МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА Российский патент 2008 года по МПК G01R33/07 

Изобретение относится к области электронных датчиков магнитного поля, а более конкретно к магниточувствительным интегральным схемам (МЧИС). Области применения МЧИС - автоэлектроника, автоматика и робототехника, измерительная техника, системы навигации и ориентации, системы безопасности.

Известно, что магниточувствительные интегральные схемы являются основными элементами разнообразных устройств контроля и управления. В конструкции МЧИС интегрируются первичные преобразователи магнитного поля в электрический сигнал и электронные узлы, обеспечивающие регистрацию и обработку полезного сигнала.

Обычно в таких МЧИС используется прямое усиление сигнала первичного преобразователя с регистрацией выходного сигнала по напряжению или току (Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника, изд. ДМК, М., 2001, т.1, с.541).

Недостатком таких МЧИС является ограниченная пороговая чувствительность, не обеспечивающая детектирование слабых магнитных полей. Этот недостаток может быть преодолен в МЧИС с частотной модуляцией магнитоиндуцированного сигнала.

Наиболее близким к данному изобретению техническим решением, принятым за прототип, является МЧИС (Cooper A.R., Brignell I.E. A magnetic field transducer with frequency modulated output. J. Phys. E: Sci. Instr., 1984, v.17, p.,627.), где в качестве первичного преобразователя магнитного поля в электрический сигнал, выполненный с возможностью функционировать на основе эффекта Холла, используют двухстоковый полевой транзистор. МЧИС содержит также два усилителя и два генератора, вырабатывающих одинаковую частоту. В МЧИС реализуются две цепочки вида сток полевого транзистора - вход усилителя - выход усилителя - генератор - выход МЧИС. Генераторы частотно модулируют усиленные сигналы со стоков транзистора. При использовании селективного регистрирующего устройства, настроенного на частоту генерации, обеспечивается повышение отношения сигнал/шум МЧИС и, следовательно, возможность улучшения ее пороговой чувствительности.

Недостатком такого решения является сопутствующее модуляции появление коммутационных помех и паразитных шумов, ограничивающих пороговую чувствительность.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание МЧИС, характеризующихся повышенной пороговой чувствительностью.

Техническим результатом, полученным при решении этой задачи, является получение МЧИС с пониженным уровнем коммутационных помех и паразитных шумов.

Поставленная задача достигается в конструкции МЧИС, содержащей управляемый электрическим полем первичный преобразователь магнитного поля в электрический сигнал, выполненный с возможностью функционировать на основе эффекта Холла, дифференциальный селективный усилитель и два генератора, новизна которой заключается в том, что в качестве первичного преобразователя используют преобразователь, содержащий два управляющих полевых затвора, к каждому из которых непосредственно присоединен один из генераторов, причем выход генераторов подключен к входам усилителя.

Для того чтобы избежать чрезмерно высоких требований к параметрам усилителя в качестве генераторов используют генераторы, способные вырабатывать сигналы различной частоты, а в качестве усилителя - усилитель, выполненный с возможностью быть настроенным на частоту, значение которой определено разностью частот обоих генераторов.

Разность рабочих частот генераторов, вообще говоря, не является критичным параметром. Практически удобно, если соответствующие частоты отличаются в 1.5-3 раза.

В качестве первичного преобразователя магнитного поля можно использовать полевой транзистор с расщепленным стоком, сформированный на основе полупроводника (например, Si) и содержащий области истока, канала, двух стоков, подзатворный диэлектрик на поверхности полупроводника над каналом и затвор, расположенный на поверхности подзатворного диэлектрика, причем датчик дополнительно содержит еще один затвор, так что оба затвора расположены на подзатворном диэлектрике друг за другом.

Также в качестве первичного преобразователя магнитного поля можно использовать полевой датчик Холла (Мордкович В.Н. и др. Полевой датчик Холла - новый тип преобразователя магнитного поля. Датчики и системы, 2003, №7, с.33-37), имеющий вертикальную двухзатворную управляющую систему.

Предлагаемая конструкция МЧИС позволяет снизить уровень коммутационных помех и паразитных шумов.

Изобретение поясняется далее более подробно с ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

На фиг 1 приведена принципиальная схема МЧИС по изобретению.

На фиг.2 - схема двухзатворной управляющей полевой системы двухстокового полевого транзистора, А - поперечное сечение. Б - вид сверху.

На фиг.3 - схема двухзатворной управляющей полевой системы полевого датчика Холла (поперечное сечение).

МЧИС содержит первичный преобразователь магнитного поля 1, имеющий два управляющих полевых затвора 2 и 3, два генератора 4 и 5, один из которых присоединен к затвору 2, а другой - к затвору 3, и селективный дифференциальный усилитель 6, на входы которого поступают выходные сигналы генераторов 4 и 5 (фиг.1).

В качестве первичного преобразователя может быть использован полевой транзистор, сформированный на основе полупроводника 7 (например, Si) и содержащий области истока 8, канала 9, стока 10, подзатворный диэлектрик 11 на поверхности полупроводника 7 и два затвора 12 и 13, расположенных друг за другом на поверхности подзатворного диэлектрика 7 над каналом 9 (фиг.2А). При этом область стока 10 расщеплена на две части равного размера (фиг.2Б).

Также в качестве первичного преобразователя может быть использован полевой датчик Холла. Он сформирован в слое Si 14 структуры «кремний на изоляторе», состоящей также из слоя скрытого диэлектрика 15 и кремниевой подложки 16 (фиг.3). На поверхности слоя Si 14 сформирована пленка диэлектрика 17 с расположенным на ней электродом затвора 18. Диэлектрик 17 и затвор 18 образуют первую полевую систему, управляющую величиной и формой тока, протекающего по слою кремния 14. Вторую управляющую полевую систему образуют скрытый диэлектрик 15 и кремниевая подложка 16 с расположенным на ней электродом затвора 19. Генераторы сигналов 2 и 3 подсоединяются к электродам 18 и 19 соответственно.

МЧИС работает следующим образом. Генераторы вырабатывают сигналы определенной частоты, причем значения частот могут как совпадать, так и отличаться друг от друга. Благодаря этому происходит модуляция тока, протекающего через канал первичного преобразователя и, следовательно, выходного сигнала первичного преобразователя, причем частота модуляции определяется частотами генераторов. Наибольший эффект наблюдается при различии рабочих частот генераторов. Дифференциальный селективный усилитель настраивают на частоту модуляции, благодаря чему обеспечивает не только усиление сигнала, но и повышение отношения сигнал/шум. При этом заданная глубина модуляции не превышает 90%, что практически исключает появление коммутационных помех. В результате пороговая чувствительность МЧИС улучшается на порядки величины.

В таблице приведены значения уровня шума МЧИС с использованием полевого датчика Холла в качестве первичного преобразователя магнитного поля, подтверждает преимущества, но не ограничивает использование предлагаемой конструкции МЧИС.

ТаблицаЧастота модуляции тока канала, ГцУровень шумов МЧИС (отн. ед.)Рабочие частоты генераторов совпадаютРабочие частоты генераторов отличаются в 2 раза030-1003...40,5...0,810001...1,20,15...0,25100000,13...0,160,02...0,025Примечание: при ширине полосы пропускания 1 Гц.

Как видно из приведенной таблицы предлагаемая конструкция МЧИС позволяет снизить уровень коммутационных помех и паразитных шумов.

Магниточувствительная интегральная схема относится к области электронных датчиков магнитного поля, а более конкретно к магниточувствительным интегральным схемам (МЧИС). Области применения МЧИС - автоэлектроника, автоматика и робототехника, измерительная техника, системы навигации и ориентации, системы безопасности. Техническим результатом, полученным при решении этой задачи, является получение МЧИС с пониженным уровнем коммутационных помех и паразитных шумов. Поставленная задача достигается в конструкции МЧИС, содержащей управляемый электрическим полем первичный преобразователь магнитного поля в электрический сигнал, выполненный с возможностью функционировать на основе эффекта Холла, дифференциальный селективный усилитель и два генератора, новизна которой заключается в том, что в качестве первичного преобразователя используют преобразователь, содержащий два управляющих полевых затвора, к каждому из которых непосредственно присоединен один из генераторов, причем выход генераторов подключен к входам усилителя. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Магниточувствительная интегральная схема, содержащая управляемый электрическим полем первичный преобразователь магнитного поля в электрический сигнал, выполненный с возможностью функционировать на основе эффекта Холла, дифференциальный селективный усилитель и два генератора, отличающаяся тем, что в качестве первичного преобразователя используют преобразователь, содержащий два управляющих полевых затвора, к каждому из которых непосредственно присоединен один из генераторов, причем выход генераторов подключен к входам усилителя.2. Магниточувствительная интегральная схема по п.1, отличающаяся тем, что в качестве генераторов используют генераторы, способные вырабатывать сигналы различной частоты, а в качестве усилителя - усилитель, выполненный с возможностью быть настроенным на частоту, значение которой определено разностью частот обоих генераторов.3. Магниточувствительная интегральная схема по п.1, отличающаяся тем, что в качестве первичного преобразователя магнитного поля используют полевой транзистор с расщепленным стоком, сформированный на основе полупроводника (например, кремния) и содержащий области истока, канала, двух стоков, подзатворный диэлектрик на поверхности полупроводника над каналом и затвор, расположенный на поверхности подзатворного диэлектрика, причем датчик дополнительно содержит еще один затвор, так что оба затвора расположены на подзатворном диэлектрике друг за другом.4. Магниточувствительная интегральная схема по п.1, отличающаяся тем, что в качестве первичного преобразователя магнитного поля используют полевой датчик Холла, имеющий вертикальную двухзатворную управляющую систему.