Вимірювальний перетворювач магнітного поля

Винахід стосується напівпровідникових сенсорів магнітного поля, які використовують ефект Холла. Відомий вимірювальний перетворювач магнітного поля, що містить сформовані до напівпровідникової області два струмові контакти, а між ними два потенційні контакти. Однак такий перетворювач дозволяє вимірювати лише перпендикулярну до площини напівпровідникової області складову вектора індукції магнітного поля [R.S.Popovic, Hall Effect Devices, Adam Hilger, Bristol, Philadelphia and New York, 1991. P.61]. Цей недолік усунуто у відомому вимірювальному перетворювачі магнітного поля [Ch. Schott, R.S.Popovic. Integrated 3-D Hall Magnetic Field Sensor. http://microtechnique.epf1.ch/ims/sysmic/publications/1999/cs 99_2.pdf., Ch.Schott: Swiss patent application No.1998 07 60-98], що містить напівпровідникову робочу область квадратної форми, яка обмежена по периметру зовнішньою ізолюючою областю, а в кута х робочої області сформовано чотири струмові контакти, між якими по сторонах сформовано чотири потенційні контакти. Цей перетворювач дозволяє вимірювати три ортогональні складові вектора індукції магнітного поля, однак характеризується низькою точністю вимірювань. В основі винаходу поставлено завдання створити вимірювальний перетворювач магнітного поля, в якому введення нових елементів та зв'язків дозволяє підвищити точність вимірювання. Поставлене завдання досягається тим, що у вимірювальному перетворювачі магнітного поля, що містить напівпровідникову робочу область квадратної форми, яка обмежена по периметру зовнішньою ізолюючою областю, а в кутах робочої області сформовано чотири струмові контакти, між якими по сторонах сформовано чотири потенційні контакти, згідно винаходу, в центрі робочої області вимірювального перетворювача сформовано внутрішню ізолюючу область. Введення нових елементів та відповідних зв'язків дозволяє обмежити область протікання струму, і тим самим, по-перше, збільшити густину стр уму, і, по-друге, вирівняти траєкторію руху носіїв стр уму. Перше забезпечує підвищення чутливості сенсора, а друге - зменшує перехресну чутливість (cross-sensitivity), тобто перехресний взаємний вплив сигналів від окремих ортогональних складових вектора індукції магнітного поля. На Фіг.1 схематично подано вид зверху вимірювального перетворювача магнітного поля, де 1 напівпровідникова робоча область; 2 - зовнішня ізолююча область; 3, 4, 5, 6 - чотири стр умові контакти; 7, 8, 9, 10 - чотири потенційні контакти; 11 - внутрішня ізолююча область. На Фіг.2 схематично наведено вид вимірювального перетворювача магнітного поля збоку. Перетворювач живлять джерелом постійного струму, причому одну пару взаємно протилежних струмових виводів (наприклад 3 та 5) під'єднують до одного полюса джерела живлення (наприклад плюсового), а іншу пару (відповідно 4 та 6) - до іншого полюса джерела живлення (відповідно від'ємного). Відповідно до такої схеми під'єднання утворюють чотири ділянки протікання струмів І34, І36, І54, І56, де індекси в позначеннях струмів відповідають номерам позначень струмових контактів. Ці ділянки протікання струмів лежать на сторонах квадрату. Принципово важливим є те, що струми, які течуть в протилежних сторонах квадрату є ® ® ® ® рівними за величиною і протилежними за знаком: I34 = - I65 ; I36 = - I45 . Вихідним сигналом вимірювального перетворювача є різниця напруг між потенційними контактами. Інформаційними сигналами про проекції вектора індукції магнітного поля ΒX, BY, BZ є напруги VX, VY, VZ , які в першому наближенні визначаються як: VX=V8-V10; VY=V7-V9; VZ={(V8-V9)+(V10-V7)}/2. Відмінністю вимірювального перетворювача згідно винаходу є обмеження області проходження струму між зовнішньою 2 та внутрішньою 11 ізолюючими областями. Це забезпечує підвищення чутливості сенсора до магнітних полів ВX, B Y та зменшує перехресний вплив між інформативними сигналами. Підвищення чутливості пояснюється зменшенням розміру робочої області вимірювального перетворювача. На противагу до класичних перетворювачів Холла (чутливи х до перпендикулярного до площини перетворювача поля ΒZ), де розміром, який визначає чутливість, є товщина робочої області, у перетворювачів полів ВX, B Y визначальним є розмір області розтікання струму по площині. Чим менший розмір займає область розтікання струму, тим більша різниця напруг між відповідними потенційними контактами, а отже вища чутливість. Зменшення перехресного впливу між сигналами пояснюється вирівнюванням траєкторії руху носіїв струму. У перетворювачі, що є найближчим аналогом носії струму, які протікають через центральну частину перетворювача, відхиляються від прямолінійної траєкторії. Це обумовлює одночасну дію на такі носії складових поля ΒX, ΒY, що призводить до значної перехресної чутливості. Перехресна чутливість є негативною ознакою вимірювальних перетворювачів, яка спричинює похибки визначення складових поля ВX, ΒY. У вимірювального перетворювача згідно винаходу в центральній частині знаходиться ізолююча область, а отже носії струму через неї не проходять. Найбільш ефективним є вимірювальний перетворювач згідно винаходу виготовлений на тонких напівпровідникових плівках. Чим менша товщина робочої області перетворювача, тим меншими є паразитні ефекти, зокрема, пленарний ефект. Для забезпечення однакових значень чутливості по всіх складових поля необхідно, щоб товщина робочих областей перетворювача була співмірна з розміром області розтікання струму в площині перетворювача. Враховуючи, що товщина плівок високоефективних перетворювачів Холла становить одиниці мікрометрів, а розмір області розтікання без використання внутрішньої ізолюючої області може мати значення порядку ста мікрометрів, чутли вість вимірювального перетворювача до складових поля ΒX, BY буде на декілька порядків меншою ніж до складової поля BZ. Така різниця чутливостей до різних складових поля, в свою чергу, призводить до значної перехресної чутливості. Введення внутрішньої ізолюючої області згідно винаходу дозволяє обмежити до мінімального значення розмір області розтікання струму (10мкм і менше). При виготовленні вимірювального перетворювача на тонких напівпровідникових плівках (10мкм і менше), його чутливість до складових поля ВX, ΒY при введенні внутрішньої ізолюючої області зростає в 10 раз і більше, а перехресна чутливість зменшується в декілька разів.