BG113284A

BG113284A - Magnetosensitive device

Info

Publication number: BG113284A
Application number: BG113284A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2022-06-15
Also published as: BG67509B1

Abstract

Магниточувствителното устройство съдържа четири идентични полупроводникови квадратни подложки, разположени в една равнина с n-тип примесна проводимост - първа (1), втора (2), трета (3) и четвърта (4). Върху едната страна на всяка от подложките (1, 2, 3 и 4), в ъгловите й зони е формиран по един омичен контакт - по часовниковата стрелка последователно първи (5, 6, 7 и 8), втори (9, 10, 11 и 12), трети (13, 14, 15 и 16) и четвърти (17, 18, 19 и 20), като първите (5, 6, 7 и 8) и третите (13, 14, 15 и 16), и съответно вторите (9, 10, 11 и 12), и четвъртите (17, 18, 19 и 20) контакти са срещуположни. Първите контакти (5 и 7) на първата (1) и третата (3) подложка са свързани с изводите на токоизточник (21), независимо генератор на ток или генератор на напрежение. Вторият контакт (9) на първата подложка (1) е съединен с третия контакт (16) на четвъртата (4), четвъртият контакт (17) на първата (1) подложка - с първия контакт (6) на втората (2) подложка, третият контакт (14) на втората (2) подложка е свързан с втория контакт (11) на третата (3) подложка, а четвъртият контакт (19) на третата подложка (3) е съединен с първия контакт (8) на четвъртата (4) подложка, вторите контакти (10 и 12) на втората (2) и четвъртата (4) подложка, и съответно четвъртите контакти (18 и 20) на втората (2) и четвъртата (4) подложка са диференциалните изходи (22 и 23) на структурата, а измерваното магнитно поле (24) е перпендикулярно на равнината на подложките (1, 2, 3 и 4).The magnetosensitive device contains four identical semiconductor square pads arranged in one plane with n-type impurity conductivity - first (1), second (2), third (3) and fourth (4). On one side of each of the pads (1, 2, 3 and 4), in its corner areas, one ohmic contact is formed - clockwise sequentially first (5, 6, 7 and 8), second (9, 10, 11 and 12), third (13, 14, 15 and 16) and fourth (17, 18, 19 and 20), as the first (5, 6, 7 and 8) and third (13, 14, 15 and 16), and respectively, the second (9, 10, 11 and 12) and fourth (17, 18, 19 and 20) contacts are opposite. The first contacts (5 and 7) of the first (1) and third (3) pads are connected to the terminals of a current source (21), regardless of whether it is a current generator or a voltage generator. The second contact (9) of the first pad (1) is connected to the third contact (16) of the fourth (4), the fourth contact (17) of the first (1) pad - to the first contact (6) of the second (2) pad, the third contact (14) of the second (2) pad is connected to the second contact (11) of the third (3) pad, and the fourth contact (19) of the third pad (3) is connected to the first contact (8) of the fourth (4) ) pad, the second contacts (10 and 12) of the second (2) and fourth (4) pads, and respectively the fourth contacts (18 and 20) of the second (2) and fourth (4) pads are the differential outputs (22 and 23) of the structure, and the measured magnetic field (24) is perpendicular to the plane of the pads (1, 2, 3 and 4).

Description

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНО УСТРОЙСТВОMAGNETO SENSITIVE DEVICE

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАFIELD OF ENGINEERING

Изобретението се отнася до магниточувствително устройство, приложимо в областта на сензориката; роботиката и мехатрониката; безконтактната автоматика включително дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; микро- и нано-технологиите; квантовата комуникация; навигацията; медицината в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия; 3D телемедицината и лапароскопията; системите за сигурност с изкуствен интелект; космическите изследвания; контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия; електромобилите и хибридните превозни средства; енергетиката; контратероризма, военното дело и др.The invention relates to a magnetically sensitive device applicable in the field of sensors; robotics and mechatronics; contactless automation, including the remote measurement of angular and linear displacements; micro- and nano-technologies; quantum communication; navigation; medicine, including robotic and minimally invasive surgery; 3D telemedicine and laparoscopy; artificial intelligence security systems; space exploration; control and measurement technique and weak-field magnetometry; electric cars and hybrid vehicles; energy; counterterrorism, military affairs, etc.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАPRIOR ART

Известно е магниточувствително устройство, съдържащо полупроводникова квадратна подложка с /z-тип примесна проводимост, върху едната страна на която в ъгловите й зони е формиран по един омичен контакт. Два срещуположни контакта са свързани с източник на постоянен ток, а другите два са диференциалният изход на устройството като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, [1-10].A magnetosensitive device is known, containing a semiconducting square pad with /z-type impurity conductivity, on one side of which one ohmic contact is formed in its corner zones. Two opposite contacts are connected to a DC source, and the other two are the differential output of the device, with the measured magnetic field perpendicular to the substrate plane, [1-10].

Недостатък на това магниточувствително устройство е понижената му измервателна точност поради високата стойност на офсета (паразитното изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле) в резултат на електрическата асиметрия, причинена основно от геометрична несъосност в разположението на контактите спрямо центъра на квадратната подложка по технологични причини - неминуеми несъвършенства в легирането, несъосност на маските при фотолитографията, механични напрежения найчесто от метализацията и корпусирането на чипа, температурни градиенти и флуктуации, стареене и др.A disadvantage of this magnetosensitive device is its reduced measurement accuracy due to the high value of the offset (parasitic output voltage in the absence of a magnetic field) as a result of the electrical asymmetry, caused mainly by a geometrical misalignment in the location of the contacts relative to the center of the square pad for technological reasons - unavoidable imperfections in alloying, misalignment of masks in photolithography, mechanical stresses mostly from the metallization and casing of the chip, temperature gradients and fluctuations, aging, etc.

Недостатък е също схемното ограничение, налагащо устройството да функционира в режим генератор на постоянен захранващ ток за постигане на висока магниточувствителност (преобразувателна ефективност), тъй като областта между двата захранващи контакта е еквивалентна на резистор и ако режимът е генератор на постоянно напрежение, който е поразпространеният в схемотехниката, чувствителността е пропорционална на това съпротивление, а в серийно произвежданите образци то е ниско, а от тук и преобразувателната ефективност в този режим е също малка.A disadvantage is also the circuit limitation requiring the device to operate in DC generator mode to achieve high magnetosensitivity (conversion efficiency), since the area between the two supply contacts is equivalent to a resistor and if the mode is DC voltage generator, which is the more common in circuit engineering, the sensitivity is proportional to this resistance, and in mass-produced samples it is low, and hence the conversion efficiency in this mode is also small.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE

Задача на изобретението е да се създаде магниточувствително устройство с минимален офсет и висока чувствителност, независимо от режима му на захранване.The task of the invention is to create a magnetosensitive device with minimal offset and high sensitivity, regardless of its power supply mode.

Тази задача се решава с магниточувствително устройство, съдържащо четири идентични полупроводникови квадратни подложки, разположени в една равнина с п-тип примесна проводимост - първа, втора, трета и четвърта. Върху едната страна на всяка от подложките в ъгловите й зони е формиран по един омичен контакт — по часовниковата стрелка последователно първи, втори, трети и четвърти като първите и третите, и съответно вторите и четвъртите контакти са срещуположни. Първите контакти на първата и третата подложка са свързани с изводите на токоизточник, независимо генератор на ток или генератор на напрежение. Вторият контакт на първата подложка е съединен с третия контакт на четвъртата, четвъртият контакт на първата - с първия контакт на втората подложка, третият контакт на втората е свързан с втория контакт на третата подложка, а четвъртият контакт на третата подложка е съединен с първия контакт на четвъртата. Вторите контакти на втората и четвъртата подложка, и съответно четвъртите контакти на втората и четвъртата подложка са диференциалните изходи на устройството, а измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложките.This task is solved with a magnetosensitive device containing four identical semiconductor square pads located in one plane with n-type impurity conductivity - first, second, third and fourth. One ohmic contact is formed on one side of each of the pads in its corner areas - clockwise in sequence first, second, third and fourth as the first and third, and respectively the second and fourth contacts are opposite. The first contacts of the first and third pads are connected to the terminals of a current source, whether a current generator or a voltage generator. The second contact of the first pad is connected to the third contact of the fourth, the fourth contact of the first - to the first contact of the second pad, the third contact of the second is connected to the second contact of the third pad, and the fourth contact of the third pad is connected to the first contact of the fourth. The second contacts of the second and fourth pads, and respectively the fourth contacts of the second and fourth pads are the differential outputs of the device, and the measured magnetic field is perpendicular to the plane of the pads.

Предимство на изобретението е силно редуцираното паразитно изходно напрежение (офсет) на устройството поради оригиналното свързване на контактите на четирите идентични подложки, водещо до окъсяване на неминуемите в тях паразитни потенциали чрез протичане на компенсиращи токове, изравняващи в достатъчна степен електрическите условия в отсъствие на магнитно поле, включително в зоните на двойките изходни контакти.An advantage of the invention is the highly reduced parasitic output voltage (offset) of the device due to the original connection of the contacts of the four identical pads, leading to shortening of the inevitable parasitic potentials in them by the flow of compensating currents, which sufficiently equalize the electrical conditions in the absence of a magnetic field , including in the areas of the pairs of output contacts.

Предимство е така също високата чувствителност (преобразувателна ефективност), независимо от вида на токоизточника - генератор на напрежение или генератор на ток, но и в резултат на възникване в магнитно поле на допълнителни със съответната полярност (знак) потенциали на Хол върху контактите на първата и третата подложка, което води до усилване на изходните напрежения.The advantage is also the high sensitivity (transformation efficiency), regardless of the type of current source - voltage generator or current generator, but also as a result of the occurrence in a magnetic field of additional Hall potentials with the corresponding polarity (sign) on the contacts of the first and the third pad, resulting in an amplification of the output voltages.

Предимство е и увеличената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция, поради високата чувствителност и минимизирания офсет едновременно с повишеното отношението сигнал/шум на структурата, осигуряващи по-детайлно картографиране на равнинната и пространствената топология на магнитното поле.An advantage is also the increased resolution when measuring the minimum magnetic induction, due to the high sensitivity and minimized offset simultaneously with the increased signal-to-noise ratio of the structure, providing more detailed mapping of the planar and spatial topology of the magnetic field.

Предимство е още пълната технологична съвместимост чрез еднотипни физикохимични процеси на силициевите интегрални технологии, използвани в микроелектрониката за реализация изцяло на четирите части на магниточувствителното устройство.Another advantage is the complete technological compatibility through the same type of physicochemical processes of the silicon integral technologies used in microelectronics for the implementation of all four parts of the magnetosensitive device.

Предимство е и повишената измервателна точност на структурата поради съществено минимизирания паразитен офсет и високата магниточувствителност.An advantage is the increased measurement accuracy of the structure due to the significantly minimized parasitic offset and high magnetic sensitivity.

Предимство освен това е и наличието на два независими изхода, позволяващи получаване на рекордно високи стойности на изходните сигнали и допълнително потискане на офсетите при алгебричното им сумиране с операционни усилватели, което разширява обхвата на приложимост преди всичко във високоточната магнитометрия.Another advantage is the presence of two independent outputs, allowing obtaining record high values of the output signals and additional suppression of offsets during their algebraic summation with operational amplifiers, which expands the scope of applicability above all in high-precision magnetometry.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURES

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕIMPLEMENTATION EXAMPLES

Магниточувствителното устройство съдържа четири идентични полупроводникови квадратни подложки, разположени в една равнина с и-тип примесна проводимост - първа 1, втора 2, трета 3 и четвърта 4. Върху едната страна на всяка от подложките 1, 2, 3 и 4, в ъгловите й зони е формиран по един омичен контакт - по часовниковата стрелка последователно първи 5, 6, 7 и 8, втори 9, 10, 11 и 12, трети 13, 14, 15 и 16, и четвърти 17, 18, 19 и 20 като първите 5, 6, 7 и 8, и третите 13, 14, 15 и 16, и съответно вторите 9, 10, 11 и 12, и четвъртите 17, 18, 19 и 20 са срещуположни. Първите контакти 5 и 7 на първата 1 и третата 3 подложка са свързани с изводите на токоизточник 21, независимо генератор на ток или генератор на напрежение. Вторият контакт 9 на първата подложка 1 е съединен с третия контакт 16 на четвъртата 4, четвъртият контакт 17 на първата 1 - с първия контакт 6 на втората 2 подложка, третият контакт 14 на втората 2 е свързан с втория контакт 11 на третата 3, а четвъртият контакт 19 на третата подложка 3 е съединен с първия контакт 8 на четвъртата 4. Вторите контакти 10 и 12 на втората 2 и четвъртата 4 подложка, и съответно четвъртите контакти 18 и 20 на втората 2 и четвъртата 4 подложка са диференциалните изходи 22 и 23 на устройството, а измерваното магнитно поле 24 е перпендикулярно на равнината на подложките 1, 2, 3 и 4.The magnetosensitive device contains four identical semiconductor square pads arranged in one plane with i-type impurity conductivity - first 1, second 2, third 3 and fourth 4. On one side of each of the pads 1, 2, 3 and 4, in its corners zones is formed by one ohmic contact - clockwise sequentially first 5, 6, 7 and 8, second 9, 10, 11 and 12, third 13, 14, 15 and 16, and fourth 17, 18, 19 and 20 as the first 5, 6, 7 and 8, and the thirds 13, 14, 15 and 16, and respectively the second 9, 10, 11 and 12, and the fourth 17, 18, 19 and 20 are opposite. The first contacts 5 and 7 of the first 1 and the third 3 pad are connected to the terminals of the current source 21, regardless of whether it is a current generator or a voltage generator. The second contact 9 of the first pad 1 is connected to the third contact 16 of the fourth 4, the fourth contact 17 of the first 1 - to the first contact 6 of the second 2 pad, the third contact 14 of the second 2 is connected to the second contact 11 of the third 3, and the fourth contact 19 of the third pad 3 is connected to the first contact 8 of the fourth 4. The second contacts 10 and 12 of the second 2 and the fourth 4 pad, and respectively the fourth contacts 18 and 20 of the second 2 and the fourth 4 pad are the differential outputs 22 and 23 of the device, and the measured magnetic field 24 is perpendicular to the plane of the pads 1, 2, 3 and 4.

Действието на магниточувствителното устройство, съгласно изобретението, е следното. След включване на контакти 5 и 7 към токоизточника 21 при осъществени електрически връзки между контактите 9 - 16, 17 - 6, 14 - 11 и 19 - 8 на полупроводниковите подложки 1, 2, 3 и 4, протичат токови компоненти /_5ιι₇, /5 9, /17,6, /5,14, Лддь -69,7, А, 16 и 716,8· Тяхната сума се равнява на тока /₅ = /₇, Фигура 1. Реализираните по този начин връзки са причина посоките на токовите компоненти вътре в самите подложки 1 и 3, и съответно 2 и 4 да са противоположни. Наличието на последователно съединените подложки 1, 2, 3 и 4 обезпечава високо по стойност общо вътрешно съпротивление Rj_nt на конфигурацията. Следователно това е предпоставка за функциониране на устройството от Фигура 1 както в режим на постоянно напрежение V₂i = const, така и в режим генератор на ток /₂i = const, преодолявайки ограничението на съществуващото техническо решение.The action of the magnetosensitive device according to the invention is as follows. After switching on contacts 5 and 7 to the current source 21, when electrical connections are made between contacts 9 - 16, 17 - 6, 14 - 11 and 19 - 8 of the semiconductor pads 1, 2, 3 and 4, current components flow / _5ι ι ₇ , /5 9, /17.6, /5.14, Ldd -69.7, A, 16 and 716.8· Their sum equals the current / ₅ = / ₇ , Figure 1. The connections realized in this way are a cause the directions of the current components inside pads 1 and 3, and 2 and 4, respectively, are opposite. The presence of the series-connected pads 1, 2, 3 and 4 provides a high value total internal resistance Rj _nt of the configuration. Therefore, this is a prerequisite for the operation of the device of Figure 1 both in the constant voltage mode V ₂ i = const and in the current generator mode / ₂ i = const, overcoming the limitation of the existing technical solution.

В резултат на оригиналното свръзване на подложки 1, 2, 3 и 4 се постига окъсяване на неминуемите паразитни потенциали в тях чрез протичане на компенсиращи токове, въпреки структурната симетрия на четирите квадратни части на устройството. Така се изравняват в достатъчна степен различните условия (потенциали) в тях. Ето защо в зоните на двойките изходни контакта 10 и 12, и съответно 18 и 20, в отсъствие на магнитно поле В 24, В = 0, офсетът е драстично редуциран или компенсиран (нулиран), ^22(^ = 0) ~ = ()) ~ 0. Този подход за канцелиране на офсета в сравнение със сложната му динамична компенсация чрез т.н. токов спининг е съществено опростен и е иманентен на самото техническо решение като крайните резултати и в двата случая са твърде близки. Същевременно ако двата изхода 22 и 23 се свържат с неинвертиращите входове на двойка операционни усилватели, изходите на които да се съединят с инвертиращия вход на трети операционен усилвател, в този случай минималните офсети се изваждат и на изхода на третия операционен усилвател се постига пълна офсет-компенсация.As a result of the original connection of pads 1, 2, 3 and 4, the inevitable parasitic potentials in them are shortened by the flow of compensating currents, despite the structural symmetry of the four square parts of the device. Thus, the different conditions (potentials) in them are sufficiently equalized. Therefore, in the areas of pairs of output contacts 10 and 12, and 18 and 20, respectively, in the absence of a magnetic field B 24, B = 0, the offset is drastically reduced or compensated (zeroed), ^22(^ = 0) ~ = ( )) ~ 0. This offset cancellation approach compared to its complex dynamic compensation through the so-called current spinning is significantly simplified and is inherent in the technical solution itself, as the final results in both cases are too close. At the same time, if the two outputs 22 and 23 are connected to the non-inverting inputs of a pair of op-amps, the outputs of which are to be connected to the inverting input of a third op-amp, in this case the minimum offsets are subtracted and a full offset is achieved at the output of the third op-amp compensation.

Прилагане на измерваното магнитно поле В 24 перпендикулярно на равнината на подложките 1, 2, 3 и 4 води до странично (латерално) отклонение на токовите линии в тях. Това въздействие е в резултат на силите на Лоренц F_L;i, F_L = qV_Lh х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се електрони в обемите на подложки 1, 2, 3 и 4, [2,3]. Поради Лоренцовото отклонение от силите в зависимост от посоките на токовите компоненти в подложки 1, 2, 3 и 4, и на магнитното поле В 24, траекториите на електроните се деформират. Анализът показва, че всяка една от полупроводниковите подложки 1, 2, 3 и 4 представлява ортогонален сензор на Хол. При първата 1 и третата 3 са триконтактни елементи на Хол: контакти 5, 9 и 17, и съответно 7, 11 и 19. В другата двойка 2 и 4 са формирани класически четириконтактни ортогонални елементи на Хол: контакти 6, 10, 14 и 18, и съответно 8, 12, 16 и 20. По тази причина върху контакти 9и17, 11и19, 10 и 18 както и 12 и 20 се генерират едновременно Холови потенциали със съответния знак, например * Уц9(В), +^ню(^), ^_^hi8(^)₅ -Унп(Я), +Ун19(Д), -УшгФ) ^и +Vh2o(^)· Следователно на диференциалните изходи 22 и 23 на магниточувствителното устройство, Фигура 1, възникват напрежения на Хол, V₂₂(B) и -У₂з(^)· Сигналите V₂2(B) и -У₂з(В) са линейна и нечетна функция от силата и посоката на общия захранващ ток /₅ = /₇ и на магнитното поле В 24.Application of the measured magnetic field B 24 perpendicular to the plane of the pads 1, 2, 3 and 4 leads to a lateral (lateral) deviation of the current lines in them. This impact is a result of the Lorentz forces F _L;i , F _L = qV _Lh x B, where q is the elementary charge of the electron, and V _dr is the vector of the average drift velocity of the moving electrons in the volumes of pads 1, 2 , 3 and 4, [2,3]. Due to the Lorentz deviation from the forces depending on the directions of the current components in pads 1, 2, 3 and 4, and of the magnetic field B 24, the trajectories of the electrons are deformed. The analysis shows that each of the semiconductor pads 1, 2, 3 and 4 represents an orthogonal Hall sensor. In the first 1 and the third 3 are three-contact Hall elements: contacts 5, 9 and 17, and respectively 7, 11 and 19. In the other pair 2 and 4, classic four-contact orthogonal Hall elements are formed: contacts 6, 10, 14 and 18 , and respectively 8, 12, 16 and 20. For this reason, Hall potentials with the corresponding sign are generated simultaneously on contacts 9 and 17, 11 and 19, 10 and 18 as well as 12 and 20, for example * Uc9(B), +^nyu(^) , ^_ ^hi8(^) ₅ -Unp(Ya), +Un19(D), -UsgF) ^and +Vh2o(^)· Consequently, Hall voltages, V ₂₂ (B) and -Y ₂ h(^)· The signals V ₂ 2(B) and -Y ₂ h(B) are a linear and odd function of the strength and direction of the total supply current / ₅ = / ₇ and of the magnetic field In the 24th.

В новото решение, обаче се използва иновативен способ за допълнително повишаване на магниточувствителността на изходите V₂2(B) 22 и У₂з(В) 23 с помощта на еднакви по стойност, но с противоположен знак Холови потенциали, генерирани от протичащите токове в първата 1 и третата 3 подложка. Конфигурациите 1 и 3 заедно с контакти 5, 9 и 17, и съответно 7, 11 и 19, както беше отбелязано по-горе, представляват триконтактни ортогонални елементи на Хол. Генерираните от тези сензори в магнитно поле В 24 Холови потенциали Г_Н9 и -Vhi7, и съответно -Гни и Vhi9 чрез директното свързване на контакти 9 - 16 и 19 - 8, едновременно се повдига и/или съответно понижава общото потенциално състояние на втората 2 и четвъртата 4 подложка, от които са изводните терминали 10 и 18, и 19 и 20. Така магниточувствителностите на двата изхода 22 и 23 се повишават. Наличието на два независими изхода 22 и 23 позволява получаване на рекордно високи стойности на изходните сигнали и допълнително потискане на офсетите, както се отбеляза по-горе. Тъй като офсетите са с един и същ знак, а чувствителностите са с противоположен, тяхното алгебрично сумиране с операционни усилватели повишава преобразувателната ефективност. Минимизираният паразитен офсет и нарастналите чувствителности увеличават значително измервателната точност на системата от Фигура 1.In the new solution, however, an innovative method is used to further increase the magnetosensitivity of the outputs V ₂ 2(B) 22 and Y ₂ h(B) 23 using Hall potentials of the same value, but with the opposite sign, generated by the currents flowing in the first 1 and the third 3 pad. Configurations 1 and 3 together with contacts 5, 9 and 17, and 7, 11 and 19 respectively, as noted above, constitute three-contact orthogonal Hall elements. Generated by these sensors in a magnetic field B 24 Hall potentials Г _Н 9 and -Vhi7, and respectively -Гни and Vhi9 through the direct connection of contacts 9 - 16 and 19 - 8, simultaneously raises and/or respectively lowers the general potential state of the second 2 and the fourth pad 4, from which are the output terminals 10 and 18, and 19 and 20. Thus, the magnetic susceptibilities of the two outputs 22 and 23 are increased. The presence of two independent outputs 22 and 23 allows obtaining record high values of output signals and additional suppression of offsets, as noted above. Since the offsets are of the same sign and the sensitivities are of the opposite sign, their algebraic summation with operational amplifiers increases the conversion efficiency. The minimized parasitic offset and increased sensitivities greatly increase the measurement accuracy of the Figure 1 system.

В резултат на техническото решение от Фигура 1 магниточувствителностите S и измервателната точност на полето В 24 нарастват. Същевременно повишените сигнали У₂г(^) 22 и -У₂з(^) 23 също водят до увеличение на отношението сигнал/шум (S/N). Следователно резолюцията при измерване на минималната магнитна индукция B_minнараства, което осигурява по-детайлно картографиране на топологията на магнитното поле В 24.As a result of the technical solution of Figure 1, the magnetic susceptibilities S and the measuring accuracy of the field B 24 increase. Simultaneously, the increased signals Y ₂ d(^) 22 and -Y ₂ h(^) 23 also lead to an increase in the signal-to-noise ratio (S/N). Therefore, the resolution when measuring the minimum magnetic induction B _min increases, which provides a more detailed mapping of the topology of the magnetic field B 24 .

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством оригиналните връзки на отделните части на устройството, представляващи оргогонални елементи на Хол - подложки 1, 2, 3 и 4 се постигат допълнителни потенциали на Хол, които синфазно се сумират с изходните сигнали, генерирайки повишена чувствителност и резолюция. При това едновременно драстично се редуцира един от най-сериозните недостатъци - офсетът чрез изравняващи токове. Новото решение разширява схемотехническите възможности на устройството функциониране както в режим генератор на напрежение, така и в режим генератор на ток при запазване на преобразувателната ефективност.The unexpected positive effect of the new technical solution is that by means of the original connections of the individual parts of the device, representing orgogonal Hall elements - pads 1, 2, 3 and 4, additional Hall potentials are achieved, which are summed in phase with the output signals, generating an increased sensitivity and resolution. At the same time, one of the most serious disadvantages - the offset through equalizing currents - is drastically reduced. The new solution expands the circuit-technical capabilities of the device to function both in the voltage generator mode and in the current generator mode while preserving the conversion efficiency.

Реализацията на магниточувствителното устройство се осъществява с CMOS или BiCMOS интегрални процеси в единен технологичен цикъл върху силициева пластина (силициев чип). Конфигурацията от четирите птип части 1, 2, 3 и 4, Фигура 1, се формира в равнината на чипа като се спазва ориентацията и функционалностите на омичните контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 и 20, съгласно новото решение. Подложките 1, 2, 3 и 4 се формират като п-тип „джобове” в p-Si пластини. Омичните контакти се осъществяват с йонна имплантация и са силно легирани п**- п зони в n-Si „джобове”. Специално следва да се отбележи, че при интегралната реализация на конфигурацията е без значение дали се осъществява една от частите й, например 1, т.е. известното решение, или всичките четири елемента 1, 2, 3 и 4 едновременно. Новата конструкция се постига в единен технологичен цикъл. Микроелектронните процеси позволяват едновременно формиране на същия чип и на обработващата електронна схемотехника за изходните напрежения Угг^) и ^(В) в зависимост от конкретното приложение, включително реализирането на цифрови сензорни платформи. ' Устройството от Фигура 1 е работоспособно и в областта на ниските температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = ΊΊ К, което разширява сферата на приложимост за целите на криотрониката, особено в слабополевата магнитометрия и контратероризма. За още по-висока чувствителност за целите на геофизиката на земния магнетизъм, чипът може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 24 от ферит или μ-метал.The realization of the magnetosensitive device is carried out with CMOS or BiCMOS integral processes in a single technological cycle on a silicon wafer (silicon chip). The configuration of the four ptype parts 1, 2, 3 and 4, Figure 1, is formed in the chip plane respecting the orientation and functionalities of the ohmic contacts 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 , 15, 16, 17, 18, 19 and 20, according to the new decision. Substrates 1, 2, 3 and 4 are formed as p-type “pockets” in p-Si wafers. Ohmic contacts are realized by ion implantation and are heavily doped n**-n zones in n-Si "pockets". In particular, it should be noted that in the integral implementation of the configuration, it does not matter whether one of its parts is implemented, for example 1, i.e. the known solution, or all four elements 1, 2, 3 and 4 simultaneously. The new construction is achieved in a single technological cycle. Microelectronic processes allow simultaneous formation of the same chip and the processing electronic circuitry for the output voltages Ugg^) and ^(B) depending on the specific application, including the realization of digital sensor platforms. The device of Figure 1 is also operable in the region of low temperatures, for example, the boiling temperature of liquid nitrogen T = ΊΊ K, which widens the scope of applicability for cryotronics purposes, especially in weak-field magnetometry and counterterrorism. For even higher sensitivity for the geophysics of terrestrial magnetism, the chip can be located between two identical oblong B 24 ferrite or μ-metal magnetic field concentrators.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигураAPPENDIX: one figure

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1] S.G. Taranow et al., Method for compensation of nonequipotential voltage in the Hall voltage and means for its realization, German Patent appl. № 2333080 A/1973.[1] S.G. Taranow et al., Method for compensation of nonequipotential voltage in the Hall voltage and means for its realization, German Patent appl. No. 2333080 A/1973.

[2] Ch. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, Elsevier, Amsterdam, 1994, p. 450; ISBN: 0 444 89401.[2] Ch. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, Elsevier, Amsterdam, 1994, p. 450; ISBN: 0 444 89401.

[3] Ch. Roumenin, Microsensors for magnetic field, Chapter 9, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 08155-1497-2.[3] Ch. Roumenin, Microsensors for magnetic field, Chapter 9, in "MEMS - a practical guide to design, analysis and applications", ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 08155-1497-2.

[4] P. Daniil, Е. Cohen, Low field Hall effect magnetometry, J. Appl. Phys., 53 (1982) 8257-8259.[4] P. Daniil, E. Cohen, Low field Hall effect magnetometry, J. Appl. Phys., 53 (1982) 8257-8259.

[5] T. Kaufmann, On the offset and sensitivity of CMOS-based fivecontact vertical Hall devices, in MEMS Technology and Engineering, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147.[5] T. Kaufmann, On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices, in MEMS Technology and Engineering, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147.

[6] J.T. Maupin, M.I. Geske, The Hall effect in silicon circuits, pp. 421445, in „The Hall effect and its Applications”, eds. C.L. Chien and C.R. Westgate, Plenum Press, New York, 1980.[6] J.T. Maupin, M.I. Geske, The Hall effect in silicon circuits, pp. 421445, in "The Hall effect and its Applications", eds. C.L. Chien and C.R. Westgate, Plenum Press, New York, 1980.

[7] Ed Ramsden, Hall effect sensors - Theory and application, 2^nd ed., Elsevier, Netherland, 2006.[7] Ed Ramsden, Hall effect sensors - Theory and application, 2 ^nd ed., Elsevier, Netherland, 2006.

[8] R. Popovic, Hall effect devices, 2^nd ed., The Adam Hilger series on sensors, Bristol, IOP Publ. Ltd, 2004.[8] R. Popovic, Hall effect devices, ^2nd ed., The Adam Hilger series on sensors, Bristol, IOP Publ. Ltd, 2004.

[9] H. Heidari, E. Bonizzoni, U. Gatti, F. Maloberti, A 0.18 um CMOS current-mode hall magnetic sensor with very low current and high sensitive front-end, IEEE Sensor Conf., 2014, pp. 1467-1470.[9] H. Heidari, E. Bonizzoni, U. Gatti, F. Maloberti, A 0.18 um CMOS current-mode hall magnetic sensor with very low current and high sensitivity front-end, IEEE Sensor Conf., 2014, pp. 1467-1470.

[10] H. Heidari, E. Bonizzoni, U. Gatti, F. Maloberti, A CMOS currentmode magnetic hall sensor with integrated front-end, IEEE Transaction on Circuits and Systems, 62(5) (2015) pp. 1270-1278.[10] H. Heidari, E. Bonizzoni, U. Gatti, F. Maloberti, A CMOS currentmode magnetic hall sensor with integrated front-end, IEEE Transaction on Circuits and Systems, 62(5) (2015) pp. 1270-1278.

Claims

PATENT CLAIMS

A magneto-sensitive device containing a semiconductor square pad with n-type impurity conductivity, on one side of which in its corner zones one ohmic contact is formed two by two opposite, a current source, and the measured magnetic field is perpendicular to the plane of the pad, CHARACTERIZED by the fact that there are three other semiconductor pads identical to the first (1), located together with it in one plane - second (2), third (3) and fourth (4), on one side of which in its corners zones, respectively, the ohmic contacts are formed - clockwise sequentially, they are first (6), (7) and (8), second (10), (11) and (12), third (14), (15) and (16) ), and fourth (18), (19) and (20) as the first (6), (7) and (8), and the third (14), (15) and (16), and respectively the second (10), (11) and (12), and the fourth (18), (19) and (20) are opposite, the first contacts (5) and (7) of the first (1) and third (3) pads are connected to the terminals of the current source (21), independent gene current generator or voltage generator, the second contact (9) of the first pad (1) is connected to the third contact (16) of the fourth (4), the fourth contact (17) of the first (1) - to the first contact (6) on the second (2) pad, the third contact (14) of the second (2) is connected to the second contact (11) of the third (3), and the fourth contact (19) of the third pad (3) is connected to the first contact (8) ) on the fourth (4), the second contacts (10) and (12) of the second (2) and fourth (4) pads, and respectively the fourth contacts (18) and (20) of the second (2) and fourth (4) pads are the differential outputs (22) and (23) of the device.