BG111370A

BG111370A - Интегрален двуосен магнитометър

Info

Publication number: BG111370A
Application number: BG111370A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Светослав НОЙКОВ; Сия ЛОЗАНОВА
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика-Бан
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-06-30
Also published as: BG66646B1

Abstract

Интегралният двуосен магнитометър включва сензор на Хол и интерфейсна блок-схема, като сензорът на Хол съдържа полупроводникова подложка (1) с p-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна n-тип рингова структура (2) с циркулярна форма. Върху горната страна на n-ринга (2) е формирана верига от разположени на равни разстояния един от друг 2k на брой контакти с n-тип проводимост, където k е цяло число. Трите контакта (4, 5 и 6), съответно (23, 24 и 25) са захранващи, като първият (4 или 23) и третият (6 или 25) са едновременно и изходни. През еднакви по стойност товарни резистори (8 и 9), първият контакт (4 или 23) и третият контакт (6 или 25) са свързани с единия извод на токоизточник (3), другият извод на който е съединен с втория захранващ контакт (5 или 24). Интерфейсната блок-схема съдържа измервателен усилвател (15), чийто вход е свързан през два мултиплексора (10 и 12) с изходните контакти на активирания в момента от комутатор (20) сензор на Хол. Интерфейсната блок-схема съдържа още три мултиплексора (10, 11 и 12), всеки от които е с 2k на брой входове; тактов генератор (13), управляващ синхронно работата на всички модули на схемата; делител на честота (18), управляващ броячи (14 и 19), които посредством комутатора (20) са свързани с мултиплексорите (10, 11 и 12). Броячите (14 и 19) са настроени да броят синхронно с разлика помежду си 2к/4n-тип омични контакта, формирайки два триконтактни сензора на Хол (4-5-6 и 23-24-25), разположени един спрямо друг по n-ринга на ъгъл 90 градуса. Стъпката на преместване на така обособените два триконтактни сензора на Хол (4-5-6 и 23-24-25) по циркулярния n-ринг е един контакт, като ъгълът между тях винаги остава 90 градуса. Комутаторът (20) се управлява с два пъти по-висока честота от тактовата честота на броячите (14 и 19), включвайки последователно изходите и на двата брояча към управляващите входове на мултиплексорите (10, 11 и 12) при всяко фиксирано състояние на броячите (14 и 19). Изходите на схемата (16) са изходи (17 и 22) на интегралния двуосен магнитометър.

Description

ИНТЕГРАЛЕН ДВУОСЕН МАГНИТОМЕТЪР

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до интегрален двуосен магнитометър, приложимо в областта на, контролно-измервателната техника, слабополевата магнитометрия, микро- и нано-технологиите, навигацията, сензориката и сензорната електроника, безконтактната автоматика, енергетиката, военното дело и сигурността, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е интегрален двуосен магнитометър, обхващащ сензор на Хол и интерфейсна блок-схема. Сензорът на Хол съдържа полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна п-тип рингова структура с циркулярна форма. Върху горната страна на л-ринга е формирана верига от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой контакти с п-тип проводимост, където*Л*е цяЬойисло. 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 блоксхема, или да е висящ. Във всеки момент само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ пет последователно разположени п-тип контакти е активен, докато останалите 2^к - 5 контакти са висящи. Този петконтактен сегмент формира сензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле, лежащо в равнината на р-тип подложката с п-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 извод - с централния захранващ п-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; измервателен усилвател, на който входът е свързан през съответни два мултиплексора с изходните контакти на сензора на Хол, изходът на усилвателя е свързан с входа на нискочестотен филтър, изходът на който е изход на интегралния двуосен магнитометър като стъпката на преместване на обособения петконтактен сензор на Хол по циркулярния п-ринг е един контакт, [1]·

Недостатък на този интегрален двуосен магнитометър е понижената измервателна точност поради използване само на една експериментално получена стойност за магнитния вектор при пълно сканиране на 360 градуса на всичките периферни п-контакти.

Недостатък е също ниската надеждност, свързана с евентуално влошено качество и/или дефектиране на един или повече от разположените по п-ринга омични контакти с п-тип проводимост, водещо до подаване на грешна информация от сензора на Хол към интерфейсния блок.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Задача на изобретението е да се създаде интегрален двуосен магнитометър с повишена измервателна точност и висока надеждност.

Тази задача се решава с интегрален двуосен магнитометър, обхващащ сензор на Хол и интерфейсна блок-схема. Сензорът на Хол съдържа полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна п-тип рингова структура с циркулярна форма. Върху горната страна на п-ринга е формирана верига от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой контакти с п-тип проводимост, където к е цяло число. Във всеки момент само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ три последователно разположени п-тип контакти първи, втори и трети е активен, докато останалите 2^к - 3 контакти са висящи. Този триконтактен сегмент формира сензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле, лежащо в равнината на ртип подложката с п-ринга. Трите контакта са захранващи като първият и третият са едновременно и изходни като през еднакви по стойност товарни резистори първият и третият контакти са свързани с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен’0’вТОрия -захранвай! жхЩдакт. Интерфейсната блок-схема съдържа три мултиплексора, всеки от които е с 2^кна брой входове; тактов генератор, управляващ синхроннно работата на всички модули на схемата; делител на честота, управляващ два брояча, които посредством комутатор са свързани с мултиплексорите. Броячите са настроени да броят синхронно с разлика помежду си 2^к/4 п-тип омични контакта, формирайки два триконтактни сензори на Хол, разположени един спрямо друг по //-ринга на ъгъл 90 градуса. Стъпката на преместване на така обособените два триконтактни сензора на Хол по циркулярния и-ринг е един контакт, като ъгълът между тях винаги остава 90 градуса. Комутаторът се управлява с два пъти по-висока честота от тактовата честота на броячите, включвайки последователно изходите и на двата брояча към управляващите входове на мултиплексорите при всяко фиксирано състояние на броячите. Интерфейсният блок-схема съдържа още измервателен усилвател, на който входът е свързан през два мултиплексора с изходните контакти на активирания в момента от комутатора сензор на Хол, който е единият от двата сензора, адресирани от двата брояча. Изходът на усилвателя е съединен с двата входа на двуканална следящо-запомняща схема, управлявана от декодер, като изходите на следящозапомнящата схема са изходи на интегралния двуосен магнитометър.

Предимство на интегралния двуосен магнотометър е повишената 2К _{х х} .. сигнала, получени съответно от 2^К на брой еднотипни двуосни магнитометъра, вместо използване само на една експериментално получена стойност за магнитния вектор при пълното сканиране на всичките периферни //-контакти.

Предимство е също високата надеждност поради наличие на 2^К сигнала, получени от 2^К на брой виртуално формирани еднотипни двуосни магнитометъра, в отличие от едно измерване от един магнитометър, както е в известното решение.

Предимство е още високото бързодействие в сравнение с известния двуосен магнитометър, тъй като при всеки такт на броячите се получава информация за ъгъла и двете компоненти на вектора на магнитното поле, лежащо в равнината на //-тип подложката.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Интегралният двуосен магнитометър обхваща сензор на Хол и интерфейсна блок-схема. Сензорът на Хол съдържа полупроводникова подложка 1 с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна //-тип рингова структура 2 с циркулярна форма.Върху горната страна на //-ринга 2 е формирана верига от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой контакти с п-тип проводимост, където к е цяло число. Във всеки момент само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ три последователно разположени п-тип контакти пърбй 4,· втори· £-и треГи. fx .(или първи 23, втори 24 и трети 25) е активен, докато останалите 2^к - 3 контакти са висящи. Този триконтактен сегмент формира сензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле 7, лежащо в равнината на р-тип подложката 1 с п-ринга 2. Трите контакта 4, 5 и 6 (съответно 23, 24 и 25) са захранващи като първият 4 (или 23) и третият 6 (или 25) са едновременно и изходни като през еднакви по стойност товарни резистори 8 и 9 първият 4 (или 23) и третият 6 (или 25) контакти са свързани с единия извод на токоизточник 3, другият извод на който е съединен с втория захранващ контакт 5 (или 24). Интерфейсната блок-схема съдържа три мултиплексора 10, 11 и 12, всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор 13, управляващ синхроннно работата на всички модули на схемата; делител на честота 18, управляващ броячите 14 и 19, които посредством комутатор 20 са свързани с мултиплексорите 10, 11 и 12. Броячите са настроени да броят синхронно с разлика помежду си 2^к/4 п-тип омични контакта, формирайки два триконтактни сензора на Хол 4-5-6 и съответно 23-24-25, разположени един спрямо друг по п-ринга на ъгъл 90 градуса. Стъпката на преместване на така обособените два триконтактни сензори на Хол 4-5-6 и 23-24-25 по циркулярния п-ринг е един контакт, като ъгълът между тях винаги остава 90 градуса. Комутаторът 20 се управлява с два пъти по-висока честота от тактовата честота на броячите 14 и 19, включвайки последователно изходите и на двата брояча към управляващите входове на мултиплексорите 10, 11 и 12 при всяко фиксирано състояние на броячите 14 и 19. Интерфейсният блок-схема съдържа още измервателен усилвател 15, на който входът е свързан през два мултиплексора 10 и 12 с изходните контакти на активирания в момента от комутатора 20 сензор на Хол, който е единият от двата сензора 4-5-6 или 23-24-25, адресирани от броячите 14 и 19 съответно. Изходът на усилвателя 15 е съединен с двата входа на двуканална следящо-запомняща схема 16, управлявана от декодер 21, като изходите на следящо-запомнящата схема 16 са изходи 17 и 22 на интегралния двуосен магнитометър.

Действието на интегралния двуосен магнитометър, 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 = |- /₆| , като /₅ = Ц + /₆. Чрез товарните резистори Ri 8 и R₂ 9 се осъществява режим на функциониране генератор на ток, /₅ = const. В частта от ринга 2 между контакти 4 и 6 радиалното магнитно поле В 7, лежащо в равнината на полупроводниковата р-тип подложка 1 под действие на силата на Лоренц F_L = gVdr х В генерира ефект на Хол, където q е товарът на електрона, a V_dr е дрейфовата скорост на основните токоносители, т.е. електроните. В резултат в зоните, където са разположени захранващите/изходните контакти 4 и 6 или 23 и 25 възникват допълнителни противоположни по знак товари, Напрежението на Хол УдХ-в) ^се развива върху контакти 4 и 6 или 23 и 25 т.е. ^23,25(^)- Ето защо така конфигуриран сегментът 4-5-6 или 23-24-25 представлява сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност. В сравнение с петконтактния Холов елемент от известното техническо решение, триконтактният сензор е със съществено редуцирана преобразувателна ибласт. ·{·! •••помсйцла. на интерфейсната блок-схема се осъществява виртуално движение с фиксирана честота на двата разположени един спрямо друг на 90 градуса триконтактни сензора на Хол по п-ринга 2, зададена от делителя на честота 18, управляван от тактовия генератор 13. Избраната стъпка от един контакт позволява максимално прецизно сканиране в обхвата от 360° по п-ринга 2 за определяне на радиалното магнитно поле В 7, лежащо в равнината на р-подложката и реперния ъгъл на полето ΒΊ в съответната координатна система.

Важна особеност на интерфейсната блок-схема е, че за всеки интервал от време, в който изходите на двата брояча 14 и 19 остават фиксирани, се реализират две измервания от два сензора на Хол 4-5-6 и 23-24-25, определени от изходите на броячите. Това се постига с помощта на комутатора 20, който се управлява с два пъти по-висока честота от тактовата честота на броячите. Така се включват последователно изходите и на двата брояча към управляващите входове на мултиплексорите при всяко фиксирано състояние на броячите. Броячите са настроени да броят синхронно с разлика помежду си 274 омични п-тип контакти (съответващо на ъгъл 90 градуса), поради което за всяко фиксирано състояние на броячите двата активирани от тях сензора на Хол (сегментите 4-5-6 и 23-24-25) винаги се намират един спрямо друг на ъгъл 90 градуса по п-ринга. За всяко фиксирано състояние на броячите на изходите на интегралния двуосен магнитометър се получават сигналите на активираните от тях два сензора на Хол 4-5-6 и 23-24-25. По този начин за всеки интервал от време, в който изходите на двата брояча остават фиксирани, се реализира виртуален двукомпонентен магнитометър. Така, за едно пълно сканиране по периферията на п-ринга 2 от 0 до 360 градуса, схемата реализира последователно 2 виртуални двуосни магнитометри, чиито изходни сигнали могат да бъдат измерени. Така се реализират предимствата на новото техническо решение:

- постигане на висока измервателна точност посредством усредняване на 2^К сигнала, получени съответно от 2^К на брой еднотипни двукомпонентни магнитометъра, в сравнение с известното решение, при което се реализира само едно измерване от един двуосен магнитометър;

- постигане на висока надеждност, в резултат на 2 сигнала, получени съответно от 2^К на брой еднотипни двуосни магнитометри, в сравнение с известния магнитометър. Ако излезе от строя поради някаква причина един от сензорите, аномалията, причинена от това, може лесно да бъде открита и изолирана благодарение на коректната информация, получавана от останалите изправни виртуални сензори на Хол;

- постига се високо бързодействие в сравнение с известния двуосен магнитометър, тъй като при всеки такт на броячите е налична нова информация за ъгъла и двете компоненти на вектора на магнитното поле В 7.

Напреженията на изходите V₁₇ 17 и V22 22 на интегралния двуосен магнитометър са две синусоидални функция от номера на стъпката, с фазова разлика 90 градуса.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се дължи на оригинално подбраната конфигурация от взаимно разположени на 90 градуса един спрямо друг двойки виртуални триконтактни сензори на Хол например, 4-5-6 и 23-24-25. Фактически крайната*’ийфор.мация·е резултат от данните, получени от множеството двойки синзори на Хол. Такова решение се предлага за първи път в сензориката.

Предпочитаният полупроводник и технология за реализация на интегралния двуосен магнитометър са силицият и CMOS процесите. Върху общ чип могат да се формират едновременно интегралният магнитометър и интерфейсната блок-електроника. Броят на контактите 2^к върху циркулярния птип 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. Една оптимална бройка на контактите е 32. 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.

Claims

1. Интегрален двуосен магнитометър, обхващащ сензор на Хол и интерфейсна блок-схема като сензорът на Хол съдържа полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна п-тип рингова структура с циркулярна форма, върху горната страна на п-ринга е формирана верига от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой контакти с п-тип проводимост, където к е цяло число, във всеки момент само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ три последователно разположени п-тип контакти първи, втори и трети е активен, докато останалите 2^к - 3 контакти са висящи, този триконтактен сегмент формира сензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле, лежащо в равнината на р-тип подложката с п-ринга, трите контакта са захранващи като първият и третият са едновременно и изходни като 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, интерфейсният блок-схема съдържа измервателен усилвател, на който входът е свързан през два мултиплексора с изходните контакти на активирания в момента от комутатора сензор на Хол, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това че, интерфейсната блок-схема съдържа още три мултиплексора (10), (11) и (12), всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор (13), управляващ синхронно работата на всички модули на схемата; делител на честота (18), управляващ броячите (14) и (19), които посредством комутатор (20) са свързани с мултиплексорите (10), (11) и (12), броячите са настроени да броят синхронно с разлика помежду си 2^к/4 и-тип омични контакта, формирайки два триконтактни сензора на Хол (4-5-6) и (2324-25), разположени един спрямо друг по п-ринга на ъгъл 90 градуса, стъпката на преместване на така обособените два триконтактни сензора на Хол (4-5-6 и 23-24-25) по циркулярния и-ринг е един контакт, като ъгълът между тях винаги остава 90 градуса, комутаторът (20) се управлява с два пъти по-висока честота от тактовата честота на броячите (14) и (19), включвайки последователно изходите и на двата брояча към управляващите входове на мултиплексорите (10),(11) и (12) при всяко фиксирано състояние на броячите (14) и (19), изходът на усилвателя (15) е съединен с двата входа на двуканална следящо-запомняща схема (16), управлявана от декодер (21), като изходите на следящозапомнящата схема (16) са изходи (17) и 22 на интегралния двуосен магнитометър.