АКТИВНЫЙ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ СЕНСОР МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
ACTIVE MAGNETIC SENSITIVE SENSOR OF MULTI-ELEMENT MAGNETIC FIELD TRANSDUCER

Изобретение относится к электронным преобразователям магнитного поля, а более конкретно к кремниевым датчикам Холла в виде интегральной схемы, содержащей магниточувствительный элемент Холла и электронную схему для измерения и обработки сигнала.
Целью изобретения является повышение чувствительности интегральных датчиков Холла для многоэлементных преобразователей магнитного поля.
Известными недостатками кремниевых датчиков Холла являются невысокая чувствительность и большое влияние пьезоэлектрического эффекта, вследствие которого к полезному сигналу добавляется остаточный потенциал, вызванный напряжениями в кристаллической структуре [1]. С другой стороны, использование для их изготовления хорошо отработанных процессов современной кремниевой КМОП технологии обеспечивает им существенные преимущества за счет интегрирования сенсоров в схемы обработки сигнала, позволяя реализовать целый ряд интеллектуальных функций для решения широкого круга прикладных задач.
Наиболее широко используемый метод компенсации остаточного потенциала датчика Холла состоит в формировании двух близко расположенных и электрически параллельно соединенных холловских элементов, повернутых в плоскости кристалла на 90° относительно друг друга [1]. Однако, поскольку градиенты механических напряжений и неточности совмещения слоев структуры в этих элементах отличаются друг от друга, использование этого метода не обеспечивает высокую точность компенсации остаточного потенциала и, соответственно, высокую точность измерения магнитного поля.
Известен интегральный датчик Холла с улучшенной компенсацией остаточного потенциала, предложенный в патенте [2], который выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Датчик содержит один сенсорный элемент Холла с четырьмя взаимно симметричными ортогонально переключаемыми контактами, электронный ключ, осуществляющий ортогональное переключение контактов, выходной усилитель, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, и сумматор, выполняющий суммирование сигналов при ортогональном переключении контактов и вычитание остаточного потенциала. Точная компенсации остаточного потенциала достигается за счет того, что при ортогональном переключении контактов в одном элементе Холла выделяются два значения остаточного потенциала разной полярности, которые практически равны по абсолютной величине. Это обеспечивает практически точное вычитание этих величин сумматором, входящим в состав датчика.
При разработке многоэлементных (матричных и линейных) преобразователей магнитного поля точная компенсация остаточного потенциала в каждом пикселе массива особенно актуальна, поскольку его разброс от элемента к элементу будет приводить к пространственной неоднородности чувствительности преобразователя и искажению результатов измерений. Однако, конструкция интегрального датчика, описанная в прототипе, в силу большого числа входящих в него компонентов не дает возможности реализовать многоэлементный преобразователь магнитного поля высокой степени интеграции, поскольку для этого необходим активный пиксель с малой площадью.
В предлагаемом изобретении указанное ограничение снимается за счет включения в состав активного пикселя элемента Холла с ортогональным переключением контактов малошумящего каскада усиления сигнала на основе ячейки с зарядовой связью, осуществляющей многократное преобразование сигнала в заряд с точной компенсацией остаточного потенциала и интегрирование информационной составляющей сигнала в течение времени кадра многоэлементного преобразователя магнитного поля.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности активного магниточувствительного сенсора на основе элемента Холла для многоэлементного преобразователя магнитного поля большой степени интеграции.
Указанный результат достигается за счет того, что в известном интегральном датчике, содержащем один сенсорный элемент Холла с четырьмя взаимно симметричными ортогонально переключаемыми контактами, электронный ключ, выходной усилитель, аналого-цифровой преобразователь и сумматор последние три устройства заменяются на малошумящий каскад усиления сигнала на основе ячейки с зарядовой связью, осуществляющей многократное преобразование сигнала в заряд с точной компенсацией остаточного потенциала и интегрирование информационной составляющей сигнала в течение времени кадра многоэлементного преобразователя магнитного поля.
Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение.
Рисунок 1 иллюстрирует известный интегральный датчик на основе сенсорного элемента Холла с четырьмя взаимно симметричными ортогонально переключаемыми контактами
1
2
c
i
ƒ
sum
На рисунке 2 показан предлагаемый активный магниточувствительный сенсор, содержащий элемент Холла ЭХ с ортогональным переключением контактов, электронный ключ ЭК и малошумящий каскад усиления сигнала на основе ячейки с зарядовой связью, состоящий из трех полевых электродов G, G, G с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда D, транзистора предустановки Т2 и входного транзистора Т3 истокового повторителя, осуществляющих многократное преобразование сигнала в заряд с точной компенсацией остаточного потенциала и интегрирование информационной составляющей сигнала в течение времени кадра τ многоэлементного преобразователя магнитного поля на емкости C затвора входного транзистора Т3.
На рисунке 3 приведена диаграмма импульсов, обеспечивающая функционирование активного сенсора, представленной на рисунке 2.
Активный магниточувствительный сенсор на рисунке 2 функционирует следующим образом (рисунок 3).
1
i
c
sum
T2
d
2
res
c
1. В начальном состоянии (момент времени τ) диод D инжекции-сброса заряда смещен в обратном направлении, выходной электрод G открыт (Ф3=1), а импульс напряжения Фset на затворе транзистора предустановки Т2 заряжает емкость C, равную сумме емкостей затвора транзистора Т3 и истока S транзистора Т2, до потенциала V. Ключ ЭК находится в состоянии 1 (Ф1=1), при котором контакт 1 элемента Холла ЭХ заземлен, напряжение питания подается на контакт 3, и в качестве сенсорных выступают контакты 2 и 4. В этом состоянии на электрод G поступает потенциал , генерируемый элементом Холла ЭХ под действием напряжения питания Vd и магнитного поля. Здесь Vh - ЭДС Холла, a V - остаточное напряжение. После закрытия выходного электрода G (Ф3=0) и затвора транзистора предустановки Т2 пиксель приходит в исходное состояние.
2
1
1
2
2. В момент времени τ КМОП-ключ ЭК переходит в состояние 2 (потенциал Ф1=0), осуществляя ортогональное переключение контактов элемента Холла, при котором заземляется контакт 4, напряжение питания подается на контакт 2, и в качестве сенсорных выступают контакты 1 и 3. В этом состоянии электрод G смещается напряжением . В результате этого между электродами G и G, создается разность потенциалов, равная ЭДС Холла Vh, генерируемая сенсором под действием магнитного поля.
3
i
1
i
1
2
3
i
2
n
2
h
2
2
3. В момент времени t=τ диод D инжекции-сброса заряда смещается в прямом направлении (Ф=0), инжектируя за время τ заряд под электроды G и G и переходя затем в момент времени t=τ+τ в обратно смещенное состояние. При этом под электродом G остается часть инжектированного заряда ΔQ=CV, где С - емкость электрода G.
4
c
n
sum
4. В момент времени t=τ открывается электрод G и происходит считывание заряда ΔQ на емкость C, уменьшая потенциал затвора транзистора Т3 на величину .
h
ƒ
sum
reset
5. Циклы преобразования информационного сигнала V в заряд и его считывание, описанные в пунктах 3 и 4, повторяются n раз. За счет этого в течение времени кадра τ осуществляется n-кратное суммирование заряда на емкости C и уменьшение потенциала затвора транзистора Т3 на величину , после чего на транзистор выборки подается импульс напряжения Ф, производящий считывание интегрированного информационного сигнала на вход внешнего предусилителя.
Таким образом, коэффициент усиления сенсора, приведенный ко входу истокового повторителя, составляет величину, равную:
d
1
2
sum
sum
max
Полагая с учетом величины напряжении питания V=5,0 В и постоянного смещения электродов G и G на уровне  максимальный диапазон изменений потенциала суммирующей емкости C равным ΔV=2 В, а также учитывая технологически возможное соотношение, получим для ЭДС Холла на уровне 1 мВ, максимальное число циклов n:
Соответственно, максимальный коэффициент усиления для выделенной ЭДС Холла на уровне 1 мВ с точной компенсацией остаточного напряжения, реализуемый предлагаемым пикселем при таком количестве циклов, составит:
При этом соотношение сигнал/шум может быть увеличено до величины, не менее чем в раз, что существенным образом снижает требования к усилителям на периферии кристалла.
s
ƒ
Предложенный способ интегрирования информационного сигнала экспериментально промоделирован с использованием методики статистического измерения шума. Суть экспериментальной проверки состояла в осуществлении многократной выборки (10000 выборок) ЭДС Холла тестового образца элемента Холла, с их статистической обработкой (значение магнитной индукции составляло В=520 мТл). По каждой сотне выборок определялось среднее значение сигнала, компьютер производил суммирование полученных значений и соотносил полученное суммарное значение со среднеквадратичным шумом по 10000 выборкам, что позволяло определить отношение сигнал/шум после интегрирования сигнала. Полученное отношение сигнал/шум сравнивалось с отношением сигнал/шум по одной из ста выборок сигнала. Время одной выборки τ выбиралось равным 4 мкс. Примененная процедура моделировала выборку сигнала строки из ста элементов, каждый из которых за время кадра τ=40 мс осуществлял сто суммирований сигнала. При использованной процедуре теоретический предел увеличения отношения сигнал/шум после интегрирования составляет .
s
В таблице 1 сведены результаты измерений исследованного образца. Результаты проведенных измерений показывают экспериментально полученное увеличение отношения сигнал/шум после интегрирования сигнала практически до ~50 раз. Расхождение с теоретическим пределом связано с отличием распределения шума от нормального при выборке, произведенной при τ=4 мкс.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Popovic R.S. Hall effect devices. Second edition. Institute of Physics Publishing, 2004.
2. Патент США №US 5,406,202.