BG65340B1

BG65340B1 - Магнитоградиометър

Info

Publication number: BG65340B1
Application number: BG107966A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН
Original assignee: Чавдар РУМЕНИН
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2008-02-29
Also published as: BG107966A

Abstract

Магнитоградиометърът е приложим в областта на безконтактната автоматика, контролно-измервателната технология, слабополевата магнитометрия, системите за управление, сензориката, микросистемите, уредостроенето, военното дело и други. Той използва ефекта на Хол като принцип на действие. Оригиналната приборна конструкция и обработващата електроника позволяват да се минимизират едновременно собственият шум и нелинейността на изхода. Магнитоградиометърът съдържа полупроводникова подложка (1) с примесен тип проводимост, към напречното сечение на която се прилага измерваното градиентно магнитно поле.Върху едната страна на полупроводниковата подложка (1) са формирани централен Холов контакт (2) и симетрично от двете му страни последователно по един вътрешен захранващ контакт - първи (3) и втори (4), по един Холов контакт - първи (5) и втори (6),и още по един краен захранващ контакт- съответно трети (7) и четвърти (8). Първият (3) и третият (7) и съответно вторият (4) и четвъртият (8) захранващ контакт са свързани през отделни токоизточници (9 и 10), като централният Холов контакт (2) е свързан едновременно с двата инвертиращи входа на дваоперационни усилвателя (12 и 13), а неинвертиращите им входове са свързани съответно с първия (5) ис втория (6) Холов контакт. Изходите на двата операционни усилвателя (12 и 13) са свързани с входа на трети операционен усилвател (14), чийто изход е изходът (15) на магнитоградиометъра.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до магнитоградиометър, приложим в областта на безконтактната автоматика, контролно-измервателната технология, слабополевата магнитометрия, системите за управление, сензориката, микросистемите, уредостроенето, военното дело и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е магнитоградиометър, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани централен емитер, симетрично на него последователно по един колектор и по един базов контакт. Емитерът е включен в права посока през първи токоизточник и нискоомен тример, крайните изводи на който са свързани с двата базови контакта. Двата колектора през два еднакви товарни резистора са включени в обратна посока през втори токоизточник към средната точка на тримера, като изход на сензора е измервател на ток, включен в колекторната верига непосредствено след товарните резистори. Градиентното (нееднородно) магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на сензора [1,2].

Недостатъци на този магнитоградиометър са относително високото ниво на собствен шум в изхода, поради биполярния транзисторен характер на протичащите в обема процеси и наличието на начален (стартов) ток в измервателната верига (шумът е квадратична функция на протичащия ток), и повишената нелинейност на изходния сигнал от повърхностната рекомбинация, силно изразена при използвания транзисторен принцип на действие на този магнитопреобразувател.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде магнитоградиометър с ниско ниво на собствения шум на изхода и подобрена линейност на изхода.

Задачата се решава с магнитоградиометър, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани централен контакт на Хол и симетрично от двете му страни последователно по един вътрешен захранващ контакт - първи и втори, по един контакт на Хол - първи и втори, и по още един краен захранващ контакт - съответно трети и четвърти. Първият и третият захранващи контакти, и съответно вторият и четвъртият захранващи контакти са свързани през отделни токоизточници. Измерваното градиентно магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка. Централният контакт на Хол е свързан едновременно с двата инвертиращи входа на два операционни усилватели, а неинвертиращите им входове са свързани съответно с първия и с втория контакт на Хол. Изходите на двата операционни усилватели са свързани с входа на трети операционен усилвател, изходът на който е изход на магнитоградиометьра.

Предимства на изобретението са ниското ниво на собствен шум на изхода, типично за сензорите Хол, използващи основни токоносители и подобрената линейност на изходния сигнал, произтичаща от високата линейност на преобразувателния механизъм на Хол.

Пояснение на приложените фигури

По-подробно изобретението се пояснява с едно примерно изпълнение съгласно изобретението, дадено на приложената фигура.

Примери за изпълнение

Магнитоградиометърът съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани централен контакт на Хол 2 и симетрично от двете му страни последователно по един вътрешен захранващ контакт - първи 3 и втори 4, по един контакт на Хол - първи 5 и втори 6, и още по един краен захранващ контакт -съответно трети и четвърти 8. Първият 3 и третият 7 захранващи контакти, и съответно вторият 4 и четвъртият захранващи контакти са свързани през отделни токоизточници 9 и 10. Измерваното градиентно магнитно поле 11 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1. Централният контакт на Хол 2 е свързан едновременно с двата инвертиращи входа на два операционни усилватели 12 и 13, а

65340 Bl неинвертиращите им входове са свързани съответно с първия 5 и с втория 6 контакт на Хол. Изходите на двата операционни усилватели 12 и 13 са свързани с входа на трети операционен усилвател 14, изходът на който е изход 15 на магнитоградиометъра.

Действието на магнитоградиометъра съгласно изобретението е следното.

При включване на двата токоизточника 9 и 10 и прилагане на хомогенно магнитно поле 11, съответно между първия контакт на Хол 5 и централния контакт на Хол 2, както и между втория контакт на Хол 6 и централния контакт на Хол 2 се генерират равни по стойност, но противоположни по знак напрежения на Хол V₅₂(B) и V_{6 2}(В) в резултат на паралелно-полевия ефект на Хол. Също така при един и същ захранващ ток през токоизточници 9 и 10, магниточувствителностите в тези така формирани два паралелнополеви сензори на Хол 2-3-5-7 и 2-4-6-8 са равни. Неминуемият офсет между контакти 5 и 2, и съответно 6 и 2 в отсъствие на магнитно поле В 11 лесно се нулира чрез промяна на токовете 1₃₇ и I_4g. Прилагането, обаче на градиентно (нехомогенно) магнитно поле делтаВ 11, перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1, води до индуцирането на различни по стойност, но с противоположен знак напрежения на Хол, например, V_{5 2}(В,) > |-V_{6 2}(В₂)|, където В, и В₂ са ефективните стойности на магнитните индукция в сензорните зони около контакти на Хол 5 и 6, като В, > В₂. (В хомогенно магнитно поле 11 тези стойности на индукциите са равни, В, = В₂). Генерираните различни по стойност в градиентно магнитно поле 11 напрежения на Хол V₅₂(B]) и - V₆₂(B₂) се усилват (а при необходимост се повтарят с коефициент К = 1) чрез двата операционни усилватели 12 и 13. Чрез третия операционен усилвател 14, който изпълнява функцията на суматор двата обработени от усилватели 12 и 13 сигнали на Хол V_{5 2}(В₍) и V_{6 2}(В₂) се сумират със съответния знак. В действителност тези напрежения се изваждат. В резултат изходът на усилвател 14, който е изход 15 на магнитоградиометъра представлява информационният сигнал V₁₅ за градиента на магнитното поле 11 между двата контакта на Хол 5 и 6, отстоящи един от друг на разстояние 1_{5 6}. Числената стойност на градиента на магнитното поле 11 делтаВу/делтах между контакти 5 и 6 (по оста х) се определя с израза: делтаВу/делтах = V₁₅(B_y)/ (S.l_{5 6}), където S е предварително определената експериментално магниточувствителност на двата канала в хомогенно магнитно поле 11. Параметърът S е един и същ и за двата сигнала на Хол V_{5 2} и V_{6 2}.

Високата разделителна способност на този еднокомпонентен (по оста х) магнитоградиометър се определя от възможността, разстоянието 1_{5 6} между контакти 5 и 6 чрез силициевата интегрална технология да се минимизира до размери от няколко десетки микрометра.

Проведените експерименти с магнитоградиометър на основата на n-Si паралелно-полеви сензори на Хол, съгласно изобретението, установиха, че собственият шум на магнитоградиометъра е с около две декади по-нисък, в сравнение с известното решение. Този резултат е типичен за сензорите на Хол. Нелинейността на изхода 15 не надхвърля тази на сензорите на Хол, което е с около 35 % по добър резултат в сравнение с градиометъра, използващ транзисторен принцип. Неочакваният положителен ефект от новия магнитоградиометър произтича от оригиналната приборна конструкция, и особено на формирания референтен сензорен контакт 2, едновременно за двете напрежения на Хол V_{5 2} и V₆₂. Освен това използваното техническо решение има по-стабилно сензорно действие от известното ниво, тъй като функционира посредством линейния ефект на Хол. Следва да се отбележи, че напрежението V_{5 6}(В) между контакти 5 и 6 при един и същ ток през токоизточниците 12 и 13 е също на Хол и предоставя информация за усреднената стойност на магнитната индукция 11 през напречното сечение на подложката 1. Следователно, новият сензор дава едновременно метрологична информация както за градиента на магнитното поле 11, така и за усреднената му стойност.

Магнитометърът може да се произвежда серийно чрез различните модификации на силициевата интегрална технология, включително и CMOS процеси.

Claims

Патентни претенции

1. Магнитоградиометър, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, към напречното сечение на която

65340 Bl се прилага измерваното градиентно магнитно поле, характеризиращ се с това, че върху едната страна на полупроводниковата подложка (1) са формирани централен контакт на Хол (2) и симетрично от двете му страни последователно по един вътрешен захранващ контакт - първи (3) и втори (4), по един контакт на Хол - първи (5) и втори (6), и още по един краен захранващ контакт -съответно трети (7) и четвърти (8), първият (3) и третият (7) захранващи контакти, и съответно вторият (4) и четвъртият (8) захранващи контакти са свързани през отделни токоизточници (9) и (10), като централният Холов контакт (2) е свързан едновременно с двата инвертиращи входа на два операционни усилвателя (12 и

13), а неинвертиращите им входове са свързани съответно с първия (5) и с втория (6) контакт на Хол, като изходите на двата операционни усилвателя (12 и 13) са свързани с входа на 5 трети операционен усилвател (14), изходът на който е изход (15) на магнитоградиометьра.