BG67187B1

BG67187B1 - Offset-compensated hall effect sensor

Info

Publication number: BG67187B1
Application number: BG112669A
Authority: BG
Inventors: Август ИВАНОВ; Йорданов Иванов Август; Чавдар РУМЕНИН; Станоев Руменин Чавдар; Иван Колев; Цветков Колев Иван; Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2020-11-16
Also published as: BG112669A

Abstract

The offset-compensated Hall effect sensor comprises a semiconductor wafer (1) with n-type hopping conduction. On the one side of wafer is formed a Hall effect sensor (2), as on two of its opposite sides there is one ohmic power contact (3 and 4), and on two other opposite sides, located at 90o to those with the power contacts (3 and 4) - one ohmic measuring contact (5 and 6). The contacts (3 and 4) are connected to the two terminals of the current source (7), as the measured magnetic field (9) is perpendicular to the plane of the wafer (1). Contacts (5 and 6) are the output (8) of the Hall effect sensor with compensated offset. There is also a coil (10) with a small number of windings formed on the plane of the wafer (1) and completely covering the sensor (2), as generated by it magnetic field (11) is perpendicular to the plane of the sensor (2). In series through a switch (12) and through an adjustable resistor (13) the coil (10) is connected to the terminals of the current source (7).

Description

Област на техникатаField of technology

Изобретението се отнася до сензор на Хол с компенсиран офсет, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; контролно-измервателната технология; слабополевата магнитометрия, навигацията; безконтактната автоматика; 2D и 3D позициониране на обекти в равнината и пространството; енергетиката; автомобилната промишленост в това число електромобилостроенето; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; микро- и нано-електрониката; биомедицинските изследвания; военното дело и сигурността, включително подводни, наземни и въздушни системи за наблюдение и превенция, контратероризма и др.The invention relates to a Hall sensor with compensated offset, applicable in the field of robotics and mechatronics; control and measurement technology; low-field magnetometry, navigation; contactless automation; 2D and 3D positioning of objects in the plane and space; energy; the automotive industry, including the electric car industry; remote measurement of angular and linear displacements; micro- and nano-electronics; biomedical research; military and security, including submarine, ground and air surveillance and prevention systems, counter-terrorism, etc.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е сензор на Хол с компенсиран (нулиран) офсет (паразитно изходно напрежение в отсъствие на измерваното магнитно поле), съдържащ полупроводников сензор на Хол с п-тип примесна проводимост и с правилна симетрична форма (квадратна, ромбоидна, кръстовидна, шестогранна, октагонна и др.). Върху две срещуположни страни на сензора са формирани по един омичен захранващ контакт, а върху други две срещуположни страни, разположени на 90° спрямо страните със захранващи контакти - по един омичен измервателен контакт. Захранващите контакти са свързани с двата извода на токоизточник, а измервателните са съединени с входа на електронен блок, изходът на който е изход на сензора като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на сензора. Електронният блок или чрез статична схемна компенсация преди измервателната процедура, използваща множество резистори, или динамична компенсация чрез ротация с фиксирана честота на захранващия ток в процеса на измерването с едновременна последователна промяна ролята на захранващите с измервателните контакти (токов спининг), запазвайки разположението им на 90°, осъществява компенсация на офсета на изхода [1-8].A Hall sensor with compensated (zeroed) offset (parasitic output voltage in the absence of the measured magnetic field) is known, containing a semiconductor Hall sensor with p-type impurity conductivity and regular symmetrical shape (square, rhomboid, cruciform, hexagonal, octagonal and etc.). One ohmic supply contact is formed on two opposite sides of the sensor, and one ohmic measuring contact is formed on two other opposite sides, located at 90 ° to the sides with power contacts. The supply contacts are connected to the two terminals of the current source, and the measuring ones are connected to the input of an electronic unit, the output of which is the output of the sensor and the measured magnetic field is perpendicular to the plane of the sensor. The electronic unit either by static circuit compensation before the measuring procedure using multiple resistors, or dynamic compensation by rotation with a fixed frequency of the supply current in the measurement process with simultaneous sequential change of the role of the supply contacts (current spinning), keeping their location at 90 °, compensates the output offset [1-8].

Недостатък на този сензор на Хол с компенсиран офсет е често възникващата метрологична грешка на изхода поради появата на офсет от флуктуации на индивидуалните характеристики на сензора на Хол и/или електронните компоненти на схемите от температурата на средата или процесите на стареене, изискваща допълнително прецизно изменение на стойностите на резисторите при статичната компенсация, която процедура затруднява експлоатацията на сензора на Хол.A disadvantage of this Hall offset compensated sensor is the frequent occurrence of metrological error at the output due to the appearance of offset fluctuations in the individual characteristics of the Hall sensor and / or electronic components of the circuits of the ambient temperature or aging processes, requiring additional precise modification of the values of the resistors in the static compensation, which procedure complicates the operation of the Hall sensor.

Недостатък е също твърде усложнената схемотехника, необходима за динамичната компенсация на офсета, чиято комплицираност е несъразмерна, както спрямо конструкцията и технологията на реализация на самия сензор на Хол, така и на принципа му на функциониране.Another disadvantage is the very complicated circuitry required for the dynamic compensation of the offset, the complexity of which is disproportionate, both to the design and technology of the Hall sensor itself, and to its principle of operation.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Задача на изобретението е да се създаде сензор на Хол с компенсиран офсет със съществено редуцирана метрологична грешка и опростена схемотехника за компенсацията на офсета.The object of the invention is to provide a Hall sensor with compensated offset with significantly reduced metrological error and simplified circuitry for offset compensation.

Тази задача се решава със сензор на Хол с компенсиран офсет, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост. Върху едната й страна е формиран сензор на Хол като на две от срещуположните му страни има по един омичен захранващ контакт, а върху други две срещуположни страни, разположени на 90° спрямо тези със захранващите контакти - по един омичен измервателен контакт.This problem is solved with a Hall offset compensated sensor containing a semiconductor substrate with p-type impurity conductivity. A Hall sensor is formed on one side and has an ohmic supply contact on two of its opposite sides, and one ohmic measuring contact on two other opposite sides, located at 90 ° to those with the supply contacts.

BG 67187 BlBG 67187 Bl

Захранващите контакти са свързани с двата извода на токоизточник, а измервателните са изходът на сензора на Хол с компенсиран офсет, като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката. Има още бобина с малък брой навивки, формирана технологично върху равнината на подложката и обхващаща изцяло сензора, като генерираното от нея магнитно поле е перпендикулярно на равнината на сензора. Последователно през комутатор и регулируем резистор бобината е свързана с изводите на токоизточника.The supply contacts are connected to the two terminals of the current source, and the measuring ones are the output of the Hall sensor with compensated offset, as the measured magnetic field is perpendicular to the plane of the substrate. There is also a coil with a small number of turns, technologically formed on the plane of the substrate and completely covering the sensor, as the magnetic field generated by it is perpendicular to the plane of the sensor. The coil is connected in series through a switch and an adjustable resistor to the terminals of the current source.

Предимство на изобретението е съществено редуцираната метрологична грешка от евентуален офсет, свързан с флукуации на параметрите и изменение на температурата, осъществена чрез собственото магнитно поле на бобината, генерирано от тока през нея, който може да се управлява подходящо по стойност и посока от резистора и комутатора в схемата, за да остава офсетът компенсиран продължително време.An advantage of the invention is the substantially reduced metrological error of possible offset associated with parameter fluctuations and temperature changes, realized by the coil's own magnetic field generated by the current through it, which can be appropriately controlled by the value and direction of the resistor and switch in the circuit to keep the offset compensated for a long time.

Предимство е също силно опростената конструкция, в която отсъства електронен блок, осъществяващ статична или динамична компенсация на офсета чрез токов спининг.Another advantage is the highly simplified design, in which there is no electronic unit that performs static or dynamic compensation of the offset by current spinning.

Предимство е още универсалността на решението за компенсация на офсета в сензорите на Хол, тъй като отпада изискването за правилна симетрична форма на структурите на Хол, ограничаващо до сега динамичната компенсация на офсета, например в най-разпространения тип сензори на Хол с правоъгълна форма както и такива от тип на Ван дер Пау.Another advantage is the universality of the solution for offset compensation in Hall sensors, as the requirement for correct symmetrical shape of Hall structures is eliminated, limiting the dynamic offset compensation so far, for example in the most common type of Hall sensors with rectangular shape and those of the Van der Pau type.

Пояснение на приложената фигураExplanation of the attached figure

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1.The invention is illustrated in more detail by one of its embodiments given in the attached figure 1.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of the invention

Сензорът на Хол с компенсиран офсет съдържа полупроводникова подложка 1 с п-тип примесна проводимост. Върху едната й страна е формиран сензор на Хол 2, като на две от срещуположните му страни има по един омичен захранващ контакт 3 и 4, а върху други две срещуположни страни, разположени на 90° спрямо тези със захранващите контакти 3 и 4 - по един омичен измервателен контакт 5 и 6. Захранващите контакти 3 и 4 са свързани с двата извода на токоизточник 7, а измервателните 5 и 6 са изходът 8 на сензора на Хол с компенсиран офсет като измерваното магнитно поле 9 е перпендикулярно на равнината на подложката 1. Има още бобина 10 с малък брой навивки, формирана технологично върху равнината на подложката 1 и обхващаща изцяло сензора 2 като генерираното от нея магнитно поле 11 перпендикулярно на равнината на сензора 2. Последователно през комутатор 12 и регулируем резистор 13, бобината 10 е свързана с изводите на токоизточника 7.The Hall offset compensated sensor comprises a semiconductor substrate 1 with p-type impurity conductivity. A Hall 2 sensor is formed on one of its sides, as on two of its opposite sides there is one ohmic power contact 3 and 4, and on two other opposite sides, located at 90 ° to those with the power contacts 3 and 4 - one each. ohmic measuring contact 5 and 6. The supply contacts 3 and 4 are connected to the two terminals of the current source 7, and the measuring 5 and 6 are the output 8 of the Hall sensor with compensated offset as the measured magnetic field 9 is perpendicular to the plane of the substrate 1. There is a coil 10 with a small number of turns formed technologically on the plane of the pad 1 and completely covering the sensor 2 as the magnetic field 11 generated by it perpendicular to the plane of the sensor 2. Sequentially through a switch 12 and an adjustable resistor 13, the coil 10 is connected to the terminals of current source 7.

Действието на сензора на Хол с компенсиран офсет, съгласно изобретението, е следното. При свързване на захранващите контакти 3 и 4 с токоизточника 7, в полупроводниковия сензор 2 с п-тип проводимост протича захранващ ток 1₃.4 от електрони (за илюстрация на фигура 1 е показан квадратен елемент на Хол 2). Независимо от геометричната форма на сензора 2 - симетрична или произволна, върху изходните контакти 5 и 6, разположени на 90° спрямо захранващите 3 и 4 в отсъствие на магнитно поле В 9 практически винаги възниква диференциално паразитно напрежение V₅, б(В = 0) + 0 или офсет. За коректна метрология такъв паразитен сигнал следва да отсъства, т. е. офсетът следва да бъде компенсиран (нулиран) V₅, б(В = 0) = 0. Произходът му е както от геометричната асиметрия на изходните контакти 5 и 6 спрямо ос на симетрия, също от редица вътрешни за полупроводниковата структура 2 фактори, свързаниThe operation of the Hall offset offset sensor according to the invention is as follows. When the supply contacts 3 and 4 are connected to the current source 7, a supply current 1 ₃ .4 of electrons flows in the semiconductor sensor 2 with p-type conductivity (for illustration of figure 1 a square element of Hall 2 is shown). Regardless of the geometric shape of the sensor 2 - symmetrical or arbitrary, on the output contacts 5 and 6, located at 90 ° to the supply 3 and 4 in the absence of magnetic field B 9 practically always occurs differential parasitic voltage V ₅ , b (B = 0) + 0 or offset. For correct metrology such a parasitic signal should be absent, ie the offset should be compensated (reset) V ₅ , b (B = 0) = 0. Its origin is both from the geometric asymmetry of the output contacts 5 and 6 relative to the axis of symmetry, also from a number of internal 2 factors related to the semiconductor structure

BG 67187 Bl c механични напрежения в обема и/или повърхността, технологични несъвършенства на полупроводника, дефекти в кристалната му решетка, градиент на легиращата примес и др., или от стареене основно на електронните компоненти в схемата - всички генериращи паразитното електрично изходно напрежение в отсъствие на поле В 9, В = 0. Тези почти не променящи се с времето аномалии до сега се неутрализираха схемно, както чрез статична, така и динамична компенсация на офсета, или и двете едновременно. Съществуват обаче други фактори, които са в динамика - температурата Т на околната среда и неконтролируемите случайни флуктуации на параметрите на сензора 2 и на компонентите. При пълно компенсиране на офсета за дадена температура То, ако тя се измени с няколко градуса или при възникване на флуктуации налага се преустановяване на измерването и отново компенсиране на офсета. Следва допълнителна прецизна настройка на резисторната група при статичната процедура или промяна в честотата на ротация за динамичната. Отстраняването на грешките в измерването на магнитното поле В 9 изисква допълнителни усложняващи процедури.EN 67187 Bl c mechanical stresses in the volume and / or surface, technological imperfections of the semiconductor, defects in its crystal lattice, gradient of the alloying impurity, etc., or from aging mainly of the electronic components in the circuit - all generating the parasitic electrical output voltage in the absence in field B 9, B = 0. These almost unchanged over time anomalies have so far been neutralized schematically by both static and dynamic offset compensation, or both simultaneously. However, there are other factors that are in dynamics - the ambient temperature T and the uncontrollable random fluctuations of the parameters of the sensor 2 and the components. When the offset is fully compensated for a given temperature, if it changes by a few degrees or when fluctuations occur, the measurement must be stopped and the offset must be compensated again. This is followed by additional precise tuning of the resistor group during the static procedure or a change in the rotation frequency for the dynamic one. The elimination of errors in the measurement of the magnetic field B 9 requires additional complicating procedures.

Сензорният механизъм на измерване на магнитното поле В 9 след компенсиран офсет е ефектът на Хол. Измерваното магнитно поле В 9, перпендикулярно на равнината на подложката 1, води до възникване на странично отклоняваща електроните сила на Лоренц F_L = qVdr х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е средната дрейфова скорост на токоносителите в сензора 2, [1,5,6,8]. До неотдавна в теорията на ефекта на Хол се приемаше, че допълнителните електрони, концентрирани от силата F_L върху съответната (Холова) повърхност на сензора 2 от фигура 1, например тази с контакт 5 на върха, са също неподвижни както „оголените” от същата сила F_L положителни донорни йони N_D+ върху срещуположната повърхност, където е контакт 6. Съгласно изследванията на Руменин, Лозанова и др. [9] е открито съществуването на магнитноуправляем повърхностен ток AI_s(Io,B) в структурите на Хол. Той е линейна и нечетна функция от стойността и посоката на захранващия ток 1₃,4 и на магнитното поле В 9. Токът Al_s(Io,B) е фундаментална закономерност, доизясняваща явлението на Хол и допринасяща за повишаване на магниточувствителността. Тя е открита в резултат на концепцията за подвижни, а не статични неравновесни токоносители (електрони), генерирани от силата на Лоренц F_L върху съответната Холова страна. Съгласно добре известната класическа теория [1,5,6,8] и новата интерпретация [9], на изхода 8 на елемента на Хол 2 при постоянен захранващ ток I₃,4 = const възниква метрологичното напрежение ± V_H5.6(B), право пропорционално на силата на магнитната индукция В 9 и със знак, определен от посоката на полето В 9.The sensor mechanism for measuring the magnetic field B 9 after compensated offset is the Hall effect. The measured magnetic field B 9, perpendicular to the plane of the substrate 1, leads to the occurrence of a laterally electron-deflecting Lorentz force F _L = qVdr x B, where q is the elementary load of the electron, and V _dr is the average drift velocity of the current carriers in the sensor 2 , [1,5,6,8]. Until recently, in Hall's theory, it was assumed that the additional electrons concentrated by the force F _L on the corresponding (Hall) surface of the sensor 2 of Figure 1, for example the one with contact 5 at the tip, were as stationary as the "naked" ones. force F _L positive donor ions N _D + on the opposite surface, where there is contact 6. According to the research of Rumenin, Lozanova and others. [9] found the existence of a magnetically controlled surface current AI _s (Io, B) in Hall structures. It is a linear and odd function of the value and direction of the supply current 1 ₃ , 4 and of the magnetic field B 9. The current Al _s (Io, B) is a fundamental regularity, clarifying the Hall phenomenon and contributing to the increase of the magnetic sensitivity. It was discovered as a result of the concept of mobile rather than static nonequilibrium current carriers (electrons) generated by the Lorentz force F _L on the respective Hall side. According to the well-known classical theory [1,5,6,8] and the new interpretation [9], at the output 8 of the Hall 2 element at a constant supply current I ₃ , 4 = const the metrological voltage ± V _H 5.6 (B) arises, a line proportional to the strength of the magnetic induction B 9 and with a sign determined by the direction of the field B 9.

Иновативното решение предлага отстраняването на офсета да стане с въздействие, което да е със същата природа както измервания параметър В 9, т. е. пак чрез ефекта на Хол. По тази причина върху подложката 1 е формирана технологично бобина 10 с малък брой навивки, обхващаща напълно сензора 2. Тя генерира върху елемента 2 постоянно магнитно поле Во 11 е индукция и знак, които да неутрализират (нулират) паразитното офсет-напрежение V₅,₆(B = 0) = 0. Магнитното поле В_о 11 на бобината е с радиална симетрия по отношение на навивките и силовите му линии в първо приближение пронизват вертикално равнината на сензора на Хол 2. С помощта на регулируемия резистор 13 се осъществява както режим на фиксиран ток 1₁₀ = const през бобината 10, така и възможност за прецизната му настройка. Комутаторът 12 управлява посоката на протичащия през бобината 10 ток 1ю, а следователно и знака на магнитното поле Во 11 на бобината 10. По този начин се компенсира както положително, така и отрицателно офсет-напрежение V₅, б(В = 0) ψ 0 на изхода 8, фигура 1.The innovative solution proposes that the removal of the offset be done with an impact of the same nature as the measured parameter B 9, ie again through the Hall effect. For this reason, a technological coil 10 with a small number of turns is completely formed on the substrate, completely enclosing the sensor 2. It generates a constant magnetic field on the element 2 Bo 11 is an induction and a sign to neutralize the parasitic offset voltage V ₅ , ₆ (B = 0) = 0. The magnetic field B _o 11 of the coil has a radial symmetry with respect to the windings and its lines of force in the first approximation penetrate vertically the plane of the Hall sensor 2. With the help of the adjustable resistor 13 is realized as a mode of fixed current 1 ₁₀ = const through the coil 10, as well as the possibility of its precise adjustment. The switch 12 controls the direction of the current 1yu flowing through the coil 10, and therefore the sign of the magnetic field In 11 of the coil 10. In this way both positive and negative offset voltage V ₅ , b (B = 0) ψ 0 is compensated. at the output 8, figure 1.

BG 67187 BlBG 67187 Bl

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че за първи път в сензориката на магнитното поле се предлага преодоляване на един от най-сериозните принципни недостатъци - офсетът да става чрез магнитно въздействие В_о 11 върху сензора на Хол, което да е със същата природа както измервания параметър - полето В 9. Драстично е редуцирана метрологичната грешка и съществено е опростена схемотехниката за компенсация. Бобината 10 е с малък брой навивки, тъй като офсетът в CMOS микросензорите на Хол е не повече от 3-4 mV. Такова напрежение се генерира от магнитно поле В_о 11 чрез няколко ампер-навивки и сила на тока 1₁₀ от около 2-3 mA. Разполагането вътре в бобината 10 на елемента на Хол 2 позволява магнитното й поле В_о 11 да е перпендикулярно на равнината на сензора 2, който тя напълно обхваща.The unexpected positive effect of the new technical solution is that for the first time in the magnetic field sensors it is proposed to overcome one of the most serious fundamental shortcomings - to offset by magnetic action B _o 11 on the Hall sensor, which is of the same nature as the measured parameter - field B 9. The metrological error is drastically reduced and the circuitry for compensation is significantly simplified. The coil 10 has a small number of turns, as the offset in Hall's CMOS microsensors is no more than 3-4 mV. Such a voltage is generated by a magnetic field B _o 11 through several ampere windings and a current strength 1 ₁₀ of about 2-3 mA. The arrangement inside the coil 10 of the Hall element 2 allows its magnetic field B _o 11 to be perpendicular to the plane of the sensor 2, which it completely covers.

Технологично бобината 10 може да се реализира с методите на микроелектрониката, например с CMOS или BiCMOS процесите, формиращи микросензора на Хол. Важно е да се отбележи, че формата на елемента 2 е без значение в новото решение, което го прави универсално. Освен симетрични структури, могат да се използват правоъгълни, конфигурации тип Ван дер Пау, кръгли и др. Достатъчно е върху елемента на Хол 2 да се въздейства с подходящо по сила и посока поле Во И, за да се компенсира неминуемия офсет. С новото решение (бобината 10) може да се неутрализира офсетът и в други видове магниточувствителни сензори като биполярни и MOS магнитотранзистори, диференциални магнитодиоди и магниторезистори и др.Technologically, the coil 10 can be realized by the methods of microelectronics, for example by CMOS or BiCMOS processes forming the Hall microsensor. It is important to note that the shape of element 2 is irrelevant in the new solution, which makes it universal. In addition to symmetrical structures, rectangular, van der Pau, round and other configurations can be used. It is sufficient to act on the Hall 2 element with an appropriate field and direction in the direction I and I in order to compensate for the inevitable offset. With the new solution (coil 10) the offset can be neutralized in other types of magnetically sensitive sensors such as bipolar and MOS magnetotransistors, differential magnetodiodes and magnetoresistors, etc.

Claims

Patent claims

1. Hall offset sensor with compensated offset, containing a semiconductor substrate with p-type impurity conductivity, on one side a Hall sensor is formed as on two of its opposite sides there is one ohmic power contact, and on the other two opposite sides located at 90 ° to those with the supply contacts - one ohmic measuring contact, the supply contacts are connected to the two terminals of the current source as the measured magnetic field is perpendicular to the plane of the substrate, characterized in that the measuring contacts (5) and (6) are the output (8) of the Hall sensor with compensated offset, there is also a coil (10) with a small number of turns, formed technologically on the plane of the substrate (1) and completely covering the sensor (2) as the magnetic field generated by it (11) is perpendicular to the plane of the sensor (2), in series through a switch (12) and an adjustable resistor (13) the coil (10) is connected to the terminals of the current source (7).