ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ГРАДИЕНТНЫЙ МАГНИТОТРАНЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК
INTEGRATED GRADIENT MAGNETIC TRANSISTORISED SENSOR

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам, содержащим компоненты, в которых применяются гальваномагнитные эффекты для измерения градиента 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 [1]. В бесколлекторных электродвигателях постоянного тока проводится контроль магнитного поля ротора, состоящего из нескольких постоянных магнитов. Момент прохождения края магнита мимо магнитного датчика необходимо зафиксировать для последующего включения тока в обмотки статора.
Разработано большое количество магнитоуправляемых микросхем, например, с датчиками Холла. В выпускаемых промышленностью биполярных интегральных микросхемах на одиночном датчике Холла, например SS41 (фирмы Honeywell) (интегральный датчик положения ротора) при напряжении питания 4,5-24 В, токе потребления 15 мА время включения составляет 1,5 мкс при магнитной индукции 15 мТл, время выключения - 1 мкс при магнитной индукции минус 14 мТл, рабочая частота - не выше 100 кГц. Для некоторых применений требуются более высокие рабочие частоты и меньше времена включения и выключения.
Фирма Allegro MicroSystems выпускает двухдатчиковые магнитоуправляемые микросхемы типа А3046 (А3056, А3058) с расстоянием между датчиками Холла 2,23 мм. Это расстояние относительно большое и характерно для расстояния между магнитами ротора, а не для распределения поля на краю одного магнита. Сигнал с двух датчиков идет со сдвигом, который определяется расположением датчиков, размером магнитов и скоростью вращения. При напряжении питания 4,5-24 В, токе потребления 7-14 мА время включения составляет 1,5 мкс при магнитной индукции 15 мТл, время выключения - 1 мкс при магнитной индукции минус 15 мТл, рабочая частота - не выше 100 кГц. Микросхемы используются в датчиках скорости вращения зубчатых колес, в датчиках угла поворота и в датчиках момента искрообразования в автомобильной и промышленной электронике вместе с постоянным магнитом.
По сравнению с датчиками Холла магнитотранзисторы, изготовленные на пластинах кремния, обладают более высокой чувствительностью и избирательностью к направлению магнитного поля, поэтому наиболее перспективно создавать датчики для определения компонент вектора магнитной индукции на основе магнитотранзисторов.
В авторском свидетельстве [2] 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 выполнены на МОП транзисторах, включенных по схеме токового зеркала. Токовое зеркало обеспечивает усиление сигнала с магнитотранзистора без дополнительных каскадов усиления. Датчик не обеспечивает выполнение функции управления по порогу срабатывания при заданной величине магнитной индукции, так как выдает сигнал с измерительными параметрами, которых не достаточно для выполнения функции управления
Для повышения чувствительности в патенте [3] сенсор магнитного поля создается на основе биполярного магнитотранзистора с одним эмиттером, с одним коллектором и с базовой областью в виде кармана в кремниевой подложке другого типа проводимости. Обратно смещенный p-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. Для применения в составе интегральной схемы этот датчик не подходит из-за отсутствия изоляции от других элементов схемы, так как он влияет на другие элементы микросхемы.
В патенте [4] 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, не нужные для обнаружения магнитного поля, и обеспечивается превосходная магниточувствительность прибора. Датчик не обеспечивает выполнение функции управления по порогу срабатывания при заданной величине магнитной индукции.
В [5] 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. Большое количество контактов к коллектору позволяет регистрировать три компоненты магнитного поля при сравнении потенциалов контактов. Датчик не обеспечивает выполнение функции управления по порогу срабатывания при заданной величине магнитной индукции.
В работе [6] 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. Датчик не нашел применения из-за большого начального разбаланса напряжений коллекторов.
В патенте [7] предлагается МОП микросистема в виде триггера на 4 транзисторах с переключением логических состояний с помощью МОП датчика Холла. МОП датчики Холла имеют высокий уровень шумов и не позволяют работать при малых магнитных полях.
В патенте на изобретение [8] 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 одного полюса источника питания. Контакты к подложке и эмиттер соединены с другим 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 имеет малый начальный разбаланс напряжений коллекторов, но имеет выходной сигнал в виде разницы напряжений между коллекторами двухколлекторного магнитотранзистора, т.е. в аналоговом виде. Датчик не обеспечивает выполнение функции управления по порогу срабатывания при заданной величине магнитной индукции. Интегральный токомагнитный датчик на основе биполярного магнитотранзистора является преобразователем магнитного поля в интегральном градиентном магнитотранзисторном датчике.
В патенте [9] предлагается схема источника тока с дополнительным токовым зеркалом с током противоположной полярности. Эта схема построена на комплементарных МОП транзисторах. Схема включает в себя первое токовое зеркало на p-МОП транзисторах с калиброванным источником тока, инвертирующий каскад, создающий ток обратной полярности, включающий в себя второе токовое зеркало на n-МОП транзисторах и источник с переменной величиной тока, который необходимо контролировать, элемент памяти для записи контролируемой величины тока, элемент сравнения токов, который обеспечивает поддержание постоянной величины контролируемого тока. Схема предназначена для сравнения двух токов и поддержания величины рабочего тока, но не обеспечивает получение импульсного выходного сигнала при наличии определенной разницы токов в двух цепях. Датчик не содержит магниточувствительных элементов. Патент [11] является прототипом.
Для того чтобы получить выходной сигнал в виде импульсов включения/выключения тока статора электродвигателя необходимо построить интегрированную микросистему. В систему входят два интегральных токомагнитных датчика на основе биполярного n-p-n магнитотранзистора; две пары p-МОП транзисторов коллекторной нагрузки, включенных по схеме токового зеркала и устанавливающих рабочую точку магнитотранзисторов; инверторы для управления триггером и согласующие уровни напряжения токомагнитных датчиков на основе биполярного магнитотранзистора и входных напряжений триггера, RS-триггер на КМОП транзисторах, выходной каскад на КМОП транзисторах.
Техническая задача предполагаемого изобретения - создание упрощенного схемо-технического решения датчиков градиента магнитного поля магнитоуправляемых интегральных микросхем на основе магнитотранзисторов.
Техническая задача изобретения решается тем, что интегральный градиентный магнитотранзисторный датчик содержит два чувствительных элемента, два усилителя, выполненных в виде двух токовых зеркал на МОП транзисторах, и схему сравнения с двумя входами. Чувствительные элементы с усилителями выполнены в виде интегральных токомагнитных датчиков на основе биполярных магнитотранзисторов, расположенных на постоянном расстоянии L друг от друга, с возможностью определения градиента распределения магнитного поля по разности сигналов с датчиков. Это упрощает реализацию схемотехнического решения датчика градиента магнитного поля, что уменьшает размеры его кристалла. Каждый из указанных датчиков связан через токовое зеркало, выполняющее функцию нагрузки, и выход токового зеркала с входом соответствующего КМОП инвертора согласования уровня сигналов токомагнитных датчиков и входных напряжений на соответствующих входах схемы сравнения, содержащей RS-триггер и выходной каскад, один из выходов RS-триггера соединен с выходным КМОП каскадом. Такое схемное выполнение интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика позволяет снизить его потребляемую мощность.
Интегральный градиентный магнитотранзисторный датчик на выходе имеет мощный КМОП инвертор и выходной каскад управляет напряжением на затворах p-МОП и n-МОП транзисторов мощного КМОП инвертора. Это расширяет функциональные возможности, так как позволяет подавать сигнал управления через длинную линию связи, например, на вход управляющего устройства.
Интегральный градиентный магнитотранзисторный датчик на выходе имеет мощный p-МОП транзистор или n-МОП транзистор с открытым стоком и выходной каскад КМОП, подключенный на затвор мощного МОП транзистора. Это расширяет функциональные возможности путем генерирования и подачи сигнала управления на исполнительные устройства.
Интегральный градиентный магнитотранзисторный датчик содержит два чувствительных элемента, два усилителя, в виде двух токовых зеркал на МОП транзисторах, причем чувствительные элементы выполнены в виде интегральных токомагнитных датчиков на основе биполярных магнитотранзисторов, расположенных на постоянном расстоянии друг от друга, с возможностью определения градиента распределения магнитного поля по разности сигналов с датчиков, каждый из которых связан через токовое зеркало, выполняющее функцию нагрузки, с выходом датчика. Выход датчика соединен с входом или затвором p-МОП и/или n-МОП транзисторов с открытым стоком. Это позволяет упростить схемотехническое решение датчика и исполнительного устройства при больших напряженностях магнитного поля (в пять раз и выше, чем при работе ранее описанного датчика).
Общим техническим эффектом является возможность точного измерения и определения максимальной величины градиента магнитного поля, что дает увеличение точности измерения положения магнитов ротора электрической машины и получение сигнала управления током статора с наименьшими временными искажениями выходного сигнала для включения тока статора относительно положения магнитов ротора, что повышает КПД электродвигателя и его бесперебойную работу.
На фиг.1 показан график распределения индукции магнитного поля В на расстоянии D около двух магнитов ротора с радиальным намагничением.
На фиг.2 представлена электрическая схема интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика.
На фиг.3 представлена электрическая схема согласующего инвертора.
На фиг.4 дана временная зависимость выходного напряжения КМОП инвертора.
На фиг.5 представлена электрическая схема интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика с выходом на МОП транзисторах с открытым стоком.
На фиг.6 представлена электрическая схема интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика с выходом на КМОП транзисторах.
На фиг.7 представлена электрическая схема интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика с выходом на МОП транзисторах с открытым стоком при управлении согласующим инвертором.
Интегральный градиентный магнитотранзисторный датчик на фиг.2 содержит два чувствительных элемента 1 и 2 и два усилителя в виде двух токовых зеркал 3 и 4 на p-МОП транзисторах, включенных в нагрузку чувствительных элементов 1 и 2. Чувствительные элементы 1 и 2 выполнены в виде интегральных токомагнитных датчиков на основе биполярных магнитотранзисторов, расположенных на постоянном расстоянии L друг от друга, с возможностью определения градиента распределения магнитного поля по разности сигналов с датчиков. Это упрощает реализацию схемотехнического решения датчика градиента магнитного поля и уменьшает размеры его кристалла, так как позволяет расположить чувствительные элементы на минимальном расстоянии. Каждый из указанных датчиков 1 и 2 связан с входом соответствующего КМОП инвертора 5 и 6, которые согласуют уровни сигналов интегральных токомагнитных датчиков и входных напряжений на соответствующих входах схемы сравнения, содержащей RS-триггер 7. Один из выходов RS-триггера 7 соединен с выходным КМОП каскадом 8. Выходной сигнал вырабатывается на выходе 9.
Интегральный градиентный магнитотранзисторный датчик на выходе датчика имеет мощный p-МОП транзистор или n-МОП транзистор с открытым стоком и выходной КМОП каскад 8 подключается на затвор МОП транзисторов (фиг.5). Это при обеспечении простоты схемотехнического решения расширяет функциональные возможности путем подачи сигнала управления на исполнительные устройства.
Интегральный градиентный магнитотранзисторный датчик может иметь на выходе датчика мощный КМОП инвертор (фиг.6). Выходной каскад 8 с выхода 9 управляет напряжением на затворах p-МОП и n-МОП транзисторов мощного КМОП инвертора. Это расширяет функциональные возможности путем подачи сигнала управления через длинную линию связи, например, на вход управляющего устройства.
Интегральный градиентный магнитотранзисторный датчик содержит два чувствительных элемента, два усилителя, выполненных в виде двух токовых зеркал на МОП транзисторах, причем чувствительные элементы выполнены в виде интегральных токомагнитных датчиков на основе биполярных магнитотранзисторов, расположенных на постоянном расстоянии друг от друга, с возможностью определения градиента распределения магнитного поля по разности сигналов с датчиков, каждый из которых связан через токовые зеркала, выполняющие функцию нагрузки и через согласующие инверторы 5 и 6 с выходом датчика, а выход датчика соединен со входом или затвором p-МОП и/или n-МОП транзисторов с открытым стоком (фиг.7). Это при любом указанном соединении выхода датчика с управлением указанными транзисторами позволяет упростить схемотехническое решение датчика и исполнительного устройства при больших напряженностях магнитного поля (большего в пять раз и выше, чем при работе ранее описанного датчика).
Распределение вдоль оси «D» магнитной индукции «В» на расстоянии D около двух радиальных магнитов «SN» на фиг.1 показывает, что максимальное значение магнитной индукции В магнитного поля находится напротив середины магнитов. Между магнитами вектор индукции направлен в другую сторону, а около края магнита магнитная индукция принимает нулевое значение. Для работы электродвигателя с круговой частотой «ω» важно фиксировать момент прохождения краев магнитов для подачи тока в обмотки статора в необходимый момент. В этих точках имеется максимальный градиент магнитного поля, тогда как при максимальной индукции градиент нулевой. Кроме того, около края магнита происходит смена полярности индукции. Для измерения момента прохождения края магнита датчик магнитного поля должен быть градиентным, т.е. фиксировать разность величин магнитного поля на расстоянии «L», что достигается установкой в интегральном градиентном магнитном датчике (ИГМД) на этом расстоянии двух магнитотранзисторов, условно показанных в верхней части фиг.1 и обозначенных как ИГМД. Схема считывания сигнала с датчиков должна с большой скоростью зафиксировать максимальную разницу показаний между транзисторами. В этой точке происходит включение, т.е. образование фронта импульса управления.
Электрическая схема согласующих инверторов 5 и 6 представлена на фиг.1 и 3. Постоянное напряжение на выходе токовых зеркал меньше напряжения питания Епит на величину порогового напряжения транзисторов токового зеркала. Рабочие уровни напряжения на КМОП схемах в двух состояниях равны напряжениям Епит или общей точки «Общ». Согласование уровней напряжения на выходе токового зеркала 3, токового зеркала 4 и на входах КМОП RS-триггера 7 проводится инвертором 13, у которого между входом 10 и выходом 11 имеется КМОП ключ 12. Постоянное напряжение на входе и выходе согласующих инверторов 5 и 6 равно примерно половине напряжения между Епит и Общ.
На фиг.4 приведена временная диаграмма работы конкретного варианта схемы. Напряжение на выходе токового зеркала 3 «V1», напряжение на выходе токового зеркала 4 «F3» и напряжение на выходном каскаде «V2» получены на частоте 2,5 МГц и дают задержку по времени включения и выключения порядка 50 нс. Напряжение питания 3 В и ток потребления 2,5 мА. Таким образом, интегральный градиентный магнитотранзисторный датчик обеспечивает преобразование магнитного поля на высоких частотах работы и обеспечивает наименьшие временные искажения сигнала для включения тока статора относительно положения магнитов ротора, что повышает КПД электродвигателя и его бесперебойную работу при запуске и в мертвом положении при значительном снижении энергетических затрат по сравнению с серийными биполярными магнитоуправляемыми интегральными схемами.
На фиг.5 представлена электрическая схема интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика с выходом на МОП транзисторах с открытым стоком. При работе с электродвигателями выход 9 интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика может включаться непосредственно на обмотку статора, которая служит нагрузкой 14 для мощного p-МОП транзистора 15 с открытым стоком, подключенного к отрицательному полюсу источника питания «-Епит» или служит нагрузкой 16 для мощного n-МОП транзистора 17 с открытым стоком, подключенного к положительному полюсу источника питания «+Eпит».
На фиг.6 представлена электрическая схема интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика с выходом на КМОП транзисторах. При работе с электродвигателями управляемыми от микропроцессора выходной каскад 8 КМОП подключается выходом 9 интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика на обмотку статора через микропроцессор. В этом случае датчик должен иметь выход в виде мощного КМОП инвертора, состоящего из мощного p-МОП транзистора 18 и мощного n-МОП транзистора 19.
На фиг.7 представлена электрическая схема интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика с выходом на МОП транзисторах с открытым стоком, управляемых согласующим инвертором. В сильных магнитных полях высокий уровень сигнала с токомагнитных датчиков на основе биполярных магнитотранзисторов позволяет, например, включать согласующие инверторы 5 и 6 непосредственно на затворы мощного p-МОП транзистора 20 с открытым стоком, подключенного к отрицательному полюсу источника питания через сопротивление 21 обмотки статора на «-Епит» или мощного n-МОП транзистора с открытым стоком 22, подключенного через сопротивление 23 обмотки статора к положительному полюсу источника питания «+Eпит».
Работа интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика происходит следующим образом. Вблизи точки нулевого магнитного поля, имеющей переход от положительного направления магнитной индукции к отрицательному фиксируется градиент магнитного поля по разности показаний двух датчиков, на каждый из которых воздействует вполне определенная величина магнитного поля. Разница значений напряжения на выходе датчиков имеет в этой точке максимальное значение. Включение выходных сигналов противоположной полярности на противоположные плечи триггера переключает триггер и дает фронт импульса на выходе. При одинаковой полярности магнитного поля на датчиках градиент меньше, переключение не происходит и сохраняется прежнее состояние триггера. Переход к другому краю магнита изменяет полярность сигналов токовых ключей и триггер переключается в обратном направлении и выдает сигнал обратного переключения в виде фронта импульса.
Изготовление интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика проводится по технологии КМОП БИС, которая в настоящее время является основной для изготовления изделий микроэлектроники. Сопротивления изготавливаются из пленки поликристаллического кремния.
В интегральном градиентном магнитотранзисторном датчике принят принцип измерения разности величин напряжений на двух интегральных магнитотранзисторных датчиках с выработкой на RS-триггере сигнала управления выходного тока. Это обеспечивает получение высокой точности результата измерений момента прохождения края магнита ротора около датчика и выработку сигнала управления током, например, статора бесколлекторного электродвигателя постоянного тока. За счет этого повышается коэффициент полезного действия и бесперебойность работы при запуске и в мертвом положении.
Интегральный градиентный магнитотранзисторный датчик на основе биполярного магнитотранзистора позволяет сократить расстояние между двумя магнитотранзисторами до 100 мкм, повысить разрешающую способность и увеличить чувствительность к распределению магнитного поля на краю магнита как за счет собственной высокой чувствительности датчика, так и за счет усиления сигнала на токовом зеркале. КМОП транзисторы по сравнению с биполярными позволяют уменьшить потери мощности за счет уменьшения падения напряжения на открытых МОП транзисторах. Магнитотранзисторы позволяют за счет большей чувствительности и избирательности к направлению магнитной индукции по сравнению с датчиками Холла уменьшить значение магнитной индукции, при которой происходит срабатывание и формируется фронт выходного импульса. Градиентный режим работы интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика позволяет более точно устанавливать момент прохождения края магнита и повышать за счет этого КПД двигателя, а также является универсальным техническим решением для включения интегрального градиентного магнитотранзисторного датчика в системы электропривода разного уровня мощности при обеспечении малых габаритов и потребления энергии, благодаря микроэлектронному исполнению на основе магнитотранзистора и КМОП схем.
Используемые источники
1. Бараночников М.Л. / Микромагнитоэлектроника // Москва, ДМК Пресс, 2001 г.
2. Е.И.Андреев, Т.В.Персиянов, Ю.Н.Смирнова / Датчик магнитного поля // Авторское свидетельство СССР SU 1461324, 09.02.1987.
3. Popovic R.S., Baltes H.P. / Sensitive magnetotransistor magnetic field sensor // Патент US 4700211, 13 октября 1987 г.
4. Nakamura Т., Kikuchi S. / Magnetically sensitive semiconductor device // Патент US 5099298, 7 мая 1992 г.
5. Ristic L. / Collector arrangement for magnetotransistor // Патент US 5323050, 21 июня 1994 г.
6. А.Нäbеrli, М.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.
7. Baranochnikov M.L., Krasnikov G.Ya., Mordkovich V.N., Prikhodko P.S., Mikhailov V.A. / Magnetically controlled logic sell // Патент US 5742080, 21 апреля 1998 г.
8. 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. Патент РФ №2387046 от 20.04.2010.
9. Rossi D., Ermes V., Torelli G., Maloberti F., Vacchi C. / Current source circuit with complementary current mirrors // Патент US 4994730, 19 февраля 1991 г. - прототип.