RU2092933C1

RU2092933C1 - Semiconductor magnetic field sensor

Info

Publication number: RU2092933C1
Application number: RU95114069A
Authority: RU
Inventors: Владимир Степанович Осадчук; Елена Владимировна Осадчук; Александр Владимирович Осадчук
Original assignee: Винницкий государственный технический университет
Priority date: 1995-08-08
Filing date: 1995-08-08
Publication date: 1997-10-10

Abstract

FIELD: automatic process control devices. SUBSTANCE: sensor has two DC voltage supplies feeding two field-effect transistors through limiting resistors series-connected to magnetosensing diodes. Sources of field-effect transistors are interconnected. Series circuit set up of passive inductance coil and capacitor is connected in parallel with source of field-effect transistors. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано как датчик магнитного поля в различных устройствах автоматического управления технологическими процессами. The invention relates to the field of instrumentation and can be used as a magnetic field sensor in various devices for automatic control of technological processes.

Известны устройства для измерения магнитной индукции, например датчики, использующие эффект Холла. Конструктивно они представляют собой полупроводниковую пластину прямоугольной формы. Под действием тока I и магнитной индукции В, векторы которых взаимноперпендикулярны, на обкладках датчика возникает измерительное напряжение U_н. Величина этого напряжения зависит от геометрии (длины L и толщины D) датчика, тока I, коэффициента Холла R_н и магнитной индукции В:

Материалом для изготовления датчика Холла служит кремний, арсенид индия (InAs) и антимонид индия (InSb). Датчик Холла из арсенида индия, например, при магнитной индукции В=1 Т и токе 0,1 А имеет выходное напряжение 0,5 В [1]
Недостатком таких устройств является низкая чувствительность и точность измерений, особенно в области малых значений индукции, так как при этом необходимо в значительной степени увеличивать протекающий ток.Known devices for measuring magnetic induction, for example, sensors using the Hall effect. Structurally, they are a rectangular semiconductor wafer. Under the action of current I and magnetic induction B, the vectors of which are mutually perpendicular, a measuring voltage U _n occurs on the sensor plates. The magnitude of this voltage depends on the geometry (length L and thickness D) of the sensor, current I, Hall coefficient R _n and magnetic induction B:

The material for the manufacture of the Hall sensor is silicon, indium arsenide (InAs) and indium antimonide (InSb). A Hall sensor made of indium arsenide, for example, with magnetic induction B = 1 T and a current of 0.1 A has an output voltage of 0.5 V [1]
The disadvantage of such devices is the low sensitivity and accuracy of measurements, especially in the region of small values of induction, since it is necessary to significantly increase the flowing current.

Наиболее близким техническим решением к изобретению можно считать фототранзистор с магнитным управлением [2] Фототранзистор выполнен на полупроводниковой подложке, имеющей шесть ступенчатых участков. При воздействии магнитного поля на структуру в направлении, перпендикулярном размещению ступеньки, часть электронов, зависящая от напряженности магнитного поля, отклоняется и через кристаллический полупроводниковый слой попадает в третий электронный слой. Остальные электроны направляются во второй полупроводниковый слой, который является барьерным, и электроны частично отражаются от него, а частично попадают в третий электронный слой. Такая конструкция позволяет с помощью магнитного поля управлять потоком электронов, проходящих сквозь полупроводник в третий электронный слой. The closest technical solution to the invention can be considered a magnetically controlled phototransistor [2]. The phototransistor is made on a semiconductor substrate having six step sections. When a magnetic field acts on the structure in a direction perpendicular to the location of the step, a part of the electrons, which depends on the magnetic field strength, is deflected and enters the third electron layer through the crystalline semiconductor layer. The remaining electrons are sent to the second semiconductor layer, which is the barrier, and the electrons are partially reflected from it, and partially fall into the third electron layer. This design allows using a magnetic field to control the flow of electrons passing through the semiconductor into the third electron layer.

Недостатком такой конструкции является низкая чувствительность и точность измерений, особенно в области малых значений индукции, так как при этом происходит незначительное изменение тока фототранзистора. The disadvantage of this design is the low sensitivity and accuracy of measurements, especially in the region of small values of induction, since this causes a slight change in the current of the phototransistor.

В основу изобретения поставлена задача создания полупроводникового датчика магнитного поля, который обладает высокой чувствительностью и точностью измерения. The basis of the invention is the task of creating a semiconductor magnetic field sensor, which has high sensitivity and measurement accuracy.

Поставленная задача решается таким образом, что в известном устройстве преобразование магнитной индукции в ток заменяется в предлагаемом устройстве преобразованием магнитной индукции в частоту, для чего конструкция устройства выполнена в виде полупроводникового датчика магнитного поля, содержащего два магниточувствительных диода, электрически связанных с двумя последовательно включенными источниками электропитания, в который введены два полевых транзистора, два резистора, конденсатор и пассивная индуктивность, причем затвор первого полевого транзистора через первый магнитодиод, первый резистор и первый источник электропитания соединен со стоком второго полевого транзистора, а затвор второго полевого транзистора через второй резистор и второй магнитодиод соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки первого и второго полевых транзисторов соединены между собой, первый вывод пассивной индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго магнитодиода и первому полюсу второго источника электропитания, а второй вывод пассивной индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключается первая выходная клемма, а второй вывод конденсатора подключен к стоку второго полевого транзистора, вторым полюсам первого и второго источников электропитания, которые образуют общую шину, к которой подключена вторая выходная клемма. The problem is solved in such a way that in the known device, the conversion of magnetic induction into current is replaced in the proposed device by the conversion of magnetic induction into frequency, for which the device is designed as a semiconductor magnetic field sensor containing two magnetically sensitive diodes, electrically connected to two power sources connected in series into which two field-effect transistors, two resistors, a capacitor and passive inductance are introduced, and the gate of the first field transistor through the first magnetodiode, the first resistor and the first power source is connected to the drain of the second field effect transistor, and the gate of the second field effect transistor through the second resistor and the second magnetodiode is connected to the drain of the first field effect transistor, the sources of the first and second field effect transistors are interconnected, the first output passive inductance is connected to the drain of the first field-effect transistor, the first terminal of the second magnetodiode and the first pole of the second power source, and the second terminal ssivnoy inductance connected to a first terminal of a capacitor that connects the first output terminal and the second terminal of the capacitor is connected to the drain of the second field effect transistor, the second poles of the first and second power sources, which form a common bus, which is connected to the second output terminal.

Использование предлагаемого устройства для измерения магнитного поля существенно повышает чувствительность и точность измерения информативного параметра за счет выполнения емкостного элемента колебательного контура в виде полевых транзисторов, в котором измерение сопротивления магнитодиодов под действием магнитного поля преобразуется в изменение емкости, что обеспечивает эффективную перестройку резонансной частоты, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора величины напряжения источников электропитания. The use of the proposed device for measuring the magnetic field significantly increases the sensitivity and accuracy of measuring the informative parameter by performing a capacitive element of the oscillating circuit in the form of field-effect transistors, in which the measurement of the resistance of the magnetic diodes under the influence of a magnetic field is converted to a change in capacitance, which ensures effective tuning of the resonant frequency, as well as due to the possibility of linearizing the conversion function by selecting the voltage of the sources of ele tropitaniya.

На чертеже представлен полупроводниковый датчик магнитного поля, содержащий источник постоянного напряжения 1, который осуществляет электрическое питание магнитодиода 2 через ограничительный резистор 3, а также полевых транзисторов 4 и 5. Затвор полевого транзистора 4 соединен через последовательную цепь ограничительного резистора 3 и магнитодиода 2 со стоком полевого транзистора 5, а затвор полевого транзистора 5 через последовательную цепь ограничительного резистора 6 и магнитодиода 7 соединен со стоком полевого транзистора 4. Истоки полевых транзисторов 4 и 5 соединены между собой. Параллельно стокам полевых транзисторов 4 и 5 подключена последовательная цепочка, состоящая из пассивной индуктивности 8 и конденсатора 9, совместно с источником электрического питания 10. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 9 и общей шиной. The drawing shows a semiconductor magnetic field sensor containing a constant voltage source 1, which provides electrical power to the magnetodiode 2 through the limiting resistor 3, as well as the field effect transistors 4 and 5. The gate of the field effect transistor 4 is connected through a series circuit of the limiting resistor 3 and the magnetodiode 2 with the drain of the field transistor 5, and the gate of the field-effect transistor 5 through a serial circuit of a limiting resistor 6 and a magnetodiode 7 is connected to the drain of the field-effect transistor 4. The sources of left transistors 4 and 5 are interconnected. Parallel to the drains of the field effect transistors 4 and 5, a series circuit is connected consisting of a passive inductance 8 and a capacitor 9, together with an electric power source 10. The output of the device is formed by the first lining of the capacitor 9 and a common bus.

Полупроводниковый датчик магнитного поля работает следующим образом. В начальный момент времени магнитное поле не действует на магнитодиоды 2 и 7. Повышением напряжения управляющих источников 1 и 10 до величины, когда на выводах сток-сток полевых транзисторов 4 и 5 возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на выводах сток-сток полевых транзисторов 4 и 5 и индуктивным сопротивлением пассивной индуктивности 8, конденсатор 9 предохраняет источник 10 управляющего напряжения от короткого замыкания через индуктивность 8, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующем воздействии магнитного поля на магнитодиоды 2 и 7 происходит изменение их сопротивления на выводах сток-сток полевых транзисторов 4 и 5, а это в свою очередь вызывает изменение резонансной частоты колебательного контура. A semiconductor magnetic field sensor operates as follows. At the initial moment of time, the magnetic field does not affect magnetodiodes 2 and 7. By increasing the voltage of the control sources 1 and 10 to a value when a negative resistance occurs at the drain-drain terminals of the field effect transistors 4 and 5, which leads to the appearance of electrical oscillations in the circuit formed in parallel By switching on the impedance with a capacitive character at the terminals of the drain-drain field effect transistors 4 and 5 and the inductive resistance of the passive inductance 8, the capacitor 9 protects the source 10 of the control voltage voltage from a short circuit through inductance 8, and also serves as an AC load resistance, from which the output signal is taken. With the subsequent exposure to a magnetic field on magnetodiodes 2 and 7, a change in their resistance occurs at the terminals of the drain-drain field effect transistors 4 and 5, and this in turn causes a change in the resonant frequency of the oscillating circuit.

Claims

A semiconductor magnetic field sensor containing two magnetically sensitive diodes electrically connected to two series-connected power sources, characterized in that two field-effect transistors, two resistors, a capacitor and a passive inductance are introduced into it, the gate of the first field-effect transistor through the first magnetodiode, the first resistor and the first power supply is connected to the drain of the second field-effect transistor, and the gate of the second field-effect transistor through a second magnetodiode and a second resistor p is connected to the drain of the first field-effect transistor, the sources of the first and second field-effect transistors are interconnected, the first terminal of the passive inductance is connected to the drain of the first field-effect transistor, the first terminal of the second magnetodiode and the first pole of the second power source, and the second terminal of the passive inductance is connected to the first terminal of the capacitor to which the first output terminal is connected, and the second output of the capacitor is connected to the drain of the second field-effect transistor, to the second poles of the first and second source into power supplies that form a common bus to which a second output terminal is connected.