BG66310B1 - Линеаризираща схема за сензори на хол - Google Patents

Abstract

Линеаризиращата схема за сензори на Хол съдържа сензор на Хол (1) със захранващи (2 и 3) и изходни (4 и 5) контакти, два измервателни усилвателя (6 и 7), диференциален усилвател (8), източник на постоянен ток (9) и два тримера (10 и 11). Контактите (2 и 3) са свързани с токоизточника (9). Двата контакта (4 и 5) са съединени едновременно с неинвертиращите или съответно с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя (6 и 7), а средните точки на двата тримера (10 и 11) - с инвертиращите или съответно с неинвертиращите входове на измервателните усилватели (6 и 7). Тримерите (10 и 11) са свързани с източника на постоянен ток (9). Изходите на двата измервателни усилвателя (6 и 7) са съединени с входа на диференциалния усилвател (8), изходът на който е изход (12) на схемата. Измерваното магнитно поле (13) е перпендикулярно на равнината на сензора на Хол (1).

Description

Изобретението се отнася до линеаризираща схема за сензори на Хол, приложима в контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, микро- и нано-системите, медицината, сензорната електроника, топографирането на магнитното поле в близост до магнитни повърхности (постоянни магнити, дефектоскопия, биомагнетизъм), позиционирането на обекти в пространството, военното дело и сигурността, и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известна е линеаризираща схема за сензори на Хол, съдържаща полупроводников сензор на Хол с правоъгълна форма и с четири омични контакта - два захранващи, разположени на късите му страни и два изходни (Холови), формирани по средите на дългите страни, като захранващите контакти са свързани с токоизточник. Двата изходни контакта на сензора на Хол, които са изход на схемата, са съединени с товарен резистор, чиято стойност за постигане на максимална линейност на изхода за всеки отделен сензор е определена експериментално, измервайки изходните характеристики на схемата в перпендикулярно на равнината на сензора магнитно поле при различни стойности на товарния резистор [1, 2].

Недостатък на тази линеаризираща схема за сензори на Хол е ограниченият обхват на магнитната индукция, при който ефектът от товарния резистор е с необходимата минимална грешка на линеаризиране.

Друг недостатък е неотстранимата грешка от квадратичното магнитосъпротивление, понижаваща линейността на изхода с произход от паразитното напрежение на несиметрия (офсет) на сензора на Хол в отсъствие на магнитно поле.

Недостатък е още същественото редуциране на магниточувствителността на схемата от окъсяване изхода на сензора на Хол с товарния резистор, чиято оптимална стойност е много помалка от изходното съпротивление на сензора.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде линеаризираща схема за сензори на Хол с широк обхват стойности на магнитната индукция, в който се запазва минимална грешка на линеаризацията, да се отстрани понижаващата линейността на изхода грешка от съществуването на офсет и да се повиши магниточувствителността му.

Тази задача се решава с линеаризираща схема за сензори на Хол, съдържаща правоъгълен полупроводников сензор на Хол с четири контакта - два захранващи и два изходни (Холови), два измервателни усилвателя, диференциален усилвател, източник на постоянен ток и два тримера. Захранващите контакти на сензора на Хол са свързани с източника на постоянен ток. Двата Холови контакта са съединени едновременно с неинвертиращите или съответно с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя, тогава средните точки на двата тримера - с инвертиращите или съответно с неинвертиращите входове на измервателните усилватели, като тримерите са съединени с източника на постоянен ток. Изходите на двата измервателни усилвателя са свързани с входа на диференциалния усилвател, изходът на който е изход на схемата, като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на правоъгълния сензор на Хол.

Предимства на изобретението са широкият обхват стойности на магнитната индукция с минимална грешка в линейността на изхода, отстраненото паразитно влияние на квадратичното магнитосъпротивление върху линейността на изхода от отсъствието на напрежение на несиметрия (офсет) и повишената магниточувствителност от премахване на окъсяващия изхода на сензора товарен резистор. Предимство е още и универсалната приложимост на линеаризиращата схема за всички видове сензори на Хол с ортогонална и паралелна ос на чувствителност.

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с приложената фигура 1, представляваща едно негово примерно изпълнение.

Примери за изпълнение на изобретението

Линеаризиращата схема за сензори на Хол съдържа правоъгълен полупроводников сензор на Хол 1 с четири контакта - два захранващи 2 и

66310 Bl и два изходни (Холови) 4 и 5, два измервателни усилвателя 6 и 7, диференциален усилвател

8, източник на постоянен ток 9 и два тримера 10 и 11. Захранващите контакти 2 и 3 на сензора 1 са свързани с източника на постоянен ток 9. Двата Холови контакта 4 и 5 са съединени едновременно с неинвертиращите или съответно с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя 6 и 7, тогава средните точки на двата тримера 10 и 11 - с инвертиращите или съответно с неинвертиращите входове на измервателните усилватели 6 и 7, като тримерите 10 и 11 са съединени с източника на постоянен ток

9. Изходите на двата измервателни усилвателя 6 и 7 са свързани с входа на диференциалния усилвател 8, изходът на който е изход 12 на схемата, като измерваното магнитно поле 13 е перпендикулярно на равнината на правоъгълния сензор на Хол 1.

Действието на линеаризиращата схема за сензори на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на полупроводниковия сензор на Хол 1 към източника на постоянен ток 9 и в отсъствие на външно магнитно поле В 13, вследствие на неминуема структурна, електрическа, технологична или друга физическа асиметрия на сензора 1, върху двата му изходни контакта 4 и 5 възникват различни по стойност потенциали V₄(B = 0) ? V₅(B = 0) по отношение на единия от захранващите електроди 2 и 3, например контакт 3. В идеалния случай теоретично би следвало да се очаква тяхното равенство, V₄(B = 0) = V₅(B = 0) = 1/2 V_{2 3}(B = 0), където V_{2 3}(В = 0) е падът на захранващото напрежение върху контактите 2 и 3. Ако се приложи външно магнитно поле В 13, перпендикулярно на равнината на сензора на Хол 1, върху двата изходни контакта 4 и 5 се генерират едновременно както еднакви по стойност, но с противоположен знак линейни от индукцията В 13 напрежения на Хол, така и квадратични от магнитната индукция В 13 равни по стойност, но с един и същ знак магниторезистивни напрежения. Стойността на Ходовите сигнали е половината от развиващото се пълно напрежение на Хол в сензора. Същото се отнася и до магниторезистивните потенциали върху контакти 4 и 5, които са половината от пълното магниторезистивно напрежение V_{2 3}(В) върху захранващите контакти 2 и 3. Интерес за поставената задача представляват само двата линейни Холови сигнали върху контакти 4 и 5. Двете квадратични магниторезистивни напрежения са силно нели нейни и трябва да се отстранят. Също така е задължително и постигането на равенство на стартовите напрежения V₄(B = 0) и V₅(B = 0) в отсъствие на магнитно поле В 13, V₄(B = 0) = V₅(B = 0).

Факторите, обуславящи нелинейността на сензорите на Хол като геометрията на елемента и свойствата на полупроводниковия материал легиране, подвижност, температура, концентрация на свободните носители и т.н. имат квадратична зависимост от магнитната индукция В 13. Ето защо в основата на този фундаментален сензорен недостатък - нелинейността е квадратичното магнитосъпротивление. Целта е да се редуцират драстично или напълно премахнат факторите, генериращи квадратично магниторезистивно напрежение в иначе линейния по своята физическа природа изход на сензора 1. Компенсационните методи и реализиращите ги схемни решения за сензорите на Хол, приложими към паразитното диференциално напрежение V₄₅(B = 0) в отсъствие на магнитно поле В 13 (офсетът) не премахват първопричината, т.е. физическата асиметрия. Ако в идеалния случай отсъства офсет, противоположните по знак Холови сигнали върху контактите 4 и 5 се изваждат, което по същество е сумиране на двете еднакви Холови компоненти. Едновременно с това съпътстващите с един и същ знак две еднакви по стойност магниторезистивни напрежения се неутрализират напълно. Обаче офсетът е принципен недостатък на всички видове елементи на Хол

1. В действителност компенсирането му по известните методи и схемни решения става “in situ”, т.е. въздейства се с допълнителен външен потенциал върху съответния изходен контакт, респективно върху полупроводниковата структура. Така практически е трудно да се отстрани с необходимата степен на точност генерираната от офсета в изхода на сензорите на Хол 1 квадратична магниторезистивна компонента, внасяща съответна грешка в линейността на Ходовия изходен сигнал.

Предложеното ново техническо решение отстранява квадратичния магниторезистивен потенциал, развиващ се върху изходните контакти 4 и 5 на сензора 1 чрез обособяване на два отделни субсензора на Хол, всеки с три извода.

66310 Bl

Единият субсензор е с контактите 2 - 4 - 3, а другият с контактите 2 - 5 - 3. В резултат с помощта на средните точки на тримерите 10 и 11, и съответно Холовите контакти 4 и 5 се отстраняват както стартовата (началната) стойност на напреженията V₄(B = 0) и V₅(B = 0), така и магниторезистивните сигнали върху контактите 4 и 5. Тъй като тримерите 10 и 11 са свързани със захранващите контакти 2 и 3 на сензора на Хол 1, те се настройват така, че върху средните им точки да се генерира магниторезистивна компонента точно равна на тази, която е върху съответния Холов контакт 4 или 5. На практика равенството се осъществява чрез вариране стойностите на тримерите 10 и 11. В отсъствие на магнитното поле В 13 се осъществява нулирането на двата обособени изхода: средните точки на тримерите 10 и 11 и съответно контактите 4 и 5. Фактически така формираните два отделни субсензора на Хол са с диференциални изходи и с напълно отстранени офсети. Тези изходи 4 и 5 се свързват с входовете на двата измервателни усилвателя 6 и 7 за подходяща прецизна калибровка и обработка на сигналите. Действието на схемата не се влияе дали изходите 4 и 5 на сензора на Хол 1 се свързват едновременно с инвертиращите, или съответно с неинвертиращите входове на усилвателите 6 и 7. Същото се отнася и до средните точки на двата тримера 10 и 11. На Фигура 1 е показана една от двете възможности на свързване. При измерване на външното магнитно поле В 13, изходните напрежения на усилвателите 6 и 7 със съответните противоположни знаци се изваждат с диференциалния усилвател 8, чийто изход е изходът 12 на линеаризиращата схема.

Неочакваният положителен ефект от новото техническо решение е едновременното постигане на: а) широк обхват стойности на магнитната индукция с минимална грешка в линейността на изхода, тъй като недостатъкът се атакува чрез физически закономерности, неутрализиращи основната причина - магнитосъпротивлението в изключително широк интервал стойности на магнитната индукция; б) едновременно е отстранено и паразитното влияние на квадратичното магнитосъпротивление върху линейността на изхода, породено от напрежението на несиметрия (офсет) и в) повишена е многократно магниточувствителността на устройството чрез самия сензор на

Хол 1, а не с усилвателите 6 и 7, като се запазват непроменени другите основни характеристики шум, температурен дрейф, временна стабилност и др. (премахнат е окъсяващият изхода товарен резистор от известното решение). Схемата е с универсална приложимост за всички видове сензори на Хол с ортогонална и паралелна ос на чувствителност понеже новото решение не се влияе от метода на активиране с магнитно поле на полупроводниковия сензор 1, нито от технологичната му реализация. В резултат съществено се подобрява метрологичната точност, което беше установено и експериментално с различни модификации елементи на Хол 1.

Патентни претенции

Claims (1)

1. Линеаризираща схема за сензори на Хол, съдържаща правоъгълен полупроводников сензор на Хол с четири контакта - два захранващи и два изходни (Холови), двата захранващи контакта на сензора са свързани с източник на постоянен ток, като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на правоъгълния сензор на Хол, характеризираща се с това, че има още два измервателни усилвателя (6 и 7), диференциален усилвател (8) и два, свързани с източника на постоянен ток (9) тримера (10 и 11), двата изходни Холови контакта (4 и 5) са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя (6 и 7), при което средните точки на двата тримера (10 и 11) са свързани с инвертиращите или съответно с неинвертиращите входове на измервателните усилватели (6 и 7), като тримерите (10 и 11) са съединени с източника на постоянен ток (9), а изходите на двата измервателни усилвателя (6 и 7) са свързани с входа на диференциален усилвател (8), изходът на който е изход (12) на схемата.

Приложение: 1 фигура