ИНТЕГРАЛЬНЫЙ МАГНИТОТРАНЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК С ЦИФРОВЫМ ВЫХОДОМ
INTEGRAL MAGNETOTRANSISTOR SENSOR WITH DIGITAL OUTPUT

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам - биполярным структурам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля. Полупроводниковые датчики величины и направления магнитного поля используются в интегрированных микросистемах благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники и создания микроминиатюрных приборов для контроля и управления в автоматизированных комплексах различного назначения.
Системы для определения трех ортогональных компонент вектора магнитной индукции разрабатываются на различных магниточувствительных полупроводниковых элементах: резисторах, диодах, датчиках Холла, биполярных и МОП транзисторах.
В патенте [1] сенсор для измерения трех компонент магнитного поля базируется на четырех датчиках Холла, расположенных по углам прямоугольника. Разность потенциалов с этих датчиков в электрической схеме преобразуются в три сигнала, соответствующие трем компонентам магнитного поля.
В работе [2] представлена микросистема, которая состоит из восьми чувствительных устройств на основе датчиков Холла. Они разделяются на три группы, каждая из которых измеряет одно направление вектора плотности магнитного потока. Компоненты Х и Y параллельны поверхности датчика и измеряются парами вертикальных датчиков Холла, расположенных на противоположных сторонах микросистемы прямоугольной формы. Z компонента вектора плотности потока измеряется четырьмя горизонтальными датчиками Холла, расположенными в четырех углах системы.
По сравнению с датчиками Холла магнитотранзисторы обладают более высокой чувствительностью и избирательностью к направлению магнитного поля, поэтому наиболее перспективно создавать датчики для определения трех ортогональных компонент вектора магнитной индукции на основе магнитотранзисторов.
В авторском свидетельстве [3] датчик магнитного поля создан на основе биполярного магнитотранзистора в виде инжекционно-полевой однокристальной кремниевой микросхемы для использования в магнитоуправляемых датчиках положения. В составе датчика находится биполярный магнитотранзистор с двумя измерительными коллекторами и с третьим кольцевым коллектором для ограничения распространения инжектированных носителей заряда. В базу магнитотранзистора включается генератор базового тока. Для увеличения чувствительности нагрузки измерительных коллекторов и усилитель выполнены на КМОП транзисторах, причем в нагрузке транзисторы включены по схеме токового зеркала.
Для повышения чувствительности в патенте [4] сенсор магнитного поля создается на основе биполярного магнитотранзистора с одним эмиттером и с базовой областью в виде кармана в кремниевой подложке другого типа проводимости. Обратно смещенный р-n- переход базы и кремниевой подложки служит вторым коллекторным контактом. Эмиттерный переход должен быть мелким, не более 0,5 мкм, или с малым уровнем легирования примесью, так чтобы удельное поверхностное сопротивление было больше 100 Ом/кв. Чувствительность сенсора к магнитному полю составляет приблизительно 100%/Тл.
В патенте [5] магниточувствительный полупроводниковый прибор включает в себя электрод эмиттера и, по крайней мере, три электрода коллектора, установленные равноудаленно от электрода эмиттера. Инжектированные электродом эмиттера носители заряда мигрируют через полупроводник и экстрагируются коллекторами. Два первых электрода базы создают тянущее поле для носителей заряда при их движении от электрода эмиттера в направлении электродов коллектора. Два других электрода базы создают электрическое поле, ограничивающее боковое движение носителей заряда. Электроды коллекторов служат выходными электродами. Благодаря такой конструкции устраняются носители заряда, ненужные для обнаружения магнитного поля, и обеспечивается превосходная магниточувствительность прибора.
В патенте [6] датчик магнитного поля на латеральном биполярном транзисторе формируется в области базы первого типа проводимости. Области эмиттера и коллектора второго типа проводимости расположены в области базы и эмиттер инжектирует носители заряда, а область коллектора принимает носители заряда из эмиттера. К области коллектора формируются первый и второй металлический контакты для того, чтобы разделить поток носителей заряда на два. В присутствии магнитного поля носители заряда отклоняются к первому или второму металлическому контакту, в зависимости от ориентации магнитного поля, вызывая изменение тока контактов коллектора. Шум в металлических контактах общий для всего транзистора, и разница шума между контактами к коллектору эффективно исключается.
В [7] патентуется конструкция коллектора магнитотранзистора и метод его изготовления. Часть полупроводниковой подложки легируется, чтобы сформировать область базы. В области базы легированием формируются область эмиттера и область коллектора таким образом, чтобы область коллектора окружила область эмиттера. 16 контактов к коллектору сформированы симметрично в области коллектора. При трехмерном измерении магнитного поля используются 4 пары расщепленных контактов коллектора магнитотранзистора. Около эмиттера имеются дополнительно легированные области базы, разделяющие потоки инжектированных носителей заряда. По сравнению с предыдущим патентом большое количество контактов к коллектору позволяет определять три компоненты магнитного поля при сравнении потенциалов контактов.
-1
В патенте [8] разработана топологическая структура БМТ с эмиттерным контактом, удаленным от инжектирующей части перехода эмиттер-база, и с коллекторами, образующими кольцо вокруг контактов к базе. Эта структура дала увеличение чувствительности прибора на 50%. При введении кольцевого коллектора вокруг контактов к базе чувствительность достигает 21,6%/Тл. При использовании только одного коллектора и одного контакта к базе обнаруживается чувствительность к трем компонентам вектора магнитной индукции.
Результаты исследования датчика трех компонент магнитного поля на основе латерального биполярного n-р-n магнитотранзистора с восемью коллекторами, расположенными попарно с четырех сторон от квадратного эмиттера, представлены в работе [9]. По углам эмиттера проведено дополнительное легирование базы для подавления инжекции из эмиттера в ту сторону, где нет коллекторов. Транзистор формируется в диффузионном кармане р-типа проводимости. Чувствительность к составляющей магнитной индукции, направленной перпендикулярно поверхности подложки, для планарного магнитотранзистора составляет 3%/Тл, а для составляющих, направленных параллельно поверхности подложки, для латерального магнитотранзистора 40%/Тл, т.е. в 13 раз больше.
В патенте [10] травлением n или р кремниевой подложки формируется пирамида или любая другая симметричная структура с наклонными краями и на них имплантацией сформированы р-n- переходы области базы. На этой структуре эмиттер и два коллектора сформированы дальнейшим легированием n+ областей в области базы. Чтобы закончить устройство, омические контакты формируются к базе. При работе прибора соответствующие смещения подаются на эмиттер относительно базы и коллектора. Прибор работает как стандартный биполярный транзистор. Потоки основных и неосновных носителей заряда в области базы отклоняются магнитным полем, которое направлено перпендикулярно к наклонной поверхности. В результате будут различаться токи коллекторов. Эти токи могут быть калиброваны для измерения магнитного поля. Формируя подобные датчики на 3 или 4 боковых сторонах пирамиды, по токам коллекторов можно вычислить все три компоненты магнитного поля.
В патенте [11] предлагается способ изготовления четырехслойной структуры полупроводникового датчика магнитного поля для реализации вертикального магнитотранзистора.
В патенте [12] интегральная магниточувствительная матрица размерностью N на М ячеек изготавливается по технологии интегральных микросхем и предназначена для контроля качества структуры ферромагнитных изделий. Обеспечивается разрешающая способность 100-200 мкм. В качестве магниточувствительных ячеек используются интегральные биполярные магнитотранзисторы с двумя (четырьмя или шестью) коллекторами или интегральные МОП магнитотранзисторы с расщепленным стоком. Регистрируются одна, две или три компоненты магнитного поля.
В патенте [13] интегральный латеральный биполярный магнитотранзистор предлагается изготавливать с четырьмя скрытыми коллекторами для измерения направления и величины магнитных потоков, что повышает функциональные возможности.
В патенте [14] планарный биполярный двухколлекторный магнитотранзистор предлагается изготавливать со скрытым слоем на границе подложки и эпитаксиального слоя под эмиттером и контактом к базе, причем скрытый слой соединяется сильно легированной областью с контактом к базе, что должно повышать чувствительность.
В патенте [15] предлагается уменьшить разбаланс и температурную зависимость датчика магнитного поля на биполярном магнитотранзисторе за счет включения комплементарной пары р-n-р и n-р-n транзисторов по мостовой схеме в единой интегральной схеме.
В работе [16] сообщается о разработке интеллектуальной микросистемы в виде универсального магнитооперационного усилителя (МОР) на основе латерального биполярного магнитотранзистора с подавлением боковой инжекции. Так же как обычный операционный усилитель, МОР может применяться для реализации аналоговых функций. Аналоговые функции датчика, ключа или фильтра реализуются путем введения внешней обратной связи. Схема МОР состоит из магнитодетектора, усилителя с большим коэффициентом усиления и выходного каскада. Компенсация температурной чувствительности достигается схемой, задающей величину тока базы. Магнитотранзистор используется как нагрузка во входном каскаде дифференциального усилителя. На основе такого датчика разработана схема определения величины и направления магнитной индукции в двухкоординатном пространстве.
В работе [17] сообщается о КМОП микросистеме с латеральным биполярным магнитотранзистором. Эта система в комбинации с постоянным магнитом является ключевым элементом для точных угловых бесконтактных измерений и используется для контроля угловых систем управления в автоматике и индустриальных применениях. Интегрированная система включает двумерный магнитный микродатчик; интерфейс, устанавливающий рабочую точку магнитотранзистора; схему компенсации начального разбаланса; формирователь сигнала; аналого-цифровой преобразователь. На выходе системы обеспечивается цифровое представление углового положения. Цифровой блок выполняет линеаризацию и калибровку цифрового сигнала, обнаружение квадранта и компенсацию посредством последовательного алгоритма приближения начального разбаланса, достигающего 200 мТл. Система имеет угловое разрешение 1 градус в поле постоянного магнита 100 мТл.
В патенте [18] описан интегральный токомагнитный датчик со светодиодным индикатором, в котором базовая область латерального биполярного магнитотранзистора отделена от подложки диффузионным карманом. Контакты к подложке и эмиттеру соединены. Нагрузочные и усилительные МОП транзисторы располагаются на той же подложке в отдельном кармане с тем же типом проводимости. Введение кармана позволяет исключить влияние инжекционных токов биполярного магнитотранзистора на другие элементы схемы.
В заявке на изобретение [19] описан интегральный токомагнитный датчик на основе биполярного магнитотранзистора с определенным соотношением размеров эмиттера и коллекторов. Коллекторы соединяются через сопротивления с одним полюсом источника питания и с контактами к базе через сопротивления, задающие ток базы. Рабочий ток задается сопротивлением через контакты к карману от первого полюса источника питания. Контакты к подложке и эмиттер соединены со вторым полюсом источника питания. Сопротивления выполнены из поликристаллического кремния в составе датчика. Эти особенности датчика уменьшают начальную разницу напряжений на коллекторах магнитотранзистора без магнитного поля. Интегральный токомагнитный датчик на основе биполярного магнитотранзистора является преобразователем магнитного поля, который входит в интегральный магнитотранзисторный датчик с цифровым выходом.
Интегральный токомагнитный датчик на основе биполярного магнитотранзистора имеет малый начальный разбаланс напряжений коллекторов, но имеет выходной сигнал в виде разницы напряжений между коллекторами двухколлекторного магнитотранзистора, т.е. в аналоговом виде. По принципу действия биполярного двухколлекторного магнитотранзистора чувствительность определяется изменением тока коллекторов в магнитном поле. Для повышения точности необходимо проводить измерение разности токов коллекторов, а не разности напряжений, т.е. при сохранении одинаковых потенциалов коллекторов.
Для того чтобы получить выходной сигнал в цифровом виде, необходимо построить интегрированную микросистему. В эту систему входят магнитный микродатчик; интерфейс, устанавливающий рабочую точку магнитотранзистора; схема компенсации начального разбаланса; усилитель - формирователь сигнала; цифроаналоговый преобразователь. На выходе системы обеспечивается цифровое представление полезного сигнала.
В патенте [20] предлагается гальваномагнитные датчики на основе элементов Холла объединять в систему с помощью мультиплексоров и процессоров и предложен метод получения информации с системы датчиков.
В патенте [21] описана интегральная схема преобразователя источников тока, которая включает цифроаналоговый преобразователь на двух цепочках одинаковых резисторов, подключенных к положительному и отрицательному полюсам источника питания. Ключи на МОП транзисторы соединяют звенья цепочек одинаковыми номиналами резисторов с входами операционного усилителя. Цифровой код открывает определенные ключи и через входы усилителя протекает ток, формирующий выходной ток операционного усилителя, соответствующий цифровому коду. Устанавливается взаимно однозначное соответствие между цифровым кодом и током на входе усилителя.
В патенте [22] описана интегральная схема цифроаналогового преобразователя с секциями резистивных цепочек, которая включает цифроаналоговый преобразователь на двух цепочках одинаковых резисторов, подключенных к положительному и отрицательному полюсам источника питания и выходной цепочке резисторов с вдвое большим номиналом резисторов. МОП транзисторы соединяют звенья цепочек с выходной цепочкой и с входом операционного усилителя. Цифровой код открывает определенные МОП транзисторы и через вход усилителя протекает ток, формирующий входной ток операционного усилителя, соответствующий цифровому коду. Такая схема сокращает количество резисторов и МОП транзисторов. Цифроаналоговый преобразователь с секциями резистивных цепочек является прототипом интегрального магнитотранзисторного датчика с цифровым выходом.
Техническая задача изобретения - создание интегральной микросхемы магнитотранзисторного датчика для получения выходного цифрового сигнала интегрального токомагнитного датчика на основе биполярного двухколлекторного магнитотранзистора в виде разности токов коллекторов и в цифровом виде.
Техническая задача решается тем, что интегральный магнитотранзисторный датчик с цифровым выходом содержит интегральный токомагнитный датчик на основе биполярного магнитотранзистора, причем сопротивления нагрузки двух коллекторов латерального биполярного магнитотранзистора с базой в кармане выполнены в виде цепочки сопротивлений, в узлах которой с помощью МОП ключей присоединяется сопротивление перемычки, образуя схему резистивного делителя типа И-лестница, а схема выполнена с возможностью выбора узлов цепочки, соединяемых перемычкой, и состоит из компараторов, установленных и соединенных с возможностью сравнения напряжения на коллекторах, логических элементов, разрешения запуска счетчика тактовыми импульсами, счетчика тактовых импульсов, дешифраторов, преобразующих цифровой код на выходе счетчика в код места соединения сопротивления перемычки с узлами цепочек сопротивлений нагрузки коллекторов таким образом, что при равенстве потенциалов коллекторов код на выходе счетчика дает цифровое значение величины разности тока коллекторов, соответствующих величине магнитной индукции, а с выхода компаратора получается сигнал, указывающий направление вектора магнитной индукции.
В интегральном магнитотранзисторном датчике с цифровым выходом ток смещения базы задается к контактам к базовой области через сопротивления, соединенные с двумя коллекторами латерального биполярного магнитотранзистора с базой в кармане.
K1
2
K2
4
В интегральном магнитотранзисторном датчике с цифровым выходом линейное преобразование магнитной индукции в цифровое значение на выходе задается значениями сопротивлений звеньев в цепочке резисторов коллекторной нагрузки, которые соответствуют равномерному разбиению разности токов коллекторов I(I)-I (I) по формуле
В этой формуле (1) принято:
U - напряжение питания,
И
R5=R - сопротивление выбранной перемычки "И-лестницы",
K1
R=R1+R2 - сопротивление нагрузки первого коллектора,
K2
R=R3+R4 - сопротивление нагрузки второго коллектора,
х=R2/R5, y=R4/R5, R1/R5=1-х, R3/R5=1-y - отношение сопротивлений составляющих сопротивление нагрузки коллекторов к сопротивлению перемычки.
В интегральном магнитотранзисторном датчике с цифровым выходом сопротивление перемычки выполнено в виде набора с кратностью отношения сопротивлений, пропорциональной коэффициенту 2.
Интегральный магнитотранзисторный датчик с цифровым выходом построен на основе латерального биполярного двухколлекторного магнитотранзистора с базой в кармане, который преобразует магнитное поле в разность токов коллекторов. Суть изобретения состоит в создании электрической схемы интегрального магнитотранзисторного датчика с цифровым выходом, которая за счет изменения резистивной коллекторной нагрузки компенсирует изменение токов коллекторов и обеспечивает равенство напряжений на коллекторах биполярного двухколлекторного магнитотранзистора. Обратная связь между изменением тока коллекторов и изменением сопротивления нагрузки проходит через цифровую схему счетчика. Цифровой сигнал на выходах счетчика соответствует величине магнитного поля.
K1
K2
2
4
K1
K2
На фиг.1-2 представлена электрическая схема включения резистивной нагрузки коллекторов типа "И-лестницы", которая выполнена с возможностью выбора узлов цепочки, соединяемых перемычкой. Резисторы «R1» и «R2» составляют вместе сопротивление нагрузки первого коллектора «R». Резисторы «R3» и «R4» составляют вместе сопротивление нагрузки второго коллектора «P». Резистор «R5» образует перемычку между узлами соединения резисторов «R1» и «R2»; «R3» и «R4». Соотношение сопротивлений задает токи «I» и «I», которые в схеме интегрального магнитотранзисторного датчика с цифровым выходом определяют токи коллекторов «I» и «I».
K
K1
K2
Б
На фиг.3 условно представлена электрическая схема интегрального магнитотранзисторного датчика с цифровым выходом. Латеральный биполярный двухколлекторный магнитотранзистор с базой в кармане 1 имеет выводы электродов эмиттера, базы, первого коллектора, второго коллектора, кармана, подложки. Выводы эмиттера и подложки присоединяются к одному полюсу источника питания, например заземленному. Режим работы транзистора - потенциалы электродов и токи, протекающие через электроды задаются напряжением на втором полюсе источника питания «Епит». Второй полюс источника питания соединяется с электродом кармана сопротивлением смещения кармана R - 13, которое определяет ток смещения кармана. Второй полюс источника питания соединяется с электродом первого коллектора сопротивлением R 14, которое определяет ток первого коллектора. Второй полюс источника питания соединяется с электродом второго коллектора сопротивлением R 15, которое определяет ток второго коллектора. Режим работы базы транзистора задается напряжением на выводах электродов первого и второго коллекторов, которые соединяются с выводом электрода базы сопротивлениями смещения базы R- 2. Коллекторные сопротивления разделены на цепочки сопротивлений с «N» звеньями. Между узлами звеньев коллекторных сопротивлений введено соединение сопротивлением перемычки 16. В начальном состоянии перемычка соединяет узлы цепочек резисторов с равными потенциалами и не влияет на сопротивления в цепи коллекторов. При изменении узлов присоединения перемычки сопротивление в цепи коллекторов изменяется, что приводит к изменению напряжения на коллекторах при неизменных токах коллекторов.
K1
K2
И
Напряжения с выводов электродов первого и второго коллекторов сравниваются на компараторах напряжений компаратор 1-4 и компаратор 2-5 в противофазе. Уровень напряжения на компараторах управляет через логические элементы ИЛИ - 1-6 и ИЛИ - 2-7 подачей тактовых импульсов «такт» на схему счетчика - 8. При равенстве потенциалов на коллекторах на выходе компараторов устанавливается низкий уровень напряжения и тактирующие импульсы не поступают на счетчик. На счетчик подается также сигнал обнуления всех выходов счетчика «обнуление», который действует до начала измерений. При неравенстве потенциалов на коллекторах на выходе компараторов устанавливается высокий уровень напряжения и тактирующие импульсы поступают на счетчик. Уровень напряжения на выходе одного из компараторов определяет знак магнитной индукции и выводится на выход схемы «знак». Выходы счетчика дают цифровой сигнал на «выходы цифровые», который при измерениях определяет величину магнитной индукции, действующей на магнитотранзистор. Кроме того, цифровой сигнал управляет дешифраторами дешифратор 1-11 и дешифратор 2-12, которые вырабатывают сигнал для РМОП-ключей - 3, выбирающих соединение сопротивления перемычки R - 16 с теми или иными узлам цепочек коллекторных сопротивлений R - 14, R - 15. Логические элементы И-НЕ - 1-9, И-НЕ - 2-10 включают один край сопротивления перемычки на тот коллектор, у которого ниже потенциал. Сопротивления перемычки R секционировано, для обеспечения работы в нескольких диапазонах величины изменения токов коллекторов в магнитном поле. Количество звеньев цепочек коллекторных сопротивлений «N», разрядность счетчика и дешифраторов выбираются в соответствии с необходимой точностью измерения. Схемы счетчика, дешифраторов и логических элементов реализуются на КМОП-транзисторах, но здесь не приводятся и показаны блок-схемой, так как их схема зависит от разрядности счетчика, дешифраторов и значения «N».
2
4
На фиг.4 показана зависимость нормированной величины разности токов коллекторов Z=(I-I) R5/U от нормированных значений сопротивлений х, у.
Примером конкретного выполнения интегрального магнитотранзисторного датчика с цифровым выходом является схема, в которой сопротивления коллекторов разделены на 128 частей, счетчик имеет семь разрядов, дешифратор матричного типа размерностью 14 столбцов х 128 строк построен на n- МОП транзисторах с р- МОП нагрузочными транзисторами в каждой строке. Каждому числу на выходе счетчика соответствует выбранная строка. Инвертор на выходе строки открывает р- МОП ключ, соединяющий один из узлов цепочки сопротивлений нагрузки одного коллектора двухколлекторного латерального биполярного магнитотранзистора с одним концом сопротивления перемычки. Другой конец сопротивления перемычки присоединяется через другой р- МОП ключ на второй коллектор.
В режиме обнуления цифровых выходов на них устанавливаются логические нули. При прекращении обнуления счетчик считает тактовые импульсы. Дешифратор по порядку перебирает строки. При равенстве потенциалов двух коллекторов на выходах компараторов устанавливаются низкие уровни потенциалов и логические схемы прекращают подачу тактирующих импульсов на вход счетчика. Цифровой выход фиксирует значение, которое после экспериментальной или расчетной калибровки соответствует величине магнитной индукции, действующей на магнитотранзистор.
И
K1
K2
И
В магнитном поле ток одного коллектора увеличивается, а второго - уменьшается. Происходит изменение направления вектора магнитной индукции на цифровой сигнал на «выходы цифровые», который при измерениях определяет величину магнитной индукции, действующей на магнитотранзистор. Кроме того, цифровой сигнал управляет дешифраторами «дешифратор 1» и «дешифратор 2», которые вырабатывают сигнал для «МОП-ключей», выбирающих соединение сопротивления перемычки «R» с теми или иными узлам цепочек коллекторных сопротивлений «R», «R». Логические элементы «&n» включают один край сопротивления перемычки с тем коллектором, на котором ниже потенциал. Сопротивления перемычки «R» секционировано, для обеспечения работы в нескольких диапазонах величины изменения токов коллекторов в магнитном поле. Количество звеньев цепочек коллекторных сопротивлений «N», разрядность счетчика и дешифраторов выбираются в соответствии с необходимой точностью измерения. Схемы счетчика, дешифраторов и логических элементов реализуются на КМОП-транзисторах, но здесь не приводятся и показаны блок-схемой, так как их схема зависит от разрядности счетчика, дешифраторов и значения «N».
2
4
На фиг.4 показана зависимость нормированной величины разности токов коллекторов Z=(I-I) R5/U от нормированных значений сопротивлений х, у.
Примером конкретного выполнения интегрального магнитотранзисторного датчика с цифровым выходом является схема, в которой сопротивления коллекторов разделены на 128 частей, счетчик имеет семь разрядов, дешифратор матричного типа размерностью 14 столбцов х 128 строк построен на n- МОП транзисторах с р- МОП нагрузочными транзисторами в каждой строке. Каждому числу на выходе счетчика соответствует выбранная строка. Инвертор на выходе строки открывает р- МОП ключ, соединяющий один из узлов цепочки сопротивлений нагрузки одного коллектора двухколлекторного латерального биполярного магнитотранзистора с одним концом сопротивления перемычки. Другой конец сопротивления перемычки присоединяется через другой р- МОП ключ на второй коллектор.
В режиме обнуления цифровых выходов на них устанавливаются логические нули. При прекращении обнуления счетчик считает тактовые импульсы. Дешифратор по порядку перебирает строки. При равенстве потенциалов двух коллекторов на выходах компараторов устанавливаются низкие уровни потенциалов и логические схемы прекращают подачу тактирующих импульсов на вход счетчика. Цифровой выход фиксирует значение, которое после экспериментальной или расчетной калибровки соответствует величине магнитной индукции, действующей на магнитотранзистор.
В магнитном поле ток одного коллектора увеличивается, а второго - уменьшается. Изменение направления вектора магнитной индукции на противоположное изменяет знак разности токов коллекторов в магнитном поле. Соответствующим образом изменяются падения потенциалов на коллекторных сопротивлениях и напряжения на коллекторах. При наличии разности потенциалов между коллекторами на выходе одного из компараторов появляется высокий уровень напряжения, а на другом низкий. Выход одного компаратора создает на выходе схемы сигнал «знак», указывающий направление вектора магнитной индукции относительно коллекторов в виде логического нуля или единицы.
K
K1
K2
Расчет сопротивлений нагрузки коллекторов проводится в схеме резистивного делителя типа И-лестница, показанной на фиг.2. Для двух коллекторов принято равное значение потенциала U=U=U. Резисторы и протекающие через резисторы токи пронумерованы соответственно.
Для этой схемы составлены уравнения Кирхгоффа.
Решение системы уравнений приводит к формуле зависимости разности токов, протекающих через коллекторы и через сопротивления R2 и R4.
В этой формуле (7) принято:
х=R2/R5, у=R4/R5, R1/R5=1-х, R3/R5=1-у.
Разность токов линейно зависит от величины напряжения между питанием и коллекторами U, но зависимость от сопротивления элементов нагрузки нелинейная.
Если коллекторные резисторы построить в виде цепочки, с разделением на части с равными значениями сопротивлений, то при линейной зависимости разности токов коллекторов от магнитного поля цифровой результат будет передавать нелинейную зависимость магнитной индукции. Для линейной передачи необходимо делить сопротивления в нагрузке коллекторов в соответствии с формулой (7), принимая значение х=0 или значение у=0 и разбивая диапазон разности токов на равные 128 или другое количество частей. Значения сопротивлений звеньев в цепочке резисторов, соответствующие этому разбиению, необходимо изготавливать для пропорционального преобразования магнитной индукции в цифровые значения на выходе.
При необходимости реализации других функций датчика возможно задание какой-либо другой формулы преобразования, для реализации аналоговых функций порогового включения, ключа с гистерезисом или фильтра.
Изготовление интегрального магнитотранзисторного датчика с цифровым выходом проводится по технологии КМОП БИС, которая в настоящее время является основной для изготовления изделий микроэлектроники. Сопротивления изготавливаются из пленки поликристаллического кремния.
В интегральном магнитотранзисторном датчике с цифровым выходом принят принцип измерения разности величин токов двух коллекторов с нуль-индикатором разности потенциалов коллекторов на компараторах, что обеспечивает получение высокой точности результата измерений для малой разности токов коллекторов, которая имеется в слабых магнитных полях. Для обеспечения измерений в нескольких диапазонах величины магнитной индукции в схеме имеется набор сопротивлений перемычки. Сопротивление перемычки секционировано с кратностью секций пропорционально коэффициенту 2. Внешнее соединение выводов набора сопротивлений перемычки позволяет расширить диапазон измеряемых значений магнитной индукции с кратностью, пропорциональной основанию двоичного кода.
В интегральном магнитотранзисторном датчике с цифровым выходом электрическая схема обеспечивает измерение разности величин токов двух коллекторов при равенстве напряжения на коллекторах, что соответствует принципу формирования полезного сигнала латерального биполярного двухколлекторного магнитотранзистора с базой в кармане и дает высокую точность преобразования магнитной индукции в выходной электрический сигнал.
Цифровое представление результатов измерений делает возможным включение интегрального магнитотранзисторного датчика с цифровым выходом в информационные системы с многими датчиками при обеспечении малых габаритов и потребления энергии благодаря микроэлектронному исполнению.
Используемые источники
1. Schott Ch.M. / Three dimensional magnetic field sensor // Патент US 6278271, 21 августа 2001 г.
2. Schott Ch., Manic D., Popovic R.S. / Microsystem for High Accuracy 3D Magnetic Field Measurements // http://lmis3.epfl.ch/research/old/high3d/.
3. Е.И.Андреев, Т.В.Персиянов, Ю.Н.Смирнова / Датчик магнитного поля // Авторское свидетельство СССР SU 1461324, 09.02.1987.
4. Popovic R.S., Baltes H.P. / Sensitive magnetotransistor magnetic field sensor // Патент US 4700211, 13 октября 1987 г.
5. Nakamura Т., Kikuchi S. / Magnetically sensitive semiconductor device // Патент US 5099298, 7 мая 1992 г.
6. Ristic L. / Magnetic field sensor with split collector contacts for high sensitivity // Патент US 5179429, 12 января 1993 г.
7. Ristic L. / Collector arrangement for magnetotransistor // Патент US 5323050, 21 июня 1994 г.
8. Н.Trujillo and A.Nagy. "Magnetic Sensor with increased current gain and magnetic sensitivity". Patent No 22 539 ONITTEM. Havana, Cuba, 1998.
9. L.J.Ristic, M.T.Doan, M.Paranjape / 3-D magnetic field sensor realized as a lateral magnetotransistor in CMOS technology // Sensors and Actuators, A21-A23 (1990), pp.770-775.
10. Lux R.A., Harvey J.F., Mulford Jr.Ch.D., Poli L.C. / Microelectronic 3D bipolar magnetotransistor magnetometer // Патент US 5446307, 29 августа 1995 г.
11. QU Ning / Assembly comprising a magnetotransistor, metod for producing an assembly comprising a magnetotransistor, and metod for measuring a magnetic field // Патент WO/2002/009193, 31 января 2002 г.
12. Абакумов А.А., Амеличев В.В., Галушков А.И., Чаплыгин Ю.А., Шубин С.В. / Интегральная магниточувствительная матрица // Патент RU 2140117, 20.10.1999.
13. Коноплев Б.Г., Лысенко И.Е. / Интегральный биполярный магнитотранзистор // Патент RU 2204144, 10.05.2003.
14. Викулин И.М., Глауберман М.А., Егоров В.В., Козел В.В., Лукоянов С.А., Невзоров В.В., Смеркло Л.М., Шнайдер И.П. / Магнитотранзистор // Патент RU 2008748, 28.02.1994.
15. Hauenstein M.H. / Device for detecting a magnetic field, magnetic field measure and current meter // Патент US 6861717, 14 ноября 2002 г.
16. K.Maenaka, H.Okada, Т.Nakamura / Universal Magneto-operational Amplifier (MOP) // Sensor and Actuators, A21-A23 (1990), pp.807-811.
17. A.Haberli, M.Schneider, P.Malcovati, R.Castagnetti, F.Maloberti, H.Baltes / 2D Magnetic Microsensor with On-Chip Signal Processing for Contactless Angle Measurement // IEEE Journal of Solid-State Circuits, 31, pp.1902-1907, 1996.
18. Тихонов Р.Д. / Интегральный токомагнитный датчик со светодиодным индикатором // Патент RU 2300824, 10.06.2007.
19. Поломошнов С.А., Тихонов Р.Д., Козлов А.В., Красюков А.Ю. / Интегральный токомагнитный датчик на основе биполярного магнитотранзистора // Заявка на изобретение №2008137269 от 18.09.2008. Решение о выдаче патента от 21.08.2009.
20. Т.Schroeder, J.A.Guerra. Integrated galvanomagnetic sensor array system // US Patent 7106233, Sep. 12, 2006.
21. F.Georg, Jr.Gross. Current source driven converter // US Patent 5619203, Apr. 8, 1997.
22. J.J.Ashe Digital-to-analog converter with segmented resistor string // US Patent 5619203, Feb. 27, 1996 - прототип.