BG66569B1

BG66569B1 - Двуосен магнитометър

Info

Publication number: BG66569B1
Application number: BG111066A
Authority: BG
Inventors: Август ИВАНОВ; Вълчева Лозанова Сия; Чавдар РУМЕНИН; Атанасов Нойков Светослав; Светослав НОЙКОВ; Йорданов Иванов Август; Сия ЛОЗАНОВА; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2017-03-31
Also published as: BG111066A

Abstract

Двуосният магнитометър съдържа полупроводникова подложка с р-тип проводимост (1), върху едната страна на която е образувана дълбока n-тип област (2) с формата на кръг. Върху горната страна на област (2) по периферията й са разположени на равни разстояния един от друг 2k на брой омични n+-контакта, където k е цяло число, а в центъра й има още един омичен n+-контакт (3), свързан c единия извод на токоизточник (4). Всеки от периферните контакти може да бъде в едно от двете положения - да е включен към интерфейсна схема, или да е висящ. Във всеки момент само контакт (3) и два диаметрално срещуположни периферни контакти (5 и 6) са активни, докато останалите 2k - 2 контакти са висящи. Така обособената триконтактна конфигурация (3, 5 и 6) формира микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ магнитното поле (7), лежащо в равнината на подложката (1). Двата срещуположни контакта (5 и 6) са едновременно захранващи и изходни, като през еднакви по стойност резистори (8 и 9) са свързани с другия извод на токоизточника (4). Интерфейсната схема съдържа два мултиплексора (10 и 11), всеки от които е с 2k на брой входове; тактов генератор (12) с фиксирана работна честота, управляващ мултиплексорите (10 и 11); брояч (13), свързан с мултиплексорите (10 и 11), като стъпката на завъртане на триконтактния микросензор на Хол около оста, перпендикулярна на областта (2) и преминаваща през контакта (3), съответства на ъгъла между два съседни периферни контакта; измервателен усилвател (14), на който входът е свързан през двата мултиплексора (10 и 11) с контактите (5 и 6) на микросензора. Изходът на усилвателя (14) е съединен с входа на нискочестотен филтър (15), чийто изход е изходът (16) на двуосния магнитометър.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до двуосен магнитометър, приложимо в областта на контролноизмервателната технология, слабополевата и векторната магнитометрия, безжичните комуникации, микро- и нано-сензориката, безконтактната автоматика и управление, автомобилостроенето, позиционирането на обекти в пространството, уредостроенето, военното дело, сигурността и антитерористичната дейност, и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е двуосен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и тясна п-тип рингова област. Върху горната страна на п-ринга е формирана верига от разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой омични п⁺-контакти, 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 схема, или да е висящ. Във всеки момент само един сегмент, съдържащ пет от последователно разположените и еквидистантни п⁺-контакти е активен, докато останалите 2^к - 5 контакти са висящи. Този сегмент формира петконтактен микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ магнитно поле, лежащо в равнината на р-подложката. Той се състои от един вътрешен захранващ контакт, от двете му страни са разположени по един изходен контакт, до който е разположен по един външен захранващ контакт. Външните контакти са свързани с единия извод на токоизточника, а другият му извод - със средния захранващ контакт. Интерфейсната, обработваща сигнала от микросензора схема се състои от пет мултиплексора, всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор с фиксирана работна честота, управляващ мултиплексорите; брояч, свързан с мултиплексорите; измервателен усилвател, чийто вход е свързан през съответни два мултиплексора с изходните контакти на микросензора, изходът на усилвателя е съединен с входа на нискочестотен филтър, чийто изход е изходът на двуосния магнитометър като стъпката на преместване на обособения петконтактен микросензор на Хол по периферния п-ринг е един контакт [1].

Недостатък на този двуосен магнитометър е значителната грешка, която се внася в измерването на магнитното поле чрез офсета от неминуемата нееквидистантност в разположението на п⁺-контактите, формиращи микросензора на Хол по причина технологията на производство.

Друг недостатък е усложнената интерфейсна схема, изискваща пет отделни мултиплексора, комутиращи петте активни контакта от сегмента, образуващ микросензора на Хол с паралелна ос на чувствителност.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде двуосен магнитометър с минимална грешка в измерването на магнитното поле от нееквидистантност наомичните контакти и опростена интерфейсна схема за обработка на сигнала.

Тази задача се решава с двуосен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока п-тип област с формата на кръг. Върху горната страна на п-областта по периферията й са разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой омични п⁺контакти, където k е цяло число, а в центъра й има още един централен омичен п⁺-контакт, свързан с единия извод на токоизточник. Всеки от периферните контакти може да бъде в едно от следните две положения - или да е включен към интерфейсна схема, или да е висящ. Във всеки момент само централният и два диаметрално срещуположни периферни контакти са активни, докато останалите 2^к - 2 контакта са висящи. Така обособената конфигурация от контакти формира триконтактен микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ магнитно поле, лежащо в равнината на подложката. Двата диаметрално срещуположни периферни контакта са едновременно захранващи и изходни като през еднакви по стойност товарни резистори са свързани с другия извод на токоизточника. Интерфейсната схема съдържа два мултиплексора, всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор с фиксирана работна честота, управляващ мултиплексорите; брояч, свързан с мултиплексорите като стъпката на завъртане на обособения триконтактен микросензор на Хол около оста, перпендикулярна на п-тип областта и преминаваща през централния контакт съот

66569 Bl ветства на ъгъла между два съседни периферни контакта; измервателен усилвател, на който входът е свързан през двата мултиплексора с изходните контакти на микросензора като изходът на усилвателя е съединен с входа на нискочестотен филтър, чийто изход е изходът на двуосния магнитометър.

Предимство на изобретението е минималната грешка, внасяна от офсета на обособените три- 10 контактни микросензори на Хол в измерването на магнитното поле, поради слабото влияние на нееквидистантността на периферните контакти върху изхода на микросензорите.

Друго предимство е значително опростената ¹⁵интерфейсна схема от използване само на два вместо на пет мултиплексори и отсъствието на сложни вериги за компенсиране на офсета както това е в известното решение. 20

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с приложената фигура 1, представляваща едно негово примерно изпълнение. 25

Примери за изпълнение на изобретението

Двуосният магнитометър съдържа полупроводникова подложка с р-тип проводимост 1, върху едната страна на която е образувана дълбока п-тип област 2 с формата на кръг. Върху горната страна на п-областта 2 по периферията й са разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой омични п⁺-контакти, където k е цяло число, а в центъра й има още един централен 35 омичен п⁺-контакт 3, свързан с единия извод на токоизточник 4. Всеки от периферните контакти може да бъде в едно от следните две положения - или да е включен към интерфейсна схема, или да е висящ. Във всеки момент само централният 3 и два диаметрално срещуположни периферни контакти 5 и 6 са активни, докато останалите 2^к - 2 контакти са висящи. Така обособената конфигурация от контакти 3, 5 и 6 формира триконтактен микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващ магнитно 45 поле 7, лежащо в равнината на подложката 1. Двата диаметрално срещуположни периферни контакта 5 и 6 са едновременно захранващи и изходни като през еднакви по стойност товарни резистори 8 и 9 са свързани с другия извод на токоизточника 4. Интерфейсната схема съдържа два мултиплексора 10 и 11, всеки от които е с 2^к на брой входове; тактов генератор 12 с фиксирана работна честота, управляващ мултиплексорите 10 и 11; брояч 13, свързан с мултиплексорите 10 и 11 като стъпката на завъртане на обособения триконтактен микросензор на Хол около оста, перпендикулярна на п-областта 2 и преминаваща през централния контакт 3 съответства на ъгъла между два съседни периферни контакта; измервателен усилвател 14, на който входът е свързан през двата мултиплексора 10 и 11 с изходните контакти 5 и 6 на микросензора като изходът на усилвателя 14 е съединен с входа на нискочестотен филтър 15, чийто изход е изходът 16 на двуосния магнитометър.

Действието на двуосния магнитометър, съгласно изобретението, е следното. При включване на захранващия токоизточник 4, в резултат на радиалната симетрия на контакти 5 и 6 по отношение на контакт 3 в обособената триконтактна Ходова конфигурация 5-3-6 с паралелна ос на чувствителност протичат два еднакви по стойност и противоположно насочени токови компоненти L, и - L,, L = I- L ,1. Омичните контакти 3, 5 и 6 представляват еквипотенциални равнини. Ето защо траекториите на токоносителите са първоначално насочени вертикално надолу в дълбоката п-област, след което стават паралелни на горната й повърхност. Чрез товарните резистори R, 8 и R, 9 се осъществява режим на функциониране генератор на ток на микросензора на Хол. В присъствие на външно магнитно поле В 7, лежащо в равнината на полупроводниковата подложка 1, силата на Лоренц F_L = qV_dr х В отклонява латерално тока 1₃ като генерира чрез него Ходови потенциали V₅(B) и - V₆(B) върху двата периферни контакта 5 и 6, където q е товарът на електрона, a V_dr е дрейфовата скорост на основните токоносители в п-областта 2. В резултат диференциалното напрежение на Хол V₅₆(B) се развива между контакти 5 и 6. С помощта на интерфейсната схема се осъществява виртуално завъртане с фиксирана честота натриконтактния елемент на Хол, зададена от тактовия честотен генератор 12 около оста, перпендикулярна на повърхността на област 2 и преминаваща през контакта 3. Избраната стъпка на завъртане от един периферен контакт, реализируема с двата мултиплексора 10 и 11 позволява прецизното сканиране на равнината на областта 2, в която лежи магнитното поле В 7 от 360°. Това позволява

66569 В1 обем на активната преобразувателна област в нашия случай допуска и по-голяма разсейвана мощност, респективно по-голям захранващ ток 1₃, а следователно и съществено по-висока стойност на Холовото напрежение V_{5 6}(1₃,В), което да се подаде на интерфейсната схема за обработка. Едновременно с това е постигнато опростяване на интерфейсната електроника - мултиплексорите вместо пет са два 10 и 11, и отсъстват сложни вериги за компенсиране на офсета както това е в известното решение.

Предпочитаният полупроводник и технологии за реализация на двуосния магнитометър са силицият, CMOS и BiCMOS процесите. Върху общ чии могат да се формират едновременно 2D магнитометъра и интерфейсната електроника. Броят на контактите 2^к по периферията на циркулярната п-област 2 е свързан от една страна с възможностите на конкретната интегрална технология на производство, а от друга - използваните логически елементи в интерфейсната цифрова електроника.

Claims

Патентни претенции

1. Двуосен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока п-тип област, върху горната страна на която по периферията й са разположени на равни разстояния един от друг 2^к на брой омични п⁺-контакти, където k е цяло число, микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, токоизточник и интерфейсна схема, съдържаща мултиплексори, всеки от които е с 2¹ на брой входове, тактов генератор с фиксирана работна честота, управляващ мултиплексорите, брояч, свързан с мултиплексорите, измервателен усилвател, чийто вход е съединен през мултиплексорите с изходните контакти на микросензора на Хол, като изходът на усилвателя е свързан с входа на нискочестотен филтър, чийто изход е изходът на двуосния магнитометър, а магнитно поле лежи в равнината на подложката, характеризиращ се с 45 това, че п-тип областта (2) е с формата на кръг, като в центъра й има още един централен омичен п⁺-контакт (3), свързан с единия извод на токоизточника(4), всеки от периферните контакти може да бъде в едно от следните две положения - или да е включен към интерфейсната схема, или да е висящ, във всеки момент само централният (3) точно определяне посоката и стойността на магнитния вектор В 7. В резултат от обработката на резултиращия сигнал с измервателния усилвател 14 и нискочестотния филтър 15, напрежението на изхода 16 на двумерния векторен магнитометър $ представлява синусоидна функция от номера на стъпката с добре дефинирани максимум и фаза на отместване. Стойността на магнитното поле В 7 представлява максимумът на амплитудата |θ на тази синусоида, а стойността на ъгловата координата на вектора В 7, определяща посоката му е фазовото отместване на синусоидата по отношение на предварително избрана реперна стойност. Както и при известното решение, 15 собственият шум Ι/f е драстично минимизиран чрез интерфейсната схема. В нашия случай, обаче е налице съществено опростяване на електронната схемотехника чрез използване само на два мултиплексора 10 и 11.

Неочакваният положителен ефект, постигнат с 2D магнитометъра е приложеният за първи път във векторната магнитометрия единичен триконтактен микросензор на Хол с паралелна 25 ос на чувствителност за измерване едновременно на стойността на полето В 7 и ъгловата му координата чрез увеличен обем на ефективната преобразувател на зона, без при това да се наруши резолюцията. Фактически измерването е разширено не в пространството, а във времето, което е принципно нов подход. В известното решение виртуалният петконтактен елемент на Хол е концентриран в периферната зона 35 на п-ринга, която е най-малко с два порядъка по-малка от тази на новото решение. По тази причина всяко технологично несъвършенство, водещо до нееквидистантност на периферните контакти води до съществен офсет, респективно до значителна грешка в измерването на полето В 7. Пространствената разделителна способност (резолюцията) на магнитометъра в известното решение се определя от диаметъра на п-ринга, а не от локалната сензорна зона на ротиращия петконтактен Холов елемент. В предложения нов 2D магнитометър резолюцията е същата, определена е от диаметъра на п-областта 2, като преобразувателната зона не е периферията, а обема на цялата кръгла п-област

2. Така евентуална нееквидистантност на контактите по перифери ята не оказва съществено влияние върху офсета 50 на микросензора на Хол. Също така големият

66569 Bl и два диаметрално срещуположни периферни контакти (5 и 6) са активни, докато останалите 2^к - 2 контакти са висящи, мултиплексорите са два (10 и 11), обособената конфигурация от контакти (3,5 и 6) формиратриконтактен микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, двата диаметрално срещуположни периферни контакта (5 и 6) са едновременно захранващи и изходни като през еднакви по стойност товарни резистори (8 и 9) са свързани с другия извод на токоизточника (4), стъпката на завъртане на обособения триконтактен микросензор на Хол около оста, перпендикулярна на п-областта (2) и преминаваща през контакт (3) съответства на ъгъла между два съседни периферни контакта.