BG66311B1 - Интегрален магнитометър на хол - Google Patents

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

Изобретението се отнася до интегрален магнитометър на Хол, приложимо в областта на сензориката и сензорната електроника, контролно-измервателната техника, слабополевата магнитометрия, микро- и нано-технологиите, 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 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 k 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 п-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 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 - 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; инструментален усилвател, чийто вход е свързан през съответни два мултиплексора с изходните контакти намикросензора 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 п-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, формиращи 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 птип 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 k 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 п-тип контакти първи, втори и трети е активен, докато останалите 2^к - 3 контакти са висящи. Този триконтактен сегмент формира микроензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, 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 контакт са свързани с единия извод натокоизточник, другият извод на който е съединен с втория захранващ контакт.

66311 Bl

Интерфейсната блок-схема съдържа три мултиплексори, всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор, управляващ мултиплексорите е 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 контакт на микросензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, и опростената електронна схемотехника от използваните само три вместо пет броя на мултиплексори.

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с приложената фигура 1, 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 п-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 п-тип проводимост, където k 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 п-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 п-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 захранващ контакт 5. 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, като стъпката на преместване на обособения триконтактен микросензор на Хол по циркулярния п-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 контактите 4 и 6 по отношение на контакта 5, в така обособения сегмент от циркулярната верига 2 от 2^к контакти протичат два еднакви по стойност и противоположно насочени токови компоненти 1₄ = |IJ, като 1₅ = 1₄ + 1₆. Чрез товарните резистори R 8 и R 9 се осъществява режим на функциониране генератор на ток, 1₅ = const. В частта от ринга между контактите 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 = qV_dr х В генерира ефект на Хол, където q е товарът на електрона, a V_dr е дрейфовата скорост на основните токоносители. В резултат на това в зоните, където са разположени захранващите/изходните контакти 4 и 6 възникват допълнителни противоположни по знак товари. Напрежението на Хол V₄₆(B) се развива върху контактите 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

66311 Bl c фиксирана честота на триконтактния елемент на Хол по п-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 контактите 4 и 6 V_{4 6} (В = 0) = 0 в отсъствие на магнитното поле В 7, както и драстичното минимизиране на собствения шум Ι/f. 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 конструкция на микросензора на Хол, размерите 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 магнитометър, включително 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.

Патентни претенции

Claims (1)

1. Интегрален магнитометър на Хол, съдържащ 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 k е цяло число, като 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, като във всеки момент само един сегмент от циркулярната верига, съдържащ определен брой последователно разположени п-тип контакти, е активен, докато останалите контакти са висящи, а сегментът с активните контакти формира микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ радиално магнитно поле, лежащо в равнината на р-тип подложката с п-ринга, като 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 мултиплексоритер, като стъпката на преместване на обособения триконтактен микросензор на Хол по циркулярния п-ринг е един контакт; инструментален усилвател, чийто вход е свързан през съответни два мултиплексора с изходните контакти на микросензора на Хол, а 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 и изходни, като през еднакви по стойност товарни резистори (8 и 9) първият (4) и третият (6) контакт са свързани с единия извод натокоизточника (3), другият извод на който е съединен с втория (5) захранващ контакт, като мултиплексорите са три (10, 11 и 12).