T HE SENSITIVITY of conventional Ha

T HE SENSITIVITY of conventional Hall effect devices is
strongly limited by the well known short-circuit effects
[1], [2]. In order to improve the signal to noise ratio of magnetic
field measurement systems, many researches were devoted to
reduce the offset and the low frequency noise level [3], [4], but
few works were carried out to improve the maximal absolute
sensitivity of Hall effect sensors. In applications such as contactless
ac current measurement [5], the offset of the Hall device
is not a limiting factor. On the other hand, improving its absolute
sensitivity helps in designing magnetic sensors with a good
signal-to-noise ratio. Indeed, the higher the sensitivity of the
sensor is, the higher the noise level of the amplifier can be and
the easier its design is. To achieve a high sensitivity, some ferromagnetic
flux concentrators may be used [6]. Since this solution
needs post-processing for ferromagnetic deposition, the so fabricated
microsystems are necessarily more expensive than conventional
Hall effect devices based microsystems. Here, a new
shape of integrated horizontal Hall effect device is proposed.
This new shape allows to minimize the short-circuit effects due
Manuscript received October 29, 2002; revised July 7, 2003. The associate
editor coordinating the review of this paper and approving it for publication
was Prof. Pavel Ripka.
The authors are with the Laboratoire d’Electronique et de Physique
des Systèmes Instrumentaux (LEPSI), University Louis Pasteur, Strasbourg,
France (e-mail: [e-mail]; [e-mail];
[e-mail]; [e-mail]; [e-mail]).
Digital Object Identifier 10.1109/JSEN.2003.820347
to the biasing contacts and consequently allows to increase the
maximal absolute sensitivity of the device. The resulting sensing
element needs a specific biasing circuit which is also presented.
Two microsystems have been realized using a standard CMOS
0.6- m integrated circuit technology. The first one uses a simple
biasing circuit which leads to a quite low resolution, while the
second one uses a more complex biasing circuit which allows to
get the best performances from the new shape of Hall effect device.
In the first section of this paper, a theoretical study of the
new device is done and numerical simulations results are presented
as proof of the validity of the theoretical formulae. In the
second section, we present two specific biasing circuits which
allow to bring the new Hall effect device into operation. Finally,
some experimental results that confirm our assumptions are discussed
and comments about the biasing technique are given in
the last sections of this paper.
II. NEW DEVICE
A. Hall Effect
Fig. 1 presents a conventional rectangular Hall effect device.
In a thin and infinitely long device with punctual sensing contacts
(i.e., an ideal device), the Hall voltage appearing between
these sensing contacts (S1 and S2 on Fig. 1) is proportional
to the magnetic field component perpendicular to the plate
plane ( ) and to the biasing current ( ) [1]
(1)
(2)
where denotes the Hall coefficient, the thickness of the
plate, the magnitude of the electron charge, the carrier density,
and the scattering factor of silicon.
B. Rectangular Hall Devices
In practical rectangular Hall effect devices (Fig. 1), the
biasing (B1 and B2) and the sensing contacts are responsible
for the short-circuit effects which reduce the Hall voltage by
a geometry dependent correction factor . Under low
induction, the geometrical correction factor of a long
rectangular Hall plate ( ) with small sensing contacts
( ) can be approximated by the following formula
[1]:
(

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

T เขาความไวของอุปกรณ์ทั่วไปหอผลเป็นขอจำกัด โดย short-circuit รู้จักผล[1], [2] เพื่อปรับปรุงสัญญาณต่อเสียงรบกวนของแม่เหล็กฟิลด์ประเมินระบบ งานวิจัยมากมายถูกทุ่มเทเพื่อลดออฟเซ็ตและความถี่ต่ำระดับเสียง [3], [4], แต่ทำงานไม่ได้ดำเนินการปรับปรุงสัมบูรณ์สูงสุดความไวของเซนเซอร์ผลฮอลล์ ในโปรแกรมประยุกต์เช่นสมาร์ตac ประเมินปัจจุบัน [5], ตรงข้ามอุปกรณ์หอจึงไม่ใช่ปัจจัยจำกัด ในทางกลับกัน ปรับปรุงความสัมบูรณ์ความไวช่วยในการออกแบบเซนเซอร์แม่เหล็ก ด้วยดีอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียง แน่นอน ความไวสูงของการเซนเซอร์คือ สูงระดับเสียงของเพาเวอร์แอมป์สามารถ และง่ายขึ้นออกแบบ ให้มีความไวสูง ferromagnetic บางconcentrators ไหลอาจใช้ [6] เนื่องจากโซลูชันนี้หลังแปรรูปสะสม ferromagnetic ต้องการเพื่อประกอบmicrosystems จำเป็นต้องราคาแพงมากขึ้นกว่าปกติอุปกรณ์ผล hall ตาม microsystems ที่นี่ ใหม่รูปร่างของอุปกรณ์รวมแนวนอนหอผลมีการนำเสนอรูปร่างใหม่นี้ช่วยให้การลดผลกระทบ short-circuit ครบกำหนดฉบับที่ 29 ตุลาคม 2545 ได้รับ ปรับปรุง 7 กรกฎาคม 2546 รศแก้ไขการตรวจทานเอกสารนี้การประสานงาน และการอนุมัติสำหรับเผยแพร่รศ.นายก Ripka ได้ผู้เขียนมี Laboratoire d'Electronique ร้อยเอ็ดร่างกายเดอเด Systèmes Instrumentaux (LEPSI), ระดับมหาวิทยาลัย Louis สตราสบูร์กฝรั่งเศส (อีเมล์: [e-mail]; [e-mail];[e-mail]; [e-mail]; [e-mail])ตัวระบุวัตถุดิจิตอล 10.1109/JSEN.2003.820347การ biasing ติดต่อ และจึง ช่วยเพิ่มการความไวสมบูรณ์สูงสุดของอุปกรณ์ ตรวจผลองค์ประกอบต้องวงจร biasing เฉพาะที่ยังมีการนำเสนอMicrosystems สองได้รับการตระหนักโดยใช้ CMOS มาตรฐานเทคโนโลยีวงจรรวม 0.6 m แรกใช้ที่เรียบง่ายbiasing วงจรที่นำไปสู่ความละเอียดค่อนข้างต่ำ ขณะสองใช้วงจร biasing ซับซ้อนซึ่งช่วยให้การได้แสดงสุดรูปร่างใหม่ของอุปกรณ์ผล Hallในส่วนแรกนี้กระดาษ การศึกษาทฤษฎีอุปกรณ์ใหม่เสร็จสิ้น และมีแสดงผลตัวเลขจำลองเป็นหลักฐานมีผลบังคับใช้ของสูตรทฤษฎี ในส่วนที่สอง เรานำสองเฉพาะ biasing circuits ซึ่งอนุญาตให้นำอุปกรณ์ผล Hall ใหม่เข้ามาในการดำเนินงาน สุดท้ายมีการกล่าวถึงบางผลการทดลองที่ยืนยันสมมติฐานของเราและข้อคิดเห็นเกี่ยวกับเทคนิค biasing ได้ในส่วนสุดท้ายของเอกสารนี้II ใหม่อุปกรณ์อ.ผลฮอลล์Fig. 1 นำเสนออุปกรณ์ผลห้องสี่เหลี่ยมธรรมดาในอุปกรณ์ที่บาง และยาวเพียงมีผู้ติดต่อการตรวจช้า(เช่น มีอุปกรณ์เหมาะ), แรงดันไฟฟ้าฮอลล์ปรากฏระหว่างติดต่อเหล่านี้ sensing (S1 และ S2 1 Fig.) เป็นสัดส่วนองค์ประกอบสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับจานเครื่องบิน()()ปัจจุบัน biasing [1] และ(1)(2)ที่แสดงสัมประสิทธิ์ฮอลล์ ความหนาของการแผ่น ขนาดของประจุอิเล็กตรอน ความหนาแน่นของผู้ขนส่งและตัว scattering ของซิลิคอนB. อุปกรณ์หอสี่เหลี่ยมในอุปกรณ์ปฏิบัติผลหอสี่เหลี่ยม (Fig. 1), การbiasing (B1 และ B2) และผู้ติดต่อ sensing จะรับผิดชอบสำหรับผลกระทบ short-circuit ที่ลดแรงดันไฟฟ้าฮอลล์โดยตัวการแก้ไขขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิต ภายใต้ต่ำเหนี่ยวนำ ตัวแก้ไข geometrical ของยาวห้องสี่เหลี่ยมแผ่น() ด้วยการติดต่อไร้สายขนาดเล็ก()สามารถหาค่าประมาณ โดยใช้สูตรต่อไปนี้[1]:(

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

T ฯพณฯ ความไวของอุปกรณ์ผลฮอลล์ธรรมดาจะ
จำกัด อย่างมากจากผลกระทบที่รู้จักกันดีลัดวงจร
[1], [2] เพื่อที่จะปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงของแม่เหล็กระบบการวัดสนามงานวิจัยหลายคนทุ่มเทให้กับการลดการชดเชยและระดับเสียงความถี่ต่ำ[3] [4] แต่ผลงานไม่กี่ได้ดำเนินการเพื่อปรับปรุงแน่นอนสูงสุดความไวของฮอลล์เซ็นเซอร์ผล ในการใช้งานเช่นการสัมผัสวัด ac ปัจจุบัน [5], offset ของอุปกรณ์ที่ฮอลล์ไม่ได้เป็นปัจจัยจำกัด ในทางกลับกันการปรับปรุงแน่นอนไวช่วยในการออกแบบเซ็นเซอร์แม่เหล็กด้วยดีสัญญาณต่อเสียงรบกวนอัตราส่วน อันที่จริงที่สูงกว่าความไวของเซ็นเซอร์ที่สูงกว่าระดับเสียงของเครื่องขยายเสียงที่สามารถและง่ายต่อการออกแบบของมันคือ เพื่อให้บรรลุความไวสูงบาง ferromagnetic concentrators ฟลักซ์อาจจะใช้ [6] เนื่องจากการแก้ปัญหานี้ต้องการการประมวลผลสำหรับการสะสม ferromagnetic ที่ประดิษฐ์เพื่อ Microsystems จำเป็นต้องมีราคาแพงกว่าเดิมอุปกรณ์Microsystems ผลฮอลล์ตาม ที่นี่ใหม่. รูปร่างของอุปกรณ์ผลฮอลล์ในแนวนอนแบบบูรณาการจะเสนอนี้รูปร่างใหม่จะช่วยให้การลดผลลัดวงจรเนื่องจากต้นฉบับที่ได้รับ29 ตุลาคม 2002; ปรับปรุง 7 กรกฏาคม 2003 ร่วมแก้ไขการประสานงานการตรวจสอบของบทความนี้และอนุมัติสำหรับการตีพิมพ์เป็นศ. พาเวล Ripka. ผู้เขียนกับ Laboratoire d'Electronique เอตเดอเท่ห์des Systèmes Instrumentaux (LEPSI) มหาวิทยาลัยหลุยส์ปาสเตอร์, สบูร์ก , ฝรั่งเศส (E-mail: [e-mail]; [e-mail]; [e-mail]; [e-mail]; [e-mail]). วัตถุดิจิตอล ตัวบ่งชี้ 10.1109 / JSEN.2003.820347 ไปยังรายชื่อให้น้ำหนักและจึงช่วยให้การเพิ่มความไวแน่นอนสูงสุดของอุปกรณ์ ผลการตรวจวัดองค์ประกอบของความต้องการที่เฉพาะเจาะจงให้น้ำหนักวงจรซึ่งเป็นที่นำเสนอ. Microsystems สองได้ตระหนักถึงการใช้ CMOS มาตรฐาน0.6- เมตรเทคโนโลยีวงจรรวม คนแรกที่ใช้ง่ายวงจรไบแอสซึ่งนำไปสู่ความละเอียดค่อนข้างต่ำในขณะที่หนึ่งที่สองใช้วงจรการให้น้ำหนักที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งจะช่วยให้ได้รับการแสดงที่ดีที่สุดจากรูปร่างใหม่ของอุปกรณ์ผลฮอลล์. ในส่วนแรกของบทความนี้ การศึกษาเชิงทฤษฎีของอุปกรณ์ใหม่จะทำและผลการจำลองเชิงตัวเลขนั้นจะเป็นหลักฐานของความถูกต้องของสูตรทางทฤษฎี ในส่วนที่สองเรานำเสนอสองวงจรให้น้ำหนักเฉพาะที่อนุญาตให้นำอุปกรณ์ที่มีผลฮอลล์ใหม่ในการดำเนินงาน สุดท้ายบางส่วนผลการทดลองที่ยืนยันสมมติฐานของเราที่จะกล่าวถึงและแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับเทคนิคการให้น้ำหนักจะได้รับในส่วนสุดท้ายของบทความนี้. ครั้งที่สอง อุปกรณ์ใหม่เอ Hall Effect ที่รูป 1 ที่มีการจัดอุปกรณ์ผลฮอลล์สี่เหลี่ยมธรรมดา. ในอุปกรณ์บางและยาวอนันต์ที่มีรายชื่อการตรวจจับที่ตรงต่อเวลา(เช่นอุปกรณ์ที่เหมาะ) แรงดันไฟฟ้าที่ฮอลล์ที่ปรากฏระหว่างที่ติดต่อตรวจจับเหล่านี้(S1 และ S2 ในรูปที่ 1). เป็นสัดส่วนเพื่อแม่เหล็กองค์ประกอบที่สนามตั้งฉากกับแผ่นเครื่องบิน () และไปให้น้ำหนักปัจจุบัน () [1] (1) (2) ที่หมายถึงค่าสัมประสิทธิ์ฮอลล์, ความหนาของแผ่นขนาดของค่าใช้จ่ายอิเล็กตรอนความหนาแน่นของผู้ให้บริการและปัจจัยกระจายของซิลิกอน. บี สี่เหลี่ยมอุปกรณ์ฮอลล์ในฮอลล์ในทางปฏิบัติเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าอุปกรณ์ผล (รูปที่ 1). การให้น้ำหนัก(B1 และ B2) และรายชื่อการตรวจวัดมีความรับผิดชอบสำหรับผลการลัดวงจรที่ลดแรงดันไฟฟ้าที่ฮอลล์โดยเรขาคณิตปัจจัยการแก้ไขอนุ ภายใต้ต่ำเหนี่ยวนำปัจจัยทางเรขาคณิตของการแก้ไขที่มีความยาวแผ่นสี่เหลี่ยมฮอลล์() ที่มีรายชื่อการตรวจจับขนาดเล็ก() สามารถประมาณได้จากสูตรดังต่อไปนี้[1]: (

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

T เขาความไวของอุปกรณ์ผลฮอลล์ปกติคือ
ขอกัดด้วยเช่นกัน การลัดวงจรผลกระทบ
[ 1 ] [ 2 ] เพื่อปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของระบบการวัดสนามแม่เหล็ก
นักวิจัยหลายคนที่ทุ่มเท

ลดชดเชยและระดับเสียงความถี่ต่ำ [ 3 ] [ 4 ] แต่น้อย
งานทดลองเพื่อปรับปรุง
สัมบูรณ์สูงสุดความไวของ Hall Effect เซ็นเซอร์ ในการใช้งาน เช่น วัดกระแส AC )
[ 5 ] , ตรงข้ามหอประชุมของอุปกรณ์
ไม่ได้เป็นปัจจัยจำกัด . บนมืออื่น ๆที่ปรับปรุงสมบูรณ์
ไวช่วยในการออกแบบเซ็นเซอร์แม่เหล็กกับอัตราส่วนที่ดี

แน่นอน ยิ่งไวของ
เซนเซอร์ สูงกว่าระดับของสัญญาณเสียงได้และ
ได้ง่ายขึ้น การออกแบบของมันคือ เพื่อให้บรรลุความไวสูงบาง concentrators ฟลักซ์แม่เหล็กเฟร์โร
อาจจะใช้ [ 6 ] เนื่องจากความต้องการสำหรับโซลูชั่น
ผลิตแข็งสะสม , นักประดิษฐ์
นอกจากนี้ จําเป็นต้องแพงกว่าปกติ ผลจากห้องอุปกรณ์เซิร์ฟเวอร์ . นี่รูปใหม่
อุปกรณ์รวมผลแนวนอนฮอลล์เสนอ
รูปร่างใหม่นี้ช่วยลดการลัดวงจรผลกระทบเนื่องจาก
ต้นฉบับได้รับ 29 ตุลาคม , 2002 ; แก้ไข 7 กรกฎาคม 2003 เชื่อมโยงประสานงานตรวจสอบแก้ไข
กระดาษนี้ และอนุมัติให้ตีพิมพ์
คือศ. ดร. พาเวล ripka .
นักเขียนกับขอขอบคุณที่จดสิทธิบัตรเดียว d'electronique et de ร่างกาย
des mes instrumentaux ( lepsi Syst è ) มหาวิทยาลัยหลุยส์ปาสเตอร์ , Strasbourg ,
ฝรั่งเศส ( E-mail :[e-mail] ; hebrard @ lepsi . in2p3 . fr ;
[e-mail] ; [e-mail] ; บร @ lepsi . in2p3 . fr ) .
ดิจิตอลระบุวัตถุ 10.1109 / jsen . 2003.820347
เพื่อขยายรายชื่อและจากนั้นช่วยให้เพื่อเพิ่มความไวแน่นอน
สูงสุดของอุปกรณ์ ผลการสำรวจความต้องการ
องค์ประกอบเฉพาะความลำเอียงวงจรซึ่งจะนำเสนอ
สองเซิร์ฟเวอร์ได้รับการตระหนักในการใช้ CMOS มาตรฐาน
0.6 M วงจรเทคโนโลยีแบบบูรณาการ อันแรกใช้ง่าย
ความลำเอียงวงจรที่นำไปสู่ความละเอียดต่ำมาก ในขณะที่
ที่สองใช้วงจรขยายที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งช่วยให้

ได้รับการแสดงที่ดีที่สุดจากรูปร่างใหม่ของอุปกรณ์ผลฮอลล์ .
ในส่วนแรกของบทความนี้ การศึกษาทางทฤษฎี
อุปกรณ์ใหม่เสร็จและแบบจำลองเชิงตัวเลขผลเสนอ
เป็นหลักฐานของความถูกต้องของสูตรทางทฤษฎี ใน
ส่วนที่สอง เราเสนอสองเฉพาะความลำเอียงวงจรซึ่ง
อนุญาตให้ใหม่ Hall Effect อุปกรณ์ในการดำเนินงาน ในที่สุด ,
1 ยืนยันสมมติฐานของเราบางส่วนที่กล่าวถึง
และความคิดเห็นเกี่ยวกับเทคนิคจะได้รับการขยายใน
ส่วนสุดท้ายของบทความนี้ .
2 อุปกรณ์ใหม่ . Hall Effect

รูปที่ 1 แสดงอุปกรณ์แบบสี่เหลี่ยม Hall Effect .
ในบางอุปกรณ์ที่มีสายยาวอนันต์ติดต่อ
สัมผัส ( คืออุดมคติอุปกรณ์ ) , ห้องแรงดันปรากฏระหว่าง
เหล่านี้สัมผัสติดต่อ ( S1 และ S2 ในรูปที่ 1 ) เป็นสัดส่วน
กับสนามแม่เหล็กตั้งฉาก ส่วนประกอบ กับแผ่น
เครื่องบิน ( ) และการขยายปัจจุบัน ( ) [ 1 ]
( 1 )
2 )
ที่แสดงในห้องโถงเท่ากับความหนาของ
Plate , ขนาดของอิเล็กตรอนประจุพาหะ ความหนาแน่น และปัจจัยของการกระเจิง

b ซิลิคอน โถงสี่เหลี่ยมอุปกรณ์
ในอุปกรณ์ Effect ฮอลล์ สี่เหลี่ยม ปฏิบัติ ( รูปที่ 1 )
( B1 และ B2 ) ขยายการติดต่อและรับผิดชอบ