BG113770A

BG113770A - SENSOR CONFIGURATION OF HALL

Info

Publication number: BG113770A
Application number: BG113770A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия; Мартин Ралчев; Лъчезаров Ралчев Мартин; Чавдар РУМЕНИН; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2023-08-29
Filing date: 2023-08-29
Publication date: 2025-03-17
Also published as: BG67784B1

Abstract

Сензорната конфигурация на Хол съдържа тънка п-тип полупроводникова подложка (1) с форма на паралелепипед. Върху двете дълги странични повърхности на която са реализирани на разстояния и симетрично четири двойки омични контакти, съответно първи (2) и втори (3), трети (4) и четвърти (5), пети (6) и шести (7), седми (8) и осми (9), като контактите с четни номера са върху лявата страна, а с нечетните - върху дясната. Първият (2) и петият (6) контакт са свързани с изводите на източник (10) на напрежение. Първият (2) и четвъртият (5), и съответно петият (6) и осмият (9) контакт са съединени. Вторият (3) и третият (4) и съответно шестият (7) и седмият (8) контакт са свързани. Диференциалният изход (11) на сензорната конфигурация са вторият (3) и шестият (7) контакт, като външното магнитно поле (12) е перпендикулярно на равнината на подложката (1).The Hall sensor configuration contains a thin n-type semiconductor substrate (1) in the shape of a parallelepiped. On the two long side surfaces of which four pairs of ohmic contacts are implemented at distances and symmetrically, respectively first (2) and second (3), third (4) and fourth (5), fifth (6) and sixth (7), seventh (8) and eighth (9), with the contacts with even numbers on the left side and the odd ones on the right. The first (2) and fifth (6) contacts are connected to the terminals of a voltage source (10). The first (2) and fourth (5), and respectively fifth (6) and eighth (9) contacts are connected. The second (3) and third (4) and respectively sixth (7) and seventh (8) contacts are connected. The differential output (11) of the sensor configuration are the second (3) and sixth (7) contacts, with the external magnetic field (12) perpendicular to the plane of the substrate (1).

Description

СЕНЗОРНА КОНФИГУРАЦИЯ НА ХОЛSENSOR CONFIGURATION OF HALL

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАTECHNICAL FIELD

Изобретението се отнася до сензорна конфигурация на Хол, приложимо в областта на роботиката; системите за сигурност с изкуствен интелект; квантовата комуникация; автоматизацията в това число безконтактната автоматика; роботизираната и минимално инвазивната хирургия, и телемедицината; слабополевата и високоточната магнитометрия; автомобилната промишленост, включително хибридните превозни средства и електромобилите; позиционирането на обекти в пространството; навигацията; в подводните, наземните и въздушните системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др.The invention relates to a Hall sensor configuration applicable in the field of robotics; artificial intelligence security systems; quantum communication; automation, including contactless automation; robotic and minimally invasive surgery, and telemedicine; low-field and high-precision magnetometry; the automotive industry, including hybrid vehicles and electric vehicles; positioning of objects in space; navigation; in underwater, ground and air surveillance and prevention systems; counterterrorism, etc.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАPRIOR ART

Известна е сензорна конфигурация на Хол, съдържаща тънка и-тип полупроводникова подложка с форма на паралелепипед. Върху двете дълги странични повърхности са реализирани на разстояния и симетрично четири двойки омични контакти, състоящи се съответно от първи и втори, трети и четвърти, пети и шести, седми и осми контакт като четните им номера са върху дясната страна, а нечетните - върху лявата. Двойките първи и пети, и съответно втори и шести контакти са свързани с по един токоизточник в режим генератор на ток. Двойките трети и седми, и съответно четвърти и осми контакти формират два диференциални изхода. Те са съединени с неинвертиращите входове на два операционни усилватели, изходите на които са свързани с входа на инструментален усилвател с функция на суматор, изходът на който е изход на конфигурацията на Хол. Външното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, [1 -6].A Hall sensor configuration is known, containing a thin and-type semiconductor substrate in the shape of a parallelepiped. On the two long side surfaces, four pairs of ohmic contacts are implemented at distances and symmetrically, consisting of the first and second, third and fourth, fifth and sixth, seventh and eighth contacts, respectively, with their even numbers on the right side and the odd ones on the left. The pairs of the first and fifth, and respectively the second and sixth contacts are connected to one current source in the current generator mode. The pairs of the third and seventh, and respectively the fourth and eighth contacts form two differential outputs. They are connected to the non-inverting inputs of two operational amplifiers, the outputs of which are connected to the input of an instrumental amplifier with a summing function, the output of which is the output of the Hall configuration. The external magnetic field is perpendicular to the plane of the substrate, [1 -6].

Недостатък на тази сензорна конфигурация на Хол е редуцираната измервателна точност поради високите стойности на паразитните изходни напрежения на двата диференциални изхода в отсъствие на магнитно поле (офсети). Основни причини са, че двойките трети и седми, и съответно четвърти и осми контакти заемат структурно асиметрично положение спрямо траекториите на двата захранващи тока в подложката. Другата причина е технологична - несъвършенства в легирането, несъосност на маските при фотолитографията, механични напрежения от метализацията и корпусирането на чипа, пиезосъпротивлението, температурни градиенти и флуктуации, стареене и др. Всичко това води до негативни офсети на диференциалните изходи.A disadvantage of this Hall sensor configuration is the reduced measurement accuracy due to the high values of the parasitic output voltages of the two differential outputs in the absence of a magnetic field (offsets). The main reasons are that the pairs of third and seventh, and respectively fourth and eighth contacts occupy a structurally asymmetric position relative to the trajectories of the two supply currents in the substrate. The other reason is technological - imperfections in the alloying, misalignment of the masks during photolithography, mechanical stresses from the metallization and packaging of the chip, piezoresistance, temperature gradients and fluctuations, aging, etc. All this leads to negative offsets of the differential outputs.

Недостатък е също усложненият интерфейс, включващ освен два отделни токоизточника, но и операционни усилватели, обработващи изходните сигнали - по един за двата диференциални изхода, Ходовите напреженията на които са с противоположни знаци. Третият усилвател е с функция на изваждане напреженията от изходите на първите два като целта на интерфейса е минимизиране на офсета, [4,5].Another disadvantage is the complicated interface, which includes not only two separate current sources, but also operational amplifiers processing the output signals - one for each of the two differential outputs, the driving voltages of which are of opposite signs. The third amplifier has the function of subtracting the voltages from the outputs of the first two, as the goal of the interface is to minimize the offset, [4,5].

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE

Задача на изобретението е да се създаде сензорна конфигурация на Хол с висока измервателна точност чрез компенсиране на офсета, с опростен интерфейс и един токоизточник.The task of the invention is to create a Hall sensor configuration with high measurement accuracy through offset compensation, with a simplified interface and a single current source.

Тази задача се решава със сензорна конфигурация на Хол, съдържаща тънка и-тип полупроводникова подложка с форма на паралелепипед. Върху двете дълги странични повърхности на подложката са реализирани на разстояния и симетрично четири двойки омични контакти, състоящи се съответно от първи и втори, трети и четвърти, пети и шести, седми и осми контакт като четните им номера са върху лявата страна, а нечетните - върху дясната. Първият и петият контакт са свързани с изводите на източник на напрежение. Първият и четвъртият, и съответно петият и осмият контакт са съединени. Вторият и третият и съответно шестият и седмият контакт са свързани. Диференциалният изход на сензорната конфигурация са вторият и шестият контакт като външното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката.This problem is solved with a Hall sensor configuration containing a thin and-type semiconductor substrate in the shape of a parallelepiped. On the two long side surfaces of the substrate, four pairs of ohmic contacts are implemented at distances and symmetrically, consisting of the first and second, third and fourth, fifth and sixth, seventh and eighth contacts, respectively, with their even numbers on the left side and the odd ones on the right. The first and fifth contacts are connected to the terminals of a voltage source. The first and fourth, and respectively the fifth and eighth contacts are connected. The second and third, and respectively the sixth and seventh contacts are connected. The differential output of the sensor configuration is the second and sixth contacts, as the external magnetic field is perpendicular to the plane of the substrate.

Предимство на изобретението е повишената измервателна точност поради минимизирания офсет, тъй като всеки един от двата извода на изхода обединява без магнитно поле потенциали с една и съща стойност и с една и съща полярност, генерирани едновременно от по два контакта, всеки с различно структурно разположение. Така двата контакта - третият и шестият са вътрешни, а вторият и седмият са външни спрямо токовите траектории. Електрическото свързване на втория с третия, и съответно на шестия със седмия води до максимално компенсиране и изравняване на потенциалите между двата извода на изхода на конфигурацията в отсъствие на магнитно поле.An advantage of the invention is the increased measurement accuracy due to the minimized offset, since each of the two output terminals combines, without a magnetic field, potentials of the same value and the same polarity, generated simultaneously by two contacts, each with a different structural arrangement. Thus, the two contacts - the third and the sixth - are internal, and the second and the seventh are external to the current paths. The electrical connection of the second with the third, and respectively the sixth with the seventh leads to maximum compensation and equalization of the potentials between the two output terminals of the configuration in the absence of a magnetic field.

Предимство е също опростеното захранване, съдържащо само един източник на напрежение и отпада необходимостта от операционни усилватели в интерфейса, понеже офсетите са компенсирани чрез оригиналното свързване на изходните контакти, а не чрез схемно изваждане на индивидуалните изходни напрежения в подложката.Another advantage is the simplified power supply, containing only one voltage source, and eliminating the need for operational amplifiers in the interface, because offsets are compensated by the original connection of the output contacts, rather than by circuit-wide subtraction of the individual output voltages in the substrate.

Предимство е още повишената метрологична резолюция при детектиране на минималната стойност на магнитната индукция чрез нарастналото отношение сигнал-шум от минимизирания паразитен офсет, осигуряващо висока резолюция.Another advantage is the increased metrological resolution when detecting the minimum value of magnetic induction through the increased signal-to-noise ratio from the minimized parasitic offset, ensuring high resolution.

Предимство е и редуцираният температурен дрейф на офсета в резултат на използваното захранване с токоизточник в режим генератор на постоянно напрежение, поддържащ константни потенциали на изходните контакти при изменение на температурата Т.Another advantage is the reduced temperature drift of the offset as a result of the use of a power supply with a constant voltage generator mode, maintaining constant potentials of the output contacts when the temperature T changes.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE APPENDIX FIGURES

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1, представляваща план на сензорната конфигурация.The invention is explained in more detail with an exemplary embodiment thereof, given in the attached Figure 1, representing a plan of the sensor configuration.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕEXAMPLES OF IMPLEMENTATION

Сензорната конфигурация на Хол съдържа тънка п-тип полупроводникова подложка 1 с форма на паралелепипед. Върху двете дълги странични повърхности на подложката 1 са реализирани на разстояния и симетрично четири двойки омични контакти, състоящи се съответно от първи 2 и втори 3, трети 4 и четвърти 5, пети 6 и шести 7, седми 8 и осми 9 контакт като четните им номера са върху лявата страна, а с нечетните - върху дясната. Първият 2 и петият 6 контакт са свързани с изводите на източник на напрежение 10. Първият 2 и четвъртият 5, и съответно петият 6 и осмият 9 контакт са съединени. Вторият 3 и третият 4, и съответно шестият 7 и седмият 8 контакт са свързани. Диференциалният изход 11 на сензорната конфигурация са вторият 3 и шестият 7 контакт като външното магнитно поле 12 е перпендикулярно на равнината на подложката 1.The Hall sensor configuration contains a thin n-type semiconductor substrate 1 in the shape of a parallelepiped. On the two long side surfaces of the substrate 1, four pairs of ohmic contacts are implemented at distances and symmetrically, consisting respectively of the first 2 and second 3, third 4 and fourth 5, fifth 6 and sixth 7, seventh 8 and eighth 9 contacts, with their even numbers on the left side and the odd numbers on the right. The first 2 and fifth 6 contacts are connected to the terminals of a voltage source 10. The first 2 and fourth 5, and respectively the fifth 6 and eighth 9 contacts are connected. The second 3 and third 4, and respectively the sixth 7 and seventh 8 contacts are connected. The differential output 11 of the sensor configuration is the second 3 and sixth 7 contacts, with the external magnetic field 12 perpendicular to the plane of the substrate 1.

Действието на сензорната конфигурация на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на контакти 2-5 и 6-9 към генератора на напрежение 10 както и симетрията на контакти 2-3, 4-5, 6-7 и 8-9, в п-тип струтурата 1 протичат два еднакви и съпосочни токови компонента /₂,б = /5,9» Фигура 1. Траекториите /_2(б и /_5>9 са криволинейни. Тази особеност е в резултат на еквипотенциалността на омичните електроди 2-6 и 5-9 в отсъствие на магнитно поле В 12. Токовите линии първоначално са насочени вертикално навътре в подложката 1, след което стават успоредни на дългите странични повърхности. Потенциалите върху захранващите контакти 2 и 5, и съответно 6 и 9 имат едни и същи стойности, V₂ = У₅, и съответно V₆ = V9. При това всеки един от двата извода на изхода 11 обединява отличаващи се по стойност двойки потенциали, генерирани от по два контакта 4 и 3, и съответно 7 и 8. Всяка от тези двойки контакти е с различно структурно разположение спрямо токовите линии /_2;6 и /_5>9. Така двата контакта - вторият 3 и седмият 8 са външни по отношение на токовите линии /_2>6 и /д_>9, а третият 4 и шестият 7 са вътрешни спрямо токовите траектории. Електрическото свързване на третия 4 с втория 3, и съответно на шестия 7 със седмия 8 води до максимално усредняване и компенсиране на потенциалите между двата извода на изход 11 на конфигурацията в отсъствие на поле 12, В = 0. Ето защо офсетът чрез това иновативно свързване е електрически изравнен и съществено е минимизиран. По тези причини измервателната точност е значително повишена за целите на слабополевата и високоточната магнитометрия. Същевременно използването на един токоизточник вместо два опростява захранването на конфигурацията, Фигура 1. При геометрично оптимизиране на конструкцията може да се променят разстоянията между отделните контакти, както и ширините им.The operation of the Hall sensor configuration according to the invention is as follows. When contacts 2-5 and 6-9 are connected to the voltage generator 10, as well as the symmetry of contacts 2-3, 4-5, 6-7 and 8-9, two identical and co-directional current components / ₂ ,b = /5,9» flow in the n-type structure 1 Figure 1. The trajectories / _2(b and / _5>9 are curvilinear. This feature is a result of the equipotentiality of the ohmic electrodes 2-6 and 5-9 in the absence of a magnetic field B 12. The current lines are initially directed vertically into the substrate 1, then they become parallel to the long side surfaces. The potentials on the power contacts 2 and 5, and respectively 6 and 9 have the same values, V ₂ = V ₅ , and respectively V ₆ = V9. In this case, each of the two terminals of the output 11 unites different value pairs of potentials generated by two contacts 4 and 3, and 7 and 8 respectively. Each of these pairs of contacts has a different structural arrangement with respect to the current lines / _2;6 and / _5>9 . Thus, the two contacts - the second 3 and the seventh 8 are external with respect to the current lines / _2>6 and / 5 _>9 , and the third 4 and the sixth 7 are internal with respect to the current paths. The electrical connection of the third 4 with the second 3, and the sixth 7 with the seventh 8 respectively leads to maximum averaging and compensation of the potentials between the two terminals of the output 11 of the configuration in the absence of a field 12, B = 0. Therefore, the offset through this innovative connection is electrically equalized and is significantly minimized. For these reasons, the measurement accuracy is significantly increased for the purposes of weak-field and high-precision magnetometry. At the same time, using one power source instead of two simplifies the power supply of the configuration, Figure 1. When geometrically optimizing the design, the distances between the individual contacts, as well as their widths, can be changed.

Наличието на външно магнитно поле В 12 води до възникване на странично отклонение от силите на Лоренц, = qV_dTx В в равнината на подложката 1 на движещите се носители от компоненти /2,6 и /5 9, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните. В резултат на специфичната сензорна конструкция и посоките на полето В 12 и токовете /2,6 и /_5;9, Лоренцовото отклонение на успоредните токови линии на дългите странични повърхности за едната компонента, напрмер /₂,б е в режим на „свиване”, а за другата /_{5 9} - в режим на „разгъване”. Това води до генериране на допълнителни потенциали с противоположен знак в областите, където са разположени изходните контакти 3 и 4, и съответно 7 и 8. Така възникналото напрежение на Хол Тнп(^) на изхода 11 е метрологичният индикатор за индукцията В и посоката на магнитното поле В 12.The presence of an external magnetic field B 12 leads to the occurrence of a lateral deflection of the Lorentz forces, = qV _dT x B in the plane of the substrate 1 of the moving carriers of components /2,6 and /5 9, where q is the elementary charge of the electron, and V _dr is the vector of the average drift velocity of the electrons. As a result of the specific sensor design and the directions of the field B 12 and the currents /2,6 and / _5;9 , the Lorentz deflection of the parallel current lines on the long side surfaces for one component, for example / _2,6 is in the “contraction” mode, and for the other / _{5 9} - in the “expansion” mode. This leads to the generation of additional potentials of opposite sign in the areas where the output contacts 3 and 4, and 7 and 8, respectively, are located. The resulting Hall voltage Tnp(^) at the output 11 is the metrological indicator of the induction B and the direction of the magnetic field B 12.

При захранване с токоизточник 10 в режим генератор на постоянно напрежение се редуцира температурният дрейф на офсета. Постоянното напрежение на източника 10 поддържа константни потенциалите на изходните контакти 3 и 4, и съответно 7 и 8 при изменение на температурата Т. При този работен режим е максимално редуцирано температурното изменение на съпротивлението, респективно дрейфът на офсета.When powered by a current source 10 in the constant voltage generator mode, the temperature drift of the offset is reduced. The constant voltage of the source 10 maintains constant potentials of the output contacts 3 and 4, and 7 and 8, respectively, when the temperature T changes. In this operating mode, the temperature change of the resistance, respectively the offset drift, is maximally reduced.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналността на електрическите връзки, обединяващи различни потенциали на двойки изходни контакти 3-4 и 7-8, включващи терминали с различно структурно разположение спрямо токовите траектории /₂,б ^и Дд· В резултат захранването е опростено и съществено е редуциран офсетът. Така се повишава метрологичната резолюция при детектиране на минималната стойност на магнитната индукция B_min чрез нараствалото отношение сигнал-шум.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the originality of the electrical connections, uniting different potentials of pairs of output contacts 3-4 and 7-8, including terminals with different structural arrangement relative to the current trajectories / ₂ ,b ^and Dd. As a result, the power supply is simplified and the offset is significantly reduced. Thus, the metrological resolution in detecting the minimum value of the magnetic induction B _min is increased by the increased signal-to-noise ratio.

Сензорната конфигурация на Хол може да се осъществи с различните модификации на интегралната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг процеси. Новият сензор от Фигура 1 е работоспособен и в областта на ниските температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К. Това 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 1 с конфигурацията на Хол може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 12 от ферит или μ-метал.The Hall sensor configuration can be implemented with various modifications of the integrated silicon technology - CMOS, BiCMOS, SOS, and if necessary, micromachining processes can be used. The new sensor from Figure 1 is also operable in the low temperature range, for example, the boiling point of liquid nitrogen T = 77 K. This expands the scope of applicability for the purposes of cryotronics, especially in weak-field magnetometry and counterterrorism. For even higher sensitivity for the purposes of geophysics of terrestrial magnetism, the chip 1 with the Hall configuration can be located between two identical elongated magnetic field concentrators B 12 made of ferrite or μ-metal.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигураAPPENDIX: one figure

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1] Ч.С. Румения, Сензор на Хол, BG Patent № 41974 В1/06.05.1986 г.[1] C.S. Rumenia, Hall Sensor, BG Patent No. 41974 B1/06.05.1986

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

[3] J.T. Maupin, M.L. Geske, The Hall effect and its applications, C.L. Chien edit., Plenum Press, New York, 1980, pp. 421-445.[3] J.T. Maupin, M.L. Geske, The Hall effect and its applications, C.L. Chien ed., Plenum Press, New York, 1980, pp. 421-445.

[4] R. Steiner, M. Schneider, H. Baltes, Double-Hall sensor with selfcompensated offset, Technical Digest of Intern. Electron Devive Meeting (IEDM’ 97) (1997), pp. 911-914.[4] R. Steiner, M. Schneider, H. Baltes, Double-Hall sensor with self-compensated offset, Technical Digest of Intern. Electron Dev Meeting (IEDM' 97) (1997), pp. 911-914.

[5] R.S. Vanha, Rotary switch and current monitor by Hall-based microsysytems, ETH-Hoenggerberg Publ., Zurich, 1999; ISBN: 3-89649-446-5.[5] R.S. Vanha, Rotary switch and current monitor by Hall-based microsystems, ETH-Hoenggerberg Publ., Zurich, 1999; ISBN: 3-89649-446-5.

[6] 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 Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.[6] 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 Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.

Claims

PATENT CLAIMS

Hall sensor configuration containing a current source, a thin p-type semiconductor substrate in the shape of a parallelepiped, on the two long side surfaces of which four pairs of ohmic contacts are implemented at distances and symmetrically, consisting respectively of the first and second, third and fourth, fifth and sixth, seventh and eighth contacts, with their even numbers on the left side and the odd numbers on the right, and the external magnetic field is perpendicular to the plane of the substrate, CHARACTERIZED in that the current source (10) is one and is a voltage generator with the first (2) and fifth (6) contacts connected to its terminals, the first (2) and fourth (5), and respectively the fifth (6) and eighth (9) contacts are connected, and the second (3) and third (4) and respectively the sixth (7) and seventh (8) contacts are connected to each other, the differential output (11) of the sensor configuration are the second (3) and sixth (7) contacts.