PL195809B1 - Urządzenie do pomiaru i/lub detekcji pola magnetycznego - Google Patents

Abstract

1. Urządzenie do pomiaru i/lub detekcji pola magnetycznego składające się ze źródła zasilania, które połączone jest z czujnikiem pola magnetycznego oraz z układem obróbki elektronicznej sygnałów, a czujnik pola magnetycznego połączony jest niezależnie z układem obróbki elektronicznej sygnałów, zaś układ obróbki elektronicznej sygnałów połączony jest z czytnikiem, przy czym czujnikiem pola magnetycznego jest co najmniej jeden dwudrenowy tranzystor polowy z jedną lub większą liczbą bramek, znamienne tym, że dwudrenowy tranzystor jest tranzystorem polowym z kanałem indukowanym.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru i/lub detekcji pola magnetycznego, w którym zastosowano odpowiednio wykonaną strukturę półprzewodnikową przetwarzającą wartość natężenia pola magnetycznego i/lub jego zmianę na odpowiedni sygnał elektryczny. Urządzenie może służyć do pomiaru pola magnetycznego w wybranym kierunku, zarówno stałego jak i zmiennego, oraz do detekcji pola magnetycznego o zadanym kierunku, zwrocie, wartości i przebiegu w czasie.

Z książki „Technika hallotronowa” Andrzej Kobus, Janusz Tuszyński, Zygmunt Lech Warsza WNT, Warszawa 1980 r. znane są urządzenia do pomiaru natężenia pola magnetycznego. Najbardziej istotnym elementem takiego urządzenia jest płytka półprzewodnikowa, w której w wyniku oddziaływania na nią pola magnetycznego, powstaje sygnał elektryczny będący funkcją wektora indukcji magnetycznej. Do detekcji i/lub pomiaru pola magnetycznego wykorzystuje się najczęściej płytkę półprzewodnikową, w której występuje zjawisko Halla, zwaną hallotronem lub element półprzewodnikowy, w którym występuje zjawisko magnetorezystancyjne, zwany gaussotronem. Zarówno w hallotronie, jak i gaussotronie płytka półprzewodnikowa charakteryzuje się jednym typem przewodnictwa. W płytkach tych nie można wyróżnić obszarów o dwóch wzajemnie różnych typach przewodnictwa.

Istotnymi wadami znanych urządzeń do pomiaru i/lub detekcji pola magnetycznego, w którym czujnikiem jest płytka półprzewodnikowa o jednym typie przewodnictwa są duże wymiary geometryczne czujnika, które utrudniają pomiar pól w małych obszarach realnej przestrzeni oraz uniemożliwiają badanie pól niejednorodnych, jak też mała ich czułość. Istotną wadą są również zakłócenia od pola własnego czujnika, które powstają jeśli zwiększa się prąd sterujący w celu zwiększenia czułości pomiaru.

Z opisu patentowego US nr 5801533 znane jest urządzenie do pomiaru i/lub detekcji pola magnetycznego zawierające źródło zasilania, które połączone jest z czujnikiem pola magnetycznego oraz układem obróbki elektronicznej sygnałów. Czujnik pola magnetycznego zrealizowany jest w postaci magnetotranzystora polowego typu MagFET z dwoma lub trzema drenami i jedną bramką. W urządzeniu tym czujnik pola magnetycznego połączony jest niezależnie z układem obróbki elektronicznej sygnałów, zaś układ obróbki elektronicznej sygnałów połączony jest z czytnikiem.

Niedogodnością tego urządzenia jest konieczność korzystania ze stosunkowo dużej powierzchni aktywnej, na którą musi działać pole magnetyczne.

Urządzenie do pomiaru i/lub detekcji pola magnetycznego charakteryzuje się według wynalazku tym, że dwudrenowy tranzystor polowy jest tranzystorem z kanałem indukowanym.

W wariantach realizacji wynalazku dwudrenowy tranzystor polowy jest tranzystorem z kanałem indukowanym, lub tranzystorem z kanałem zubożanym lub tranzystorem złączowym. Tranzystory te mogą być zarówno z kanałem typu n jaki z kanałem typu p.

Urządzenie według wynalazku posiada dużą geometryczną rozdzielczość pomiarową i w rezultacie jest zdolne do mierzenia stosunkowo małych strumieni pola magnetycznego przy zachowaniu dużej czułości na zmieniające się wartości pola magnetycznego. Korzystną cechą wynalazku jest także to, iż zakłócenia pochodzące od pola własnego czujnika w małym stopniu zaburzają mierzone pole magnetyczne, gdyż prąd sterujący dwudrenowymi tranzystorami sondy pomiarowej może być mniejszy niż w znanych dotychczas urządzeniach pomiarowych.

Wynalazek zobrazowany jest bliżej na rysunku, na którym fig.1 przedstawia uproszczony schemat blokowy urządzenia, a fig. 2, 3, 4, 9, 10, 11 przedstawia schematycznie szczegółowe rozwiązanie konstrukcyjne dwudrenowe tranzystorów polowych z kanałem indukowanych zaś fig. 5, 6, 7, 12, 13 i 14 z kanałem zubożałym a fig. 8 przedstawia szczegółowe rozwiązanie konstrukcyjne dwudrenowego tranzystora polowego złączowego.

Przykład I

Sonda pomiarowa A, zawierająca jako czujnik pola magnetycznego dwudrenowy tranzystor polowy, jest połączona elektrycznie ze źródłem zasilania B i układem obróbki elektronicznej sygnału C, aten z kolei z czytnikiem D, przy czym źródło zasilania B połączone jest z układem obróbki elektronicznej sygnału C.

Czujnikiem pola magnetycznego jest dwudrenowy i dwubramkowy tranzystor polowy z kanałem indukowanym typu n, który przedstawiony jest na rysunku fig. 2. Tranzystor ten wykonany jest w podłożu półprzewodnikowym 1typu p i zawiera jedno źródło 2 typu n⁺, bramkę sterującą 3 i bramkę kierującą 5 odizolowane od powierzchni półprzewodnika warstwą izolatora 4. Tranzystor ma dwa różne

PL 195 809 B1 obszary drenowe 6i8 typu n⁺, odizolowane od siebie warstwą izolatora 7. Obszary drenowe 6i8 są wtaki sposób usytuowane jeden pod drugim w głąb półprzewodnika 1, że od strony źródła 2 posiadają bezpośredni kontakt z podłożem półprzewodnika 1 tworząc z nim złącze p-n.

Przykład II

W urządzeniu, którego układ wykonany jest jak w przykładzie I, czujnikiem pola magnetycznego jest dwudrenowy i dwubramkowy tranzystor polowy z kanałem indukowanym typu n, który przedstawiony jest na rysunku fig. 3. Tranzystor ten charakteryzuje się tym, że obszar drenu 6 jest umiejscowiony bliżej źródła 2 niż obszar drenu 8, w stosunku do umiejscowienia obszaru drenu 6 przedstawionego na rysunku fig. 2.

Przykład III

W urządzeniu, którego układ wykonany jest jak w przykładzie I, czujnikiem pola magnetycznego jest dwudrenowy i dwubramkowy tranzystor polowy z kanałem indukowanym typu n, który przedstawiony jest na rysunku fig. 4. Tranzystor ten charakteryzuje się tym, że dren 6 całą swoją szerokością jest położony bliżej źródła 2 niż dren 8 oraz, że dreny 6i8 odizolowane są od siebie kątową warstwą izolatora 7, na której wytworzona jest warstwa 9 z materiału przewodzącego prąd elektryczny.

Przykład IV

W urządzeniu, którego układ wykonany jest jak w przykładzie l, czujnikiem poła magnetycznego jest dwudrenowy i dwubramkowy tranzystor polowy z kanałem zubożanym typu n, który przedstawiony jest na rysunku fig. 5. Tranzystor ten charakteryzuje się tym, że wykonany jest w podłożu półprzewodnikowym 1typu p, zawiera jedno źródło 2 typu n⁺, dwie przewodzące bramki 3 i5 odizolowane od powierzchni półprzewodnika warstwą izolatora 4. Tranzystor ma dwa różne obszary drenowe 6 i8 typu n⁺ odizolowane od siebie warstwą izolatora 7. W przypowierzchniowej części półprzewodnika 1, pomiędzy źródłem 2 a drenami 6i7, wytworzony jest technologicznie kanał 10 typu n. Kanał 10 tworzy ze źródłem 2 złącze typu n⁺ - n, w którym obszary tworzące złącze mają ten sam typ przewodnictwa, a różnią się jedynie stopniem domieszkowania. Dren 6, położony bliżej powierzchni półprzewodnika 1, tworzy z kanałem 10 złącze typu n⁺ -n. Dren 8 tworzy złącze p-n z podłożem półprzewodnikowym 1, przy czym trzy ściany powierzchni bocznej drenu 8 mają bezpośredni kontakt z podłożem półprzewodnikowym 1.

Przykład V

W urządzeniu, którego układ wykonany jest jak w przykładzie l, czujnikiem pola magnetycznego jest dwudrenowy i dwubramkowy tranzystor polowy z kanałem zubożanym typu n, który przedstawiony jest na rysunku fig. 6. Tranzystor ten charakteryzuje się tym, że obszar drenu 6 jest umiejscowiony bliżej źródła 2 niż obszar dren 8, w stosunku do umiejscowienia obszaru drenu 6 przedstawionego na rysunku fig. 5.

Przykład VI

W urządzeniu, którego układ wykonany jest jak w przykładzie I, czujnikiem pola magnetycznego jest dwudrenowy i dwubramkowy tranzystor polowy z kanałem zubażanym typu n, który przedstawiony jest na rysunku fig. 7. Tranzystor ten charakteryzuje się tym, że dren 6 całą swoją szerokością jest położony bliżej źródła 2 niż dren 8 oraz, że dreny 6i8 odizolowane są od siebie kątową warstwą izolatora 7, na której wytworzona jest warstwa 9 z materiału przewodzącego prąd elektryczny.

Przykład VII

W urządzeniu, którego układ wykonany jest jak w przykładzie I, czujnikiem pola magnetycznego jest dwudrenowy polowy złączowy typu n, który wykonany jest w technologii epiplanarnej, a przedstawiony jest na rysunku fig. 8. W podłożu półprzewodnikowym 1 typu p wytworzona jest warstwa epitaksjalna 11 typu n. W warstwie epitaksjalnej 11 wykonane jest źródło 2 i bramka 3 typu p⁺, która z warstwą epitaksjalną 11 tworzy złącze p-n. Tranzystor ma dwa różne obszary drenowe 6i8 typu n⁺ odizolowane od siebie kątową warstwą izolatora 7, na której wytworzona jest warstwa 9 z materiału przewodzącego prąd elektryczny. Obszary drenowe 6 i8 oraz warstwa izolatora 7 wykonane są w warstwie epitaksjalnej 11.

Przykład VIII

W urządzeniu, którego układ wykonany jest jak w przykładzie I, czujnikiem pola magnetycznego jest dwudrenowy i jednobramkowy tranzystor polowy z kanałem indukowanym typu n, który przedstawiony jest na rysunku fig. 9. Tranzystor ten zawiera jedną bramkę 3, która jest odizolowana od powierzchni półprzewodnika 1 warstwą izolatora 4, przy czym bramka 3 położona jest w całym obszarze między źródłem 2 a drenem 6.

Tranzystor posiada pozostałe cechy jak tranzystor w przykładzie I.

PL 195 809 B1

P r z y k ł a d IX

W urządzeniu, którego układ wykonany jest jak w przykładzie I, czujnikiem pola magnetycznego jest dwudrenowy i jednobramkowy tranzystor polowy z kanałem indukowanym typu n, który przedstawiony jest na rysunku fig. 10. Tranzystor ten zawiera jedną bramkę 3, która jest odizolowana od powierzchni półprzewodnika 1 warstwą izolatora 4, przy czym bramka 3 położona jest w całym obszarze między źródłem 2 a drenem 6.

Tranzystor posiada pozostałe cechy jak tranzystor w przykładzie II.

P r z y k ł a d X

W urządzeniu, którego układ wykonany jest jak w przykładzie I, czujnikiem pola magnetycznego jest dwudrenowy i jednobramkowy tranzystor polowy z kanałem indukowanym typu n, który przedstawiony jest na rysunku fig. 11.Tranzystor ten zawiera jedną bramkę 3, która jest odizolowana od powierzchni półprzewodnika 1 warstwą izolatora 4, przy czym bramka 3 położona jest w całym obszarze między źródłem 2 a drenem 6.

Tranzystor posiada pozostałe cechy jak tranzystor w przykładzie III.

P r z y k ł a d XI

W urządzeniu, którego układ wykonany jest jak w przykładzie I, czujnikiem pola magnetycznego jest dwudrenowy i jednobramkowy tranzystor polowy z kanałem zubażanym typu n, który przedstawiony jest na rysunku fig. 12. Tranzystor ten zawiera jedną bramkę 3, która jest odizolowana od powierzchni półprzewodnika 1 warstwą izolatora 4, przy czym bramka 3 położona jest w całym obszarze między źródłem 2 a drenem 6.

Tranzystor posiada pozostałe cechy jak tranzystor w przykładzie IV.

P r z y k ł a d XII

W urządzeniu, którego układ wykonany jest jak w przykładzie I, czujnikiem pola magnetycznego jest dwudrenowy i jednobramkowy tranzystor polowy z kanałem zubażanym typu n, który przedstawiony jest na rysunku fig. 13. Tranzystor ten zawiera jedną bramkę 3, która jest odizolowana od powierzchni półprzewodnika 1 warstwą izolatora 4, przy czym bramka 3 położona jest w całym obszarze między źródłem 2 a drenem 6.

Tranzystor posiada pozostałe cechy jak tranzystor w przykładzie V.

P r z y k ł a d XIII

W urządzeniu, którego układ wykonany jest jak w przykładzie I, czujnikiem pola magnetycznego jest dwudrenowy i jednobramkowy tranzystor polowy z kanałem zubażanym typu n, który przedstawiony jest na rysunku fig. 14. Tranzystor ten zawiera jedną bramkę 3, która jest odizolowana od powierzchni półprzewodnika 1 warstwą izolatora 4, przy czym bramka 3 położona jest w całym obszarze między źródłem 2 a drenem 6.

Tranzystor posiada pozostałe cechy jak tranzystor w przykładzie VI.

Claims (3)

1. Urządzenie do pomiaru i/lub detekcji pola magnetycznego składające się ze źródła zasilania, które połączone jest z czujnikiem pola magnetycznego oraz z układem obróbki elektronicznej sygnałów, a czujnik pola magnetycznego połączony jest niezależnie z układem obróbki elektronicznej sygnałów, zaś układ obróbki elektronicznej sygnałów połączony jest z czytnikiem, przy czym czujnikiem pola magnetycznego jest co najmniej jeden dwudrenowy tranzystor polowy z jedną lub większą liczbą bramek, znamienne tym, że dwudrenowy tranzystor jest tranzystorem polowym z kanałem indukowanym.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że dwudrenowy tranzystor jest tranzystorem polowym z kanałem zubożanym (10).

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że dwudrenowy tranzystor jest tranzystorem polowym złączowym.