Вимірювальний перетворювач магнітного поля

1. Вимірювальний перетворювач магнітного поля, який містить сформовані на підкладці та перехрещені між собою дві прямокутні напівпровідникові області вертикальних перетворювачів Холла, які утворюють хрестоподібну геометричну C2 2 (19) 1 3 76132 4 Струм живлення такого перетворювача протідозволяє підвищити точність вимірювання та кає в напівпровідниковій області по двох взаємно спростити його конструкцію. протилежних напрямках. Перший напрямок - між Поставлене завдання досягається тим, у виміпершим та третім струмовими контактами, а друрювального перетворювача магнітного поля, який гий - між другим та третім струмовими контактами. містить сформовані на підкладці та перехрещені Вихідним сигналом вертикального перетворювача між собою дві прямокутні напівпровідникові обласХолла є різниця напруг між потенційними виводаті вертикальних перетворювачів Холла, які утвоми. Ця різниця напруг є пропорційною до проекції рюють хрестовидну геометричну фігуру з зоною (наприклад Вх) вектора індукції магнітного поля, перехрещення та чотирма рівновеликими взаємно яка є паралельною до площини напівпровідникової перпендикулярними плечами, а на поверхні напівобласті та перпендикулярною до напрямку прохопровідникових областей сформовано вісім контакдження струму живлення перетворювача в цій тів - по одному струмовому та одному потенційнообласті. му контакту до кожного плеча, причому струмові Для забезпечення можливості вимірювання контакти розміщені на периферії плеч і є рівновідобох ортогональних проекцій (Вх та Bz) вектора даленими від зони перехрещення, а потенційні індукції магнітного поля, які лежать в паралельній контакти розміщені між струмовими контактами та площині до площини напівпровідникової області, зоною перехрещення і також є рівновіддаленими формують вимірювальний перетворювач магнітновід останньої, згідно винаходу, в зоні перехрещенго поля на основі двох вертикальних перетворюня сформовано напівпровідникову область горивачів Холла [3]. Останні об'єднані таким чином, що зонтального перетворювача Холла, причому двоїхні напівпровідникові області пересікаються, ма його струмовими контактами є два струмові утворюючи хрестовидну геометричну фігуру з чоконтакти одного з вертикальних перетворювачів тирма рівновеликими плечами та прямими кутами Холла, а двома його потенційними контактами є між останніми. На поверхні напівпровідникових два потенційні контакти іншого вертикального пеобластей вимірювального перетворювача сфорретворювача Холла. Другою відмінною ознакою мовано дев'ять контактів. В кожному з чотирьох вимірювального перетворювача є те, що товщина плеч хрестовидної фігури розміщено по одному напівпровідникової області горизонтального перепериферійному струмовому та одному потенційтворювача Холла відрізняється від товщини напівному контакту. В зоні перехрещення напівпровідпровідникових областей вертикальних перетворюникових областей вертикальних перетворювачів вачів Холла. Холла сформовано розміщено один центральний Введення нових елементів та відповідних зв'яструмовий контакт. Периферійні струмові контакти зків дозволяє створити вимірювальний перетворозміщені на периферії напівпровідникових обласрювач магнітного поля, який, по-перше, забезпетей і є рівновіддаленими від центрального струмочує вимірювання трьох ортогональних проекцій вого контакту. Потенційні контакти розміщені між (компонент) вектора індукції магнітного поля в периферійними струмовими контактами та єдиній просторовій точці, тобто характеризується центральним струмовим контактом і, також, є ріввисокою точністю вимірювання, і по-друге, харакновіддаленими від останнього. теризується простотою конструкції. Недоліком такого вимірювального перетворюНа фіг.1,2 зображена схема вимірювального вача магнітного поля є неможливість вимірювати перетворювача магнітного поля, де 1 - підкладка; магнітне поле, вектор індукції якого є перпендику2, 3, 4 та 5 - чотири плеча хрестовидної фігури, яка лярним до площини напівпровідникової області утворена перехрещенням двох напівпровідникових (Bz). Частково цей недолік можна подолати шляобластей вертикальних перетворювачів Холла; 6, хом об'єднання вимірювального перетворювача 7, 8 та 9 - струмові контакти; 10, 11, 12 та 13 - помагнітного поля на основі двох вертикальних петенційні контакти; 14 - напівпровідникова область ретворювачів Холла з одним або декількома горигоризонтального перетворювача Холла. зонтальними перетворювачами Холла [3]. Останні Плечі 2, 4 та контакти 6, 8, 10, 12 формують забезпечують вимірювання перпендикулярної до перший вертикальний перетворювач Холла, а площини вимірювального перетворювача проекції плечі 3, 5 та контакти 7, 9, 11, 13 - другий вертикаBz вектора індукції магнітного поля. Однак, недолільний перетворювач Холла. Перший перетворюком такої об'єднаної конструкції є її низька простовач призначений для вимірювання проекції Вх векрова роздільна здатність та її складність. Низька тора індукції магнітного поля, а другий - для просторова роздільна здатність обумовлена тим, вимірювання проекції By. Принцип вимірювання що вертикальні та горизонтальний перетворювачі магнітного поля перетворювачів Холла полягає у не можуть бути суміщеними між собою в єдину формуванні різниці напруг на потенційних виводах просторову область. Це є причиною неможливості при відхиленні носіїв заряду в напівпровідниковій вимірювання всіх трьох проекцій Вх, By та Bz векобласті під дією сили Лоренца. тора індукції магнітного поля в єдиній просторовій Функціонування вимірювального перетворюточці, а отже - низької точності результатів вимівача магнітного поля згідно винаходу передбачає рювання. Складність конструкції вимірювального два режими живлення. Перший режим забезпечує перетворювача, в свою чергу, обумовлює значні функціонування вертикальних перетворювачів його розміри та низьку надійність роботи. Холла, а другий - горизонтального. В основу винаходу поставлене завдання ствоПерший режим живлення передбачає таке підрити вимірювальний перетворювач магнітного ключення струмових контактів вертикальних переполя, в якому введення нових елементів та зв'язків творювачів Холла, при якому стуми в їх напівпровідникових областях протікають по взаємно 5 76132 6 протилежних напрямках. Для цього струмові конполя, формуються на потенційних виводах 11 та такти обох вертикальних перетворювачів Холла 13 другого вертикального перетворювача Холла: об'єднують в єдину схему. А саме, контакти 6 та 8 Vz=V(13)-V(11)=Кz.I.Bz/d2, першого вертикального перетворювача Холла де Кz - коефіцієнт перетворення; d2 - товщина з'єднують разом та під'єднують до першого, нанапівпровідникової області горизонтального переприклад плюсового, виводу джерела живлення, а творювача Холла. контакти 7 та 9 другого вертикального перетворюЗ фізичної точки зору виникнення різниці навача Холла, також з'єднані разом, під'єднують до пруг на потенційних виводах 11 та 13 пояснюється другого, відповідно мінусового, джерела живлентим, що відхилення носіїв заряду в напівпровідниня. Таким чином, в першому вертикальному перековій області 14 горизонтального перетворювача творювачі Холла струми течуть зверху вниз (струм Холла при дії на них проекції вектора індукції магІ2 в плечі 2) та знизу вверх (струм І4 в плечі 4), в нітного поля Bz відбувається в напрямку від плеча другому - зліва направо (струм І3 в плечі 3) та 5 до плеча 3, чи навпаки. справа наліво (струм І5 в плечі 5). При ідеальній Як і вертикальні перетворювачі, горизонтальсиметрії структури перетворювача мають місце ний перетворювач Холла вимірює значення індукрівності: ції магнітного поля в просторовій точці центру вимірювального перетворювача. Таким чином, I2 I4 ; I3 I5 . вимірювальний перетворювач згідно винаходу дозволяє вимірювати всі три проекції Вх, By та Bz Вихідні сигнали вертикальних перетворювачів вектора індукції магнітного поля в єдиній простоХолла формуються на потенційних виводах у виді ровій точці. різниці напруг, яка є пропорційною добутку знаУ відповідності до другої відмінної ознаки вичення струму живлення перетворювача на відпомірювального перетворювача згідно винаходу є відну проекцію вектора індукції магнітного поля: можливість змінювати товщину d2 напівпровідниVx=V(12)-V(10)=Кx.I.Bx/W - для першого переткової області горизонтального перетворювача Ховорювача та лла. Це дозволяє сформувати вимірювальний пеVy=V(13)-V(11)=Ку.І.Ву/W - для другого перетретворювач з однаковими значеннями чутливості ворювача, до всіх трьох проекцій вектора індукції магнітного де V(11), V(12), V(13) та V(14) - напруги на пополя: Vx/Вх=Vy/By=Vz/Bz. Враховуючи, що чутлитенційних виводах 11, 12, 13, 14, відповідно; Vx, Vy вість вертикальних перетворювачів Холла є звота Кх та Ку - вихідні сигнали та коефіцієнти перетротно пропорційною до ширини напівпровідниковорення, відповідно, першого та другого перетвових областей W, а горизонтального рювачів; І - робочий струм, W - ширина напівпровіперетворювача - до товщини його напівпровіднидникових областей. кової області d2, рівність вказаних значень чутлиЗ фізичної точки зору виникнення різниці навостей забезпечується відповідним вибором співпруг на потенційних виводах вертикальних перетвідношення W/d2. Важливим є те, що на відміну від ворювачів Холла пояснюється тим, що внаслідок товщини d1 напівпровідникових областей вертикапротилежних напрямків протікання струму в обох льних перетворювачів Холла, товщина d2 напівпплечах перетворювача, відхилення носіїв заряду в ровідникової області горизонтального перетворюцих плечах також має протилежний напрям. Зоквача, може змінюватися після формування рема, якщо в плечі 2 першого перетворювача носії виводів. Зокрема, зменшення товщини d2 бути відхиляються в напрямку від підкладки до поверхні реалізовано шляхом часткового травлення напівпнапівпровідникової області, то плечі 4 цього переровідникового шару. творювача -в напрямку від поверхні до підкладки. Підвищення точності вимірювального перетУ високоградієнтному магнітному полі, різниця ворювача згідно винаходу по відношенню до ананапруг, яка формується на потенційних виводах логів [2, 3] обумовлюється тим, що горизонтальний вертикальних перетворювачів Холла, є інформаперетворювач Холла знаходиться в центрі (зоні тивною величиною усередненого значення індукції перехрещення) вертикальних перетворювачів Хополя. Враховуючи, що всі потенційні виводи верлла. Це забезпечує високу просторову суміщеність тикальних перетворювачів Холла є рівновіддалевсіх перетворювачів (двох вертикальних та одного ними від його центру (зони перехрещення), вимігоризонтального), а отже всі три проекції Вх, By та ряне усереднене значення індукції відповідає Bz вектора індукції магнітного поля вимірюються в просторовій точці центру вимірювального перетєдиній просторовій точці. При вимірюванні високоворювача. градієнтних полів це дає зменшення похибки виміДругий режим живлення передбачає викорисрювання вектора індукції магнітного поля в декільтання лише однієї пари струмових контактів, зокка раз. рема контактів 6 та 8 першого вертикального пеСпрощення конструкції вимірювального перетретворювача. Тоді, вивід 6 під'єднують до першого ворювача згідно винаходу по відношенню до анавиводу джерела струму, а вивід 8 - до другого. Це логів [2, 3] обумовлюється рядом обставин. Позабезпечує прямолінійну траєкторію носіїв заряду перше, функція вимірювання трьох проекцій магнів напівпровідниковій області 14 горизонтального тного поля реалізується одним перетворювачем, а перетворювача Холла. не набором вертикальних та горизонтальних переВихідний сигнал горизонтального перетворютворювачів. По-друге, значно зменшується кільвача Холла у виді різниці напруг, яка є пропорційкість виводів вимірювального перетворювача. У ною добутку значення струму живлення перетвовимірювального перетворювача згідно винаходу є рювача на проекцію Bz вектора індукції магнітного лише 8 виводів, а в аналогів - 9 виводів у вертика 7 76132 8 льних перетворювачах Холла та принаймні 4 виОтже, суттєве зменшення кількості контактних води у горизонтального перетворювача Холла. У площадок у вимірювального перетворювача є випадку використання чотирьох горизонтальних ключовим моментом подальшої мініатюризації перетворювачів Холла для усереднення простовимірювальних зондів. рового розподілу поля, в аналога [3] передбачаКрім того, зменшення кількості виводів виміється 9+4 · 4=23 виводи. В останньому випадку рювального перетворювача згідно винаходу домає місце майже трикратне зменшення кількості зволяє зменшити кількість проводів між вимірювавиводів. льним зондом та схемою обробки сигналу, а Особлива ефективність вимірювального перетакож, підвищити надійність експлуатації перетвотворювача згідно винаходу має місце при необхідрювача. ності зменшення розмірів вимірювального зонда Джерела інформації: на його основі. Саме виводи та контактні площад1. R.S. Popovic, Hall Effect Devices, Adam Hilgки до них обумовлюють розмір конструкції в цілоer, Bristol, Philadelphia and New York, 1991. P.61. му. Традиційні сучасні технології виготовлення 2. Там же. дозволяють реалізувати розміри напівпровіднико3. F. Burger, P.-A. Besse, R.S. Popovic. New fulвих областей перетворювача порядку декількох ly integrated 3-D silicon Hall sensor for precise anguмікрометрів. Проте, розмір кожної контактної плоlar-position measurements. Sensors and Actuators. A щадки типово становить сто мікрометрів і більше. 67. 1998. PP. 72-76. Комп’ютерна верстка М. Клюкін Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601