ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ Советский патент 1995 года по МПК G01R29/08 G11C19/28 

Изобретение относится к микроэлектронике и предназначено для использования в качестве датчика магнитного поля и регистра сдвига.

Известны датчики различных полей, выполненные на полупроводниковых элементах. Датчик содержит полупроводниковую подложку, линейку фотоприемных элементов для детектирования оптических сигналов, два регистра и выходной затвор, выходной диод, МДП-транзистор сброса, исток которого соединен с входным диодом, и МДП-транзистор, включенный по схеме с общим истоком, затвор которого соединен с выходным диодом.

Недостатком является то, что выполняя единственную функцию он имеет сложную конструкцию.

Известен датчик, имеющий более простую конструкцию. В кремниевой подложке расположен регистр сдвига с зарядовой связью, вход которого соединен с входной шиной записи, расположенной на поверхности подложки, и выходной диффузионной областью, расположенной внутри подложки. Выход регистра соединен с первой шиной считывания и первой выходной диффузионной областью, расположенными соответственно на поверхности и внутри подложки.

Выходное устройство состоит из МДП-транзистора сброса, исток которого электрически соединен с выходным диодом, и МДП-транзистора включенного по схеме истокового повторителя, затвор которого электрически соединен с выходным диодом.

Недостатком датчиков является низкая чувствительность измерения напряженности магнитного поля.

Целью изобретения является повышение чувствительности датчика магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что в датчик, содержащий полупроводниковую подложку с расположенным в ней регистром сдвига с зарядной связью, вход которого соединен с входной шиной записи, расположенной на поверхности подложки, и входной диффузионной областью, расположенной внутри подложки, а выход с первой шиной считывания и первой выходной диффузионной областью, расположенными соответственно на поверхности и внутри подложки, введены вторая шина считывания и вторая выходная диффузионная область, расположенные соответственно на поверхности и внутри подложки и соединенные с выходом регистра сдвига с зарядной связью.

На фиг.1 показан датчик магнитного поля; на фиг.2 вариант устройства для измерения напряженности магнитного поля, содержащего два регистра; на фиг.3 эпюры напряжений на выходах регистра.

На полупроводниковой подложке 1, например n-типа расположен регистр с зарядной связью, включающий входную диффузионную область (диод) 2, входную шину записи 3, электроды переноса заряда 4-6, выходную шину считывания 7, состоящую из двух зарядно не связанных элементов 8,9, первую 10 и вторую 11 выходные диффузионные области.

Изоляция областей выходных шин считывания 8 и 9 и выходных диффузионных областей осуществлена, например, дополнительным легированием области 12 примесью того же типа проводимости, что и подложка. Истоки транзисторов сброса 13, 14 и затворы транзисторов 15, 16 соединены с выходными областями 10, 11. Сигналы, снимаемые с выходов 17 и 18 истоковых повторителей, подаются на входы 19, 20 дифференциального усилителя 21.

Заряды, инжектированные из входной диффузионной области 2, сдвигаются подачей управляющих тактовых напряжений на электроды переноса заряда к областям 10,11, распределяются вдоль электродов переноса и вследствие идентичности выходных устройств распределяются поровну между этими областями. Сигналы с выходов нагрузочных резисторов 22, 23, одинаковые при равенстве зарядов, подаются на усилитель 21 и вычитаются в нем. При этом на выходе 24 сигнал отсутствует.

При наличии магнитного поля на заряды, движущиеся в регистре с зарядовой связью, действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно направлению движения носителя и равная
F , где q заряд электрона;
с скорость света в вакууме;
v скорость движения зарядового пакета;
Н- напряженность магнитного поля.

Воздействие магнитного поля приводит к перераспределению зарядов вдоль электродов переноса заряда. В этом случае заряд распространяется неравномерно, причем разница в зарядах зависит от направления магнитного поля и пропорциональна его напряженности. Следовательно, сигналы на выходах 19 и 20 истоков повторителей не равны, и на выходе усилителя 23 появляется сигнал, пропорциональный напряженности магнитного поля в точке
Для измерения пространственного распределения магнитного поля необходимо использовать многоэлементный прибор.

Как показано на фиг.2, на полупроводниковой подложке 1, например, n-типа расположен столбец регистров, включающий входную область 2, входную шину записи 3, электроды переноса зарядов 4,5,6, выходную шину 7 каждого регистра, состоящую из двух зарядно несвязанных областей 8,9, выходные области 10, 11 и дополнительные легированные области 12. Каждый регистр с зарядовой связью имеет выходное устройство, аналогичное выходному устройству, показанному на фиг.1.

Выходы истокового повторителя через транзисторы 25, 26 подключены к входам 19, 20 дифференциального усилителя 21. Затворы транзисторов 25, 26 соединены с соответствующими выходами 27-30 дополнительного регистра 31.

При работе устройства в режиме регистра сдвига подключается одно выходное устройство, содержащее область 10 (11), транзистор сброса 13 (14), истоковый повторитель-транзистор 15 (16). Информационный сигнал снимается с выхода 17 (18) истокового повторителя.

Эпюры напряжений на выходах 27-30 регистра сдвига 31 приведены на фиг.3. В момент времени, когда подано напряжение на выходы 27 и 28, входы усилителя 23 соединены с выходами 17 и 18. В следующий момент времени, когда подано напряжение на выходы 29 и 30 входы усилителя 21 соединены с выходами 18 и 31 (32 и 33). Таким образом, последовательное приложение к затворам транзисторов 25,26, 34 и 35 напряжений обеспечивает последовательное подключение к усилителю 23 выходов соседних истоковых повторителей, что позволяет измерять пространственное распределение напряженности магнитного поля.

Выпускаемые в настоящее время приборы для измерения напряженности магнитного поля, например полупроводниковые датчики Холла, изготавливаются в дискретном исполнении. Изготовление таких датчиков в многоэлементном варианте вызывает ряд технических трудностей, таких как необходимость большого числа выводов (на каждый датчик требуется как минимум два вывода), и большого числа усилителей, равного числу датчиков.

Изобретение позволяет изготовить чувствительный многоэлементный датчик для измерения пространственного распределения напряженности магнитного поля, в котором сохраняются достоинства приборов с зарядовой связью возможность изготовления многоэлементного датчика с числом элементом 100 и более, выполненных на одном кристалле, позволяет получить на выходе сигналы достаточной амплитуды, что упрощает согласование данного датчика с внешними устройствами.

ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ, содержащий полупроводниковую подложку с расположенным в ней регистром сдвига с зарядовой связью, вход которого соединен с входной шиной записи, расположенной на поверхности подложки, и входной диффузионной областью, расположенной внутри подложки, а выход с первой шиной считывания и первой выходной диффузионной областью, расположенными соответственно на поверхности и внутри подложки, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности датчика, он содержит вторую шину считывания и вторую выходную диффузионную область, расположенные соответственно на поверхности и внутри подложки и соединенные с выходом регистра сдвига с зарядной связью.