BG113717A

BG113717A - Temperature stabilized hall sensor

Info

Publication number: BG113717A
Application number: BG113717A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия; Август ИВАНОВ; Йорданов Иванов Август; Мартин Ралчев; Лъчезаров Ралчев Мартин; Чавдар РУМЕНИН; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2023-06-13
Filing date: 2023-06-13
Publication date: 2024-12-31
Also published as: BG67736B1

Abstract

The temperature-stabilized Hall sensor contains a semiconductor Hall sensor (1), activated by an external magnetic field (2) and its two input contacts (3) are connected to a current source (4). The current source (4) operates in a constant current operating mode. The temperature-stabilized output (5) of the sensor (1), providing independent magnetic sensitivity from temperature changes, are the two output contacts (6) of the Hall sensor (1).

Description

ТЕМПЕРАТУРНО СТАБИЛИЗИРАН СЕНЗОР НА ХОЛTEMPERATURE STABILIZED HALL SENSOR

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАTECHNICAL FIELD

Изобретението се отнася до температурно стабилизиран сензор на Хол, приложимо в областта па високоточната и слабополевата магнитометри^; роботиката и мехатронните системи с изкуствен интелкт; безконтактната автоматика: контролно-измервателната технология; квантовата комуникация; роботизираната медицина и минимално инвазивната хирургия, включително лапароскопията; автомобилната промишленост, в това число хибридните превозни средства и електромобилите; определяне на едноосна деформация чрез магнитномодулаторни системи за преместване; енергетиката; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания, и позиционирането на обекти; навигацията; военното дело и сигурността, включително подводни, наземни и въздушни системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др.The invention relates to a temperature-stabilized Hall sensor applicable in the field of high-precision and low-field magnetometry; robotics and mechatronic systems with artificial intelligence; contactless automation: control and measurement technology; quantum communication; robotic medicine and minimally invasive surgery, including laparoscopy; automotive industry, including hybrid vehicles and electric vehicles; determination of uniaxial deformation by magnetic modulator displacement systems; energy; remote measurement of angular and linear displacements, and positioning of objects; navigation; military affairs and security, including underwater, ground and air systems for surveillance and prevention; counterterrorism, etc.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАPRIOR ART

Известен е температурно стабилизиран сензор на Хол, съдържащ токоизточник, полупроводников сензор на Хол, операционен усилвател с управляем коефициент на усилване и терморезистор. Токоизточникът е свързан съответно с: двата входни контакта на сензора на Хол, със захранващия вход на операционния усилвател и е изводите на терморезистора. Терморезисторът е разположен непосредствено до сензора на Хол, който е активизиран е външно магнитно поле. Двата изходни контакта на сензора са съединени с неинвертиращия вход на операционния усилвател, а терморезисторът е свързан с управляващия вход на усилвателя. Термостабилизираният изход на сензора на Хол, осигуряващ постоянна магнате чувствителност от изменението на температурата е изходът на операционния усилвател, [ 1-9].A temperature-stabilized Hall sensor is known, comprising a current source, a semiconductor Hall sensor, an operational amplifier with a controllable gain and a thermistor. The current source is connected respectively to: the two input contacts of the Hall sensor, to the power input of the operational amplifier and to the terminals of the thermistor. The thermistor is located directly next to the Hall sensor, which is activated by an external magnetic field. The two output contacts of the sensor are connected to the non-inverting input of the operational amplifier, and the thermistor is connected to the control input of the amplifier. The thermally stabilized output of the Hall sensor, providing constant magnetic sensitivity from temperature changes, is the output of the operational amplifier, [ 1-9].

Недостатък на този температурно стабилизиран сензор на Хол е усложнената конструкция, съдържаща освен елемента на Хол, и още два други компонента - специализиран операционен усилвател и терморезистор (термистор), които не позволяват реализацията на тази температурно стабилизираща система в единен цикъл на силициевата интегрална технология.A disadvantage of this temperature-stabilized Hall sensor is the complicated construction, containing in addition to the Hall element, two other components - a specialized operational amplifier and a thermistor (thermistor), which do not allow the implementation of this temperature-stabilized system in a single cycle of silicon integrated technology.

Недостатък е също намалената метрологична точност от възникващите изменения на магниточувстййтелността от разлика в реалните температури на терморезистора и на сензора на Хол, независимо че са разположени непосредствено един до друг. Причината за този сериозен проблем, особено за високоточната магнитометри# са материалите, от които са реализирани. Терморезисторът е от оксидни компаунди на платина, мед, волфрам, никел и др., а елементът на Хол - от полупроводници, преди всичко силиций. Това води до различна инертност на тези два типа компоненти от въздействието на температурата на околната среда, изразяващо се в непълна термокомпенсация на чувствителността.Another disadvantage is the reduced metrological accuracy due to the changes in magnetic sensitivity arising from the difference in the actual temperatures of the thermistor and the Hall sensor, despite the fact that they are located right next to each other. The reason for this serious problem, especially for high-precision magnetometers, is the materials from which they are made. The thermistor is made of oxide compounds of platinum, copper, tungsten, nickel, etc., and the Hall element is made of semiconductors, primarily silicon. This leads to different inertness of these two types of components from the influence of ambient temperature, which is expressed in incomplete thermal compensation of sensitivity.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE

Задача на изобретението е да се създаде температурно стабилизиран сензор на Хол, който да е с опростена конструкция и повишена метролгична точност от непроменяща се чувствителност при вариации на температурата на околната среда.The task of the invention is to create a temperature-stabilized Hall sensor, which has a simplified construction and increased metrological accuracy due to unchanged sensitivity under variations in ambient temperature.

Тази задача се решава с температурно стабилизиран сензор на Хол, съдържай: полупроводников сензор на Хол, активизиран е външно магнитно поле, като двата му входни контакта са свързани с токоизточник.This task is solved with a temperature-stabilized Hall sensor, consisting of: a semiconductor Hall sensor, activated by an external magnetic field, and its two input contacts connected to a current source.

Токоизточникът функционира в работен режим на постоянен захранващ ток. Термостабилизираният изход на сензора, осигуряващ независима магниточувствителиост от изменението на температурата са двата изходни контакта на сензора на Хол.The current source operates in a constant current operating mode. The thermally stabilized output of the sensor, providing independent magnetic sensitivity from temperature changes, are the two output contacts of the Hall sensor.

Предимство на изобретението е опростената конструкция, съдържаща само полупроводников сензор на Хол, захранен с генератор на постоянен ток, като операционният усилвател и терморезисторът от известното решение не са необходими.An advantage of the invention is the simplified construction, containing only a semiconductor Hall sensor powered by a DC generator, with the operational amplifier and the thermistor from the known solution not being necessary.

Предимство е още повишената измервателна точност поради равномерното разпределение на температурата по сензорната структура (подложка), като отпада различието в инертностите на елемента на Хол и на терморезистора, внасящи грешка в компенсацията на магниточувствителността.Another advantage is the increased measurement accuracy due to the uniform temperature distribution across the sensor structure (substrate), eliminating the difference in the inertias of the Hall element and the thermistor, which introduce errors in the compensation of magnetic susceptibility.

Предимство е също пълната интегрална реализация на температурно стабилизирания сензор иа Хол с методите на силициевите микроелектронни технологии.Another advantage is the full integrated implementation of the temperature-stabilized Hall sensor using silicon microelectronic technology methods.

Предимство е и универсалната приложимост на техническото решение към всички класове, разновидности и модификации сензори и микросензори на Хол - с ортогонална и с равнинно-чувствителна активизация с магнитното поле, с два, три, четири и повече изходни контакти, векторните 2D и 3D магнитометри и др., като ключовото изискване е захранването на сензора да е режим генератор на постоянен ток, гарантиращ една и съща магниточувствителиост без каквито и да са допълнителни електронни схеми и компоненти в твърде широк температурен обхват, от - 200 °C до 400 °C.Another advantage is the universal applicability of the technical solution to all classes, varieties and modifications of Hall sensors and microsensors - with orthogonal and planar-sensitive activation with the magnetic field, with two, three, four and more output contacts, vector 2D and 3D magnetometers, etc., with the key requirement being that the sensor's power supply be a DC generator mode, guaranteeing the same magnetic sensitivity without any additional electronic circuits and components in a very wide temperature range, from - 200 °C to 400 °C.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE APPENDIX FIGURES

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложените фигури, представляващи термокомпенсиран полупроводников сензор иа Хол: Фигура 1 е напречно сечение на сензор на Хол с равнинна чувствителност (външното магнитно поле е успоредно на равнината на полупроводниковата подложка), а Фигура 2 - план на сензор на Хол с ортогонално активизиране (магнитното поле е перпендикулярно на равнината му).The invention is explained in more detail by one of its exemplary embodiments, given in the attached figures, representing a thermally compensated semiconductor Hall sensor: Figure 1 is a cross-section of a Hall sensor with planar sensitivity (the external magnetic field is parallel to the plane of the semiconductor substrate), and Figure 2 is a plan of a Hall sensor with orthogonal activation (the magnetic field is perpendicular to its plane).

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕEXAMPLES OF IMPLEMENTATION

Температурно стабилизираният сензор на Хол съдържа полупроводников сензор на Хол 1, активизиран с външно магнитно поле 2 като двата му входни контакта 3 са свързани е токоизточник 4.The temperature-stabilized Hall sensor contains a semiconductor Hall sensor 1, activated by an external magnetic field 2, with its two input contacts 3 connected to a current source 4.

Токоизточникът 4 функционира в работен режим на постоянен захранващ ток. Термостабилизираният изход 5 на сензора 1, осигуряващ независима магниточувствителност от изменението на температурата са двата изходни контакта 6 на сензора на Хол 1.The current source 4 operates in a constant current operating mode. The thermally stabilized output 5 of the sensor 1, providing independent magnetic sensitivity from temperature changes, are the two output contacts 6 of the Hall sensor 1.

Действието на температурно стабилизирания сензор на Хол, съгласно изобретението, е следното. Установена е експериментално неизвестна порано закономерност в сензориката на Хол. Тя се заключава в запазване стойността на магниточувствителността Sr; в широк температурен диапазон ΔΤ ако елементите на Хол 1, независимо от тяхната разновидност, функционират в режим на постоянен захранващ ток /·< = const. Верификацията на новото решение за термокомпенсация е в резултат на миогочислени експерименти на изходните характеристики на най-различни видове сензори на Хол 1 с равнинна и ортогонална активизация с външно магнитно поле ϋ 2, Фигура 1 и Фигура 2. Новото качество е апробирано в широкия интервал температури Δ7', от - 200 °C до 400 °C. Резултатите са получени при работа в режим на постоянен ток Z_s ~ const. Този режим се постига с включване в захранващата верига на входните контакти 6 на елемента 1 товарен резистор R, чиято стойност е най-малко един порядък пого ляма от вътрешното съпротивление Rj_n на полупроводниковата подложка 1, R » R_in. Друг разпространен подход за функциониране Д ~ const са добре известните за целта електронни схеми. В противовес на разпространеното схващане, че магниточувствителността или преобразувателната ефективност S_RS следва да е функция на температурата Т, Srj(T), експериментите доказват, че параметърът S^, например в течен азот Т - 77 К и при стайна температура Т - 300 К е с почти една и съща стойност при режим постоянен захранващ ток Д - const. В случая температурният диапазон е около ΔΤ - 230 градуса. Това е нестандартен резултат, тъй като ключовият фактор за магнитното въздействие - електронната подвижност μ„, например за л-тяп силиций и концентрация на гоконосителите и - 10ⁱ⁵ cm’³, при температура Т ~ 77 К нараства около 5 пъти по отношение на стайната Т - 300 К. Конкретните стойности са μ_η(Τ ~ 77 К) ~ 5500 cm7Vs и μ_Ά(Τ - 300 К) ~ 1200 cm7Vs, [10]. Освен това когато температурата Т намалява, входното съпротивление R;_n на сензорната подложка 1, Фигура 1 и Фигура 2, също се редуцира, R,_n ~ 1/(μ?ιμ_α), R_in ~ 1/μ_α, където q е товарът на електрона. Електричното поле E_s в образците 1 при постоянен захранващ ток Z_s ~ const и Т - 77 К също намалява в сравнение сТ= 300 К, E_s - /_s.Rj_n, E_s ~ щ, където v.. е дрейфовата скорост на електроните в поле E_s. В съответствие с добре известния израз v_n - μ_η·Ε_δ, ако подвижността μ_η нарасте 5 пъти, а полето E_s намалее 5 пъти от редуциране на съпротивлението R_in, дрейфовата скорост v_n па електроните не следва да се променя. Следователно в първо приближение силата иа Лоренц F_L - у_п х /1 отговорна за генериране на чувствителността Sri, остава непроменена в режим /_s = const. Ето защо параметърът S_Ri на сензора на Хол 1 практически е постоянен, например за температури Т ~ 77 К и Т = 300 К. Това е в сила и за други по-малки обхвати ΔΓ от указания.The operation of the temperature-stabilized Hall sensor according to the invention is as follows. A previously unknown regularity in Hall sensors has been experimentally established. It consists in preserving the value of the magnetic susceptibility Sr; in a wide temperature range ΔΤ if the Hall elements 1, regardless of their variety, operate in a constant supply current mode /·< = const. The verification of the new solution for thermal compensation is the result of micro-computational experiments of the output characteristics of various types of Hall sensors 1 with planar and orthogonal activation with an external magnetic field ϋ 2, Figure 1 and Figure 2. The new quality has been tested in a wide temperature range Δ7', from - 200 °C to 400 °C. The results were obtained when operating in a constant current mode Z _s ~ const. This mode is achieved by including in the power supply circuit of the input contacts 6 of the element 1 a load resistor R, the value of which is at least one order of magnitude greater than the internal resistance Rj _n of the semiconductor substrate 1, R » R _in . Another common approach to operating Δ ~ const are the well-known electronic circuits for this purpose. Contrary to the common belief that the magnetic susceptibility or conversion efficiency S _RS should be a function of the temperature T, Srj(T), experiments prove that the parameter S^, for example in liquid nitrogen T - 77 K and at room temperature T - 300 K has almost the same value in the constant supply current Δ - const mode. In this case, the temperature range is about ΔΤ - 230 degrees. This is an unusual result, since the key factor for the magnetic effect - the electron mobility μ„, for example, for l-type silicon and a carrier concentration of i - 10 ⁱ⁵ cm' ³ , at a temperature T ~ 77 K increases about 5 times with respect to room temperature T - 300 K. The specific values are μ _η (Τ ~ 77 K) ~ 5500 cm7Vs and μ _Ά (Τ - 300 K) ~ 1200 cm7Vs, [10]. In addition, when the temperature T decreases, the input resistance R; _n of the sensor substrate 1, Figure 1 and Figure 2, also reduces, R, _n ~ 1/(μ?ιμ _α ), R _in ~ 1/μ _α , where q is the electron charge. The electric field E _s in samples 1 at a constant supply current Z _s ~ const and T - 77 K also decreases compared to T = 300 K, E _s - / _s .Rj _n , E _s ~ щт, where v.. is the drift velocity of electrons in the field E _s . In accordance with the well-known expression v _n - μ _η ·Ε _δ , if the mobility μ _η increases 5 times, and the field E _s decreases 5 times by reducing the resistance R _in , the drift velocity v _n of the electrons should not change. Therefore, in a first approximation, the Lorentz force F _L - у _н х /1 responsible for generating the sensitivity Sri, remains unchanged in the regime / _s = const. That is why the parameter S _Ri of the Hall sensor 1 is practically constant, for example, for temperatures T ~ 77 K and T = 300 K. This is also valid for other smaller ranges ΔΓ of indications.

Иновативният резултат води до максимално опростена конструкция, съдържаща само полупроводниковия сензор на Хол 1, захранен с генератор на постоянен ток 4. Не ни е известно в сензориката да е описвана аналогична термокомпенсация. Повишената измервателна точност на елементите на Хол 1 се дължи на практически непроменената магниточувствителност Sri в широк температурен диапазон. Решението позволява пълната интегрална реализация на температурно стабилизирания сензор с методите на силициевите микроелектронни технологии. Също така температурната стабилизация на сензора 1 чрез работния режим Z_s ~ const води и до съществено минимизиране на паразитния офсет (наличие на изходно напрежение 5 в отсъствие на магнитно поле 2) на изхода 5 на елемента I на Хол. Ето защо термокомпенсацията е с универсална приложимост.The innovative result leads to a maximally simplified design, containing only the semiconductor Hall sensor 1, powered by a DC generator 4. We are not aware of any similar thermal compensation described in sensor technology. The increased measurement accuracy of the Hall elements 1 is due to the practically unchanged magnetic sensitivity Sri in a wide temperature range. The solution allows for the full integral implementation of the temperature-stabilized sensor using silicon microelectronic technology methods. Also, the temperature stabilization of the sensor 1 through the operating mode Z _s ~ const leads to a significant minimization of the parasitic offset (presence of output voltage 5 in the absence of magnetic field 2) at the output 5 of the Hall element I. Therefore, thermal compensation is of universal applicability.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в установеното свойство на магниточувствителността Sri - тя не зависи от температурата Т ако елементът на Хол 1 функционира в режим Д '··· const. Това ново качество съществено разширява функционалните възможности на сензориката иа Хол.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the established property of the magnetic susceptibility Sri - it does not depend on the temperature T if the Hall element 1 operates in the D '··· const mode. This new quality significantly expands the functional capabilities of Hall sensors.

ПРИЛОЖЕНИЕ: две фигуриAPPENDIX: two figures

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1] Р. Camp, Е. Douglas, V. Hole, D. Hutcherson, Temperature sensors, Europ. Patent EP0125366 B2/31.08.1988.[1] R. Camp, E. Douglas, V. Hole, D. Hutcherson, Temperature sensors, Europ. Patent EP0125366 B2/31.08.1988.

[2] Y. Yin, R. Reuter, Temperature compensation circuit and method for generating a voltage reference with a well-defined temperature behavior, US Patent US20110080154 Al/18.06.2008.[2] Y. Yin, R. Reuter, Temperature compensation circuit and method for generating a voltage reference with a well-defined temperature behavior, US Patent US20110080154 Al/18.06.2008.

[3] I. Richard, A. Kirpatric, Temperature compensation circuit for a Hall effect element, US Patent US6104231 Al/19.07.1994.[3] I. Richard, A. Kirpatric, Temperature compensation circuit for a Hall effect element, US Patent US6104231 Al/19.07.1994.

[4] J, Ihle, G. Kloiber, Temperature sensor and method for producing temperature sensor, Germany Patent DE102012110849 Al/11.12.2012.[4] J, Ihle, G. Kloiber, Temperature sensor and method for producing temperature sensor, Germany Patent DE102012110849 Al/11.12.2012.

[5] J.E. McKisson, Passive bias temperature compensation circuit module, US Patent US10541660 Al/21.01.2020.[5] J.E. McKisson, Passive bias temperature compensation circuit module, US Patent US10541660 Al/21.01.2020.

[6] L. Raymond, F. Thompson, Temperature compensation circuits, US Patent US3519826 Al/1987.[6] L. Raymond, F. Thompson, Temperature compensation circuits, US Patent US3519826 Al/1987.

[7] C. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, Elsevier, Amsterdam, 1994,[7] C. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, Elsevier, Amsterdam, 1994,

[8] C. Roumenin, Microsensors for magnetic field, Ch. 9, in „MEMS -- a practical guide to design, analysis and applications”, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew PublJ USA, 2006.[8] C. Roumenin, Microsensors for magnetic field, Ch. 9, in "MEMS -- a practical guide to design, analysis and applications", ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew PublJ USA, 2006.

fol E.C. Левшина, П.В. Новицкий, Злектрические измерения физических величин - измерителъньге преобразонатели, Знергоатомиздат, 1983.fol E.C. Levshina, P.V. Novitsky, Electrical measurements of physical quantities - measuring transducers, Znergoatomizdat, 1983.

[10] F.J., Morin J.P. Malta, Electrical properties of silicon containing arsenic and boron, Phys. Rev., 96(1) (1954), pp. 28-35.[10] F.J., Morin JP. Malta, Electrical properties of silicon containing arsenic and boron, Phys. Rev., 96(1) (1954), pp. 28-35.

Claims

A temperature-stabilized Hall sensor comprising a semiconductor Hall sensor activated by an external magnetic field, the two input contacts of which are connected to a current source, CHARACTERIZED in that the current source (4) operates in a constant current operating mode, and the thermally stabilized output (5) of the sensor (1), providing independent magnetic sensitivity from temperature changes, are the two output contacts (6) of the Hall sensor (1),