BG113783A

BG113783A - 2-D VECTOR MAGNETOMETER

Info

Publication number: BG113783A
Application number: BG113783A
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: 2023-09-25
Filing date: 2023-09-25
Publication date: 2025-03-31
Also published as: BG67793B1

Abstract

2-D векторният магнитометър, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле, съдържа токоизточник (1) в режим генератор на постоянен ток и полупроводникова подложка (2) с р-тип примесна проводимост. Върху едната й страна е вграден ринг (3) от същия полупроводник с n-тип проводимост и с форма на симетричен малтийски кръст. В централната област на n-тип ринга (3) има квадратен омичен контакт (4). На разстояния и симетрично спрямо четирите му страни са разположени последователно по един вътрешен правоъгълен омичен контакт (5), (6), (7) и (8), както и по един външен правоъгълен омичен контакт (9), (10), (11) и (12). Поотделно контакти (5), (6), (7) и (8) и съответно (9), (10), (11) и (12) са еднакви като дължините им са равни на страната на квадратния (4). Ширината на външните контакти (9), (10), (11) и (12) е минимум два пъти по-малка от тази на вътрешните (5), (6), (7) и (8). Сумата от площите на контакти (5), (6), (7) и (8) е равна на площта на централния (4). Вътрешните контакти (5), (6), (7) и (8) са електрически съединени и през токоизточника (1) са свързани с централния (4). Измерваното магнитно поле (13) е в равнината на подложката (2) и е с произволна ориентация. Двойките външни контакти (9) и (11), и съответно (10) и (12), срещуположни спрямо квадратния (4) са изходите (14) и (15) за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (13).The 2-D vector magnetometer, measuring simultaneously and independently the two planar components of the magnetic field, contains a current source (1) in the mode of a direct current generator and a semiconductor substrate (2) with p-type impurity conductivity. On one side of it is embedded a ring (3) of the same semiconductor with n-type conductivity and in the shape of a symmetrical Maltese cross. In the central region of the n-type ring (3) there is a square ohmic contact (4). At distances and symmetrically with respect to its four sides, one inner rectangular ohmic contact (5), (6), (7) and (8), as well as one outer rectangular ohmic contact (9), (10), (11) and (12) are sequentially located. Separately, contacts (5), (6), (7) and (8) and respectively (9), (10), (11) and (12) are the same as their lengths are equal to the side of the square (4). The width of the outer contacts (9), (10), (11) and (12) is at least twice smaller than that of the inner ones (5), (6), (7) and (8). The sum of the areas of the contacts (5), (6), (7) and (8) is equal to the area of the central one (4). The inner contacts (5), (6), (7) and (8) are electrically connected and are connected to the central one (4) through the current source (1). The measured magnetic field (13) is in the plane of the substrate (2) and has an arbitrary orientation. The pairs of outer contacts (9) and (11), and respectively (10) and (12), opposite to the square one (4) are the outputs (14) and (15) for the two orthogonal planar components of the magnetic field (13).

Description

Изобретението се отнася до 2-D векторен магнитометър, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; контролно-измервателната технология; медицината в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия; управлението на процеси и устройства, включително безконтактната автоматика; слабополевата и високоточната магнитометрия; навигацията; 2-D позициониране на обекти в равнината; енергетиката; електромобилостроенето; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; военното дело и сигурността - наземни въздушни и подводни системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др.The invention relates to a 2-D vector magnetometer, applicable in the field of robotics and mechatronics; control and measurement technology; medicine, including robotic and minimally invasive surgery; process and device control, including contactless automation; weak-field and high-precision magnetometry; navigation; 2-D positioning of objects in the plane; energy; electric vehicle construction; remote measurement of angular and linear displacements; military affairs and security - ground, air and underwater surveillance and prevention systems; counterterrorism, etc.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАPRIOR ART

Известен е 2-D векторен магнитометър, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле, съдържащ п-тип полупроводникова (силициева) подложка, върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт с квадратна форма. На разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има последователно по един правоъгълен вътрешен омичен контакт и по един правоъгълен външен омичен контакт, които са еднакви. Четирите външни контакта са електрически съединени и през токоизточник в режим генератор на постоянно напрежение са свързани с централния квадратен контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация. Двойките срещуположни спрямо централния вътрешни контакти са изходите за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле, [1-9].A 2-D vector magnetometer is known, measuring simultaneously and independently the two planar components of the magnetic field, containing an n-type semiconductor (silicon) substrate, on one side of which a central ohmic contact with a square shape is formed. At distances and symmetrically with respect to its four sides, there is successively one rectangular inner ohmic contact and one rectangular outer ohmic contact, which are identical. The four outer contacts are electrically connected and through a current source in the constant voltage generator mode are connected to the central square contact. The measured magnetic field is in the plane of the substrate and has an arbitrary orientation. The pairs of inner contacts opposite to the central are the outputs for the two orthogonal planar components of the magnetic field, [1-9].

Недостатък на този 2-D векторен магнитометър е ниската измервателна точност в резултат на метрологичните грешки в двата изхода от разтичане по повърхността на подложката на част от захранващия ток между централния и крайните контакти, предизвикващо още паразитно междуканално влияние и флуктуации на Ходовите напрежения, формиращи метрологичната информация.A disadvantage of this 2-D vector magnetometer is the low measurement accuracy as a result of metrological errors in both outputs from leakage along the surface of the substrate of part of the supply current between the central and end contacts, also causing parasitic inter-channel influence and fluctuations in the running voltages that form the metrological information.

Недостатък е също изменението на магниточувствителността на двата изходни канала от неминуемите вариации на температурата на околната среда, промянящи подвижността и концентрацията на електроните в подложката при режим на захранване генератор на напрежение.Another disadvantage is the change in the magnetic susceptibility of the two output channels due to the inevitable variations in the ambient temperature, which change the mobility and concentration of electrons in the substrate when powered by a voltage generator.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE

Задача на изобретението е да се създаде 2-D векторен магнитометър с висока измервателна точност на двата изходни канала от редуциране на повърхностния ток, междуканалното влияние и температурно стабилизиране на чувствителността от изменение на температурата.The task of the invention is to create a 2-D vector magnetometer with high measurement accuracy of the two output channels by reducing the surface current, the inter-channel influence and temperature stabilization of the sensitivity from temperature changes.

Тази задача се решава с 2-D векторен магнитометър, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле, съдържащ токоизточник в режим генератор на постоянен ток и полупроводникова подложка с р-тип примесна проводимост. Върху едната й страна е вграден ринг от същия полупроводник с п-тип проводимост и с форма на симетричен малтийски кръст. В централната област на п-тип ринга има квадратен омичен контакт. На разстояния и симетрично спрямо четирите му страни са разположени последователно по един вътрешен правоъгълен омичен контакт и по един външен правоъгълен омичен контакт. Поотделно вътрешните контакти и съответно външните са еднакви като дължините им са равни на страната на квадратния. Ширината на външните контакти е минимум два пъти по малка от тази на вътрешните. Сумата от площите на вътрешните контакти е равна на площта на централния. Четирите вътрешни контакта са електрически съединени и през токоизточника са свързани с централния контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация. Двойките външни контакти, срещуположни спрямо квадратния са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле.This problem is solved with a 2-D vector magnetometer, measuring simultaneously and independently the two planar components of the magnetic field, containing a current source in the DC generator mode and a semiconductor substrate with p-type impurity conductivity. On one side of it is embedded a ring of the same semiconductor with p-type conductivity and in the shape of a symmetrical Maltese cross. In the central region of the p-type ring there is a square ohmic contact. At distances and symmetrically to its four sides, one inner rectangular ohmic contact and one outer rectangular ohmic contact are sequentially located. Separately, the inner contacts and, respectively, the outer ones are the same, as their lengths are equal to the side of the square. The width of the outer contacts is at least two times smaller than that of the inner ones. The sum of the areas of the inner contacts is equal to the area of the central one. The four inner contacts are electrically connected and are connected to the central contact through the current source. The measured magnetic field is in the plane of the substrate and is of arbitrary orientation. The pairs of external contacts opposite the square are the differential outputs for the two orthogonal planar components of the magnetic field.

Предимство на изобретението е високата измервателна точност на двата сензорни изхода в резултат отсъствие на междуканално влияние предвид добре локализираните токови компоненти чрез вградения и-ринг с форма на малтийски кръст, драстично минимизиращ разтичането по повърхността на паразитен ток.An advantage of the invention is the high measurement accuracy of the two sensor outputs as a result of the absence of inter-channel influence given the well-localized current components through the built-in Maltese cross-shaped i-ring, drastically minimizing the leakage of parasitic current along the surface.

Предимство е също температурно стабилизираната чувствителност поради режима на захранване генератор на постоянен ток, запазващ постоянство на концентрацията на електроните в транспортния им процес в подложката и минимизиращ температурното изменение на подвижността на електроните. Така се гарантира фиксирана магниточувствителност в широк температурен обхват без каквито и да са допълнителни електронни схеми и компоненти.Another advantage is the temperature-stabilized sensitivity due to the DC generator power supply mode, which maintains a constant electron concentration in the transport process in the substrate and minimizes the temperature variation of the electron mobility. This guarantees a fixed magnetic sensitivity in a wide temperature range without any additional electronic circuits and components.

Предимство е още високата чувствителност (преобразувателната ефективност на магнитното поле) на двата сензорни канала в резултат канализираното протичане на захранващите токови компоненти, отсъствие на междуканално влияние в двете изходни напрежения на Хол и оптимизираните геометрични размери на вътрешните и външните контакти.Another advantage is the high sensitivity (magnetic field conversion efficiency) of the two sensor channels as a result of the channeled flow of the supply current components, the absence of inter-channel influence in the two output Hall voltages, and the optimized geometric dimensions of the internal and external contacts.

Предимство е и повишената метрологична резолюция при детектиране на минималната стойност на магнитната индукция B_min чрез нарастналото отношение сигнал-шум поради повишена чувствителност и разположение на изходните двойки контакти извън зоните на протичане на захранващите токове, намаляващо въздействието на шума от протичане на захранващия ток. Освен това са отстранени флуктуациите на изходните напрежения от силно редуцираното междуканално влияние.Another advantage is the increased metrological resolution when detecting the minimum value of the magnetic induction B _min through the increased signal-to-noise ratio due to increased sensitivity and location of the output contact pairs outside the areas of flow of the supply currents, reducing the impact of noise from the flow of the supply current. In addition, fluctuations in the output voltages are eliminated by the greatly reduced inter-channel influence.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE APPENDIX FIGURES

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1, представляваща планиметрична схема на 2-D векторния магнитометър.The invention is explained in more detail with one exemplary embodiment thereof, given in the attached Figure 1, representing a planimetric diagram of the 2-D vector magnetometer.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕEXAMPLES OF IMPLEMENTATION

2-D векторният магнитометър, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле, съдържа токоизточник 1 в режим генератор на постоянен ток и полупроводникова подложка 2 с ртип примесна проводимост. Върху едната й страна е вграден ринг 3 от същия полупроводник с н-тип проводимост и с форма на симетричен малтийски кръст. В централната област на м-тип ринга 3 има квадратен омичен контакт 4. На разстояния и симетрично спрямо четирите му страни са разположени последователно по един вътрешен правоъгълен омичен контакт 5, 6, 7 и 8, както и по един външен правоъгълен омичен контакт 9, 10, 11 и 12. Поотделно контакти 5, 6, 7 и 8 и съответно 9, 10, 11 и 12 са еднакви като дължините им са равни на страната на квадратния 4. Ширината на външните контакти 9, 10, 11 и 12 е минимум два пъти по малка от тази на вътрешните 5, 6, 7 и 8. Сумата от площите на контакти 5, 6, 7 и 8 е равна на площта на централния 4. Четирите контакта 5, 6, 7 и 8 са електрически съединени и през токоизточника 1 са свързани с централния 4. Измерваното магнитно поле 13 е в равнината на подложката 2 и е с произволна ориентация. Двойките външни контакти 9 и 11, и съответно 10 и 12, срещуположни спрямо квадратния 4 са изходите 14 и 15 за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле 13.The 2-D vector magnetometer, measuring simultaneously and independently the two planar components of the magnetic field, contains a current source 1 in the DC generator mode and a semiconductor substrate 2 with p-type impurity conductivity. On one side of it is embedded a ring 3 of the same semiconductor with n-type conductivity and in the shape of a symmetrical Maltese cross. In the central region of the m-type ring 3 there is a square ohmic contact 4. At distances and symmetrically to its four sides, one inner rectangular ohmic contact 5, 6, 7 and 8, as well as one outer rectangular ohmic contact 9, 10, 11 and 12 are arranged sequentially. Individually, contacts 5, 6, 7 and 8 and respectively 9, 10, 11 and 12 are the same, as their lengths are equal to the side of the square 4. The width of the outer contacts 9, 10, 11 and 12 is at least twice smaller than that of the inner ones 5, 6, 7 and 8. The sum of the areas of contacts 5, 6, 7 and 8 is equal to the area of the central one 4. The four contacts 5, 6, 7 and 8 are electrically connected and are connected to the central one 4 through the current source 1. The measured magnetic field 13 is in the plane of the substrate 2 and is of arbitrary orientation. The pairs of external contacts 9 and 11, and respectively 10 and 12, opposite to the square 4 are the outputs 14 and 15 for the two orthogonal planar components of the magnetic field 13.

Действието на 2-D векторния магнитометър, съгласно изобретението, е следното. При включване на изводите на токоизточника 1, функциониращ в режим генератор на постоянен ток Д = const към централния контакт 4 и вътрешните 5, 6, 7 и 8, както и симетрията на и-тип ринга 3 по отношение на квадратния контакт 4, протичат два по два еднакви и противоположно насочени захранващи тока (Д/4) = 1₅ = |-/₇| = /₆= |-/₈|. Областите с омични контакти 4-5-9; 4-6-10; 4-7-11 и 4-8-12 представляват триконтактни елементи на Хол (ЗС) с равнинна магниточувствителност. Функционирането на този клас микросензори, включително и на новия 2-D векторен магнитометър, използва криволинейните траектории на токовите компоненти, за нашия случай в четирите еднакви и-области на малтийския кръст 3. Генезисът на този вид токови линии е еквипотенциалността на захранващите омични електроди 4, 5, 6, 7 и 8 в отсъствие на магнитно поле В 13. Компоненти Ц, 1$, Ιη, Ц и /₈са вертикални към повърхността на подложката 2, прониквайки в обема на ринга 3, [2,4-6,8,9]. Дълбочината и-ринга 3 е около 5-7 цт, аналогично на CMOS структурите. Двойките изходни контакти 9-11 и 10-12 са симетрични спрямо централния електрод 4, заемайки еквиваленти позиции спрямо токовите линии. Ето защо потенциалите им при поле В = 0 13 са практически едни и същи. По тези причини всеки изход 14 и 15 притежава минимизирано паразитно напрежение (офсет) в нулево магнитно поле 13. В резултат измервателната точност е повишена. Рингът 3 драстично ограничава разтичането по повърхността на подложка 2 и ринга 3 на захранващите токове /₄, /₅, /₇, /₆ и /₈. Това се дължи на добре локализираните токови компоненти.The operation of the 2-D vector magnetometer according to the invention is as follows. When the terminals of the current source 1, operating in the DC generator mode D = const, are connected to the central contact 4 and the internal ones 5, 6, 7 and 8, as well as the symmetry of the i-type ring 3 with respect to the square contact 4, two by two identical and oppositely directed supply currents (D/4) = 1 ₅ = |-/ ₇ | = / ₆ = |-/ ₈ | flow. The areas with ohmic contacts 4-5-9; 4-6-10; 4-7-11 and 4-8-12 represent three-contact Hall elements (HLE) with planar magnetic susceptibility. The functioning of this class of microsensors, including the new 2-D vector magnetometer, uses the curvilinear trajectories of the current components, in our case in the four identical i-regions of the Maltese cross 3. The genesis of this type of current lines is the equipotentiality of the power ohmic electrodes 4, 5, 6, 7 and 8 in the absence of a magnetic field B 13. Components Ц, 1$, Іη, Ц and / ₈ are vertical to the surface of the substrate 2, penetrating into the volume of the ring 3, [2,4-6,8,9]. The depth of the i-ring 3 is about 5-7 μm, analogous to CMOS structures. The pairs of output contacts 9-11 and 10-12 are symmetrical with respect to the central electrode 4, occupying equivalent positions with respect to the current lines. That is why their potentials at field B = 0 13 are practically the same. For these reasons, each output 14 and 15 has a minimized parasitic voltage (offset) in zero magnetic field 13. As a result, the measurement accuracy is increased. The ring 3 drastically limits the leakage along the surface of the substrate 2 and the ring 3 of the supply currents / ₄ , / ₅ , / ₇ , / ₆ and / ₈ . This is due to the well-localized current components.

Функционирането на магнитометъра изисква проникване на токовите траектории Ц, /₅, Ц, /₇ и /₈ в обема на малтийския кръст 3. Колкото навлизането им е по-дълбоко, толкова е по-ефективно въздействието на магнитното поле В 13 върху токоносителите. За постигане на такъв резултат геометричните размери на вътрешните 5, 6, 7, 8 и външните 9, 10, 11, 12 контакти следва да отговарят на определени условия, установени експериментално. Оптималните дължини на вътрешните 5, 6, 7, 8 и външните 9, 10, 11, 12 омични контакти са равни на страната на квадратния електрод 4. Ширината на външните електроди 9, 10, 11, 12 е минимум два пъти по малка от тази на вътрешните 5, 6, 7 и 8, а сумата от площите на контакти 5, 6, 7 и 8 е равна на площта на централния 4. Логиката за тези изисквания е следната. Равенството на дължините на захранващите контакти 5, 6, 7 и 8 с тази на страната на електрод 4 е необходимостта токове /₄, /₅, /₆, /₇ и /₈ максимално да се използват в действието на магнитометъра. Тъй като електроди 9, 10, 11, 12 са регистриращи, тяхната ширина, респективно площ, не е необходимо да е както на захранващите 5, 6, 7, 8, за които терморежимът при функциониране е определящ. Оптимално съотношение между ширините на вътрешните 5, 6, 7, 8 и външните 9, 10, 11, 12 контакти е 2:1, Фигура 1. Равенството на площта на централния контакт 4 със сумата от площите на вътрешните електроди 5, 6, 7 и 8 е свързано с равномерното разпределение на четирите захранващи тока в ринга 3. Позициониранено на контакти 9, 10, 11, 12 извън зоните на протичане на компоненти /₅, /₆, /₇ и /₈съществено редуцира вътрешите 1// (фликер) шумове и флуктуациите на изходи 14 и 15. Това повишава метрологичната резолюция при детектиране на минималната стойност на магнитната индукция B_min 13 чрез така повишеното отношението сигнал/шум.The functioning of the magnetometer requires the penetration of the current trajectories C, / ₅ , C, / ₇ and / ₈ into the volume of the Maltese cross 3. The deeper their penetration, the more effective the effect of the magnetic field B 13 on the current carriers. To achieve such a result, the geometric dimensions of the internal 5, 6, 7, 8 and external 9, 10, 11, 12 contacts should meet certain conditions established experimentally. The optimal lengths of the internal 5, 6, 7, 8 and external 9, 10, 11, 12 ohmic contacts are equal to the side of the square electrode 4. The width of the external electrodes 9, 10, 11, 12 is at least two times smaller than that of the internal 5, 6, 7 and 8, and the sum of the areas of contacts 5, 6, 7 and 8 is equal to the area of the central 4. The logic for these requirements is as follows. The equality of the lengths of the power contacts 5, 6, 7 and 8 with that of the side of electrode 4 is the need for currents / ₄ , / ₅ , / ₆ , / ₇ and / ₈ to be used as much as possible in the operation of the magnetometer. Since electrodes 9, 10, 11, 12 are recording, their width, respectively area, does not need to be the same as that of the power electrodes 5, 6, 7, 8, for which the thermal regime during operation is decisive. The optimal ratio between the widths of the internal 5, 6, 7, 8 and the external 9, 10, 11, 12 contacts is 2:1, Figure 1. The equality of the area of the central contact 4 with the sum of the areas of the internal electrodes 5, 6, 7 and 8 is associated with the uniform distribution of the four supply currents in the ring 3. Positioning of contacts 9, 10, 11, 12 outside the flow areas of components / ₅ , / ₆ , / ₇ and / ₈ significantly reduces the internal 1// (flicker) noise and the fluctuations of outputs 14 and 15. This increases the metrological resolution when detecting the minimum value of the magnetic induction B _min 13 through the thus increased signal-to-noise ratio.

Измерваното магнитно поле В 13 е в равнината х-у на подложката 2, и е с произволна ориентация, Фигура 1. Двете взаимноперпендикулярни магнитни полета В* и В_у въздействат на движещите се носители от компоненти /₄.₅, —/₄.₇, /₄.₆ и -/₄.₈ чрез силите на Лоренц, ±F_{L i} = +q V_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, а V_dr е средната дрейфова скорост на електроните в полупроводниковия (силициев) малтийски кръст 3. Тъй като токовете /₄.₅, -/₄.₇, /₄.б и ~/₄.₈ са ограничени в и-тип ринга 3 и геометричните размери на структурата са оптимизирани, отклоняващото действие на силите ±F_L,i е максимално ефективно. В резултат на Лоренцовата дефлекция F_L в така формираните триконтактни (ЗС) конфигурации на Хол, например, траекториите на компоненти, /₄.₅ и /₄.₆, се “разширяват” и съответно на -/₄.₇ и ~/₄.₈ се “свиват”. При тези процеси токоносителите се отклоняват латерално към I външните информационни контакти 9 и 10, или обратно на тях. Същото се отнася и за електроди 11 и 12. При това върху контакти 9 и 11, т.е. на изхода 14 се генерира напрежение на Хол Vhi4(^x) θτ магнитно поле В*. Върху електроди 10 и 12, т.е. на изхода 15 възниква напрежение на Хол VnisC^y) θ^τ полето В_у. Постигнатата висока чувствителност на двата сензорни канала 14 и 15 е от канализираното протичане на захранващите токови компоненти. Отсъствието на междуканално влияние в двете изходни напрежения на Хол Унифх) и VhisC^y) както и оптимизираните геометрични размери на контакти 5, 6, 7 и 8 и съответно 9, 10, 11, 12 са важен фактор за повишаване на чувствителността. Високата преобразувателна ефективност увеличава допълнително отношението сигнал/шум, което е ключовият фактор за метрологичната резолюция за детектиране на минималната стойност на индукцията В_т;_п 13.The measured magnetic field B 13 is in the x-y plane of the substrate 2, and is of arbitrary orientation, Figure 1. The two mutually perpendicular magnetic fields B* and B _y act on the moving carriers of components / ₄ . ₅ , —/ ₄ . ₇ , / ₄ . ₆ and -/ ₄ . ₈ through the Lorentz forces, ±F _{L i} = +q V _dr x B, where q is the elementary charge of the electron, and V _dr is the average drift velocity of the electrons in the semiconductor (silicon) Maltese cross 3. Since the currents / ₄ . ₅ , -/ ₄ . ₇ , / ₄ . 6 and ~/ ₄ . ₈ are confined in the i-type ring 3 and the geometric dimensions of the structure are optimized, the deflecting action of the forces ±F _L ,i is maximally effective. As a result of the Lorentzian deflection F _L in the thus formed three-contact (3C) Hall configurations, for example, the trajectories of components, / ₄ . ₅ and / ₄ . ₆ , are “expanded” and respectively at -/ ₄ . ₇ and ~/ ₄ . ₈ are “contracted”. In these processes, the current carriers are deflected laterally towards the I external information contacts 9 and 10, or vice versa. The same applies to electrodes 11 and 12. In this case, a Hall voltage Vhi4(^x) θτ magnetic field B* is generated on contacts 9 and 11, i.e. at the output 14. A Hall voltage VnisC^y) θ ^τ field B _y arises on electrodes 10 and 12, i.e. at the output 15. The achieved high sensitivity of the two sensor channels 14 and 15 is due to the channeled flow of the supply current components. The absence of inter-channel influence in the two output voltages of the Hall Unifx) and VhisC^y) as well as the optimized geometric dimensions of contacts 5, 6, 7 and 8 and respectively 9, 10, 11, 12 are an important factor for increasing the sensitivity. The high conversion efficiency further increases the signal-to-noise ratio, which is the key factor for the metrological resolution for detecting the minimum value of the induction V _t ; _n 13.

Температурно стабилизираната магниточувствителност на двата сензорни канала 14 и 15 е в резултат на захранващия режим генератор на постоянен ток Д = const. С този режим се запазва постоянство на концентрацията N_D = п на електроните в транспортния им процес в ринга 3, както и минимизиране на температурното изменение на подвижността им μ_η. Така се постига запазване на чувствителността без каквито и да са допълнителни електронни схеми и компоненти в широк температурен обхват.The temperature-stabilized magnetosensitivity of the two sensor channels 14 and 15 is a result of the DC generator power supply mode Д = const. With this mode, the concentration N _D = н of the electrons in their transport process in the ring 3 is maintained constant, as well as the temperature change of their mobility μ _η is minimized. Thus, the sensitivity is maintained without any additional electronic circuits and components in a wide temperature range.

Абсолютната стойност на полето В 13 в равнината х-у и ъгълът Θ на вектора В спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина, се дават с изразите: |В| = (В² + В²)^ш и Θ = tari\V_y(B_y)IV^B^\ [2,9].The absolute value of the field B 13 in the x-y plane and the angle Θ of the vector B relative to a fixed reference axis in the same plane are given by the expressions: |B| = (B ² + B ² ) ^y and Θ = tari\V _y (B _y )IV^B^\ [2,9].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във вградения л-тип ринг 3 с форма на малтийски кръст, отстраняващ разтичането по повърхността на подложката 2 на паразитен ток. Така се елиминира между каналното влияние чрез локализираните токови компоненти. Режимът генератор на постоянен ток осъществява температурна стабилизация на чувствителността, постигайки висока измервателна точност. Иновацията за формиране на изходни контакти 9-11 и 10-12 извън зоните на протичане на захранващия ток осъществява значително повишаване на отношението сигнал/шум. Така се увеличава метрологичната резолюция B_min 13 и се отстраняват флуктуациите на изходните напрежения 14 и 15.The unexpected positive effect of the new technical solution is contained in the built-in L-type ring 3 in the shape of a Maltese cross, eliminating the leakage of parasitic current along the surface of the substrate 2. Thus, the inter-channel influence is eliminated through the localized current components. The DC generator mode provides temperature stabilization of the sensitivity, achieving high measurement accuracy. The innovation of forming output contacts 9-11 and 10-12 outside the supply current flow areas provides a significant increase in the signal-to-noise ratio. Thus, the metrological resolution B _min 13 is increased and the fluctuations of the output voltages 14 and 15 are eliminated.

2-D векторният магнитометър може да се реализира е различните модификации на интегралната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг процеси. Дълбочината на ринга 3 съставлява около 5-7 pm. Новият 2-D магнитометър функционира и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К.The 2-D vector magnetometer can be implemented in various modifications of the integrated silicon technology - CMOS, BiCMOS, SOS, and if necessary, micromachining processes can be used. The depth of the ring 3 is about 5-7 pm. The new 2-D magnetometer also functions in the cryogenic temperature range, for example, the boiling point of liquid nitrogen T = 77 K.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигураAPPENDIX: one figure

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1] Infineon Technologies AG, Vertical Hall effect device, US Patent, US9425385 B2/23.08.2016.[1] Infineon Technologies AG, Vertical Hall effect device, US Patent, US9425385 B2/23.08.2016.

[2] C.S. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, Ch. 9, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453523;ISBN: 0-8155-1497-2.[2] C.S. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in "MEMS - a practical guide to design, analysis and applications", Ch. 9, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453523; ISBN: 0-8155-1497-2.

[3] C. Schot, Vertical Hall sensor, US Patent Appl., № US 2010/0133632 Al/03.06.2010.[3] C. Schot, Vertical Hall sensor, US Patent Appl., No. US 2010/0133632 Al/03.06.2010.

[4] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Планарен датчик на Хол, BG Авт. свид. № BG 37208 В2/26.12.1983.[4] C.S. Rumenin, P.T. Kostov, Planar Hall sensor, BG Authorized No. BG 37208 B2/26.12.1983.

[5] C.S. Roumenin, Parallel-field triple Hall device, Compt. rendus ABS, 39(11)(1986) 65-68[5] C.S. Roumenin, Parallel-field triple Hall device, Compt. rendus ABS, 39(11)(1986) 65-68

[6] S.V. Lozanova, C.S. Roumenin, Paralell-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors Journal, 9(7) (2009) 761-766.[6] S.V. Lozanova, C.S. Roumenin, Parallel-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors Journal, 9(7) (2009) 761-766.

[7] А. Большакова, Р.Л. Голяка, О.Ю. Маюдо, Т.А. Марусенкова, Нов1 конструкцЕ натвпровщникових тонкошпвкових 2-D и 3-D сензор1в мапптного поля, списание Злекгроника и связь, № 2-3, (2009) 6-10 (на украински език).[7] A. Bolshakova, R.L. Golyaka, O.Yu. Mayudo, T.A. Marusenkova, New construction of ultra-thin 2-D and 3-D sensors in the mapping field, Zlekgronika i svyaz magazine, No. 2-3, (2009) 6-10 (in Ukrainian).

[8] С. Sander, М.-С. Vecchi, М. Cornils, О. Paul, From three-contact vertical Hall elements to symmetrised vertical Hall sensor with low offset, Sens. Actuators, A240 (2016) 92-102.[8] S. Sander, M.-S. Vecchi, M. Cornils, O. Paul, From three-contact vertical Hall elements to symmetrized vertical Hall sensor with low offset, Sens. Actuators, A240 (2016) 92-102.

[9] C. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors - Handbook of Sensors and Actuators, Elsevier, Amsterdam-Lausanne-New York, 1994, pp. 450; ISBN: 0 444 89401.[9] C. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors - Handbook of Sensors and Actuators, Elsevier, Amsterdam-Lausanne-New York, 1994, pp. 450; ISBN: 0 444 89401.

Claims

2-D vector magnetometer, containing a current source and a semiconductor substrate with p-type impurity conductivity, on one side of which a ring of the same semiconductor with i-type conductivity is embedded, in its central region there is a square ohmic contact, at distances and symmetrically with respect to its four sides there are sequentially arranged one inner rectangular ohmic contact and one outer rectangular ohmic contact, the four inner contacts are electrically connected and through the current source are connected to the central one, the measured magnetic field is in the plane of the substrate and is of arbitrary orientation, CHARACTERIZED in that the current source (1) is in the DC generator mode, the d-type ring (3) is in the shape of a symmetrical Maltese cross, separately contacts (5), (6), (7) and (8) and respectively (9), (10), (11) and (12) are the same as their lengths are equal to the side of the square (4), the width of the external contacts (9), (10), (11) and (12) is at least twice smaller than that of the internal (5), (6), (7) and (8) as the sum of the areas of the contacts (5), (6), (7) and (8) is equal to the area of the central (4), the pairs of external contacts (9) and (11), and respectively (10) and (12), opposite to the square (4) are the differential outputs (14) and (15) for the two orthogonal planar components of the magnetic field (13).