ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 1997 года по МПК H01L29/82 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано как датчик магнитного поля в различных устройствах автоматического управления технологическими процессами.

Известны устройства для измерения магнитной индукции, например датчики, использующие эффект Холла. Конструктивно они представляют собой полупроводниковую пластину прямоугольной формы. Под действием тока I и магнитной индукции В, векторы которых взаимноперпендикулярны, на обкладках датчика возникает измерительное напряжение U_н. Величина этого напряжения зависит от геометрии (длины L и толщины D) датчика, тока I, коэффициента Холла R_н и магнитной индукции В:

Материалом для изготовления датчика Холла служит кремний, арсенид индия (InAs) и антимонид индия (InSb). Датчик Холла из арсенида индия, например, при магнитной индукции В=1 Т и токе 0,1 А имеет выходное напряжение 0,5 В [1]
Недостатком таких устройств является низкая чувствительность и точность измерений, особенно в области малых значений индукции, так как при этом необходимо в значительной степени увеличивать протекающий ток.

Наиболее близким техническим решением к изобретению можно считать фототранзистор с магнитным управлением [2] Фототранзистор выполнен на полупроводниковой подложке, имеющей шесть ступенчатых участков. При воздействии магнитного поля на структуру в направлении, перпендикулярном размещению ступеньки, часть электронов, зависящая от напряженности магнитного поля, отклоняется и через кристаллический полупроводниковый слой попадает в третий электронный слой. Остальные электроны направляются во второй полупроводниковый слой, который является барьерным, и электроны частично отражаются от него, а частично попадают в третий электронный слой. Такая конструкция позволяет с помощью магнитного поля управлять потоком электронов, проходящих сквозь полупроводник в третий электронный слой.

Недостатком такой конструкции является низкая чувствительность и точность измерений, особенно в области малых значений индукции, так как при этом происходит незначительное изменение тока фототранзистора.

В основу изобретения поставлена задача создания полупроводникового датчика магнитного поля, который обладает высокой чувствительностью и точностью измерения.

Поставленная задача решается таким образом, что в известном устройстве преобразование магнитной индукции в ток заменяется в предлагаемом устройстве преобразованием магнитной индукции в частоту, для чего конструкция устройства выполнена в виде полупроводникового датчика магнитного поля, содержащего два магниточувствительных диода, электрически связанных с двумя последовательно включенными источниками электропитания, в который введены два полевых транзистора, два резистора, конденсатор и пассивная индуктивность, причем затвор первого полевого транзистора через первый магнитодиод, первый резистор и первый источник электропитания соединен со стоком второго полевого транзистора, а затвор второго полевого транзистора через второй резистор и второй магнитодиод соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки первого и второго полевых транзисторов соединены между собой, первый вывод пассивной индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго магнитодиода и первому полюсу второго источника электропитания, а второй вывод пассивной индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключается первая выходная клемма, а второй вывод конденсатора подключен к стоку второго полевого транзистора, вторым полюсам первого и второго источников электропитания, которые образуют общую шину, к которой подключена вторая выходная клемма.

Использование предлагаемого устройства для измерения магнитного поля существенно повышает чувствительность и точность измерения информативного параметра за счет выполнения емкостного элемента колебательного контура в виде полевых транзисторов, в котором измерение сопротивления магнитодиодов под действием магнитного поля преобразуется в изменение емкости, что обеспечивает эффективную перестройку резонансной частоты, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора величины напряжения источников электропитания.

На чертеже представлен полупроводниковый датчик магнитного поля, содержащий источник постоянного напряжения 1, который осуществляет электрическое питание магнитодиода 2 через ограничительный резистор 3, а также полевых транзисторов 4 и 5. Затвор полевого транзистора 4 соединен через последовательную цепь ограничительного резистора 3 и магнитодиода 2 со стоком полевого транзистора 5, а затвор полевого транзистора 5 через последовательную цепь ограничительного резистора 6 и магнитодиода 7 соединен со стоком полевого транзистора 4. Истоки полевых транзисторов 4 и 5 соединены между собой. Параллельно стокам полевых транзисторов 4 и 5 подключена последовательная цепочка, состоящая из пассивной индуктивности 8 и конденсатора 9, совместно с источником электрического питания 10. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 9 и общей шиной.

Полупроводниковый датчик магнитного поля работает следующим образом. В начальный момент времени магнитное поле не действует на магнитодиоды 2 и 7. Повышением напряжения управляющих источников 1 и 10 до величины, когда на выводах сток-сток полевых транзисторов 4 и 5 возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на выводах сток-сток полевых транзисторов 4 и 5 и индуктивным сопротивлением пассивной индуктивности 8, конденсатор 9 предохраняет источник 10 управляющего напряжения от короткого замыкания через индуктивность 8, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующем воздействии магнитного поля на магнитодиоды 2 и 7 происходит изменение их сопротивления на выводах сток-сток полевых транзисторов 4 и 5, а это в свою очередь вызывает изменение резонансной частоты колебательного контура.

Использование: в устройствах автоматического управления технологическими процессами. Сущность: полупроводниковый датчик магнитного поля содержит два источника постоянного напряжения, которые осуществляют питание двух полевых транзисторов через ограничительные резисторы, последовательно с которыми соединены магниточувствительные диоды. Истоки полевых транзисторов соединены между собой. Параллельно стокам полевых транзисторов подключена последовательная цепочка, состоящая из пассивной индуктивности и конденсатора. 1 ил.

Полупроводниковый датчик магнитного поля, содержащий два магниточувствительных диода, электрически связанных с двумя последовательно включенными источниками электропитания, отличающийся тем, что в него введены два полевых транзистора, два резистора, конденсатор и пассивная индуктивность, причем затвор первого полевого транзистора через первый магнитодиод, первый резистор и первый источник электропитания соединен со стоком второго полевого транзистора, а затвор второго полевого транзистора через второй магнитодиод и второй резистор соединен со стоком первого полевого транзистора, истоки первого и второго полевых транзисторов соединены между собой, первый вывод пассивной индуктивности подключен к стоку первого полевого транзистора, первому выводу второго магнитодиода и первому полюсу второго источника электропитания, а второй вывод пассивной индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключается первая выходная клемма, а второй вывод конденсатора подключен к стоку второго полевого транзистора, вторым полюсам первого и второго источников электропитания, которые образуют общую шину, к которой подключена вторая выходная клемма.