BG113833A

BG113833A - VERTICAL ELEMENT OF A LIVING ROOM

Info

Publication number: BG113833A
Application number: BG113833A
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: 2023-12-19
Filing date: 2023-12-19
Publication date: 2025-06-30
Also published as: BG67820B1

Abstract

Вертикалният елемент на Хол съдържа токоизточник (1) в режим на постоянен ток и полупроводникова подложка (2) с р-тип примесна проводимост и правилна геометрична форма. Върху едната й страна има още две еднакви правоъгълни области с n-тип примесна проводимост, разположени близко една до друга и проникващи дълбоко в обема на р-тип подложката (2) - първа (3) и втора (4). Всяка от тези области (3) и (4) съдържа по три омични контакта, разположени последователно на равни разстояния и симетрично един срещу друг - съответно първи (5) и (6), втори (7) и (8), и трети (9) и (10). Първият контакт (5) от област (3) е свързан с третия (10) от втората (4), а двата втори контакта (7) и (8) от двете области (3) и (4) са електрически съединени. Първият (5) и вторият (7) контакт от област (3) са свързани с изводите на токоизточника (1). Третият контакт (9) от област (3) и първият контакт (6) от втората (4) са диференциалният изход (11) на елемента на Хол. Измерваното магнитно поле (12) е успоредно на равнината на подложката (2) и перпендикулярно на дългите страни на области (3) и (4).The vertical Hall element contains a current source (1) in the DC mode and a semiconductor substrate (2) with p-type impurity conductivity and a regular geometric shape. On one side of it there are two more identical rectangular regions with n-type impurity conductivity, located close to each other and penetrating deep into the volume of the p-type substrate (2) - first (3) and second (4). Each of these regions (3) and (4) contains three ohmic contacts, located sequentially at equal distances and symmetrically opposite each other - respectively first (5) and (6), second (7) and (8), and third (9) and (10). The first contact (5) of region (3) is connected to the third (10) of the second (4), and the two second contacts (7) and (8) of both regions (3) and (4) are electrically connected. The first (5) and second (7) contacts of region (3) are connected to the terminals of the current source (1). The third contact (9) of region (3) and the first contact (6) of the second (4) are the differential output (11) of the Hall element. The measured magnetic field (12) is parallel to the plane of the substrate (2) and perpendicular to the long sides of regions (3) and (4).

Description

ВЕРТИКАЛЕН ЕЛЕМЕНТ НА ХОЛVERTICAL ELEMENT OF A LIVING ROOM

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАTECHNICAL FIELD

Изобретението се отнася до вертикален елемент на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; киберфизичните и сензорните системи с изкуствен интелект; квантовата комуникация; навигацията; автоматизация на процесите, в това число безконтактната автоматика; медицината, лапароскопията, роботизираната и минимално инвазивната хирургия; слабополевата и високоточната магнитометрия; електромобилите и хибридните превозни средства; в подводните, наземните и въздушните устройства за наблюдение и превенция; контратероризма; военното дело и др.The invention relates to a vertical Hall element applicable in the field of robotics and mechatronics; cyberphysical and sensor systems with artificial intelligence; quantum communication; navigation; process automation, including contactless automation; medicine, laparoscopy, robotic and minimally invasive surgery; low-field and high-precision magnetometry; electric vehicles and hybrid vehicles; in underwater, ground and air surveillance and prevention devices; counterterrorism; military affairs, etc.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАPRIOR ART

Известен е вертикален елемент на Хол, съдържащ токоизточник в режим на постоянно напрежение и полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост и правилна геометрична форма. Върху едната й страна са формирани последователно от ляво на дясно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени на равни разстояния един от друг и успоредно на дългите си страни. Вторият контакт е централен и спрямо него симетрично от двете му дълги страни са разположени другите два. Първият и третият контакт през еднакви товарни резистори са съединени с единия извод на токоизточника, другият извод на който е свързан с централния контакт. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на правоъгълните контакти като първият и третият контакт са диференциалният изход на елемента на Хол, [1-9].A vertical Hall element is known, containing a current source in a constant voltage mode and a semiconductor substrate with i-type impurity conductivity and a regular geometric shape. On one side of it, three rectangular ohmic contacts are formed sequentially from left to right - the first, second and third, located at equal distances from each other and parallel to their long sides. The second contact is central and the other two are located symmetrically to it on its two long sides. The first and third contacts are connected to one terminal of the current source through identical load resistors, the other terminal of which is connected to the central contact. The measured magnetic field is parallel to both the plane of the substrate and the long sides of the rectangular contacts, as the first and third contacts are the differential output of the Hall element, [1-9].

Ограничение на този вертикален елемент на Хол е понижената преобразувателна ефективност (магниточувствителност) от редуцираното изходно напрежение на Хол в резултат на протичане на част от захранващия ток като паразитен по повърхността между контактите.A limitation of this vertical Hall element is the reduced conversion efficiency (magnetic susceptibility) from the reduced Hall output voltage as a result of part of the supply current flowing as parasitic along the surface between the contacts.

Ограничение е също усложнената технологична реализация на елемента на Хол поради несъвместимост на интегралните процеси за формиране на планарните омични контакти и на двата товарни резистора върху повърхността на полупроводниковия чип (подложка).Another limitation is the complicated technological implementation of the Hall element due to incompatibility of the integral processes for forming the planar ohmic contacts of both load resistors on the surface of the semiconductor chip (substrate).

Ограничение е още редуцираната метрологична точност поради ниската чувствителност, водеща до забележимо присъствие в изходното напрежение на паразитни сигнали от типични сензорни недостатъци като дрейф, хаотични шумови флуктуации, хистерезис, пълзене на изходното напрежение и др. в резултат на нерегламентираното протичане на повърхностни токове между трите контакта.Another limitation is the reduced metrological accuracy due to the low sensitivity, leading to a noticeable presence in the output voltage of parasitic signals from typical sensor flaws such as drift, chaotic noise fluctuations, hysteresis, output voltage creep, etc. as a result of the unregulated flow of surface currents between the three contacts.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE

Задача на изобретението е да се създаде вертикален елемент на Хол с висока магниточувствителност, пълна технологична съвместимост с интегралните процеси за микроелектронната му реализация и висока метрологична точност.The task of the invention is to create a vertical Hall element with high magnetic sensitivity, full technological compatibility with the integral processes for its microelectronic implementation and high metrological accuracy.

Тази задача се решава с вертикален елемент на Хол, съдържащ токоизточник в режим на постоянен ток и полупроводникова подложка с /?-тип примесна проводимост и правилна геометрична форма. Върху едната страна на подложката има още две еднакви правоъгълни области с п-тип примесна проводимост, разположени близко една до друга и проникващи дълбоко в обема на /?-тип подложката - първа и втора. Всяка от тези области съдържа съответно по три омични контакта, разположени последователно на равни разстояния и симетрично един срещу друг - първи, втори и трети. Първият контакт от първата област е свързан с третия от втората област, а двата втори контакта от двете области са електрически съединени. Първият и вторият контакт от първата област са свързани с изводите на токоизточника. Третият контакт от първата област и първият контакт от втората са диференциалният изход на елемента на Хол. Измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и перпендикулярно на дългите страни на правоъгълните н-тип области.This problem is solved with a vertical Hall element containing a current source in the DC mode and a semiconductor substrate with /?-type impurity conductivity and a regular geometric shape. On one side of the substrate there are two more identical rectangular regions with n-type impurity conductivity, located close to each other and penetrating deep into the volume of the /?-type substrate - first and second. Each of these regions contains three ohmic contacts, respectively, located sequentially at equal distances and symmetrically opposite each other - first, second and third. The first contact of the first region is connected to the third of the second region, and the two second contacts of the two regions are electrically connected. The first and second contacts of the first region are connected to the terminals of the current source. The third contact of the first region and the first contact of the second are the differential output of the Hall element. The measured magnetic field is parallel to the plane of the substrate and perpendicular to the long sides of the rectangular n-type regions.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност от повишеното напрежение на Хол в резултат на драстично редуцираните паразитни повърхностни токове, които вече участват в процеса на магнитоелектричната конверсия, тъй като п-тип областите с контактите са физически отделени една от друга с />-тип подложката.An advantage of the invention is the high magnetic sensitivity from the increased Hall voltage as a result of the drastically reduced parasitic surface currents, which are already involved in the magnetoelectric conversion process, since the n-type regions with the contacts are physically separated from each other by the />-type substrate.

Предимство е също реализацията на елемента в единен технологичен цикъл, без необходимост от различни по своята същност усложняващи процеси, тъй като в структурата на Хол отсъстват товарни резистори.Another advantage is the realization of the element in a single technological cycle, without the need for various inherently complicated processes, since the Hall structure does not contain load resistors.

Предимство на изобретението е още повишената измервателна точност поради силно ограниченото ниво на паразитните сигнали - дрейф, хистерезис, хаотични шумови флуктуации, пълзене на изходното напрежение и др. в резултат на разположените изходни контакти извън зоните на протичане на двата захранващи тока в двете правоъгълни п-тип области.An advantage of the invention is also the increased measurement accuracy due to the highly limited level of parasitic signals - drift, hysteresis, chaotic noise fluctuations, creep of the output voltage, etc. as a result of the output contacts being located outside the flow zones of the two supply currents in the two rectangular p-type regions.

Предимство е още повишената метрологична резолюция за детекгиране на минималната стойност на магнитната индукция 5_min чрез нарастналото отношение сигнал-шум от локацията на изходните контакти извън зоните на протичане на захранващите токове, отстранявайки хаотичните флуктуации в изходното напрежение и високата магниточувствителност.Another advantage is the increased metrological resolution for detecting the minimum value of the magnetic induction 5 _min through the increased signal-to-noise ratio from the location of the output contacts outside the areas of flow of the supply currents, eliminating chaotic fluctuations in the output voltage and high magnetic sensitivity.

Предимство е и температурната стабилност на чувствителността при изменение на температурата поради функциониране на елемента на Хол в режим на постоянен захранващ ток.Another advantage is the temperature stability of the sensitivity to temperature changes due to the operation of the Hall element in constant supply current mode.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE APPENDIX FIGURES

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕEXAMPLES OF IMPLEMENTATION

Вертикалният елемент на Хол съдържа токоизточник 1 в режим на постоянен ток и полупроводникова подложка 2 с /?-тип примесна проводимост и правилна геометрична форма. Върху едната страна на подложката 2 има още две еднакви правоъгълни области с и-тип примесна проводимост, разположени близко една до друга и проникващи дълбоко в обема на /?-тип подложката 2 първа 3 и втора 4. Всяка от тези области 3 и 4 съдържа по три омични контакта, разположени последователно на равни разстояния и симетрично един срещу друг - съответно първи 5 и 6, втори 7 и 8, и трети 9 и 10. Първият контакт 5 от първата област 3 е свързан с третия 10 от втората 4, а двата втори контакта 7 и 8 от области 3 и 4 са електрически съединени. Първият 5 и вторият 7 контакт от област 3 са свързани с изводите на токоизточника 1. Третият контакт 9 от първата област 3 и първият контакт 6 от втората 4 са диференциалният изход 11 на елемента на Хол. Измерваното магнитно поле 12 е успоредно на равнината на подложката 2 и перпендикулярно на дългите страни на правоъгълните области 3 и 4.The vertical Hall element contains a current source 1 in the DC mode and a semiconductor substrate 2 with /?-type impurity conductivity and a regular geometric shape. On one side of the substrate 2 there are two more identical rectangular regions with y-type impurity conductivity, located close to each other and penetrating deep into the volume of the /?-type substrate 2, the first 3 and the second 4. Each of these regions 3 and 4 contains three ohmic contacts, located sequentially at equal distances and symmetrically opposite each other - respectively the first 5 and 6, the second 7 and 8, and the third 9 and 10. The first contact 5 of the first region 3 is connected to the third 10 of the second 4, and the two second contacts 7 and 8 of regions 3 and 4 are electrically connected. The first 5 and second 7 contacts of region 3 are connected to the terminals of the current source 1. The third contact 9 of the first region 3 and the first contact 6 of the second 4 are the differential output 11 of the Hall element. The measured magnetic field 12 is parallel to the plane of the substrate 2 and perpendicular to the long sides of the rectangular regions 3 and 4.

Действието на вертикалния елемент на Хол, съгласно изобретението, е следното. След електрическото свързване на контакти 5 и 7 с токоизточника 1, и предвид структурната симетрия на конфигурацията, Фигура 1, в обемите на двете еднакви и близко разположени п-тип области 3 и 4 протичат два еднакви по стойност токови компоненти /_{5 7} и /₈д₀· Захранващите планарни контакти 5 и 7, и съответно 8 и 10 представляват еквипотенциални равнини. В отсъствие на магнитно поле В 12, В = 0, токовете през тях първоначално са насочени перпендикулярно спрямо повърхностите на п-области 3 и 4, които физически не контактуват една с друга. Това изцяло ограничава токове Дд и I^q и препятства взаимното им паразитно влияние. Освен това траекториите Д_;7 и /_8>10 проникват дълбоко в области 3 и 4, които са подходящо формирани за целта. След това траекториите променят посоката си успоредно на равнината на подложката 2. По този начен токове Ад и Ддо са нелинейни в области 3 и 4. Подложката 2 е с правилна геометрична форма, т.е. квадратна или правоъгълна. Освен това с използваното технологично решение се намалява съществено разтичането на паразитните токове в повърхностните области, оказващи негативно въздействие върху напрежението на Хол УнбдС^) П· Така се елиминират дрейфът, хистерезисът, хаотичните шумови флуктуации, пълзенето на изходния сигнал и ДРПрилагане на измерваното магнитно поле В 11 успоредно на равнината на подложката 2 и перпендикулярно на дългите страни на правоъгълните области 3 и 4 води до странично (латерално) отклонение (дефлекция) на токовите линии по цялата дължина на нелинейните им траектории. Причината за това е действието на локалните сили на Лоренц F_Lj, F_L = q V^ х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в областите 3 и 4, [2,6]. В резултат на Лоренцовото отклонение на токоносителите, в зависимост от посоките на токове ±Z_5<7 и ±/₈,ю> и на магнитното поле ±В 12, нелинейните траектории в обемите на области 3 и 4 едновременно се “свиват” и съответно “разширяват”. От съществено значение за магниточувствителността на вертикалния елемент на Хол от Фигура 1 е страничното деформиране на токови компоненти Z₈ и До, протичащи през захранващи контакти 8 и 10. По същество двете п-тип области 3 и 4 могат да се определят като вертикални микросензори на Хол, формирани чрез контакти 5-7-9 и съответно 6-8-10. Функционирането на тези микросензори се контролира с токове /₁₀ и /₈. При деформирането в магнитно поле В 12 на траектории Д_;7 и /₈₁₀, върху контакти 9 и 6 се генерират допълнителни товари от силите на Лоренц F_Li. Те са с противоположен знак и равни по стойност. Именно този ефект на Хол определя изходното напрежение на вертикалния елемент, Фигура 1. Ходовите структури 5-7-9 и съответно 6-8-10 са отделени една от друга в областите 3 и 4. Фактически при самостоятелно изменение на токовете Дд и /уо, Ходовите потенциали се променят също по стойност. В нашия случай е необходимо тези потенциали, присъстващи на диференциалния изход 11 да са едни и същи в отсъствие на поле В 12. Целта е минимизиране/компенсиране на паразитния офсет V_H6,9(^=0) ~ 0. Следователно, в резултат на Лоренцовата дефлекция върху диференциалния изход 11 възниква напрежението на Хол Унб.чЦД 11, което е линейна и нечетна функция от силата и посоките на токове ±/₅₎₇ и ±/_8;ю, така и на полето ±В 12. При това преобразувателната ефективност (чувствителността) S е право пропорционална на подвижността μ_η на електроните, респективно на силата на Лоренц F^ за съответния полупроводников материал, S ~ μ_η и S ~ F^, [2,6,7].The operation of the vertical Hall element according to the invention is as follows. After the electrical connection of contacts 5 and 7 with the current source 1, and given the structural symmetry of the configuration, Figure 1, in the volumes of the two identical and closely located n-type regions 3 and 4 flow two current components of equal value / _{5 7} and / ₈ e ₀ · The power planar contacts 5 and 7, and respectively 8 and 10 represent equipotential planes. In the absence of a magnetic field B 12, B = 0, the currents through them are initially directed perpendicular to the surfaces of n-regions 3 and 4, which are not physically in contact with each other. This completely limits the currents Dg and I^q and prevents their mutual parasitic influence. In addition, the trajectories D _;7 and / _8>10 penetrate deeply into regions 3 and 4, which are suitably formed for the purpose. Then the trajectories change their direction parallel to the plane of the substrate 2. In this way, the currents Ad and Ddo are nonlinear in areas 3 and 4. The substrate 2 has a regular geometric shape, i.e. square or rectangular. In addition, the technological solution used significantly reduces the leakage of parasitic currents in the surface areas, which have a negative impact on the Hall voltage UnbdS^) P. Thus, the drift, hysteresis, chaotic noise fluctuations, creep of the output signal and DR are eliminated. Application of the measured magnetic field B 11 parallel to the plane of the substrate 2 and perpendicular to the long sides of the rectangular areas 3 and 4 leads to lateral (lateral) deflection (deflection) of the current lines along the entire length of their nonlinear trajectories. The reason for this is the action of the local Lorentz forces F _L j, F _L = q V^ x B, where q is the elementary charge of the electron, and V _dr is the vector of the average drift velocity of the electrons in regions 3 and 4, [2,6]. As a result of the Lorentz deviation of the current carriers, depending on the directions of the currents ±Z _5<7 and ±/ ₈ ,ю> and the magnetic field ±В 12, the nonlinear trajectories in the volumes of regions 3 and 4 simultaneously “shrink” and, respectively, “expand”. Of essential importance for the magnetosensitivity of the vertical Hall element of Figure 1 is the lateral deformation of the current components Z ₈ and Do, flowing through the power contacts 8 and 10. In essence, the two n-type regions 3 and 4 can be defined as vertical Hall microsensors, formed by contacts 5-7-9 and 6-8-10, respectively. The functioning of these microsensors is controlled by currents / ₁₀ and / ₈ . When deforming in a magnetic field B 12 of trajectories D _;7 and / ₈₁₀ , additional loads are generated on contacts 9 and 6 by the Lorentz forces F _Li . They are of opposite sign and equal in value. It is this Hall effect that determines the output voltage of the vertical element, Figure 1. The running structures 5-7-9 and 6-8-10 respectively are separated from each other in areas 3 and 4. In fact, with an independent change in the currents Dd and / y o, the running potentials also change in value. In our case, it is necessary that these potentials present at the differential output 11 be the same in the absence of a field B 12. The goal is to minimize/compensate for the parasitic offset V _H 6.9(^=0) ~ 0. Therefore, as a result of the Lorentz deflection on the differential output 11, the Hall voltage Unb.hCD 11 arises, which is a linear and odd function of the strength and directions of the currents ±/ ₅₎₇ and ±/ _8; ю, as well as of the field ±B 12. In this case, the conversion efficiency (sensitivity) S is directly proportional to the mobility μ _η of the electrons, respectively to the Lorentz force F^ for the corresponding semiconductor material, S ~ μ _η and S ~ F^, [2,6,7].

Описаният галваномагнитен процес повишава съществено изходното напрежение на вертикалния елемент на хол УнбХ^) И- За това ключова роля оказват три фактора, произтичащи от конструктивното решение, Фигура 1. Първият е, че шунтиращите напрежението на Хол паразитни токове са минимизирани чрез р-тип подложката 2 и така отделените области 3 и 4. Вторият е минимизираното нерегламентирано паразитно влияние между двата обособени триконтактни микросензори на Хол. Третият важен фактор е, че изходните контакти 6 и 9 са изнесени извън зоните на протичане на двата захранващи тока /_5>7 и Ζ₈₁₀ като захранването е стабилизирано чрез генератора на ток. Освен това реализацията на елемента не изисква различни по своята същност технологични операции като в конструкцията отсъстват товарни резистори. Ето защо не се налагат допълнително усложняващи процеси за формиране на резистори в силициевия чип. Измервателната точност е повишена поради високата чувствителност и драстично редуцираните паразитни сигнали - дрейф, хистерезис, вътрешен (фликер) шум, хаотични фрукуации и др., основно от изнесените изходни контакти 6 и 9 извън зоните на протичане на захранващите токове /_5;7 и /₈д₀.The described galvanomagnetic process significantly increases the output voltage of the vertical Hall element UnbX^) I- For this, three factors resulting from the design solution play a key role, Figure 1. The first is that the Hall voltage shunting parasitic currents are minimized by the p-type substrate 2 and the thus separated areas 3 and 4. The second is the minimized unregulated parasitic influence between the two separate three-contact Hall microsensors. The third important factor is that the output contacts 6 and 9 are moved outside the flow areas of the two supply currents / _5>7 and Ζ ₈₁₀ as the power supply is stabilized by the current generator. In addition, the implementation of the element does not require inherently different technological operations, as there are no load resistors in the design. Therefore, no additional complicating processes are required for forming resistors in the silicon chip. The measurement accuracy is increased due to the high sensitivity and drastically reduced parasitic signals - drift, hysteresis, internal (flicker) noise, chaotic fluctuations, etc., mainly from the removed output contacts 6 and 9 outside the areas of flow of the supply currents / _5;7 and / ₈ e ₀ .

Температурната стабилизация на магниточувствителността на елемента на Хол е следната. Установено е, че тя запазва стойността си в широк температурен диапазон ΔΓ ако сензорите на Хол, независимо от тяхната разновидност, функционират в режим на постоянен захранващ ток I_s = const. Новото качество е апробирано в широкия интервал температури от - 200 °C до 400 °C. Този нестандартен резултат е свързан с особеностите на подвижността μ_η на електроните при константен ток. Когато температурата Т намалява, входното съпротивление R_in на сензорните области 3 и 4 също се редуцира, R_in~ 1/(#щ/_п), R_in ~ 1/μ_η. Електричното поле E_s в области 3 и 4 при постоянен ток Д = const и намаляване на температурата Т също се редуцира в сравнение, например с Т = 300 К, E_s - /_s.R_in, Es ~ V_n, [2]. В съответствие с добре известния израз V_n = Fn^_s, ако подвижността μ_η нарасте например 5 пъти, а полето E_sнамалее 5 пъти от редуциране на съпротивлението R_in, дрейфовата скорост V_n и концентрацията п на електроните не следва да се променят. Следователно в първо приближение силата на Лоренц F^ ~ У_п х В, отговорна за генериране на чувствителността S, остава в първо приближение почти непроменена при ток 4 = const. Ето защо параметърът S на елемента на Хол се запазва.The temperature stabilization of the Hall element magnetosensitivity is as follows. It was found that it retains its value in a wide temperature range ΔΓ if the Hall sensors, regardless of their type, operate in the mode of constant supply current I _s = const. The new quality was tested in the wide temperature range from - 200 °C to 400 °C. This non-standard result is associated with the peculiarities of the mobility μ _η of electrons at constant current. When the temperature T decreases, the input resistance R _in of the sensor regions 3 and 4 also decreases, R _in ~ 1/(#щ/ _н ), R _in ~ 1/μ _η . The electric field E _s in regions 3 and 4 at constant current D = const and a decrease in temperature T also decreases in comparison, for example, with T = 300 K, E _s - / _s .R _in , Es ~ V _n , [2]. According to the well-known expression V _n = Fn^ _s , if the mobility μ _η increases, for example, by a factor of 5, and the field E _s decreases by a factor of 5 by reducing the resistance R _in , the drift velocity V _n and the electron concentration π should not change. Therefore, in a first approximation, the Lorentz force F^ ~ В _π x В, responsible for generating the sensitivity S, remains in a first approximation almost unchanged at current 4 = const. Therefore, the parameter S of the Hall element is preserved.

Увеличената метрологична резолюция при детекция на минималната магнитна индукция B_min е в резултат на високата чувствителност S едновременно с повишеното отношение сигнал/шум от силно ограничените паразитни сигнали в изхода 11. Това осигурява по-детайлно определяне топологията на магнитното поле В 12, особено за целите на биохимията и роботизираната хирургия.The increased metrological resolution in detecting the minimum magnetic induction B _min is a result of the high sensitivity S simultaneously with the increased signal-to-noise ratio from the highly limited parasitic signals at the output 11. This provides a more detailed determination of the topology of the magnetic field B 12, especially for the purposes of biochemistry and robotic surgery.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че в сензориката на Хол е използван нестандартен подход за подобряване характеристиките на елементите на Хол чрез обединено действието на две независими структури, изходните терминали на които са извън областите на протичане на захранващите токове. При това са отстранени съществена част от типичните сензорни недостатъци - дрейф, паразитни повърхностни токове, шумови флуктуации, пълзене на изхода и др. като магниточувствителността и отношението сигнал/шум са същестено повишени.The unexpected positive effect of the new technical solution is that in Hall sensors a non-standard approach has been used to improve the characteristics of Hall elements by combining the action of two independent structures, the output terminals of which are outside the areas of flow of the supply currents. At the same time, a significant part of the typical sensor shortcomings have been eliminated - drift, parasitic surface currents, noise fluctuations, output creep, etc., as the magnetic sensitivity and signal/noise ratio have been significantly increased.

Вертикалният елемент на Хол може да се реализира с CMOS или BiCMOS технологии, като и-тип подложката 2 е /?-тип силициев чип, в който са формирани два отделни и-тип „джоба” 3 и 4. Новият микросензор може да се осъществи също и в п-тип подложка, в която омичните контакти 5, 7 и 9 и съответно 6, 8 и 10 са обградени с дълбоки р-тип рингове. Така се формират двата индивидуални елемента на Хол. Чрез интегралната технология конфигурацията от Фигура 1 заедно с обработващата сигнала УнбХ^) И схемотехника може да се осъществи върху общ чип 2, изграждайки интелигентна микросистема (MEMS), [2,8]. Функционирането на предложения вертикален елемент на Хол е в широк температурен диапазон, включително при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата и високоточната магнитометрия и контратероризма, подложката 2 може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 12 от ферит или μ-метал.The vertical Hall element can be implemented with CMOS or BiCMOS technologies, as the i-type substrate 2 is a /?-type silicon chip, in which two separate i-type “pockets” 3 and 4 are formed. The new microsensor can also be implemented in a p-type substrate, in which the ohmic contacts 5, 7 and 9 and respectively 6, 8 and 10 are surrounded by deep p-type rings. Thus, the two individual Hall elements are formed. Through the integrated technology, the configuration from Figure 1 together with the signal processing circuitry can be implemented on a common chip 2, building an intelligent microsystem (MEMS), [2,8]. The operation of the proposed vertical Hall element is in a wide temperature range, including at cryogenic temperatures. For even higher sensitivity for the purposes of low-field and high-precision magnetometry and counterterrorism, the substrate 2 can be placed between two identical elongated magnetic field concentrators B 12 made of ferrite or μ-metal.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигураAPPENDIX: one figure

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, Авт. свид. BG № 37208 В1/26.12.1983.[1] Ch.S. Rumenin, P.T. Kostov, Hall sensor with parallel axis of magnetic susceptibility, Author's certificate BG No. 37208 B1/26.12.1983.

[2] С. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, Elsevier, Amsterdam, 1994, p. 450, ISBN: 0 444 89401; 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.[2] S. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, Elsevier, Amsterdam, 1994, p. 450, ISBN: 0 444 89401; Microsensors for magnetic fields, 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.

[3] C.S. Roumenin, Bipolar magnetotransistor sensors - An invited review, Sensors and Actuators, A 24 (1990) 83-105.[3] C.S. Roumenin, Bipolar magnetotransistor sensors - An invited review, Sensors and Actuators, A 24 (1990) 83-105.

[4] C.S. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sensors and Actuators, A 30 (1992) 77-87.[4] C.S. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sensors and Actuators, A 30 (1992) 77-87.

[5] C.S. Roumenin, Magnetic sensors continue to advance towards perfection, Invited paper, Sensors and Actuators, A 46-47 (1995) 273-279.[5] C.S. Roumenin, Magnetic sensors continue to advance towards perfection, Invited paper, Sensors and Actuators, A 46-47 (1995) 273-279.

[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] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, Numerical modeling of vertical Hall-effect devices, IEEE Electron Device Letters, 5(9) (1984) 482-484.[7] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, Numerical modeling of vertical Hall-effect devices, IEEE Electron Device Letters, 5(9) (1984) 482-484.

[8] 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.[8] 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.

[9] C. Sander, C. Leube, O. Paul, Three-dimensional magnetometer based on subsequent measurement principle, Sensors and Actuators, A 222 (2015) 329-334.[9] C. Sander, C. Leube, O. Paul, Three-dimensional magnetometer based on subsequent measurement principle, Sensors and Actuators, A 222 (2015) 329-334.

Claims

A vertical Hall element containing a current source and a semiconductor substrate with a regular geometric shape, ohmic contacts arranged sequentially and symmetrically at equal distances from each other, such that the measured magnetic field is parallel to the plane of the substrate, CHARACTERIZED in that the current source (1) is in a direct current mode, the semiconductor substrate (2) has a /?-type impurity conductivity, on one side of it there are two more identical rectangular regions with i-type impurity conductivity, arranged close to each other and penetrating deep into the volume of the p-type substrate (2) - first (3) and second (4), each of these regions (3) and (4) contains three ohmic contacts, - respectively first (5) and (6), second (7) and (8), and third (9) and (10), the first contact (5) of the first region (3) is connected to the third (10) of the second (4), and the two second contacts (7) and (8) of areas (3) and (4) are electrically connected, the first (5) and second (7) contacts of area (3) are connected to the terminals of the current source (1), and the third contact (9) of the first area (3) and the first contact (6) of the second (4) are the differential output (11) of the Hall element, with the magnetic field (12) also perpendicular to the long sides of the rectangular areas (3) and (4).