BG66763B1

BG66763B1 - Трикомпонентна сонда за магнитно поле

Info

Publication number: BG66763B1
Application number: BG111692A
Authority: BG
Inventors: Август ИВАНОВ; Вълчева Лозанова Сия; Чавдар РУМЕНИН; Йорданов Иванов Август; Сия ЛОЗАНОВА; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2018-11-15
Also published as: BG111692A

Abstract

Трикомпонентната сонда за магнитно поле съдържа подложка (1) с формата на куб и токоизточник (2). Върху три от ръбовете с общ връх на кои и да са съседни страни на подложката (1) са формирани три еднакви полупроводникови сензори на Хол (3, 4 и 5) с равнинна магниточувствителност и обща зона, разположена на върха, към която има първи омичен контакт (6). По дължините на трите сензора (3, 4 и 5) в посока от върха има съответно още по един омичен контакт - последователно втори (7), трети (8) и четвърти (9). Вторият (7), третият (8) и четвъртият (9) контакт през еднакви по стойност товарни резистори (10, 11 и 12) са свързани с единия извод на токоизточника (2), а другият му извод е съединен с първия контакт (6). Вторият (7) и третият (8) контакт, третият (8) и четвъртият (9) контакт, и четвъртият (9) и първият (7) контакт са съответно диференциалните изходи (13, 14 и 15) за трите ортогонални компоненти на магнитното поле (16), което е с произволна ориентация спрямо подложката (1). 1 претенция, 1 фигура

Description

(54) ТРИКОМПОНЕНТНА СОНДА ЗА МАГНИТНО ПОЛЕ

Област на техниката

Изобретението се отнася до трикомпонентна сонда за магнитно поле, приложимо в областта на сензориката, роботиката включително микро- и нано-роботиката, мехатрониката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, автоматиката, позиционирането на обекти в пространството, навигационните системи, контролно-измервателната технология, слабо полевата магнигометрия, биомедицинските изследвания, материалознанието, военното дело и сигурността, и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известна е трикомпонентна сонда за измерване на трите взаимноперпендикулярни (ортогонални) компоненти на вектора на магнитното поле, съдържаща подложка с формата на куб и токоизточник. Върху три от ръбовете с общ връх на които да са съседни страни на подложката са формирани три еднакви полупроводникови сензори на Хол с равнинна магниточувствителност и обща зона, разположена на върха, към която има първи омичен контакт. По дължините на трите сензора в посока от върха последователно има още по четири омични контакти - втори, трети, четвърти и пети. Първият контакт е свързан едновременно с петите контакти и през токоизточник те са съединени с всички трети контакти. Вторият и четвъртият контакт на всеки от сензорите на Хол са диференциалните изходи на сондата за трите компоненти на магнитното поле, което е с произволна ориентация спрямо подложката [1,2].

Недостатък на тази трикомпонентна сонда за магнитно поле е усложнената конструкция, изискваща три полупроводникови сензора на Хол с общо 13 омични контакта.

Недостатък е също редуцираната разделителна пространствена способност (пространствената резолюция) в резултат на големия брой омични контакти, изискващи съответни технологични зони в чувствителните области на сензорите.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде трикомпонентна сонда за магнитно поле с опростена конструкция и висока пространствена резолюция.

Тази задача се решава с трикомпонентна сонда за магнитно поле, съдържаща подложка с формата на куб и токоизточник. Върху три от ръбовете с общ връх на които и да са съседни страни на подложката са формирани три еднакви полупроводникови сензори на Хол с равнинна магниточувствителност и обща зона, разположена на върха, към която има първи омичен контакт. По дължините на трите сензора в посока от върха има съответно още по един омичен контакт - последователно втори, трети и четвърти. Вторият, третият и четвъртият контакт през еднакви по стойност товарни резистори са свързани с единия извод на токоизточника, а другият му извод е съединен с първия контакт. Вторият и третият контакт, третият и четвъртият контакт, и четвъртият и първият контакт са съответно диференциалните изходи на сондата за трите ортогонални компоненти на магнитното поле, което е с произволна ориентация спрямо подложката.

Предимство на изобретението е силно опростената конструкция, съдържаща само четири омични контакта вместо 13.

Предимство е също повишената пространствена резолюция поради наличието на четири омични контакта, което силно редуцира размерите на сензорите на Хол.

Предимство е още и повишената надеждност на 3D сондата от силно редуцирания брой контакти, необходими за нейното функциониране при запазване на перформанса й.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Трикомпонентната сонда за магнитно поле съдържа подложка 1 с формата на куб и токоизточник 2. Върху три от ръбовете с общ връх на които и да са съседни страни на подложката 1 са формирани три

Описания на издадени патенти за изобретения № 12.1/17.12.2018 еднакви полупроводникови сензори на Хол 3, 4 и 5 с равнинна магниточувствителност и обща зона, разположена на върха, към която има първи омичен контакт 6. По дължините на трите сензора 3, 4 и 5 в посока от върха има съответно още по един омичен контакт - последователно втори 7, трети 8 и четвърти 9. Вторият 7, третият 8 и четвъртият 9 контакт през еднакви по стойност товарни резистори 10, 11 и 12 са свързани с единия извод на токоизточника 2, а другият му извод е съединен с първия контакт 6. Вторият 7 и третият 8 контакт, третият 8 и четвъртият 9 контакт, и четвъртият 9 и първият 7 контакт са съответно диференциалните изходи 13,14 и 15 на сондата за трите ортогонални компоненти на магнитното поле 16, което е с произволна ориентация спрямо подложката 1.

Действието на трикомпонентната сонда за магнитно поле, съгласно изобретението, фигура 1, е следното. При включване на централния токов контакт 6, формиран в общата зона на трите сензора на Хол 3, 4 и 5 и на трите товарни резистора 10, 11 и 12 към токоизточника 2, протичат три токови компоненти I I и I от общата зона към крайните омични контакти 7, 8 и 9. Тези токове са равни I = I = I по причина на структурната симетрия, т.е. конструктивната идентичност на трите сензора на Хол 3, 4 и 5, както и равните по стойност товарни резистори R = R_n = R₁₂. При това е в сила съотношението R = R_n = R₁₂» R където R_int е съответното вътрешно съпротивление на отделните периферни области, обуславящи сензорните преобразувателни области 3, 4 и 5. Ето защо режимът на функциониране на сондата е генератор на ток, I ₇ = I = I ₉ = const. Ако в резултат на структурни и технологични несъвършенства, геометрична асиметрия, механични деформации и др., на изходите 13, и 15 възникнат паразитни изходни напрежения в отсъствие на магнитно поле В 16 (офсети), тяхното компенсиране (нулиране) може да се осъществи схемно чрез един или повече допълнителни нискоомни резистори, включени към товарните резистори 10, 11 и 12.

Външното магнитно поле В 16, което е с произволна ориентация в пространството спрямо кубичната подложка 1, чрез трите си взаимно перпендикулярни (ортогонални) компоненти Β_χ, В и Β_ζ генерира три сили на Лоренц, F_L = q V_di х В, латерално отклоняващи в съответните равнини движещите токоносители в активните преобразувателни области на сензорите на Хол 3, 4 и 5, където q е елементарният товар на електрона, a е векторът на средната дрейфова скорост на носителите по осите х, у и z [3, 4]. В резултат на Лоренцовите дефлекции в общата зона за трите сензора с равнинна магниточувствителност протичат независимо следните процеси. Ако векторът Β_χ на полето В 16 е по оста х, настъпва преразпределение на токовете I ₇ и I от действието на силата на Лоренц F_L в равнината y-z като например токът I нараства, а токът I намалява. В резултат на този равнинно-чувствителен ефект на Хол [3, 4], върху контакти 7 и 8, т.е. на изхода 13 възниква напрежение на Хол V_7g(B_x) ξ V Сигналът 13 дава пълна информация за стойността и посоката (знака) на компонента Β_χ. Ако векторът В на полето В 16 е по оста у, настъпва преразпределение на токовете 1₆₇ и 1₆₉ от действието на силата на Лоренц F_p в равнината x-z като например токът 1_{6 7} намалява, а токът 1_{6 9} нараства. В резултат върху контакти 7 и 9, т.е. на изхода 14 възниква напрежение на Хол V₇₉(B_y) ξ V_{h 14}. Този сигнал 14 дава пълна информация за стойността и посоката (знака) на компонента В_у. Ако векторът B_z на полето В 16 е по оста z, настъпва преразпределение на токовете I и I ₉ от действието на силата на Лоренц F_L в равнината х-у като например токът I намалява, а токът I нараства. В резултат върху контакти 8 и 9, т.е. на изхода възниква напрежение на Хол V_g9(B_y) ξ V_{h 15}. Сигналът 15 дава пълна информация за стойността и посоката (знака) на компонента B_z. Върху диференциалните изходи V 13, V 14 и V 15 освен линейното и нечетно (полярно) напрежение на Хол V което фактически е полезният информационен сигнал за съответните компоненти на вектора В 16, едновременно се генерира и квадратичен и четен от съответната магнитна компонента В , В и В магниторезистивен сигнал MR ~ В². Пълното компен- х~ у Z ^г сиране на паразитното, в нашия случай, квадратично магнитосъпротивление на трите изхода 13, 14 и 15 (квадратичното напрежение между двойките контакти 7 и 8, 7 и 9, 8 и 9 от съответната магнитна индукция Β_χ, В и Β_ζ) се компенсира чрез диференциалните изходи 13, 14и15,в които квадратичното магниторезистивно напрежение е синфазен сигнал.

Структурната симетрия на новия З-D сензор и отделянето на трите преобразувателни области на сензорите 3, 4 и 5 една от друга, минимизира съществено паразитното междуканално влияние - един от основните проблеми на векторната магнитометрия. Абсолютната стойност на вектора на магнитното

Описания на издадени патенти за изобретения № 12.1/17.12.2018 поле В 16 в пространството се дава с израза: |В| = (Β_χ ² + В/ + Βζ²)¹², [3, 4], а ъгълът Θ на полето В 16 спрямо фиоксирана реперна ос, например, в равнината х-у се дава с израза: Θ = tan¹ (V (В )/Vx(B_x)) и т.н.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във възможността само с четири омични контакти 6, 7, 8 и 9, вместо с 13, както е в известната 3D сонда, драстично да се опрости конструкцията, запазвайки перформанса - магниточувствителност, температурно поведение, минимално възможно разстоянието между чувствителната зона и повърхността на обекта, на който се изследват магнитните характеристики и др. Освен това се постига повишаване на пространствената резолюция от силно редуцираните размери на сензорите на Хол 3, 4 и 5. Едновременно се повишава и надеждността на трикомпонентната сонда от така намаленият брой контакти 6, 7, 8 и 9.

Claims

Патентни претенции

1. Трикомпонентна сонда за магнитно поле, съдържаща подложка с формата на куб и токоизточник, като магнитното поле е с произволна ориентация спрямо подложката, като върху три от ръбовете с общ връх на които и да са съседни страни на подложката са формирани три еднакви полупроводникови сензори на Хол с равнинна магниточувствителност и обща зона, разположена на върха, към която има омичен контакт, характеризираща се с това, че по дължините на трите сензора (3, 4 и 5) в посока от върха има съответно още по един омичен контакт - последователно втори (7), трети (8) и четвърти (9), като вторият (7), третият (8) и четвъртият (9) контакт през еднакви по стойност товарни резистори (10, 11 и 12) са свързани с единия извод на токоизточника (2), а другият му извод е съединен с първия контакт (6), като вторият (7) и третият (8) контакт, третият (8) и четвъртият (9) контакт, и четвъртият (9) и първият (7) контакт са съответно диференциалните изходи (13, 14 и 15) за трите ортогонални компоненти на магнитното поле (16).