еднакви по стойност Холови потенциали. Така чрез ефекта на Хол, обобщен за всички видове твърдотелни кристални структури, в това число и такива с равнинна магниточувствителност [2, 3], възникват две еднакви и с противоположен знак напрежения на Хол V_{H7 П}(В) и - V_H812(В). Следва да се отбележи, че към тези изходни сигнали се добавят алгебрично паразитните офсети V_{7 п}(0) « V_g (0) на двата изхода. Подаването на напреженията V_{7 П}(В) + V_{7 п}(0) и съответно V_{g 12}(В) + V_{g 12}(0) на двата измервателни усилватели 14 и 15 осъществява схемотехнично развързване на изходите на двете сензорни архитектури, минимизирайки драстично взаимното им влияние. Също така е възможно с измервателните усилватели 14 и 15 да се осъществи предварителното усилване на напреженията V_{7 П}(В) и - V_{g 12}(В). Чрез диференциалния усилвател 16 напреженията V_{7 п} и V_{g 12} се изваждат:2. As a result of the Lorentz deviation from the forces F, the trajectories of the oppositely directed current components I ₍ and -1 _; simultaneously “shrink” and / or respectively “expand”. Depending on the mutual directions of currents (i - I, and the vector of the magnetic field B 18, on the middle contacts 7 and 8, and respectively on the directly connected end contacts - first 3 and 4, and fifth 11 and 12, generate opposite in sign and equal in value Hall potentials. Thus, through the Hall effect, generalized for all types of solid crystal structures, including those with planar magnetic sensitivity [2, 3], arise two identical and with opposite sign Hall voltages V _{H7 P} (B) and - V _H812 (B). these output signals are added algebraically parasitic offsets V _{7 n} (0) «V _g (0) of the two outputs. The supply voltages V _{7 V} (B) + V _{7 n} (0) and, respectively, V _{g 12} (B) + V _{g 12} (0) of the two measuring amplifiers 14 and 15 performs circuit disconnection of the output of the two sensory architectures, drastically minimizing their mutual influence. It is also possible with the measuring amplifiers 14 and 15 to carry out the pre-amplification of the voltages V _{7 P} (B) and - V _{g 12} (B). Through the differential amplifier 16 the voltages V _{7 n} and V _{g 12} are subtracted:

- V_{g 12} = [V₇ „(0) + v₇ „(В)] - [V_{g 12}(0) - v_{g 12}(В)] = 2V_H(B) + [V₇ „(0) - v_{g 12}(0)]- V _{g 12} = [V ₇ „(0) + v ₇ „ (В)] - [V _{g 12} (0) - v _{g 12} (В)] = 2V _H (B) + [V ₇ „(0) - v _{g 12} (0)]

Съгласно този израз, в резултат на изваждане на генерираните от Холовите архитектури сигнали V_{7 п} и V_{g 12}, напрежението на Хол на изхода 17 на диференциалния усилвател 16 е удвоено 2V_H(B), а остатъчният офсет V_ff(0) ξ V_{7 п}(0) - V_g (0) е драстично редуциран. В известното решение изходното напрежение (магниточувствителността) е редуцирано поради шунтирането на ефекта на Хол от електрически свързаните контакти. Ето защо магниточувствителността на сензорното устройство на Хол е удвоена в сравнение с един от каналите, Фигура 1. При това остатъчният паразитен офсет (собствен и температурен) е почти напълно компенсиран, V_ff(0)« 0. Така се повишава значително измервателната точност. Предвид силно редуцираният офсет на изхода 17, собственият Ι/f (фликер) шум от двата канала V_{7 п} и V_g се намалява и се повишава отношението сигнал/шум. Така резолюцията за детектиране на минимална магнитна индукция В нараства. Собственият и температурният дрейф на офсета се появяват най-вече от вътрешни в полупроводниковите подложки 1 и 2 деформации при капсулирането на чипа, реализацията на метализираните шини, тънкослойните проводящи и диелектрични слоеве по повърхността, технологични несъвършенства, дисипацията на топлина при функциониране, процесите на стареене, миграцията на примесни атоми и др. В общия случай тези дрейфови паразитни напрежения имат хаотично поведение, променяйки се с течение на времето, което прави „твърдото” им компенсиране чрез тримиране, термостатиране и др. неефективно. Посочените причини са неотстраними, но са едни и същи и за двете конфигурации на Хол, реализирани в единен технологичен цикъл, което е удачно използвано в предложението на Фигура 1 като подход за отстраняването им.According to this expression, as a result of subtracting the signals generated by the Hall architectures V _{7 n} and V _{g 12} , the Hall voltage at the output 17 of the differential amplifier 16 is doubled 2V _H (B), and the residual offset V _ff (0) ξ V _{7 n} (0) - V _g (0) is drastically reduced. In the known solution, the output voltage (magnetic sensitivity) is reduced due to the shunting of the Hall effect from the electrically connected contacts. Therefore, the magnetic sensitivity of the Hall sensor device is doubled compared to one of the channels, Figure 1. The residual parasitic offset (own and temperature) is almost completely compensated, V _ff (0) «0. This significantly increases the measurement accuracy. Given the strongly reduced offset of the output 17, the intrinsic Ι / f (flicker) noise from the two channels V _{7 n} and V _g decreases and the signal-to-noise ratio increases. Thus, the resolution for detecting the minimum magnetic induction B increases. The intrinsic and temperature drift of the offset appear mainly from internal deformations in the semiconductor pads 1 and 2 during the encapsulation of the chip, the realization of the metallized busbars, the thin-layer conductive and dielectric layers on the surface, technological imperfections, heat dissipation, heat dissipation , the migration of impurity atoms, etc. In the general case, these drift parasitic stresses have a chaotic behavior, changing over time, which makes their "hard" compensation by trimming, thermostating and others. inefficient. These reasons are irreversible, but are the same for both Hall configurations, implemented in a single technological cycle, which is aptly used in the proposal of Figure 1 as an approach to their elimination.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във възможността чрез оригинално свързване на два петконтактни микросензори на Хол с равнинна магниточувствителност и съответна схемотехника (без увеличаване броя на омичните контакти), да се реализират два еднакви функционално интегрирани в общ чип архитектури на Хол, от съвместното действие на които се постигат нови положителни свойства. Така офсетът и температурният му дрейф са редуцирани драстично, резолюцията и магниточувствителността са повишени - качества, отсъстващи в известното решение. В резултат на решението метрологичната точност на сензорното устройство е значително повишена.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the possibility to realize two identical functionally integrated in a common chip architectures of Hall by original connection of two five-contact Hall microsensors with plane magnetic sensitivity and corresponding circuitry (without increasing the number of ohmic contacts). the joint action of which new positive properties are achieved. Thus, the offset and its temperature drift are drastically reduced, the resolution and the magnetic sensitivity are increased - qualities that are absent in the known solution. As a result of the solution, the metrological accuracy of the sensor device is significantly increased.

Описания на издадени патенти за изобретения № 03.1/15.03.2019Descriptions of issued patents for inventions № 03.1 / 15.03.2019

Равнинно-магниточувствителното сензорно устройство може да се реализира, например, с CMOS или BiCMOS технологии, като двете преобразувателни зони на конфигурацията представляват дълбоки п-тип силициеви джобове 1 и 2. Изборът на полупроводниковите джобове 1 и 2 с п-тип примесна проводимост е продиктуван от факта, че в п-тип полупроводниците подвижността на токоносителите, обуславяща скоростта на носителите, т.е. магниточувствителността, е съществено по-висока, в сравнение с р-тип материалите. Интегралната микроелектронна технология позволява всички елементи, свързани с новото сензорно устройство на Хол, включително усилвателите 14,15 и 16 да се реализират върху общ силициев чип, формирайки интелигентна микросистема (MEMS). Функционирането на предложеното сензорно устройство е осъществимо в широк температурен интервал, включително при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и сигурността, чипът с двете конфигурирани архитектури се разполага между два еднакви продълговати концентратора на магнитното поле В 18 от ферит или μ-метал.The plane-magnetic sensor device can be realized, for example, with CMOS or BiCMOS technologies, as the two conversion zones of the configuration are deep p-type silicon pockets 1 and 2. The choice of semiconductor pockets 1 and 2 with p-type impurity conductivity is dictated from the fact that in p-type semiconductors the mobility of the current carriers, determining the speed of the carriers, ie. the magnetic sensitivity is significantly higher compared to p-type materials. Integrated microelectronic technology allows all elements associated with the new Hall sensor device, including amplifiers 14,15 and 16, to be implemented on a common silicon chip, forming an intelligent microsystem (MEMS). The operation of the proposed sensor device is feasible in a wide temperature range, including at cryogenic temperatures. For even higher sensitivity for low-field magnetometry and security, the chip with the two configured architectures is located between two identical elongated concentrators of magnetic field B 18 made of ferrite or μ-metal.

Claims (1)

Патентни претенцииPatent claims 1. Равнинно-магниточувствително сензорно устройство, съдържащо две еднакви с п-тип примесна проводимост полупроводникови подложки с формата на правоъгълен паралелепипед - първа и втора, върху едната страна на които на разстояния един от друг са формирани последователно по пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, всичките успоредни помежду си, и токоизточник, първите и петите, и съответно вторите и четвъртите контакти са симетрично разположени спрямо третите, първите и петите контакти от всяка подложка са съединени непосредствено, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на омичните контакти, характеризиращо се с това, че четвъртият контакт (9) от първата подложка (1) с свързан с втория контакт (6) от втората подложка (2), а вторият контакт (5) от първата подложка (1) - с четвъртия контакт (10) от втората подложка (2), като двете групи непосредствено свързани контакти (5 и 10), и съответно (9 и 6) са съединени с изводите на токоизточника (13), като първият (3) и петият (5), и съответно третият контакт (7) от първата подложка (1) са свързани с входа на първи измервателен усилвател (14), а първият (4) и петият (12), и съответно третият контакт (8) от втората подложка (2) - с входа на втори измервателен усилвател (15), като първите (3 и4), ипетите (11 и 12) контакти от двете подложки (1 и 2) са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата измервателни усилватели (14 и 15), а изходите на усилвателите (14 и 15) са свързани с входа на диференциален усилвател (16), чийто изход е изход (17) на сензорното устройство.A plane-magnetically sensitive sensor device comprising two semiconductor conductor-shaped semiconductor substrates in the form of a rectangular parallelepiped - first and second, on one side of which five rectangular ohmic contacts are formed in series at distances from each other, first, second, third, fourth and fifth, all parallel to each other, and current source, first and fifth, and respectively second and fourth contacts are symmetrically located relative to the third, first and fifth contacts of each pad are connected directly, the measured magnetic field is parallel as on the planes of the pads and on the long sides of the ohmic contacts, characterized in that the fourth contact (9) of the first pad (1) is connected to the second contact (6) of the second pad (2) and the second contact ( 5) from the first pad (1) - with the fourth contact (10) from the second pad (2), as the two groups of directly connected contacts (5 and 10), and respectively 9 and 6 (are connected to the terminals of the current source (13), the first (3) and the fifth (5), and respectively the third contact (7) of the first pad (1) are connected to the input of the first measuring amplifier (14) and the first 4) and the fifth (12) and respectively the third contact (8) of the second substrate (2) - with the input of a second measuring amplifier (15), as the first (3 and 4), ipet (11 and 12) contacts of the two substrates 1 and 2) are connected simultaneously only to the non-inverting or respectively only to the inverting inputs of the two measuring amplifiers (14 and 15), and the outputs of the amplifiers (14 and 15) are connected to the input of a differential amplifier (16) whose output is an output (17) of the sensor device.