BG113717A - Температурно стабилизиран сензор на хол - Google Patents

Abstract

Температурно стабилизираният сензор на Хол съдържа полупроводников сензор на Хол (1), активизиран с външно магнитно поле (2), като двата му входни контакта (3) са свързани с токоизточник (4). Токоизточникът (4) функционира в работен режим на постоянен захранващ ток. Термостабилизираният изход (5) на сензора (1), осигуряващ независима магниточувствителност от изменението на температурата са двата изходни контакта (6) на сензора на Хол (1).

Description

ТЕМПЕРАТУРНО СТАБИЛИЗИРАН СЕНЗОР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до температурно стабилизиран сензор на Хол, приложимо в областта па високоточната и слабополевата магнитометри^; роботиката и мехатронните системи с изкуствен интелкт; безконтактната автоматика: контролно-измервателната технология; квантовата комуникация; роботизираната медицина и минимално инвазивната хирургия, включително лапароскопията; автомобилната промишленост, в това число хибридните превозни средства и електромобилите; определяне на едноосна деформация чрез магнитномодулаторни системи за преместване; енергетиката; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания, и позиционирането на обекти; навигацията; военното дело и сигурността, включително подводни, наземни и въздушни системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е температурно стабилизиран сензор на Хол, съдържащ токоизточник, полупроводников сензор на Хол, операционен усилвател с управляем коефициент на усилване и терморезистор. Токоизточникът е свързан съответно с: двата входни контакта на сензора на Хол, със захранващия вход на операционния усилвател и е изводите на терморезистора. Терморезисторът е разположен непосредствено до сензора на Хол, който е активизиран е външно магнитно поле. Двата изходни контакта на сензора са съединени с неинвертиращия вход на операционния усилвател, а терморезисторът е свързан с управляващия вход на усилвателя. Термостабилизираният изход на сензора на Хол, осигуряващ постоянна магнате чувствителност от изменението на температурата е изходът на операционния усилвател, [ 1-9].

Недостатък на този температурно стабилизиран сензор на Хол е усложнената конструкция, съдържаща освен елемента на Хол, и още два други компонента - специализиран операционен усилвател и терморезистор (термистор), които не позволяват реализацията на тази температурно стабилизираща система в единен цикъл на силициевата интегрална технология.

Недостатък е също намалената метрологична точност от възникващите изменения на магниточувстййтелността от разлика в реалните температури на терморезистора и на сензора на Хол, независимо че са разположени непосредствено един до друг. Причината за този сериозен проблем, особено за високоточната магнитометри# са материалите, от които са реализирани. Терморезисторът е от оксидни компаунди на платина, мед, волфрам, никел и др., а елементът на Хол - от полупроводници, преди всичко силиций. Това води до различна инертност на тези два типа компоненти от въздействието на температурата на околната среда, изразяващо се в непълна термокомпенсация на чувствителността.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде температурно стабилизиран сензор на Хол, който да е с опростена конструкция и повишена метролгична точност от непроменяща се чувствителност при вариации на температурата на околната среда.

Тази задача се решава с температурно стабилизиран сензор на Хол, съдържай: полупроводников сензор на Хол, активизиран е външно магнитно поле, като двата му входни контакта са свързани с токоизточник.

Токоизточникът функционира в работен режим на постоянен захранващ ток. Термостабилизираният изход на сензора, осигуряващ независима магниточувствителиост от изменението на температурата са двата изходни контакта на сензора на Хол.

Предимство на изобретението е опростената конструкция, съдържаща само полупроводников сензор на Хол, захранен с генератор на постоянен ток, като операционният усилвател и терморезисторът от известното решение не са необходими.

Предимство е още повишената измервателна точност поради равномерното разпределение на температурата по сензорната структура (подложка), като отпада различието в инертностите на елемента на Хол и на терморезистора, внасящи грешка в компенсацията на магниточувствителността.

Предимство е също пълната интегрална реализация на температурно стабилизирания сензор иа Хол с методите на силициевите микроелектронни технологии.

Предимство е и универсалната приложимост на техническото решение към всички класове, разновидности и модификации сензори и микросензори на Хол - с ортогонална и с равнинно-чувствителна активизация с магнитното поле, с два, три, четири и повече изходни контакти, векторните 2D и 3D магнитометри и др., като ключовото изискване е захранването на сензора да е режим генератор на постоянен ток, гарантиращ една и съща магниточувствителиост без каквито и да са допълнителни електронни схеми и компоненти в твърде широк температурен обхват, от - 200 °C до 400 °C.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложените фигури, представляващи термокомпенсиран полупроводников сензор иа Хол: Фигура 1 е напречно сечение на сензор на Хол с равнинна чувствителност (външното магнитно поле е успоредно на равнината на полупроводниковата подложка), а Фигура 2 - план на сензор на Хол с ортогонално активизиране (магнитното поле е перпендикулярно на равнината му).

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Температурно стабилизираният сензор на Хол съдържа полупроводников сензор на Хол 1, активизиран с външно магнитно поле 2 като двата му входни контакта 3 са свързани е токоизточник 4.

Токоизточникът 4 функционира в работен режим на постоянен захранващ ток. Термостабилизираният изход 5 на сензора 1, осигуряващ независима магниточувствителност от изменението на температурата са двата изходни контакта 6 на сензора на Хол 1.

Действието на температурно стабилизирания сензор на Хол, съгласно изобретението, е следното. Установена е експериментално неизвестна порано закономерност в сензориката на Хол. Тя се заключава в запазване стойността на магниточувствителността Sr; в широк температурен диапазон ΔΤ ако елементите на Хол 1, независимо от тяхната разновидност, функционират в режим на постоянен захранващ ток /·< = const. Верификацията на новото решение за термокомпенсация е в резултат на миогочислени експерименти на изходните характеристики на най-различни видове сензори на Хол 1 с равнинна и ортогонална активизация с външно магнитно поле ϋ 2, Фигура 1 и Фигура 2. Новото качество е апробирано в широкия интервал температури Δ7', от - 200 °C до 400 °C. Резултатите са получени при работа в режим на постоянен ток Z_s ~ const. Този режим се постига с включване в захранващата верига на входните контакти 6 на елемента 1 товарен резистор R, чиято стойност е най-малко един порядък пого ляма от вътрешното съпротивление Rj_n на полупроводниковата подложка 1, R » R_in. Друг разпространен подход за функциониране Д ~ const са добре известните за целта електронни схеми. В противовес на разпространеното схващане, че магниточувствителността или преобразувателната ефективност S_RS следва да е функция на температурата Т, Srj(T), експериментите доказват, че параметърът S^, например в течен азот Т - 77 К и при стайна температура Т - 300 К е с почти една и съща стойност при режим постоянен захранващ ток Д - const. В случая температурният диапазон е около ΔΤ - 230 градуса. Това е нестандартен резултат, тъй като ключовият фактор за магнитното въздействие - електронната подвижност μ„, например за л-тяп силиций и концентрация на гоконосителите и - 10ⁱ⁵ cm’³, при температура Т ~ 77 К нараства около 5 пъти по отношение на стайната Т - 300 К. Конкретните стойности са μ_η(Τ ~ 77 К) ~ 5500 cm7Vs и μ_Ά(Τ - 300 К) ~ 1200 cm7Vs, [10]. Освен това когато температурата Т намалява, входното съпротивление R;_n на сензорната подложка 1, Фигура 1 и Фигура 2, също се редуцира, R,_n ~ 1/(μ?ιμ_α), R_in ~ 1/μ_α, където q е товарът на електрона. Електричното поле E_s в образците 1 при постоянен захранващ ток Z_s ~ const и Т - 77 К също намалява в сравнение сТ= 300 К, E_s - /_s.Rj_n, E_s ~ щ, където v.. е дрейфовата скорост на електроните в поле E_s. В съответствие с добре известния израз v_n - μ_η·Ε_δ, ако подвижността μ_η нарасте 5 пъти, а полето E_s намалее 5 пъти от редуциране на съпротивлението R_in, дрейфовата скорост v_n па електроните не следва да се променя. Следователно в първо приближение силата иа Лоренц F_L - у_п х /1 отговорна за генериране на чувствителността Sri, остава непроменена в режим /_s = const. Ето защо параметърът S_Ri на сензора на Хол 1 практически е постоянен, например за температури Т ~ 77 К и Т = 300 К. Това е в сила и за други по-малки обхвати ΔΓ от указания.

Иновативният резултат води до максимално опростена конструкция, съдържаща само полупроводниковия сензор на Хол 1, захранен с генератор на постоянен ток 4. Не ни е известно в сензориката да е описвана аналогична термокомпенсация. Повишената измервателна точност на елементите на Хол 1 се дължи на практически непроменената магниточувствителност Sri в широк температурен диапазон. Решението позволява пълната интегрална реализация на температурно стабилизирания сензор с методите на силициевите микроелектронни технологии. Също така температурната стабилизация на сензора 1 чрез работния режим Z_s ~ const води и до съществено минимизиране на паразитния офсет (наличие на изходно напрежение 5 в отсъствие на магнитно поле 2) на изхода 5 на елемента I на Хол. Ето защо термокомпенсацията е с универсална приложимост.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в установеното свойство на магниточувствителността Sri - тя не зависи от температурата Т ако елементът на Хол 1 функционира в режим Д '··· const. Това ново качество съществено разширява функционалните възможности на сензориката иа Хол.

ПРИЛОЖЕНИЕ: две фигури

ЛИТЕРАТУРА

[1] Р. Camp, Е. Douglas, V. Hole, D. Hutcherson, Temperature sensors, Europ. Patent EP0125366 B2/31.08.1988.

[2] Y. Yin, R. Reuter, Temperature compensation circuit and method for generating a voltage reference with a well-defined temperature behavior, US Patent US20110080154 Al/18.06.2008.

[3] I. Richard, A. Kirpatric, Temperature compensation circuit for a Hall effect element, US Patent US6104231 Al/19.07.1994.

[4] J, Ihle, G. Kloiber, Temperature sensor and method for producing temperature sensor, Germany Patent DE102012110849 Al/11.12.2012.

[5] J.E. McKisson, Passive bias temperature compensation circuit module, US Patent US10541660 Al/21.01.2020.

[6] L. Raymond, F. Thompson, Temperature compensation circuits, US Patent US3519826 Al/1987.

[7] C. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, Elsevier, Amsterdam, 1994,

[8] C. Roumenin, Microsensors for magnetic field, Ch. 9, in „MEMS -- a practical guide to design, analysis and applications”, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew PublJ USA, 2006.

fol E.C. Левшина, П.В. Новицкий, Злектрические измерения физических величин - измерителъньге преобразонатели, Знергоатомиздат, 1983.

[10] F.J., Morin J.P. Malta, Electrical properties of silicon containing arsenic and boron, Phys. Rev., 96(1) (1954), pp. 28-35.

Claims (1)

1. Температурно стабилизиран сензор на Хол, съдържащ полупроводников сензор на Хол, активизиран с външно магнитно поле като двата му входни контакта са свързани с токоизточник, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че токоизточникът (4) функционира в работен режим на постоянен захранващ ток, а термостабилизираният изход (5) на сензора (1), осигуряващ независима магниточувстаителност от изменението на температурата са двата изходни контакта (6) на сензора на Хол (1),