BG66570B1 - Двумерен преобразувател на хол - Google Patents

Abstract

Двумерният преобразувател на Хол се състои от сензорен елемент и интерфейсна схема. Сензорният елемент съдържа полупроводникова подложка (1) с р-тип проводимост, върху едната страна на която е образувана дълбока и кръгла n-тип област (2). Върху горната страна на n-областта (2) по периферията й са разположени на равни разстояния един от друг четири омични контакта (3, 4, 5 и 6), разпределени на 90 градуса един спрямо друг, а в центъра й има още един централен омичен контакт (7), свързан с единия извод на токоизточник (8). Всеки от контактите (3, 4, 5 и 6) може да бъде в едно от двете положения - или да е включен към интерфейсната схема, или да е висящ. Във всеки момент само централният (7) и два диаметрално срещуположни контакта (3 и 5) са активни, докато другите два срещуположни контакта (4 и 6) са висящи. Така обособените две конфигурации от контакти (3, 5 и 7) и съответно (4, 6 и 7) формират триконтактни микросензори на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващи компонентите на магнитното поле (9) в равнината на подложката (1). Срещуположните контакти (3 и 5) и съответно (4 и 6) са едновременно захранващи и изходни, като през еднакви по стойност резистори (10 и 11) са свързани с другия извод на токоизточника (8). Интерфейсната схема съдържа два мултиплексора (12 и 13), всеки от които е с два входа; двуканална следящо-запомняща субсхема (14); субсхема за формиране на управляващи импулси (15) и декодер (16) за управление на следящо-запомнящата субсхема (14); тактов генератор (17) с фиксирана работна честота, управляващ мултиплексорите (12 и 13); брояч (18), свързан мултиплексорите (12 и 13), като стъпката на завъртане на триконтактния микросензор на Хол около оста, перпендикулярна на подложката (1) и преминаваща през контакт (7) е на 90 градуса; усилвател (19), на който входът е свързан през двата мултиплексора (12 и 13) с изходните контакти (3 и 5) и съответно (4 и 6) на микросензора като изходът на усилвателя (19) е съединен с входовете на субсхема (14), чиито изходи са изходите (20 и 21) на двумерния преобразувател на Хол за двете компоненти на полето (9).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до двумерен преобразувател на Хол, измерващ две от трите взаимно-перпендикулярни компоненти на вектора на магнитното поле, приложимо в областта на контролно-измервателната технология, слабополевата и векторната магнитометрия, микро- и нано-сензориката, роботиката, безконтактната автоматика, позиционирането на обекти в пространството, уредостроенето, военното дело и сигурността, медицината, системното инженерство и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е двумерен преобразувател на Хол, състоящ се от сензорен елемент и интерфейсна схема, обработваща изходния сигнал от него. Сензорният елемент съдържа 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 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 интерфейсната схема, или да е висящ. Във всеки момент само един сегмент от веригата, съдържащ пет от последователно разположените и еквидистантни омични 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 с п-ринга. 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 схема съдържа 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 двумерния преобразувател на Хол като стъпката на преместване на обособения петконтактен микросензор на Хол по п-ринга е един контакт [1].

Недостатък на този двумерен преобразувател на Хол е сложната конструкция на сензорния елемент поради твърде големия брой периферни контакти, изискваща за тяхното формиране комплицирана силициева технология с високи показатели.

Друг недостатък е влошеното бързодействие на двумерния преобразувател, дължащо се на сканиране на твърде голям брой периферни контакти с микросензора на Хол, определящо измервателния процес на двете равнинни компоненти на магнитното поле.

Недостатък е още усложнената интерфейсна схема, изискваща пет отделни мултиплексори, комутиращи петте активни контакта от сегмента, образуващ микросензора на Хол, както и сложните вериги за компенсиране на неминуемия паразитен офсет.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде двумерен преобразувател на Хол с опростена конструкция на сензорния елемент, повишено бързодействие при измерване на магнитното поле и опростена интерфейсна схема за обработка на сигналите.

Тази задача се решава с двумерен преобразувател на Хол, състоящ се от сензорен елемент и интерфейсна схема, обработваща изходния сигнал от него. Сензорният елемент съдържа 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 четири омични контакти, разпределени на 90° един спрямо друг, а в центъра й има още един централен омичен контакт, свързан с единия извод на токоизточник. Всеки от периферните контакти може да бъде в едно от двете положения - или да е включен към интерфейсната схема, или да е висящ. Във всеки момент само централният и два диаметрално срещуположни периферни контакта са активни, докато другите два срещуположни периферни контакта са висящи. Така обособените две конфигурации

66570 Bl от контакти формират триконтактни микросензори на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващи компонентите на магнитно поле, лежащо в равнината на подложката. Двойките диаметрално срещуположни контакти са едновременно захранващи и изходни като през еднакви по стойност товарни резистори са свързани с другия извод на токоизточника. Интерфейсната схема съдържа два мултиплек- ю сора, всеки от които е с два входа; двуканална следящо-запомняща субсхема; субсхема за формиране на управляващи импулси и декодер за управление на следящо-запомнящата субсхема; 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 подложката и 2θ преминаваща през централния контакт е на ъгъл 90°; измервателен усилвател, на който входът е свързан през двата мултиплексора с изходните контакти на микросензора на Хол като изходът на усилвателя е съединен с входовете на двата 25 канала на следящо-запомнящата субсхема, чиито два изхода са изходите на двумерния преобразувател на Хол за двете равнинни компоненти на магнитното поле.

Предимство на двумерния преобразувател на Хол е твърде опростената конструкция на сензорния му елемент, съдържаща само пет омични контакта.

Друго предимство на двумерния преобразу- 35 вател на Хол е повишеното му бързодействие, тъй като пълният цикъл на сканиране при измерване на двете компоненти на магнитното поле, съставлява само два такта на управляващия импулсен генератор.

Предимство е още значително опростената интерфейсна схема от използване само на два вместо на пет мултиплексора и отсъствието на сложни вериги за компенсиране на паразитния офсет.

Предимство е също и високата простран- 45 ствена разделителна способност (резолюцията) в резултат на силно редуцирания брой периферни контакти, само четири, водещ до намаляване на геометричните размери на сензорния елемент.

Освен това също е предимство минималната . 50 грешка на изхода, внасяна от офсета на двата обособени триконтактни микросензора на Хол в измерването на магнитното поле, поради слабото влияние на неминуемата нееквидистантност на четирите периферни контакта върху изхода на микросензора.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Двумерният преобразувател на Хол се състои от сензорен елемент и интерфейсна схема, обработваща изходните сигнали от него. Сензорният елемент съдържа полупроводникова подложка 1 с р-тип проводимост, 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 четири омични контакта 3, 4, 5 и 6, разпределени на 90° един спрямо друг, а в центъра й има още един централен омичен контакт 7, свързан е единия извод на токоизточник 8. Всеки от периферните контакти 3, 4, 5 и 6 може да бъде в едно от двете положения - или да е включен към интерфейсна схема, или да е висящ. Във всеки момент само централният 7 и двата диаметрално срещуположни периферни контакта 3 и 5 са активни, докато другите два срещуположни периферни контакта 4 и 6 са висящи. Така обособените две конфигурации от контактите 3,5 и 7 и съответно 4,6 и 7 формират триконтактни микросензори на Хол с паралелна ос на чувствителност, измерващи компонентите на магнитно поле 9, лежащо в равнината на подложката 1. Двойките диаметрално срещуположни контакти 3 и 5 и съответно 4 и 6 са едновременно захранващи и изходни, като през еднакви по стойност товарни резистори 10 и 11 са свързани с другия извод на токоизточника 8. Интерфейсната схема съдържа два мултиплексора 12 и 13, всеки от които е с два входа; двуканална следящо-запомняща субсхема 14; субсхема за формиране на управляващи импулси 15 и декодер 16 за управление на следящо-запомнящата субсхема 14; тактов генератор 17 с фиксирана работна честота, управляващ мултиплексорите 12 и 13; брояч 18, свързан с мултиплексорите 12 и 13, като стъпката на завъртане на обособения триконтактен микросензор на Хол около оста, перпендикулярна на подложката 1 и премина4

66570 Bl mm ваща през централния контакт 7 е на ъгъл 90°; измервателен усилвател 19, чийто вход е свързан през двата мултиплексора 12 и 13 с изходните контакти 3 и 5 и съответно 4 и 6 на микросензора на Хол, като изходът на усилвателя 19 е съединен с входовете на двата канала наследящо-запомнящата субсхема 14, чиито изходи са изходи 20 и 21 на двумерния преобразувател на Хол за двете равнинни компоненти на магнитното поле 9.

Действието на двумерния преобразувател на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на захранващия токоизточник 8, в резултат на радиалната симетрия на контактите 3 и 5 или 4 и 6 по отношение на централния 15 контакт 7 в така обособената триконтактна Холова конфигурация 3-7-5 или 4-7-6 с паралелна ос на чувствителност протичат едновременно две еднакви по стойност и противоположно насочени токови компоненти 1_{7 3} и - 1₇₅, 1₇₃ = |-1₇₅|, или съответно L„ и - 1,_х, 1, = I- 1,,|. Омичните контакти 3, 4, 5, 6 и 7 представляват еквипотенциални равнини. Ето защо траекториите на токоносителите под тях са първоначално 25 насочени вертикално надолу в п-областта 2, след което стават паралелни на горната й повърхност. Чрез товарните резистори R 10 и R₂ 11 се осъществява режим на функциониране на генератора на ток на съответните микросензори на Хол. Стойността на тези резистори R₍ 10 и R₂ 11 е на порядък по-голям от вътрешното съпротивление R_int на п-“джоба“ 2, т.е. на п-областта 2 между контактите 3 и 5 или 4 и 6, R,;R₂ » 35 R_jnt. Опростената конструкция на сензорния елемент на двумерния преобразувател на Хол е сведена само до пет омични контакта - единият централен 7 и двете взаимноперпендикулярни двойки периферни контакти 3 и 5 и съответно 4 и 6. В известното решение от [1] броят на тези ⁴θ периферни контакти достига 64 и реализацията им изисква сложна и с високи показатели CMOS технология. Във външното магнитно поле В 9, лежащо в равнината на полупроводниковата подложка 1, силата на Лоренц F_L = qV_dr х В от- 45 клонява латерално тока, като генерира чрез него Холови потенциали V₃(B) и - V₅(B), например върху двата периферни контакта 3 и 5, същото се отнася и за контактите 4 и 6, q е товарът на електрона, a V_dr е дрейфовата скорост на носителите. В резултат диференциалното напрежение 50 на Хол V_{3 5}(В) се развива между контактите 3 и

5, а напрежението V₄₆(B) е между контактите 4 и 6. Изискването R^Rj» R_int е да се екстрахира максимално висока стойност на Холовото напрежение. С помощта на интерфейсната схема се осъществява виртуално завъртане с фиксирана честота натриконтактния елемент на Хол на 90°, зададена от тактовия генератор 17 около оста, перпендикулярна на повърхността на област 2 и преминаваща през контакта 7. Стъпката на завъртане от 90°, реализуема с двата мултиплексора 12 и 13 позволява сканиране на 360° на равнината, в която лежи магнитното поле В 9, Това позволява точно определяне стойностите на двете равнинни В и В компоненти на магнитния вектор В 9.

X у *

Субсхемата 14 формира стабилни във времето изходни сигнали, съответстващи на измерените компоненти В_х и В_у на полето В 9. След обработка на резултиращия сигнал с измервателния усилвател 19 и двуканалнатаследящо-запомняща субсхема 14, напреженията на двата изхода 20 и 21 на двумерния преобразувател на Хол са с необходимите метрологични качества. Изходните напрежения 20 и 21 са по отношение на маса. Те са линейни и нечетни функции от съответните компоненти В и В, V ~ В 20 и V ~ В 21 на полето В 9, В = Β_χ + В_у. Абсолютната стойност на вектора на полето В 9 се дава е известната релация |В| = (Β_χ ² + Ву²)^|/2, а ъгълът Θ на вектора В 9 спрямо оста х се получава с израза Θ = tan'¹ (В / Βχ) = tan ‘(V /V_x). Както и в известното решение, собственият шум Ι/f на микросензорите на Хол е потиснат драстично чрез обработката на сигналите, обуславящи изходите 20 и 21. В нашия случай, обаче е налице съществено опростяване на електронната схемотехника чрез използване само на два мултиплексора 12 и 13.

Неочакваният положителен ефект, постигнат с 2D преобразувателя на Хол е, че за първи път във векторната магнитометрия чрез ротация само на един виртуално формиран триконтактен микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност се получава метрологична информация едновременно и независимо за стойностите на двете компоненти В 20 и В 21 на полето В 9 и за X у съответната му ъглова ориентация Θ в равнината х-у. Обстоятелството, че периферните контакти 3, 4, 5 и 6 са само четири гарантира съществено минимизиране на геометричните размери на сензорния елемент, и в резултат пространствената резолюция на 2D преобразувателя значително

66570 Bl нараства. Съгласно изобретението измерването е разширено не в пространството, а във времето, което е нов подход. Сканирането при измервателния процес само на четирите контакта 3-5 и 4-6 позволява максимално да се повиши бързодействието, в сравнение с 2D магнитометъра от [1], при който контактите са 64. В известното решение виртуалният петконтактен елемент на Хол е концентриран в периферната зона на ю п-ринга, която е поне с два порядъка по-малка от тази на новия преобразувател на Хол. По тази причина всяко технологично несъвършенство, водещо до нееквидистантност на периферните контакти води до съществен офсет, респективно ¹⁵ до значителна грешка в измерването на полето В 9. Този проблем не стои в сензорния елемент, съгласно изобретението. Също така големият обем на активната преобразувателна област в 20 решението, съгласно изобретението, допуска и по-голяма разсейвана мощност, респективно поголям захранващ ток 1₃, а следователно и значителни по стойност Холови напрежения V_{3 5}(В) и

V_{4 6}(В), които се подават на интерфейсната схема 25 за обработка. По този начин сигналът, екстрахиран от сензора за единица магнитен поток В 9 е по-съществен. Също е постигнато опростяване на интерфейсната електроника - мултиплексорите вместо пет са два 12 и 13, и отсъстват сложни вериги за компенсиране на офсета, както в известното решение от [1].

Освен радиално-симетричен сензорен елемент, съгласно Фигура 1, двумерният преобра- 35 зувател на Хол може да се изгради и на основата на други сензорни структури на Хол с паралелна ос на чувствителност, формата на които е с централна ос на симетрия, например квадратни, кръстовидни, четири-детелиновидни и т.н. Задължително условие е четирите периферни контакта 3,4, 5 и 6 да са позиционирани един по отношение на друг на ъгъл 90° и задължително оста на симетрия да минава през петия централен контакт 7. Кинетичните процеси следва да обезпечават две противоположно насочени токови 45 компоненти, които да стартират от централния контакт 7, прониквайки дълбоко под него. Предпочитанието на една или друга сензорна топология се определя от технологичните възможности и от конкретното приложение.

Подходящият полупроводник и технологиите за реализация на двумерния преобразувател на

Хол са силицият, CMOS и BiCMOS процесите. Формирането на омичните контакти 3, 4, 5, 6 и 7 става чрез силно легирани п⁺-зони, образувайки така нискоомни п⁺-п преходи в кръглия п-“джоб“ 2. Върху общ чип могат да се интегрират едновременно Ходовият сензорен елемент и интерфейсната електроника.

Claims (1)

1. Двумерен преобразувател на Хол, състоящ се от сензорен елемент и интерфейсна схема, обработваща изходния сигнал от него като сензорният елемент съдържа 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 омични контакти от микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност и от токоизточник, като интерфейсната схема съдържа мултиплексори, тактов генератор с фиксирана работна честота, свързан с мултиплексорите, брояч, свързан с мултиплексорите, измервателен усилвател, чийто вход е съединен през мултиплексорите с изходните контакти на микросензора на Хол, а магнитното поле, лежи в равнината на подложката, характеризиращ се с това, че п-тип областта (2) е с формата на кръг като по нейната периферия са разположени четири омични контакта (3,4,5 и 6), разпределени на 90° един спрямо друг, а в центъра на областта (2) има един централен омичен контакт (7), свързан с единия извод на токоизточника (8), като мултиплексорите са два (12 и 13) и са с два входа, а конфигурацията от контактите (3, 7 и 5) и съответно (4, 7 и 6) формира триконтактен микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност, като двойките диаметрално срещуположни контакти (3 и 5) и съответно (4 и 6) са едновременно захранващи и изходни, като през еднакви по стойност товарни резистори (10 и 11) са свързани с другия извод на токоизточника (8), при което стъпката на завъртане на обособения триконтактен микросензор на Хол около оста, перпендикулярна на подложката (1) и преминаваща през контакта (7) е на ъгъл 90°, като изходът на измервателния усилвател (19) е свързан с вход на двуканална следящо-изходяща субсхема (14), която е свързана със субсхема за формиране на управляващи импулси (15) през декодер (16), а

ШЖ

66570 Bl двата изхода на субсхемата (14) са изходи (20 и 21) на двумерния преобразувател на Хол за двете равнинни компоненти на магнитното поле (9).

Приложение: 1 фигура

Литература

1. Р. Kejik, S. Reymond, R. S. Popovic, Circular Hall transducer for angular position sensing, Proceedings of the 14th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Lyon, France, TRANSDUCERS & EUROSENSORS ,07, 2007, pp. 2593-2596.

66570 Bl

Издание на Патентното ведомство на Република България

1113 София, бул. Г. М. Димитров 52-Б

Експерт: Св. Демиревска