BG67248B1 - Semiconductor configuration with planar magnetic sensitivity - Google Patents
Semiconductor configuration with planar magnetic sensitivity Download PDFInfo
- Publication number
- BG67248B1 BG67248B1 BG112816A BG11281618A BG67248B1 BG 67248 B1 BG67248 B1 BG 67248B1 BG 112816 A BG112816 A BG 112816A BG 11281618 A BG11281618 A BG 11281618A BG 67248 B1 BG67248 B1 BG 67248B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- contact
- parallel
- pad
- roumenin
- contacts
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Description
Изобретението се отнася до полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката. контролно-измервателната технология, позиционирането на обекти в равнината и пространството, слабополевата магнитометрия, навигацията, електромобилостроенето, автоматиката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, квантовата комуникация. 3D и минимално инвазивната хирургия, безпилотните летателни системи, военното дело и контратероризма. Предшестващо състояние на техникатаThe invention relates to a semiconductor configuration with planar magnetic sensitivity, applicable in the field of robotics and mechatronics. control and measurement technology, positioning of objects in the plane and space, low-field magnetometry, navigation, electrical engineering, automation, non-contact measurement of angular and linear displacements, quantum communication. 3D and minimally invasive surgery, unmanned aerial systems, warfare and counterterrorism. BACKGROUND OF THE INVENTION
Известна е полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност, съдържаща полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно на разстояния един от друг четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и третия контакт са свързани с токоизточник, а вторият и четвъртият са диференциалният изход на конфигурацията като измерваното магнитно поле е успоредно, както на равнината на подложката, така и на дългите страни на правоъгълните контакти, [1 - 6].A semiconductor configuration with a plane magnetic sensitivity is known, comprising a semiconductor substrate with p-type impurity conductivity, on one side of which four rectangular ohmic contacts are formed successively at distances from each other, from left to right - first, second, third and fourth, located parallel on its long sides. The first and third contacts are connected to a current source, and the second and fourth are the differential output of the configuration as the measured magnetic field is parallel to both the plane of the substrate and the long sides of the rectangular contacts, [1 - 6].
Недостатък на тази полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност е наличието на паразитно напрежение на диференциалния изход в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат преди всичко на електрическата асиметрия, породена от присъщата за тази структура асиметрия на токовата траектория по отношение на двата изходни контакта, както и неминуеми технологични несъвършенства, механични напрежения най-често от корпусирането на чипа, температурни градиенти и др.A disadvantage of this semiconductor configuration with planar magnetic sensitivity is the presence of a parasitic voltage at the differential output in the absence of a magnetic field (offset) as a result primarily of the electrical asymmetry caused by the inherent asymmetry of the current path with respect to the two output contacts. and inevitable technological imperfections, mechanical stresses most often from the chip housing, temperature gradients, etc.
Недостатък е също нелинейността на изходното напрежение в магнитно поле поради различните по стойност потенциали на Хол върху двата изходни контакта, генерирани от ефекта на Хол, което е причината независимо, че изходът е диференциален известна част от силно нелинейната магниторезистивна компонента, присъстваща в полупроводниците да прониква в изхода, смесвайки се с метрологичния линеен сигнал.Another disadvantage is the nonlinearity of the output voltage in a magnetic field due to the different value of Hall potentials on the two output contacts generated by the Hall effect, which is the reason despite the fact that the output is a differential part of the highly nonlinear magnetoresistive component at the output, mixing with the metrological linear signal.
BG 67248 BlBG 67248 Bl
Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention
Задача на изобретението е да се създаде полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност с максимално редуциран офсет и линеен изход.The object of the invention is to create a semiconductor configuration with planar magnetic sensitivity with maximally reduced offset and linear output.
Тази задача се решава с полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност, съдържаща две еднакви полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост, разположени успоредно една спрямо друга - първа и втора. Върху едната страна на всяка от тях са формирани последователно на разстояния един от друг по четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият контакт на първата подложка и четвъртият контакт на втората през токоизточник са свързани с третия контакт на първата и втория контакт на втората подложка. Вторият контакт на първата подложка е съединен с първия контакт на втората, а четвъртият контакт на първата е свързан с третия контакт на втората. Четвъртият контакт наThis problem is solved with a semiconductor configuration with planar magnetic sensitivity, containing two identical semiconductor pads with p-type impurity conductivity, located parallel to each other - first and second. On one side of each of them are formed successively at distances from each other four rectangular ohmic contacts, from left to right first, second, third and fourth, located parallel to their long sides. The first contact of the first pad and the fourth contact of the second through a power source are connected to the third contact of the first and second contact of the second pad. The second contact of the first pad is connected to the first contact of the second, and the fourth contact of the first is connected to the third contact of the second. The fourth contact of
BG 67248 Bl първата и първият контакт на втората подложка са диференциалният изход на конфигурацията, като измерваното магнитно поле е успоредно, както на равнината на подложките, така и на дългите страни на правоъгълните контакти.The first and first contacts of the second pad are the differential output of the configuration, the measured magnetic field being parallel both to the plane of the pads and to the long sides of the rectangular contacts.
Предимство на изобретението е драстично редуцираният офсет в резултат на свързване на контактите от двете подложки по двойки така, че се постига взаимно изравняване на електрическите потенциали на изхода, независимо от асиметрията на токовите траектории.An advantage of the invention is the drastically reduced offset as a result of connecting the contacts of the two pads in pairs so as to achieve mutual equalization of the electrical potentials of the output, regardless of the asymmetry of the current trajectories.
Предимство е също линейността на изходното напрежение поради оригиналното свързване на контактите, формиращи диференциалния изход, осъществявайки максимално възможна компенсация на силно нелинейното магнитосъпротивление.The linearity of the output voltage is also an advantage due to the original connection of the contacts forming the differential output, providing the maximum possible compensation of the strongly nonlinear magnetic resistance.
Предимство е още и повишената измервателна точност в резултат на компенсирането на паразитния офсет едновременно с минимизиране на температурния дрейф и подобрената линейност на изхода.Another advantage is the increased measurement accuracy as a result of the compensation of the parasitic offset simultaneously with the minimization of the temperature drift and the improved linearity of the output.
Пояснение на приложената фигураExplanation of the attached figure
По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1.The invention is illustrated in more detail by one of its embodiments given in the attached figure 1.
Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of the invention
Полупроводниковата конфигурация е равнинна магниточувствителност, съдържа две еднакви полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост, разположени успоредно една спрямо друга първа 1 и втора 2. Върху едната страна на всяка от тях са формирани последователно на разстояния един от друг по четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно - първи 3 и 4, втори 5 и 6, трети 7 и 8 и четвърти 9 и 10, разположени успоредно на дългите си страни. Първият контакт 3 на първата подложка 1 и четвъртият контакт 10 на втората 2 през токоизточник 11 са свързани с третия контакт 7 на първата 1 и втория контакт 6 на втората подложка 2. Вторият контакт 5 на първата подложка 1 е съединен с първия контакт 4 на втората 2, а четвъртият контакт 9 на първата 1 е свързан с третия контакт 8 на втората 2. Четвъртият контакт 9 на първата 1 и първият контакт 4 на втората подложка 2 са диференциалният изход 12 на конфигурацията, като измерваното магнитно поле 13 е успоредно, както на равнината на подложките 1 и 2, така и на дългите страни на правоъгълните контакти 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10.The semiconductor configuration is a plane magnetic sensitivity, containing two identical semiconductor pads with p-type impurity conductivity, located parallel to each other first 1 and second 2. On one side of each of them are formed successively at distances from each other four rectangular ohmic contacts, from left to right - first 3 and 4, second 5 and 6, third 7 and 8 and fourth 9 and 10, located parallel to their long sides. The first contact 3 of the first substrate 1 and the fourth contact 10 of the second 2 through a current source 11 are connected to the third contact 7 of the first 1 and the second contact 6 of the second substrate 2. The second contact 5 of the first substrate 1 is connected to the first contact 4 of the second 2, and the fourth contact 9 of the first 1 is connected to the third contact 8 of the second 2. The fourth contact 9 of the first 1 and the first contact 4 of the second pad 2 are the differential output 12 of the configuration, the measured magnetic field 13 being parallel as in the plane of the pads 1 and 2 and the long sides of the rectangular contacts 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 and 10.
Действието на полупроводниковата конфигурация с равнинна магниточувствителност, съгласно изобретението, е следното. Поради планарността на захранващите омични контакти 3, 10, 7 и 6, фигура 1, които в отсъствие на магнитно поле 5 = 0 представляват еквипотенциални равнини, токовите траектории първоначално са насочени вертикално надолу в обема на подложки 1 и 2, след това стават успоредни на горните им повърхности, и накрая отново са перпендикулярни към горните равнини. Следователно токовите линии в така формираните равнинно-магниточувствителни елементи на Хол са криволинейни. Съгласно избраната оригинална схема на включване на двете еднакви структури, посоките на равните по стойност захранващи токове в тях са противоположно насочени. Предвид тази огледална симетрия на двата конструктивно идентични преобразуватели на Хол, те могат де се разглеждат като функционално интегрирани в действието си. Това означава, че на отделните диференциални изходи Vs,9 и V4,8. формирани от контакти 5 и 9. и съответно 4 и 8, при отсъствие на магнитно поле В = 0, в идеалния случай следва даThe operation of the plane magnetic sensitivity semiconductor configuration according to the invention is as follows. Due to the planarity of the supply ohmic contacts 3, 10, 7 and 6, figure 1, which in the absence of a magnetic field 5 = 0 represent equipotential planes, the current trajectories are initially directed vertically downwards in the volume of pads 1 and 2, then become parallel to their upper surfaces, and finally again perpendicular to the upper planes. Therefore, the current lines in the thus formed planar magnetosensitive Hall elements are curvilinear. According to the chosen original scheme of connection of the two identical structures, the directions of the equal in value supply currents in them are oppositely directed. Given this mirror symmetry of the two structurally identical Hall transducers, they can be considered as functionally integrated in their operation. This means that the individual differential outputs Vs, 9 and V 4 , 8. formed by contacts 5 and 9. and 4 and 8, respectively, in the absence of a magnetic field B = 0, should ideally be
BG 67248 Bl отсъстват офсети, Vs^B = 0) = УЩВ = 0) = 0. В резултат обаче на геометричната асиметрия на двете токови траектории Е.? и Е,ю спрямо съответните изходни контакти 5-9 и 4-8, на тези изходи винаги присъства офсет ν5,9(Β = 0) А 0 и V4,8(B = 0) А θ- В предложеното решение, фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък, се постига с директното окъсяване на контакти 5-4и8-9на подложки 1 и 2. При такова нестандартно свързване, протичат компенсиращи (изравняващи) токове между самите подложки 1 и 2, уеднаквяващи електрическите условия (потенциали) в тях. Ето защо в зоните на двата изходни контакти 5-9и4-8в отсъствие на магнитно поле В 13, В = 0, офсетът е драстично редуциран или компенсиран (нулиран), Vi2(B = 0) = 0. Този подход в сравнение със сложната динамична компенсация на офсета или т. н. токов спининг [6], е съществено опростен и е иманентен на самото техническо решение като крайните резултати и в двата случая са близки.BG 67248 Bl no offsets, Vs ^ B = 0) = UShVV = 0) = 0. However, as a result of the geometric asymmetry of the two current trajectories E.? and E, yu relative to the respective output contacts 5-9 and 4-8, these outputs are always present offset ν 5 , 9 (Β = 0) A 0 and V 4 , 8 (B = 0) A θ- In the proposed solution, Figure 1, overcoming this serious sensory defect is achieved by direct shortening of contacts 5-4 and 8-9 of pads 1 and 2. In such a non-standard connection, compensating (equalizing) currents flow between the pads 1 and 2 themselves, equalizing the electrical conditions (potentials). ) in them. Therefore, in the areas of the two output contacts 5-9 and 4-8 in the absence of a magnetic field B 13, B = 0, the offset is drastically reduced or compensated (reset), Vi 2 (B = 0) = 0. This approach compared to the complex dynamic offset compensation or so-called current spinning [6], is significantly simplified and is immanent to the technical solution itself as the final results in both cases are similar.
При поставяне на полупроводниковата конфигурация с планарна чувствителност в магнитно поле В 13, протичат следните магнитноелектрични процеси, генерирани чрез съответните сили на Лоренц Fl,! = qVdr х В. Траекториите на движещите се в обемите на подложки 1 и 2 електрони със средна дрейфова скорост Vdr се изменят както следва. Например, в подложка 1 токовите линии Е ? се „свиват” нагоре към повърхността и в зоната с контакт 5 се генерират от ефекта на Хол допълнителни отрицателни товари, като потенциалът там е отрицателен. Едновременно с това в зоната на контакт 9 потенциалът става положителен и между контакти 5 и 9 възниква напрежение на Хол V5,9(B). В подложка 2 токовата компонента 1ю,б се удължава навътре в обема, като потенциалът върху контакт 8 става положителен, докато в зоната с контакт 4 се генерират от ефекта на Хол допълнителни отрицателни товари - потенциалът там е отрицателен. В резултат върху контакти 4 и 8 се генерира напрежение на Хол - УЩВ), което обаче е с противоположна полярност на това между контакти 5 и 9, Vs.9(B). Причината е противоположните посоки на захранващите токове Е ? и 1б,ю в подложки 1 и 2. Следователно оригиналното свързване на двата елемента на Хол осъществява генериране надве напрежения на Хол VsXB) и - V48(B), които предвид идентичността на структурите 1 и 2 са близки по стойност, но са с противоположен знак V5i9(B) = | -V4-8(B) | . Различието в двете напрежения по стойност Vs,9(B) А | -V4,s(B) | е от принципно естество. Поради несиметричността на токовите траектории спрямо изходните контакти, в магнитно поле В 13 на диференциалния изход Vi3(B) 12 на конфигурацията присъства силно нелинейната магниторезистивна компонента MR ~ В2. Тя не може да се компенсира напълно от диференциалния изход 12 и по тази причина линейността се нарушава. Използваното обаче в конфигурацията непосредствено свързване на изходните контакти 5 - 4 и 9 - 8 изравнява чрез окъсяване на еднакви по знак офсет-потенциали, което води до максимално компенсиране на квадратично магнитосъпротивление MR - В2 в изхода 12. По този начин се осъществява висока степен на линеаризация на изходното напрежение Vn(B). В новата конфигурация, фигура 1, захранващите и изходните контакти на двете структури 1 и 2 са взаимозаменяеми.When placing the semiconductor configuration with planar sensitivity in magnetic field B 13, the following magnetoelectric processes occur, generated by the corresponding Lorentz forces Fl ,! = qVdr x B. The trajectories of the electrons moving in the volumes of substrates 1 and 2 with average drift velocity Vd r change as follows. For example, in substrate 1 current lines E? "shrink" upwards to the surface and in the contact zone 5 additional negative loads are generated by the Hall effect, and the potential there is negative. At the same time, in the contact zone 9, the potential becomes positive and a voltage of Hall V 5 , 9 (B) occurs between contacts 5 and 9. In substrate 2 the current component 1yu, b is extended inwards in the volume, as the potential on contact 8 becomes positive, while in the area of contact 4 additional negative loads are generated by the Hall effect - the potential there is negative. As a result, a Hall voltage (DC) is generated on contacts 4 and 8, which, however, has the opposite polarity between contacts 5 and 9, Vs.9 (B). The reason is the opposite directions of the supply currents E? and 1b, yu in pads 1 and 2. Therefore, the original connection of the two Hall elements generates two Hall voltages VsXB) and - V 48 (B), which given the identity of structures 1 and 2 are close in value but are with opposite sign V 5i9 (B) = | -V 4-8 (B) | . The difference in the two voltages in value Vs, 9 (B) A -V 4 , s (B) is of a principled nature. Due to the asymmetry of the current trajectories with respect to the output contacts, a strongly nonlinear magnetoresistive component MR ~ B 2 is present in the magnetic field B 13 of the differential output Vi 3 (B) 12 of the configuration. It cannot be fully compensated by the differential output 12 and therefore the linearity is disturbed. However, the direct connection of the output contacts 5 - 4 and 9 - 8 used in the configuration equalizes by shortening the same sign offset potentials, which leads to maximum compensation of the quadratic magnetic resistance MR - B 2 in the output 12. In this way a high degree of linearization of the output voltage Vn (B). In the new configuration, Figure 1, the supply and output contacts of the two structures 1 and 2 are interchangeable.
Също така чрез високата степен на компенсация на офсета се осъществява и минимизиране на температурния дрейф на характеристиките. Ето защо подобрената линейност, минималният температурен дрейф и редуцираният офсет едновременно повишават измервателната точност на конфигурацията на Хол.Also, through the high degree of offset compensation, the temperature drift of the characteristics is minimized. Therefore, the improved linearity, the minimum temperature drift and the reduced offset simultaneously increase the measurement accuracy of the Hall configuration.
Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е. че посредством иновативното свързване на омичните контакти на подложки 1 и 2 се осъществява въздействие върху галваномагнитнитеThe unexpected positive effect of the new technical solution is that by means of the innovative connection of the ohmic contacts on pads 1 and 2 the effect on the galvanomagnetic
BG 67248 Bl процеси в двете структури 1 и 2 с цел постигане на електрическа симетрия, повишаваща измервателната точност чрез минимален температурен дрейф, подобрена линейност и редуциран/компенсиран паразитен офсет.BG 67248 Bl processes in both structures 1 and 2 in order to achieve electrical symmetry, increasing the measurement accuracy through minimum temperature drift, improved linearity and reduced / compensated parasitic offset.
Реализацията на новата конфигурация на Хол с равнинна чувствителност може да се осъществи с двойки дискретни структури 1 и 2, свързани съгласно схемата от фигура 1. По-добри характеристики и перформанс, обаче се постигат чрез силициевите CMOS или BiCMOS интегрални процеси. В този случай подложки 1 и 2 се формират с два отделни п-тип ,джобове” в p-Si пластини. Тази сепарация позволява да се елиминират взаимните негативни влияния при работата на двойката елементи на Хол. Планарните омични контакти 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 се осъществяват, например, с йонна имплантация и са силно легирани п+ области в n-Si „джобове”. Силициевите планарни технологии позволяват едновременното формиране на конфигурацията върху общ чип заедно с усилватели и интерфейсна електроника за обработка, дигитализиране и нормиране на изходния сигнал. В такова изпълнение новия сензор представлява интегрална схема.The implementation of the new Hall configuration with plane sensitivity can be carried out with pairs of discrete structures 1 and 2 connected according to the scheme of Figure 1. Better characteristics and performance, however, are achieved by silicon CMOS or BiCMOS integrated processes. In this case, pads 1 and 2 are formed with two separate p-type "pockets" in p-Si plates. This separation allows to eliminate the mutual negative influences in the work of the pair of Hall elements. Planar ohmic contacts 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 and 10 are made, for example, by ion implantation and are strongly doped n + regions in n-Si "pockets". Silicon planar technologies allow the simultaneous formation of the configuration on a common chip together with amplifiers and interface electronics for processing, digitization and normalization of the output signal. In such an embodiment, the new sensor is an integrated circuit.
Полупроводниковата конфигурация може да функционира и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К. В този случай магниточувствителността съществено нараства, като в този режим сензорната конструкция е подходяща за слабополевата магнитометрия и контратероризма.The semiconductor configuration can also function in the field of cryogenic temperatures, for example, the boiling point of liquid nitrogen T = 77 K. In this case, the magnetosensitivity increases significantly, and in this mode the sensor design is suitable for low-field magnetometry and counterterrorism.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG112816A BG67248B1 (en) | 2018-10-16 | 2018-10-16 | Semiconductor configuration with planar magnetic sensitivity |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG112816A BG67248B1 (en) | 2018-10-16 | 2018-10-16 | Semiconductor configuration with planar magnetic sensitivity |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG112816A BG112816A (en) | 2020-04-30 |
| BG67248B1 true BG67248B1 (en) | 2021-02-15 |
Family
ID=74855862
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BG112816A BG67248B1 (en) | 2018-10-16 | 2018-10-16 | Semiconductor configuration with planar magnetic sensitivity |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| BG (1) | BG67248B1 (en) |
-
2018
- 2018-10-16 BG BG112816A patent/BG67248B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BG112816A (en) | 2020-04-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105652220B (en) | Hall sensor and compensation method for offset caused by temperature distribution of Hall sensor | |
| US9362485B2 (en) | Vertical hall effect sensor with offset reduction using depletion regions | |
| BG67248B1 (en) | Semiconductor configuration with planar magnetic sensitivity | |
| BG112935A (en) | Hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
| BG67247B1 (en) | Hall effect microsensor with an in-plane sensitivity | |
| BG113625A (en) | INTEGRAL HALL SENSOR WITH PLANE SENSITIVITY | |
| BG67509B1 (en) | Magnetic field sensing device | |
| BG112991A (en) | Electronic device with planar magnetic sensitivity | |
| BG112771A (en) | Hall sensor configuration with planar magnetic sensitivity | |
| BG66840B1 (en) | Hall effect sensor with a planar magnetic sensitivity | |
| Lozanova et al. | A Novel In-plane-sensitive Double-Hall Device | |
| BG67250B1 (en) | Hall effect semiconductor device | |
| BG113056A (en) | Integrated hall effect sensor | |
| BG67188B1 (en) | Magneto-sensitive element | |
| BG113356A (en) | Hall effect microsensor with more than one output | |
| BG112115A (en) | A micro-hall sensor with tangential sensitivity | |
| BG66830B1 (en) | In-plane magnetosensitive sensor device | |
| BG67550B1 (en) | Planar magnetosensitive sensor | |
| BG113258A (en) | Magnetosensitive microsensor | |
| BG67136B1 (en) | The hall effect magnetometer | |
| BG67383B1 (en) | In-plane magnetosensitive hall effect device | |
| BG67298B1 (en) | Hall effect sensor with an in-plane sensitivity | |
| BG66804B1 (en) | In-plane magnetosensitive hall effect device | |
| BG66985B1 (en) | A surface-magnetically sensitive hall transformer | |
| BG112676A (en) | Magnetic field sensor |