BG110493A

BG110493A - Интегрален магнитометър на хол

Info

Publication number: BG110493A
Application number: BG10110493A
Authority: BG
Original assignee: Институт По Управление И Системни Изследвания При Бан
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2011-04-29
Also published as: BG66311B1

Abstract

Интегралният магнитометър на Хол съдържа полупроводникова подложка (1) с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана n-тип рингова структура (2) с циркулярна форма, като само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ три последователни n-тип контакта - първи (4), втори (5) и трети (6), е активен, а останалите контакти са висящи. Този триконтактен сегмент формира микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле (7), лежащо в равнината на подложката (1). Трите контакта (4, 5 и 6) са захранващи, като първият (4) и третият (6) са едновременно изходни. През еднакви по стойност товарни резистори (8 и 9), първият (4) и третият (6) контакт са свързани с единия извод на токоизточник (3), другият извод на който е съединен с контакта (5). Интерфейсната блок-схема е опростена и включва три мултиплексора (10, 11 и 12).

Description

ИНТЕГРАЛЕН МАГНИТОМЕТЪР НА ХОЛ

Сия Вълчева Лозанова Светослав Атанасов Нойков Чавдар Станоев Руменин

Интегралният магнитометър на Хол съдържа полупроводникова подложка (1) с /?-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана и-тип рингова структура (2) с циркулярна форма, като само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ три последователни и-тип контакти първи (4), втори (5) и трети (6) е активен, останалите контакти са висящи. Този триконтактен сегмент формира микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле (7), лежащо в равнината на подложката (1), трите контакти (4), (5) и (6) са захранващи като първият (4) и третият (6) са едновременно изходни. През еднакви по стойност товарни резистори (8) и (9) първият (4) и третият (6) контакти са свързани с единия извод на токоизточник (3), другият извод на който е съединен с контакт 5 като интерфейсната блок-схема е опростена, включвайки три мултиплексора (10), (11) и (12).

София

ИНТЕГРАЛЕН МАГНИТОМЕТЪР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до интегрален магнитометър на Хол, приложимо в областта на сензориката и сензорната електроника, контролноизмервателната техника, слабополевата магнитометрия, микро- и нанотехнологиите, навигацията, безконтактната автоматика, енергетиката, военното дело и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е интегрален магнитометър на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна и-тип рингова структура с циркулярна

• · · · · ·* · · * • · · · · · · · ··· · · · ···· ······♦····· форма. Върху горната страна на тЦи«н*а е фо0мйра!ьа*верйга от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой контакти с «-тип проводимост, където к е цяло число. Всеки от контактите може да бъде в едно от следните три положения - или да е свързан със захранващ токоизточник, или да е включен към интерфейсна блок-схема, или да е висящ. Във всеки момент само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ пет последователно разположени «-тип контакти е активен, докато останалите 2^к - 5 контакти са висящи. Този петконтактен сегмент формира микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле, лежащо в равнината на р-тип подложката с «-ринга и състоящ се от един централен захранващ контакт, от двете му страни са разположени по един изходен контакт, до които се намират по един захранващ външен контакт, свързани едновременно с единия извод на токоизточника, а другият - с централния захранващ «-контакт. Интерфейсната блок-схема съдържа пет мултиплексора, всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор, управляващ мултиплексорите с фиксирана работна честота; брояч, свързан с мултиплексорите; инструментален усилвател, на който входът е свързан през съответни два мултиплексора с изходните контакти на микросензора на Хол, изходът на усилвателя е свързан с входа на нискочестотен филтър, изходът на който е изход на интегралния магнитометър на Хол като стъпката на преместване на обособения петконтактен микросензор на Хол по циркулярния «-ринг е един контакт, [1].

Недостатъци на този интегрален магнитометър на Хол са понижената пространствена разделителна способност (пространствена резолюция) при определяне стойността на радиалното магнитно поле и ъгловото му положение спрямо предварително избраното за репер начало поради немалката активна сензорна зона, разположена между външните захранващи контакти на микросензора на Хол, и усложнената електронна схемотехника, изискваща пет отделни мултиплексори, комутиращи петте активни контакта от сегмента, формиращ микросензора на Хол.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Задача на изобретението е да се създаде интегрален магнитометър на Хол с повишена пространствена резолюция и опростена електронна схемотехника чрез редуциране броя на мултиплексорите.

Тази задача се решава с интегрален магнитометър на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна «-тип рингова структура с циркулярна форма. Върху горната страна на «-ринга е формирана верига от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой контакти с «-тип проводимост, където к е цяло число. Всеки от контактите може да бъде в едно от следните три положения - или да е свързан със захранващ токоизточник, или да е включен към интерфейсна блок-схема, или да е висящ. Във всеки момент само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ три последователно разположени «-тип контакти първи, втори и трети е активен, докато останалите 2^к - 3 контакти са висящи. Този триконтактен сегмент формира

··· · · · · · ··· ··· · · · » микросензор на Хол с паралелна. Ьс. да чурьтвдтеладет’’измерващ радиално магнитно поле, лежащо в равнината на р-тип подложката с п-ринга, трите контакти са захранващи като първият и третият са едновременно и изходни, през еднакви по стойност товарни резистори първият и третият контакти са свързани с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с втория захранващ контакт. Интерфейсната блок-схема съдържа три мултиплексори, всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор, управляващ мултиплексорите с фиксирана работна честота; брояч, свързан с мултиплексорите като стъпката на преместване на обособения триконтактен микросензор на Хол по циркулярния п-ринг е един контакт; измервателен усилвател, на който входът е свързан през съответни два мултиплексори с изходните контакти на микросензора, изходът на усилвателя е съединен с входа на нискочестотен филтър, изходът на който е изход на интегралния магнитометър на Хол.

Предимства на изобретението са повишената пространствена резолюция в резултат на силно редуцираната активна сензорна област между първия и третия контакти на микросензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, и опростената електронна схемотехника от използваните само три вместо пет броя на мултиплексори.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с приложените Фигура, представляваща едно негово примерно изпълнение.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Интегралният магнитометър на Хол съдържа полупроводникова подложка 1 с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна и-тип рингова структура 2 с циркулярна форма. Върху горната страна на п-ринга 2 е формирана верига от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой контакти с и-тип проводимост, където к е цяло число. Всеки от контактите може да бъде в едно от следните три положения - или да е свързан със захранващ токоизточник 3, или да е включен към интерфейсна блок-схема, или да е висящ. Във всеки момент само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ три последователно разположени и-тип контакти първи 4, втори 5 и трети 6 е активен, докато останалите 2^к - 3 контакти са висящи. Този триконтактен сегмент формира микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле 7, лежащо в равнината на р-тип подложката 1 с и-ринга 2, трите контакти 4, 5 и 6 са захранващи като първият 4 и третият 6 са едновременно изходни, през еднакви по стойност товарни резистори 8 и 9 първият 4 и третият 6 контакти са свързани с единия извод на токоизточника 3, другият извод на който е съединен с втория 5 захранващ контакт. Интерфейсната блок-схема съдържа три мултиплексори 10, 11 и 12, всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор 13, управляващ мултиплексорите с фиксирана работна честота; брояч 14, свързан с ·«·· · «· · ·* • · · · ···· • · · ··· ···· • · · · · ··· ···· мултиплексорите 10, 11 и 12 катб. вгъ‘пкатй. Ца’прЬмЪс.т.йане на обособения триконтактен микросензор на Хол по циркулярния и-ринг 2 е един контакт; измервателен усилвател 15, на който входът е свързан през двата мултиплексора 10 и 12 с контактите 4 и 6 на микросензора, изходът на усилвателя 15 е съединен с входа на нискочестотен филтър 16, изходът на който е изход 17 на интегралния магнитометър на Хол.

Действието на интегралния магнитометър на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на захранващия токоизточник 3, в резултат на структурната симетрия на контакти 4 и 6 по отношение на контакт 5, в така обособения сегмент от циркулярната верига 2 от 2^к контакти протичат два еднакви по стойност и противоположно насочени токови компоненти Ц = |- 7₆| , като /5 = /4+ /₆. Чрез товарните резистори R 8 и R 9 се осъществява режим на функциониране генератор на ток, /5 = const. В частта от ринга между контакти 4 и 6 радиалното магнитно поле В 7, лежащо в равнината на полупроводниковата /?-тип подложка 1 под действие на силата на Лоренц F_L = qV_dr х В генерира ефект на Хол, където q е товарът на електрона, a F_dl е дрейфовата скорост на основните токоносители. В резултат в зоните, където са разположени захранващите/изходните контакти 4 и 6 възникват допълнителни противоположни по знак товари, Напрежението на Хол р4,в(В) се развива върху контакти 4 и 6. Ето защо така конфигуриран сегментът 4-5-6 представлява микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност. В сравнение с петконтактния Холов елемент от известното решение, триконтактният микросензор е със съществено редуцирана преобразувателна област. Следователно пространствената му резолюция превъзхожда тази от известното техническо решение. С помощта на интерфейсната блок-схема се осъществява виртуално движение с фиксирана честота на триконтактния елемент на Хол по и-ринга 2, зададена от тактовия генератор 13. Избраната стъпка от един контакт, реализируема с трите мултиплексори 10, 11 и 12 позволява прецизното сканиране в обхвата от 360° за определяне с повишена точност посоката и стойността на радиалното магнитно поле В 7. В резултат от обработката на резултиращия сигнал с измервателния усилвател 15 и нискочестотния филтър 16, напрежението на изхода 17 на интегралния магнитометър на Хол представлява синусоидална функция от номера на стъпката с добре дефинирани максимум и фаза на отместване. Стойността на радиалното магнитно поле В 7 представлява максимумът на амплитудата на тази синусоида, а стойността на ъгъла на магнитното поле В 7, определящ посоката му е фазовото отместване на синусоидата по отношение на предварително избрана нулева стойност. Както в известното решение, така и при новото се запазват такива важни предимства като пълно неутрализиране на офсета между контакти 4 и 6 V^(B = 0) = 0 в отсъствие на магнитно поле В Ί, както и драстичното минимизиране на собствения шум 1// В нашия случай, обаче е налице съществено опростяване на електронната схемотехника чрез трите мултиплексора като следствие от новата в техническото решение триконтактна сензорна конструкция на Хол.

Неочакваният положителен ефект, постигнат с интегралния магнитометър на Хол е приложената за първи път необичайна триконтактна • 9 · ♦ 9 ··· · · · · · • · · ··· ···· • · · ·· 9 9 9 9 99 9 конструкция на микросензора нй. Хс5л, р^з14ериТе.*на.’която съществено миниатюризират активната сензорна зона, което води до повишена пространствена резолюция. Едновременно с това се опростява схемотехниката на интерфейсната блок-електроника - мултиплексорните елементи 10, 11 и 12 вместо 5 са 3.

Предпочитаният полупроводник и технология за реализация на интегралния магнитометър на Хол са силицият и CMOS процесите. Върху общ чип могат да се формират едновременно интегралният магнитометървключително интерфейсната блок-електроника. Броят на контактите 2^к върху циркулярния п-тип ринг е свързан от една страна с възможностите на конкретната разновидност интегрална технология на производство, а от друга - логическите елементи, използвани в интерфейсната цифрова електроника. Силно редуцираната активна сензорна област на интегралния магнитометър на Хол е предпоставка за бъдещата му нанотехнологична реализация.

Приложение: една фигура

ЛИТЕРАТУРА [1] Р. Kejik, S. Reymond, R.S. Popovic, Circular Hall transducer for angular position sensing, Proc, of the 14^th International Confer, on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Lyon, France, TRANSDUCERS & EUROSENSORS '07, 2007, pp. 2593-2596.

• е • · · • · ·

Claims

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

1. Интегрален магнитометър на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с /2-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна л-тип рингова структура с циркулярна форма, върху горната страна на и-ринга е формирана верига от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой контакти с и-тип проводимост, където к е цяло число, всеки от контактите може да бъде в едно от следните три положения - или да е свързан със захранващ токоизточник 3, или да е включен към интерфейсна блок-схема, или да е висящ, във всеки момент само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ определен брой последователно разположени и-тип контакти е активен, докато останалите контакти са висящи, сегментът с активните контакти формира микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле, лежащо в равнината на /?-тип подложката с и-ринга, интерфейсната блок-схема съдържа мултиплексори, всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор, управляващ мултиплексорите с фиксирана работна честота; брояч, свързан с мултиплексорите като стъпката на преместване на обособения триконтактен микросензор на Хол по циркулярния и-ринг е един контакт; инструментален усилвател, на който входът е свързан през съответни два мултиплексора с изходните контакти на микросензора на Хол, изходът на усилвателя е съединен с входа на нискочестотен филтър, изходът на който е изход на интегралния магнитометър на Хол, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че контактите на микросензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност са три (4), (5) и (6) и са захранващи, а първият (4) и третият (6) са едновременно изходни, през еднакви по стойност товарни резистори (8) и (9) първият (4) и третият (6) контакти са свързани с единия извод на токоизточника (3), другият извод на който е съединен с втория (5) захранващ контакт като броят на мултиплексорите е три (10), (11) и (12).