МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА
MAGNETOSENSITIVE INTEGRATED CIRCUIT

Изобретение относится к области электронных датчиков магнитного поля, а более конкретно к магниточувствительным интегральным схемам (МЧИС). Области применения МЧИС - автоматика и робототехника, автоэлектроника, системы контроля и управления, измерительная техника, системы безопасности.
Известны МЧИС, в конструкции которых интегрированы первичный преобразователь магнитного поля, функционирующий на основе эффекта Холла, и сервисная электроника, обрабатывающая магнитоиндуцированный сигнал первичного преобразователя (Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника, М., ДМК, 2001, т.1, с.541). Воздействие магнитного поля на подобные МЧИС фиксируется по изменению их выходного напряжения.
Общим недостатком подобных МЧИС является ограниченное быстродействие.
Этот недостаток преодолен в наиболее близком к данному изобретению и принятом за прототип техническом решении (Касимов Ф.Д. Перспективы развития и применения микроэлектронной негатроники. Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2003, №5, с.5-9), где представлена МЧИС, содержащая традиционный первичный преобразователь магнитного поля в электрический сигнал, функционирующий на основе эффекта Холла, и автогенератор на биполярных транзисторах, причем выход первичного преобразователя магнитного поля включен между базами двух транзисторов автогенератора.
Недостатком такой МЧИС является фиксированное значение резонансной частоты автогенерации (т.е. частоты, задаваемой автогенератором в отсутствие магнитного поля), что затрудняет использование МЧИС в устройствах, работающих при различных частотах, поскольку в этой ситуации необходимо под каждую конкретную задачу подбирать набор пассивных микроэлектронных компонентов (резисторов, конденсаторов), монтирующихся в аппаратуре отдельно от МЧИС. Это затрудняет изготовление магнитометрических микроэлектронных устройств на основе МЧИС и ухудшает их массогабаритные характеристики.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, является создание МЧИС, способной функционировать в широком диапазоне частот.
Техническим результатом, полученным при решении этой задачи, является создание МЧИС с переменной резонансной частотой автогенерации.
Поставленная задача достигается в конструкции МЧИС, содержащей первичный преобразователь магнитного поля в электрический сигнал, функционирующий на основе эффекта Холла, и автогенератор, новизна которой заключается в том, что первичный преобразователь имеет, по крайней мере, одну управляющую полевую систему типа металл-диэлектрик-полупроводник, причем выход первичного преобразователя соединен с входом автогенератора, а выход автогенератора соединен, по крайней мере, с одной из управляющих полевых систем.
В качестве первичного преобразователя магнитного поля в изобретении может быть использован полевой датчик Холла (Мордкович В.Н. и др. Полевой датчик Холла - новый тип преобразователя магнитного поля. Датчики и системы, 2003, №7, с.33-37), изготавливаемый на основе структур «кремний на изоляторе», который имеет две управляющие полевые системы типа металл-диэлектрик-полупроводник, или имеющий холловские контакты к каналу полевой транзистор с индуцированным каналом, имеющий одну управляющую полевую систему типа металл-диэлектрик-полупроводник (Popovich R.S. Hall Effect Devices. Second Edition. Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. - 419 p.).
В качестве автогенератора может быть использован любой прибор, выполняющий эту функцию.
Выполнение МЧИС согласно изобретению позволяет за счет создания обратной связи между первичным преобразователем магнитного поля и автогенератором, путем изменения величины постоянного напряжения, приложенного от внешнего источника напряжения, по крайней мере, к одной из управляющих полевых систем первичного преобразователя, варьировать резонансную частоту автогенерации МЧИС.
На фиг.1 изображена принципиальная схема МЧИС по изобретению, содержащая первичный преобразователь, имеющий одну управляющую полевую систему типа металл-диэлектрик-полупроводник с подключением к ней выхода автогенератора.
На фиг.2 изображена принципиальная схема МЧИС по изобретению, содержащая первичный преобразователь, имеющий две управляющие полевые системы типа металл-диэлектрик-полупроводник, с подключением выхода автогенератора к ним обеим одновременно.
В таблице 1 приведены значения резонансной частоты генерации МЧИС, в которой в качестве первичного преобразователя магнитного поля использован полевой датчик Холла, при подключении выхода автогенератора к одной из управляющих полевых систем типа металл-диэлектрик-полупроводник (см. фиг.1) в отсутствие магнитного поля.
В таблицах 2 и 3 приведены значения резонансных частот генерации МЧИС, в которой в качестве первичного преобразователя магнитного поля использован полевой датчик Холла, при подключении выхода автогенератора одновременно к обеим управляющим полевым системам типа металл-диэлектрик-полупроводник (см. фиг.2) в отсутствие магнитного поля при задании автогенератором резонансной частоты, порядка двух сотен (таблица 2) или двух десятков кГц (таблица 3).
В таблице 4 приведены данные об изменении резонансной частоты генерации МЧИС, в которой в качестве первичного преобразователя магнитного поля использован полевой датчик Холла, при подключении выхода автогенератора одновременно к обеим управляющим полевым системам типа металл-диэлектрик-полупроводник (см. фиг.2) в случае воздействия на МЧИС постоянного магнитного поля различной напряженности.
з1
з2
Для всех таблиц принято: Uп - напряжение между электродами питания 8 и 9 первичного преобразователя магнитного поля, U - напряжение на затворе 6 первичного преобразователя магнитного поля, U - напряжение на затворе 7 первичного преобразователя, В - напряженность магнитного поля.
Конструкция МЧИС согласно изобретению состоит из первичного преобразователя магнитного поля 1, содержащего одну управляющую полевую систему типа металл-диэлектрик-полупроводник 6 (Фиг.1), или несколько, например две - 6 и 7 (Фиг.2), выход 2 которого соединен с входом 3 автогенератора 4. Выход 5 автогенератора 4 соединен, по крайней мере, с одной управляющей полевой системой типа металл-диэлектрик-полупроводник 6 (Фиг.1), или с несколькими, например, двумя - 6 и 7 (Фиг.2) первичного преобразователя магнитного поля 1.
Принцип действия предлагаемой МЧИС основан на том, что магнитное поле индуцирует электрический сигнал на выходе 2 первичного преобразователя магнитного поля 1, который поступает на вход 3 автогенератора 4 и изменяет резонансную частоту сигнала на выходе 5 автогенератора. В свою очередь сигнал с выхода 5 автогенератора 4, подается на, по крайней мере, одну из полевых систем типа металл-диэлектрик-полупроводник 6 или 7 первичного преобразователя 1 и стабилизирует рабочую частоту предлагаемой МЧИС. Изменение величины магнитоиндуцированного сигнала на выходе 2 первичного преобразователя 1 автоматически приведет к изменению резонансной частоты автогенератора 4. Величина магнитоиндуцированного сигнала на выходе 2 первичного преобразователя магнитного поля 1 пропорциональна как значению индукции магнитного поля, так и значению тока, протекающего через первичный преобразователь магнитного поля 1, в свою очередь определяемого как величиной подаваемых от внешних источников питания напряжений на затворах 6 и (или) 7, так и величиной напряжения, поданного между электродами питания 8 и 9 первичного преобразователя магнитного поля 1.
Испытания МЧИС, изготовленных согласно изобретению (Фиг.1-2), и проведенные в отсутствие магнитного поля (таблицы 1-3), показали, что резонансная частота генерации предлагаемой МЧИС зависит как от подаваемых от внешних источников питания величин напряжения на затворы 6 и 7 первичного преобразователя магнитного поля, так и от напряжения между электродами питания 8 и 9, вне зависимости (таблица 1) как от числа управляющих полевых систем, так и от выбранного значения задаваемой автогенератором основной частоты, порядка двух сотен (таблица 2) или двух десятков кГц (таблица 3).
Частота автогенерации предлагаемой МЧИС зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Сказанное иллюстрируется таблицей 4, на примере МЧИС, в которой в качестве первичного преобразователя магнитного поля выступает полевой датчик Холла, содержащий две управляющие полевые системы. При этом выход автогенератора подключается одновременно как к обеим управляющим полевым системам (см. фиг.2).
Таким образом, из рассмотрения таблиц 1-4 становится очевидным, что в предлагаемой МЧИС существует простая возможность изменить резонансную частоту автогенерации путем изменения величины напряжений, подаваемых на управляющие полевые системы первичного преобразователя и (или) напряжения между его электродами питания. В то же время для того, чтобы достичь подобного эффекта в прототипе, необходимо изменить набор пассивных микроэлектронных компонентов (резисторов, конденсаторов), монтирующихся в аппаратуре отдельно от МЧИС.
Из рассмотрения таблиц 1-4 следует, что разработанная МЧИС способна функционировать в широком диапазоне частот, в отличие от прототипа, способного функционировать только при фиксированном значении частоты автогенератора, что в свою очередь определяет возможность применения разработанной МЧИС в магнитометрических устройствах, работающих при различных частотах.
Таблица 1
U<sub>п</sub>, В
U<sub>з1</sub>, В
U<sub>з2</sub>, В
F, Гц
10
10
0
182535
10
10
4
185962
10
10
10
188571
10
10
12
183407
10
10
14
177588
10
10
20
169784
10
0
10
184576
10
4
10
189957
10
10
10
188571
10
12
10
181953
10
14
10
176400
10
20
10
168633
Таблица 2
U<sub>п</sub>, В
U<sub>з1</sub>=U<sub>з2</sub>, B
F, Гц
10
0
206404
10
2
208362
10
4
210293
10
6
211177
10
8
210292
10
10
207320
10
12
204260
10
14
198568
10
16
190846
10
18
182582
10
20
175807
1
10
161339
2
10
162594
4
10
169148
6
10
183614
8
10
202916
10
10
207320
12
10
208919
14
10
209750
16
10
209410
Таблица 3
U<sub>п</sub>, В
U<sub>з1</sub>=U<sub>з2</sub>, B
F, Гц
10
0
23695
10
2
23685
10
4
28168
10
6
31134
10
8
30186
10
10
29254
10
12
28365
10
14
28164
10
16
28424
10
18
27047
10
20
27122
1
10
25813
2
10
25984
4
10
26843
6
10
28130
8
10
28490
10
10
19280
12
10
29617
14
10
30038
16
10
30017
Таблица 4
В, мТл
F, Гц
0
28060
30
28289
70
28785
120
29076