BG67383B1 - In-plane magnetosensitive hall effect device - Google Patents

Abstract

The in-plane magnetosensitive Hall effect device comprises a current source (1) and a rectangular semiconductor wafer (2) of n-type hopping conduction, on one side of which there are five rectangular ohmic contacts formed in series and at a distance from each other - first (3), second (4), third (5), fourth (6) and fifth (7). The third contact (5) is central, as the first (3) and fifth (7), conversely the second (4) and fourth (6) are symmetrical to it. On the long sides of the second (4) and fourth (6) contacts, near and at equidistant to them, there is a deep p-type zone (8) equal to their length. The terminals of the current source (1) are connected to the second (4) and fourth (6) contact. There are two more measuring amplifiers (9 and 10), as the first (3) and the fifth (7) contact are connected simultaneously either to the non-inverting or only to the inverting inputs of the amplifiers (9 and 10). The other two free inverting or non-inverting inputs of the amplifiers (9 and 10) are connected to each other and simultaneously connected to the contact (5). The outputs of the amplifiers (9 and 10) are connected to the input of a third differential amplifier (11) whose output is an output (12) of the Hall effect device. The measured magnetic field (13) is parallel to both the plain of the wafer (2) and the long sides of the ohmic contacts (3, 4, 5, 6 and 7).

Description

(5 4) РАВНИННО-МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНО УСТРОЙСТВО НА ХОЛ(5 4) HALL'S PLANE MAGNETO-SENSITIVE DEVICE

Област на техникатаField of technique

Изобретението се отнася до равнинно-магниточувствително устройство на Хол, приложимо в областта на роботиката включително роботизираната и минимално инвазивната хирургия; квантовата комуникация; биомедицината и квантовата генетика; сензориката; военното дело и системите за сигурност с изкуствен интелект; геодинамиката и сеизмичното инженерство; безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания; слабополевата магнитометрия; електромобилите и хибридните превозни средства; безпилотните летателни апарати; енергетиката; машиностроенето и автоматизацията на производството; контратероризма в това число подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция; навигацията и др.The invention relates to a planar magnetosensitive Hall device applicable in the field of robotics including robotic and minimally invasive surgery; quantum communication; biomedicine and quantum genetics; sensorics; military affairs and security systems with artificial intelligence; geodynamics and seismic engineering; non-contact measurement of angular and linear displacements; weak-field magnetometry; electric cars and hybrid vehicles; unmanned aerial vehicles; energy; mechanical engineering and production automation; counter-terrorism including underwater, land and air surveillance and prevention; navigation etc.

Предшестващо състояние на техникатаPrior art

Известно е равнинно-магниточувствително устройство на Хол, съдържащо токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с n-тип примесна проводимост. Върху едната страна на подложката последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен, като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрично разположени спрямо него. Единият извод на токоизточника е свързан с централния, а другият - едновременно с първия и петия контакт. Изходът на устройството са вторият и четвъртият контакт, като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, [1-8].A planar magnetosensitive Hall device containing a current source and a rectangular semiconductor substrate with n-type impurity conductivity is known. On one side of the substrate, five rectangular ohmic contacts - first, second, third, fourth and fifth - are formed in parallel and at distances from each other. The third contact is central, with the first and fifth and, respectively, the second and fourth contacts symmetrically located relative to it. One terminal of the current source is connected to the central one, and the other - simultaneously to the first and fifth contacts. The output of the device is the second and fourth contacts, and the measured magnetic field is parallel to the plane of the substrate and to the long sides of the contacts, [1-8].

Недостатък на това равнинно-магниточувствително устройство на Хол е ниската преобразувателна ефективност (магниточувствителност) поради: а) хоризонталното протичане на доминираща част от захранващия ток през зоните на изходните контакти, планарно разположени едновременно със захранващите върху една и съща повърхност на подложката, и б) действието на магнитното поле чрез отклоняващата сила на Лоренц върху хоризонталния ток е незначително, докато чувствителността се генерира от вертикалната токова компонента.A disadvantage of this planar magnetosensitive Hall device is the low conversion efficiency (magnetosensitivity) due to: a) the horizontal flow of a dominant part of the supply current through the areas of the output contacts, planarly located simultaneously with the feeders on the same surface of the substrate, and b) the action of the magnetic field through the deflecting Lorentz force on the horizontal current is negligible, while the susceptibility is generated by the vertical current component.

Недостатък е също високата стойност на паразитното напрежение на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет) по причина на електрическата асиметрия, възникваща от геометрична несъосност в разположението на контактите спрямо централния, неизбежни технологични несъвършенства, механични напрежения при метализацията на чипа и корпусирането му, температурни флуктуации и др.A disadvantage is also the high value of the parasitic voltage at the output in the absence of a magnetic field (offset) due to the electrical asymmetry arising from the geometric misalignment of the contacts relative to the central one, inevitable technological imperfections, mechanical stresses during the metallization of the chip and its casing, temperature fluctuations etc.

Недостатък е още понижената измервателна точност в резултат на ниската чувствителност, високата стойност на офсета и повишеното ниво на собствения 1/f шум от преминаването на хоризонталната компонента на захранващия ток през зоните на изходните (Холовите) контакти.A disadvantage is the reduced measurement accuracy as a result of the low sensitivity, the high value of the offset and the increased level of the own 1/f noise from the passage of the horizontal component of the supply current through the areas of the output (Hall) contacts.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Задача на изобретението е да се създаде равнинно-магниточувствително устройство на Хол с висока чувствителност, редуциран офсет и повишена измервателна точност.The task of the invention is to create a planar magnetosensitive Hall device with high sensitivity, reduced offset and increased measurement accuracy.

Тази задача се решава с равнинно-магниточувствително устройство на Хол, съдържащо токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с n-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен, като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрични спрямо него. Откъм дългите страни на втория и четвъртия контакт, в близост и на равни разстояния до тях има по една дълбока зона с р-тип примесна проводимост, равна на дължината им. Изводите на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт. Има още два измервателни усилватели, като първият и петият контакт са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на усилвателите. Останалите два свободни инвертиращи или съответно неинвертиращи входове на измервателните усилватели са свързани помежду си и едновременно са съединени с централния контакт. Изходите на усилвателите са свързани с входа на трети диференциален усилвател, чийто изход е изходът на устройството на Хол. Измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите.This task is solved with a planar magnetosensitive Hall device containing a current source and a rectangular semiconductor substrate with n-type impurity conductivity, on one side of which five rectangular ohmic contacts - first, second, third - are formed sequentially and at distances from each other in parallel , fourth and fifth. The third contact is central, and the first and fifth, and respectively the second and fourth contacts are symmetrical with respect to it. On the long sides of the second and fourth contacts, near and equidistant from them, there is each a deep zone of p-type impurity conductivity equal to their length. The leads of the current source are connected to the second and fourth contacts. There are two more measurement amplifiers, with the first and fifth pins connected simultaneously to only the non-inverting or only the inverting inputs of the amplifiers. The remaining two free inverting or non-inverting inputs of the measuring amplifiers are interconnected and simultaneously connected to the central contact. The outputs of the amplifiers are connected to the input of a third differential amplifier whose output is the output of the Hall device. The measured magnetic field is parallel to the plane of the substrate and to the long sides of the contacts.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на: а) силно редуцираните хоризонтални компоненти на захранващия ток в приповърхностната област на подложката от формираните дълбоки р -тип зони откъм дългите страни на втория и четвъртия контакт, дефиниращи проникване на захранващия ток дълбоко в обема на структурата и способстващи за доминиране на магнитноуправляемите вертикални компонети, и б) изходното напрежение на устройството е удвоено, тъй като генерираните еднакви по стойност, но с противоположен знак напрежения на изходите на двата измервателни усилватели се изваждат алгебрично чрез третия диференциален усилвател.An advantage of the invention is the high magnetic sensitivity as a result of: a) the highly reduced horizontal components of the supply current in the subsurface region of the substrate from the deep p-type zones formed on the long sides of the second and fourth contacts, defining a penetration of the supply current deep into the volume of the structure and contributing to the dominance of the magnetically controlled vertical components, and b) the output voltage of the device is doubled because the generated equal-value but opposite-sign voltages at the outputs of the two measurement amplifiers are subtracted algebraically by the third differential amplifier.

Предимство е също драстично редуцираният остатъчен офсет на изхода на устройството на Хол, тъй като двете индивидуални офсет-напрежения между двойките контакти - първи и централен, и съответно централен и пети контакт са почти еднакви по стойност и с един и същ знак и чрез третия диференциален усилвател се изваждат.An advantage is also the drastically reduced residual offset at the output of the Hall device, since the two individual offset-voltages between the pairs of contacts - first and central, and respectively central and fifth contact are almost the same in value and with the same sign and through the third differential amplifier are removed.

Предимство е още нарастналото отношение сигнал/шум в резултат от редуцирания собствен (фликер) 1/f шум чрез сензорната конструкция, минимизираща хоризонталните компоненти на захранващия ток с помощта на дълбоките р-тип зони, ограждащи втория и четвъртия контакти.A further advantage is the increased signal-to-noise ratio as a result of reduced inherent (flicker) 1/f noise through the sensor design minimizing the horizontal components of the supply current using the deep p-type zones surrounding the second and fourth contacts.

Предимство е и повишената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция B_mn в резултат на увеличеното отношение сигнал/шум посредством високата чувствителност и редуцираните офсет и (фликер) 1/f шум.An advantage is also the increased resolution when measuring the minimum magnetic induction B _mn as a result of the increased signal-to-noise ratio through the high sensitivity and reduced offset and (flicker) 1/f noise.

Предимство освен това е и нарастналата измервателна точност поради високата чувствителност и редуцираните офсет и (фликер) 1/f шум.Another advantage is the increased measurement accuracy due to the high sensitivity and reduced offset and (flicker) 1/f noise.

Предимство е още минимизираният температурен дрейф на изхода на устройството от перфектно съгласуваните изходни напрежения от формираните два функционално -интегрирани в обща преобразувателна зона на подложката четириконтактни елементи на Хол.Another advantage is the minimized temperature drift at the output of the device from the perfectly matched output voltages formed by the two functionally-integrated four-contact Hall elements in a common conversion area of the pad.

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 explained in more detail with an exemplary embodiment given in the attached figure 1.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of implementation of the invention

Равнинно-магниточувствителното устройство на Хол съдържа токоизточник 1 и правоъгълна полупроводникова подложка 2 с n-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакти - първи 3, втори 4, трети 5, четвърти 6 и пети 7. Третият контакт 5 е централен като първият 3 и петият 7, и съответно вторият 4 и четвъртият 6 контакти са симетрични спрямо него. Откъм дългите страни на втория 4 и четвъртия 6 контакт, в близост и на равни разстояния до тях има по една дълбока зона 8 с р -тип примесна проводимост, равна на дължината им. Изводите на токоизточника 1 са свързани с втория 4 и четвъртия 6 контакт. Има още два измервателни усилватели 9 и 10 като първият 3 и петият 7 контакт са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на усилвателите 9 и 10. Останалите два свободни инвертиращи или съответно неинвертиращи входове на усилватели 9 и 10 са свързани помежду си и едновременно са съединени с централния контакт 5. Изходите на усилватели 9 и 10 са свързани с входа на трети диференциален усилвател 11, чийто изход е изходът 12 на устройството на Хол. Измерваното магнитно поле 13 е успоредно на равнината на подложката 2 и на дългите страни на контактите 3, 4, 5, 6 и 7.The planar magnetosensitive Hall device contains a current source 1 and a rectangular semiconductor substrate 2 with n-type impurity conductivity, on one side of which five rectangular ohmic contacts are formed in parallel in sequence and at distances from each other - first 3, second 4, third 5, fourth 6 and fifth 7. The third contact 5 is central like the first 3 and fifth 7, and accordingly the second 4 and fourth 6 contacts are symmetrical to it. On the long sides of the second 4 and fourth 6 contacts, near and at equal distances to them, there is one deep zone 8 with p-type impurity conductivity equal to their length. The terminals of the current source 1 are connected to the second 4 and the fourth 6 contacts. There are two more measuring amplifiers 9 and 10, with the first 3 and the fifth 7 contact connected simultaneously only to the non-inverting or respectively only to the inverting inputs of amplifiers 9 and 10. The remaining two free inverting or respectively non-inverting inputs of amplifiers 9 and 10 are connected to each other and are simultaneously connected to the central contact 5. The outputs of amplifiers 9 and 10 are connected to the input of a third differential amplifier 11, the output of which is the output 12 of the Hall device. The measured magnetic field 13 is parallel to the plane of the substrate 2 and to the long sides of the contacts 3, 4, 5, 6 and 7.

Действието на равнинно-магниточувствителното устройство на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на контакти 4 и 6 към токоизточника 1, в областите на подложката 2 под тях протичат две равни и с противоположен знак компоненти I₄ и - I₆ на захранващия ток I₄,6, |I₄| = |-I₆|. Омичните контакти 4 и 6 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 13, В = 0, компонентите I₄ и - I₆ през тях са винаги перпендикулярни спрямо горната страна на подложката 2, прониквайки дълбоко в обема й. Токът I₄,₆ в останалата част от обема е успореден на горната страна на структурата 2. Следователно токовата траектория I₄,₆ е нелинейна. Ограждащите дълбоки р-тип зони 8, които са със същата дължина, като дългите страни на захранващите контакти 4 и 6 съществено ограничават протичане на хоризонтални токови компоненти по повърхността на подложката 2. Обикновено, съобразно използваната силициева технология, дълбочината на р -зоните 8 може да варира до около 12-15 μm. В резултат проникването w на токовите линии I₄,₆ при концентрация на легиращата донорна примес ND в n-тип Si, ND = no ~ 10¹⁵ cm^-3 съставлява около w ~ 30 - 40 μm. Същевременно подложка 2 с контакти 3, 4, 5 и 6, и съответно 4, 5, 6 и 7 със захранващия ток I₄,₆ обуславят два функционалноинтегрирани равнинно -магниточувствителни елементи на Хол с по четири контакта, илюстрирани на фигура 1, показваща напречното сечение на подложката 2 с контакти 3, 4, 5, 6 и 7. Този клас микросензори са създадени и развити от Ч. Руменин, [5-10].The action of the planar magnetosensitive Hall device according to the invention is as follows. When connecting contacts 4 and 6 to the current source 1, two equal and oppositely sign components I ₄ and - I ₆ of the supply current I ₄ ,6, |I ₄ | = |-I ₆ |. Ohmic contacts 4 and 6 represent equipotential planes to which, in the absence of an external magnetic field B 13, B = 0, the components I ₄ and - I ₆ through them are always perpendicular to the upper side of the substrate 2, penetrating deep into its volume. The current I ₄ , ₆ in the rest of the volume is parallel to the upper side of the structure 2. Therefore, the current trajectory I ₄ , ₆ is non-linear. The surrounding deep p-type regions 8, which are of the same length as the long sides of the power contacts 4 and 6, substantially limit the flow of horizontal current components on the surface of the substrate 2. Usually, according to the silicon technology used, the depth of the p-type regions 8 can to vary up to about 12-15 μm. As a result, the penetration w of the current lines I ₄ , ₆ at a concentration of the doping donor impurity ND in n-type Si, ND = no ~ 10 ¹⁵ cm ^-3 constitutes about w ~ 30 - 40 μm. At the same time, pad 2 with contacts 3, 4, 5 and 6, and respectively 4, 5, 6 and 7 with the supply current I ₄ , ₆ condition two functionally integrated planar magnetosensitive Hall elements with four contacts each, illustrated in figure 1, showing the cross section of the pad 2 with contacts 3, 4, 5, 6 and 7. This class of microsensors was created and developed by Ch. Rumenin, [5-10].

При наличие на външно магнитно поле В 13, В ^ 0, успоредно на подложката 2 и контакти 3, 4, 5, 6 и 7 възниква странична дефлекция на вертикалните токови компоненти I₄ и I₆ под контакти 4 и 6, генерирана от силата на Лоренц FL,i = qVdr х В, където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се електрони. Ето защо върху горната равнина на подложката 2, в зоните с електроди 3 и 7 се генерират Холови потенциали V_H3(B) и V_H7(B). Важна особеност е, че тези потенциали са с един и същ знак. В резултат на Лоренцовото отклонение от силата FL,i, в зависимост от посоките на тока I₄,₆ и на магнитното поле В 13, нелинейната траектория I₄,₆ се “свива” или “разширява”. По тази причина върху централния контакт 5 се генерира Холов потенциал - V_H5(B), противоположен по знак на потенциалите V_H3 (B) и V_H7(B). Фактически измерваното магнитно поле В 13 нарушава електрическата симетрия на токовата траектория I4,6 спрямо централния контакт 5. По тази причина върху диференциалните изходи на двата функционално-интегрирани четириконтактни елементи на Хол възникват две напрежения V₃,₅(В) и - V₅,₇(B). Особеност на решението от фигура 1 е, че централният контакт 5 е общ за двете напрежения на Хол. Тези сигнали са линейни и нечетни от силата на тока I4,6 и магнитното поле В 13, и са с противоположна полярност. Следва да се отбележи, че към изходните напрежения се включват паразитните офсети VH3,5(0) и VH5,7(0) в отсъствие на магнитно поле В 13, В = 0. Предвид обаче: 1. високата прецизност на интегралните микроелектронни технологии и геометричната симетрия на сензорната конфигурация от фигура 1 спрямо контакт 5, и 2. фактът, че офсетите се генерират от една и съща преобразувателна област в подложката 2, паразитните напрежения V_H3d0) и V_H5,₇(0) са с един и същ знак и са почти равни по стойност. Така техните термични дрейфове при изменение на температурата Т са перфектно съгласувани, т. е. термичното им поведение е еднакво. Подаването на сигналите V₃,₅(B) и - V₅,₇(B) на входовете на двата измервателни усилватели 9 и 10 осъществява схемно развързване на изходите на така формираните две четириконтактни сензорни архитектури, минимизирайки драстично взаимното им влияние. Също така е възможно при необходимост с измервателните усилватели 9 и 10 да се усилят напреженията на Хол V₃,₅(B) и - V₅,₇(B). Условието първият 3 и петият 7 контакт да са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на усилватели 9 и 10 е продиктувано от изискването за еднозначно запазване на полярностите на напреженията на изходите на усилватели 9 и 10 с тези на Холовите сигнали V₃,₅(B) и - V₅,₇(B), подадени на техните входове. Останалите два свободни инвертиращи или неинвертиращи входове на усилватели 9 и 10 са едновременно свързани с централния контакт 5, който е общ за двете напрежения V₃,₅(B) и - V₅,₇(B). Чрез диференциалния усилвател 11 напреженията от двата усилвателя 9 и 10 се изваждат:In the presence of an external magnetic field B 13, B ^ 0, parallel to the pad 2 and contacts 3, 4, 5, 6 and 7, a lateral deflection of the vertical current components I ₄ and I ₆ under contacts 4 and 6 occurs, generated by the force of Lorentz FL,i = qVdr x B, where q is the elementary charge of the electron, and Vdr is the average drift velocity vector of the moving electrons. Therefore, on the upper plane of the substrate 2, in the areas with electrodes 3 and 7, Hall potentials V _H3 (B) and V _H7 (B) are generated. An important feature is that these potentials have the same sign. As a result of the Lorentz deviation from the force FL,i, depending on the directions of the current I ₄ , ₆ and of the magnetic field B 13 , the nonlinear trajectory I ₄ , ₆ "shrinks" or "expands". For this reason, a Hall potential - V _H5 (B), opposite in sign to the potentials V _H3 (B) and V _H7 (B), is generated on the central contact 5. The actually measured magnetic field B 13 breaks the electrical symmetry of the current trajectory I4,6 with respect to the central contact 5. For this reason, two voltages V ₃ , ₅ (B) and - V ₅ arise on the differential outputs of the two functionally integrated four-contact Hall elements. ₇ (B). A feature of the solution in figure 1 is that the central contact 5 is common to both Hall voltages. These signals are linear and odd from the current strength I4,6 and the magnetic field B13, and are of opposite polarity. It should be noted that the parasitic offsets VH3,5(0) and VH5,7(0) are included in the output voltages in the absence of a magnetic field B 13, B = 0. Considering, however: 1. the high precision of integrated microelectronic technologies and the geometric symmetry of the sensor configuration of figure 1 with respect to pin 5, and 2. the fact that the offsets are generated by the same conversion region in pad 2, the parasitic voltages V _H3 d0) and V _H5 , ₇ (0) are of the same sign and are almost equal in value. Thus, their thermal drifts when changing the temperature T are perfectly matched, i.e. their thermal behavior is the same. Applying the signals V ₃ , ₅ (B) and - V ₅ , ₇ (B) to the inputs of the two measuring amplifiers 9 and 10 realizes a schematic decoupling of the outputs of the two four-pin sensor architectures thus formed, drastically minimizing their mutual influence. It is also possible, if necessary, to amplify the Hall voltages V ₃ , ₅ (B) and - V ₅ , ₇ (B) with the measuring amplifiers 9 and 10. The condition that the first 3 and the fifth 7 contacts are simultaneously connected only to the non-inverting or, respectively, only to the inverting inputs of amplifiers 9 and 10 is dictated by the requirement to unambiguously preserve the polarities of the voltages at the outputs of amplifiers 9 and 10 with those of the Hall signals V ₃ , ₅ (B) and - V ₅ , ₇ (B) fed to their inputs. The remaining two free inverting or non-inverting inputs of amplifiers 9 and 10 are simultaneously connected to the central contact 5, which is common to the two voltages V ₃ , ₅ (B) and - V ₅ , ₇ (B). Through the differential amplifier 11, the voltages from the two amplifiers 9 and 10 are subtracted:

V3,5 - V5,7 = (V3,5(B)) - (- V5,7(B)) = 2Vh(B) = V12(B).V3.5 - V5.7 = (V3.5(B)) - (- V5.7(B)) = 2Vh(B) = V12(B).

Съгласно този резултат, чрез изваждане на Холовите сигнали V₃,₅ и - V₅,₇ след усилватели 9 и 10, напрежението на изхода V_H(B) = V₁₂(B) 12 на диференциалния усилвател 11 е удвоено 2V_H(B), (приема се, че коефициентите на усилване на усилватели 9 и 10 са равни на 1). Следователно чувствителността S на устройството на Хол, освен че е увеличена от оригиналната конструкция, съдържаща р-тип зони 8, дефиниращи магнитноуправляемите вертикални компоненти на тока I₄,6, тя е и удвоена в сравнение с известното решение. Допълнително нарастващо въздействие върху преобразувателната ефективност S оказва и откритият неотдавна магнитноуправляем повърхностен ток в полупроводниците, [11]. Всичко това води едновременно до съществено нарастване на измервателната точност. При това ако в напреженията V₃,₅ и V₅,₇ има паразитни офсети, те също се изваждат, но тъй като те са с един и същ знак и практически са равни по стойност, остатъчният офсет V_off (0) = V₁₂(0) на изхода 12 е драстично редуциран. Предвид силното минимизиране на офсета и ограничаването на протичане на повърхностен ток през областите на изходните контакти 3, 5 и 7, собственият (фликер) 1/f шум от двата канала V₃,₅ и - V₅,₇ се намалява. В резултат на високата чувствителност S съществено се увеличава отношението сигнал/шум на изхода 12. Ето защо резолюцията за детектиране на минималната магнитна индукция B_mn рязко нараства. Описаните положителни фактори също така водят до повишаване на важната сензорна характеристика измервателна точност в резултат (също чрез високата чувствителност и редуцираните офсет и фликер 1/f шум).According to this result, by subtracting the Hall signals V ₃ , ₅ and - V ₅ , ₇ after amplifiers 9 and 10, the output voltage V _H (B) = V ₁₂ (B) 12 of the differential amplifier 11 is doubled 2V _H (B ), (it is assumed that the gain coefficients of amplifiers 9 and 10 are equal to 1). Therefore, the sensitivity S of the Hall device, in addition to being increased by the original design containing p-type zones 8 defining the magnetically controlled vertical components of the current I ₄ , 6 , is also doubled compared to the known solution. The recently discovered magnetically controlled surface current in semiconductors has an additional increasing impact on the conversion efficiency S, [11]. All this simultaneously leads to a significant increase in measurement accuracy. At the same time, if there are parasitic offsets in the voltages V ₃ , ₅ and V ₅ , ₇ , they are also subtracted, but since they are of the same sign and practically equal in value, the residual offset V _off (0) = V ₁₂ (0) at output 12 is drastically reduced. Due to the strong minimization of the offset and the limitation of surface current flow through the output contact areas 3, 5 and 7, the inherent (flicker) 1/f noise from the two channels V ₃ , ₅ and - V ₅ , ₇ is reduced. As a result of the high sensitivity S, the signal-to-noise ratio of the output 12 is significantly increased. Therefore, the resolution for detecting the minimum magnetic induction B _mn increases sharply. The described positive factors also lead to an increase in the important sensor characteristic measurement accuracy as a result (also through the high sensitivity and reduced offset and flicker 1/f noise).

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение от фигура 1 е оригиналната му конструкция, реализираща два еднакви функционално-интегрирани в обща преобразувателна зона четириконтактни елементи на Хол. При това с един и същ захранващ ток се генерират две отделни напрежения на Хол с противоположен знак, които се алгебрично сумират. Действието на така формираната сензорна система надгражда и обуславя нови положителни свойства, отсъстващи преди това. Чрез усилвателите 9, 10 и 11 се извлича цялостно метрологичната информация за магнитното поле В 13, повишавайки значително перформанса на устройството.The unexpected positive effect of the new technical solution from figure 1 is its original design, realizing two identical functionally-integrated four-contact Hall elements in a common conversion zone. In this case, with the same supply current, two separate Hall voltages with opposite signs are generated, which are added algebraically. The action of the sensory system formed in this way builds up and conditions new positive properties that were absent before. Through the amplifiers 9, 10 and 11, the metrological information about the magnetic field B 13 is completely extracted, significantly increasing the performance of the device.

Интегралната микроелектронна технология позволява всички компоненти, свързани с новото устройство на Хол, включително усилватели 9, 10 и 11 да се реализират върху общ силициев чип, образуващи интелигентна микросистема (MEMS), [1, 4, 5, 6]. Най- подходяща е реализацията с CMOS,Integrated microelectronic technology allows all components related to the new Hall device, including amplifiers 9, 10 and 11 to be implemented on a common silicon chip forming an intelligent microsystem (MEMS), [1, 4, 5, 6]. The CMOS implementation is most suitable,

BiCMOS или микромашининг технологии като преобразувателната зона представлява дълбок n-тип правоъгълен джоб 2. Функционирането на предложения микропреобразувател е възможно в широк температурен интервал, включително в криогенна среда. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и контратероризма, сензорът от фигура 1 може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 13 от ферит или μ-метал. Чрез надграждане новото устройство позволява създаването на многофункционални двумерни 2D и тримерни 3D микросистеми за прецизно измерване на компонентите на магнитния вектор В (В_х, В_у, B_z).BiCMOS or micromachining technologies such as the conversion area is a deep n-type rectangular pocket 2. The operation of the proposed microconverter is possible in a wide temperature range, including in a cryogenic environment. For even higher sensitivity for weak-field magnetometry and counterterrorism purposes, the sensor of Figure 1 can be located between two identical oblong magnetic field concentrators B 13 of ferrite or μ-metal. By upgrading, the new device allows the creation of multifunctional two-dimensional 2D and three-dimensional 3D microsystems for precise measurement of the components of the magnetic vector B (B _x , B _y , B _z ).

Claims (1)

Равнинно-магниточувствително устройство на Хол, съдържащо токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с n-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, като третият контакт е централен, а първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрични спрямо него, а измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, характеризиращо се с това, че откъм дългите страни на втория (4) и четвъртия (6) контакт, в близост и на равни разстояния до тях има по една дълбока зона (8) с р-тип примесна проводимост, равна на дължината им, като изводите на токоизточника (1) са свързани с втория (4) и четвъртия (6) контакт, има още два измервателни усилватели (9) и (10), като първият (3) и петият (7) контакт са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на усилватели (9) и (10), а останалите два свободни инвертиращи или съответно неинвертиращи входове на усилвателите (9) и (10) са свързани помежду си и едновременно са съединени с централния контакт (5), като изходите на усилвателите (9) и (10) са свързани с входа на трети диференциален усилвател (11), чийто изход е изходът (12) на устройството на ХолA planar magnetic-magnetic Hall device comprising a current source and a rectangular semiconductor substrate with n-type impurity conductivity, on one side of which five rectangular ohmic contacts are formed in series and at a distance from each other - first, second, third, fourth and fifth, the third contact being central and the first and fifth and the second and fourth contacts respectively being symmetrical thereto, and the measured magnetic field being parallel to the plane of the substrate and to the long sides of the contacts, characterized in that the long sides of the second (4) and the fourth (6) contact, near and at equal distances to them there is a deep zone (8) with p-type impurity conductivity equal to their length, as the terminals of the current source (1) are connected to the second ( 4) and the fourth (6) contact, there are two more measuring amplifiers (9) and (10), as the first (3) and the fifth (7) contact are connected simultaneously only with the non-inverting or respectively only with the inverting inputs of amplifiers (9) and (10), and the other two free inverting or respectively non-inverting inputs of amplifiers (9) and (10) are connected to each other and simultaneously connected to the central contact (5), as the outputs of amplifiers (9) ) and (10) are connected to the input of a third differential amplifier (11), the output of which is the output (12) of the Hall device