Hall Effect Magnetometer Patent

ПАТЕНТНО ВЕДОМСТВО НА РЕПУБЛИКА БЪЛГАРИЯ ДЪРЖАВЕН РЕГИСТЪР ДАТА НА ЗАЯВЯВАНЕ

112514 30.05.2017

Сия Вълчева Лозанова Левон Онник Алтунян Светослав Атанасов Нойков Август Йорданов Иванов Чавдар Станоев Руменин

София

МАГНИТОМЕТЪР НА ХОЛ ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА Изобретението се отнася до магнитометър на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия; безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания; позиционирането на обекти в равнината и пространството; безконтактната автоматика; микро- и нано-електрониката; биомедицинските изследвания; енергетиката и енергийната ефективност; автомобилната промишленост в това число електромобилостроенето; военното дело и сигурността включително контратероризма, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА Известен е магнитометър на Хол, съдържащ полупроводников сензор на Хол с ортогонална или равнинна чувствителност и формирани два захранващи и два измервателни контакти, изграждащи съответно входа и диференциалния Холов изход на сензора. Входът е свързан с двата извода на захранващ източник, а изходът – с диференциалния вход на измервателна електронна схема с цифрова индикация (цифров дисплей), също съединена с токоизточника. Измерваното магнитно поле е перпендикулярно на съответната активна равнина на сензора на Хол, като информационният изход на магнитометъра е цифровият дисплей към електронната схема, [1,2,3]. Недостатък на този магнитометър на Хол е нелинейността на информационния изход, в резултат на физически процеси в сензора на Хол, което налага използване на линеаризираща компенсация на предавателната (изходната) характеристика на сензора, действаща в тесен интервал на магнитната индукция и в общия случай тази компенсация е слабо ефективна. Недостатък е също повишената метрологична грешка при относително по-високите стойности на магнитната индукция, свързана с нелинейността на предавателната характеристика на сензора на Хол. ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ Задача на изобретението е да се създаде магнитометър на Хол с линейна характеристика на информационния изход в широк интервал на магнитната индукция и с минимална метрологична грешка. Тази задача се решава с магнитометър на Хол, съдържащ полупроводников сензор на Хол с ортогонална или равнинна чувствителност и формирани два захранващи и един измервателен Холов контакт. Единият от захранващите контакти е свързан с извода на товарен резистор, съпротивлението на който е поне с един порядък по-голямо от това на сензора на Хол. Другият извод на резистора е съединен с извода на токоизточник, вторият извод на който е свързан с останалия захранващ контакт на сензора. Към двата захранващи контакта на сензора на Хол са съдединени съответно двата извода на високоомен тример, средната точка на който и Холовият контакт са диференциалният изход на сензора. Този изход е свързан с диференциалния вход на измервателна електронна схема с цифров дисплей, също съединена с токоизточника. Измерваното магнитно поле е перпендикулярно на съответната активна равнина на сензора на Хол, като информационният изход на магнитометъра е цифровият дисплей към електронната схема.

Предимство на изобретението е линейната характеристика на информационния изход в широк интервал на магнитната индукция чрез отстраняване при измерването на тази част от физическите процеси, които генерират нелинейност на елементите на Хол. Предимство е също минималната метрологична грешка в широк диапазон на магнитната индукция, поради високата линейност на предавателната характеристика на сензора на Хол. Предимство е още драстично разширеният обхват на измерваната магнитна индукция, надхвърлящ повече от 3.0 Т. ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1. ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ Магнитометърът на Хол съдържа полупроводников сензор на Хол 1 с ортогонална или равнинна чувствителност и формирани два захранващи 2 и 3, и един измервателен Холов контакт 4. Единият от захранващите контакти 2 е свързан с извода на товарен резистор 5, съпротивлението на който е поне с един порядък по-голямо от това на сензора на Хол 1. Другият извод на резистора 5 е съединен с извода на токоизточник 6, вторият извод на който е свързан със захранващия контакт 3 на сензора 1. Към контакти 2 и 3 на сензора на Хол 1 са съдединени съответно двата извода на високоомен тример 7, средната точка на който и Холовият контакт 4 са диференциалният изход на сензора 1. Този изход е свързан с диференциалния вход на измервателна електронна схема 8 с цифров дисплей 9, също съединена с токоизточника 6. Измерваното магнитно поле 10 е перпендикулярно на съответната активна равнина на сензора на Хол 1, като информационният изход на магнитометъра е цифровият дисплей 9 към електронната схема 8. Действието на магнитометъра на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на източника 6 в полупроводниковия елемент на Хол 1 протича фиксиран ток IS = const, състоящ се основно от електрони. Тяхната подвижност винаги многократно превъзхожда тази на дупките, поради което сензорите на Хол 1 се реализират на основата на n-тип полупроводници – силиций, Ge, GaAs, InSb, InP и др. Сензорът на Хол 1 функционира в режим тенератор на ток IS = const, тъй като към контакта 2 е свързан товарен резистор 5, съпротивлението на който е поне с един порядък по-голямо от това на сензора на Хол 1. Прилагането на измерваното магнитно поле В 10 перпендикулярно на съответната активна равнина на сензора 1, води до възникване на странично отклоняваща

отрицателните електрони сила на Лоренц FL. В резултат електричните товари се концентрират към едната гранична повърхност на елемента на Хол 1. Върху срещуположната страна на структурата 1 обаче се „оголват” неподвижните донорни йони, концентрацията ND на които съвпада с тази на допълнителните неравновесни електрони от другата гранична повърхност на сензора 1, N- = ND+. По тази причина между двете срещуположни страни на елемента 1, където се разполагат Холовите контакти се генерира електричното поле на Хол ЕН, компенсиращо отклоненяващото действие на силата на Лоренц, ЕН = FL. Полето на Хол ЕН обуславя добре известното напрежение на Хол VH. До неотдавна в теорията на ефекта на Хол се приемаше, че допълнителните електрони върху съответната страна на сензорите на Хол 1 са също неподвижни както положителните донорни йони ND+. Съгласно проведените мащабни изследвания от Руменин, Лозанова и Нойков [4] е открито съществуването на неравновесен магнитноуправляем повърхностен ток ∆Im(IS,B) върху Холовите (страничните) повърхности. Той е линейна и нечетна функция от стойността и посоката както на захранващия ток IS, така и на магнитното поле В 10. Фактически допълнителните електрични товари, например електроните, генерирани от силата на Лоренц FL върху едната Холова страна увеличават повърхностния й ток, като едновременно върху срешуположната Холова страна доминира същият електричен товар, но от некомпенсирани положителни донорни йони, които са неподвижни в кристалната решетка. В същата интерфейсна зона повърхностният ток намалява със същата стойност, с каквато е нарстнал върху срешуположната страна. Токът ∆Im(IS,B) е фундаментална закономерност, възпроизводим е и не следва от класическата теория на явлението на Хол. Този ток е резултат от иновативната концепцията за подвижни, а не статични неравновесни токоносители, генерирани от силата на Лоренц FL. Същевременно магнитноуправляемият повърхностен ток ∆Im(IS,B) оказва въздействие на двата Холови потенциала φН1 и φН2 върху срещуположните Холови страни на сензора 1. Именно това ново свойство съдържа решението за нелинейността на елементите на Хол 1. Хипотезата, че тези потенциали следва да са равни по абсолютна стойност φН1 = φН2, независимо от силата на захранващия ток IS и стойността на магнитната индукция B 10 е неточна. При ниски стойности на параметрите IS и B съществува симетрия на Холовите потенциали - φН1 и + φН2 – те са противоположни по знак и еднакви по абсолютна стойност φН1 = φН2, съгласно теорията на ефекта на Хол. Обаче при относително по-високи нива на захранването IS и на магнитното поле В 10 предавателните характеристики на сензорите на Хол 1 стават асиметрични. Когато силата на Лоренц FL отклонява електроните към една от страните, потенциалът φН1 върху срещуположната е строго линейна функция от тока IS и

индукцията B 10 до максимално възможните в експериментите стойности на параметрите ток IS и индукция B 10. Това е случаят на „чистата” проява на ефекта на Хол. С нарастването на задаващите параметри IS и B все повече донорни йони, легирани в регулярната кристална решетка на основния полупроводник, наприемр силиций, „се оголват”. Зависимостта на потенциала φН2(B) върху срещуположната страна във функция на полето В 10, където се натрупват електроните при същите стойности на IS и B започва съществено да се отклонява от очакваната права линия. Например, съгласно експериментите при относителна магниточувствителност на сензор на Хол 1 SI = 170 V/AT, индукция В = 1.6 Т, температура 300 К и захранващ ток IS = 8 mA отклонението от правата линия съставлява около 90 - 100 mV или около 3-4 % от номинала. Това е съществена метрологична грешка. Тази негативна девиация на предавателната характеристика от правата линия нараства с увеличаване на индукцията В 10 и тока IS. Причината е в генериране върху електрод Н2 на допълнителен потенциал към Холовия, свързан с магнитосъпротивление. То произлиза от повишеното разсейване на електроните, формиращи повърхностния ток от интерфейсните дефекти в приповърхностна зона с контакт Н2 на структурата 1. Следователно, ако за метрологичен информационен сигнал се използва само напрежението VН1(IS,B) върху Холовия електрод Н1 4, от чиято равнина се отклоняват електроните от силата FL, тогава негативните проблеми с нелинейността, точността на измерването и обхвата на магнитната индукция 10 са напълно технически решими. Реално се използва половината от цялото генерирано напрежение на Хол в структурата 1, обаче тази негова част, която е линейна. По тази причина се включва високоомният тример 7, двата извода на който са съврзани със захранващите контакти 2 и 3 на сензора 1. Средната точка на тримера 7 служи за референтен електрод, по отношение на който се измерва стойността на магнитната индукция в изключително широк диапазон на магнитното поле В 10. Тримерът 7 се настройва така, че в отсъствие на поле В = 0 10 потенциалът върху средната точка да съвпада с този на контакта Н1 4. Това позволява постигането на висока метрологична точност и компенсиране на офсета и на проявите на квадратичното магнитосъпротивление, развиващо се в обема на елемента на Хол 1. Чрез режима на сензора 1 генератор на ток се постига синхронно (синфазно) изменение на магниторезистивното напрежение върху захранващите контакти 2 и 3 в магнитно поле В 10 и на съответния магниторезистивен потенциал върху контакт Н1 4. Режимът генератор на ток, освен с товарния резистор 5 може да се осъществи еквивалентно и с други известни решения, съдържащи, например, транзисторен модул. В нашия случай главното за действието на магнитометъра е необходимостта сензорът на Хол 1 да функционира в режим генератор на ток. Диференциалното

напрежение между контакт Н1 4 и средната точка на тримера 7, т.е. изходът на сензора 1 се подава на измервателната електронна схема 8, дисплеят 9 към която е изходът на магнитометъра на Хол. По този начин отпада необходимостта да се ползва вторият, „нелинейният” Холов електрод Н2. Тримерът 7 е високоомен с цел през него да протича минимален ток, за да не се смущава режима на сензора 1. Настройката за работа на новия магнитометър на Хол, аналогично на други подобни инструменти, се осъществява по следния начин. Върху една от страните на плоската измервателна сонда, в която е разположен сензорът на Хол 1 е маркирана точка с определен цвят. Посоката на тока IS през елемента 1 е предварително фиксирана и не се променя. Точката е върху тази равнина на сондата, която ако е обърната към северния полюс на магнит, показанията на дисплея 9 са положителни. Това означава, че от повърхността, върху която е формиран единственият Холов контакт Н1 4 на сензора 1 електроните се отклоняват от силата на Лоренц към срещуположната страна. Осъществява се и задължителното калибриране на показанията на дисплея 9 чрез измервателната електронна схема 8 в магнитно поле В 10 с отнапред известни стойности на индукцията В. След тези предварителни настройки, сондата с цветната точка се поставя в неизвестно по стойност и посока магнитно поле В 10. Коректното отчитане е само ако знакът на цифрите върху дисплея 7 е положителен или нула. Ако показанията върху дисплея са отрицателни, т.е. силата на Лоренц отклонява електроните към страната с контакт Н1, равнината на сондата с точката се обръща за да станат показанията върху дисплея 9 положителни и максимални по стойност. Така се получава коректна метрологична информация едновременно за посоката и стойността на полето В 10. Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че за първи път в магнитометрията се предлага иновативна конфигурация, която елиминира един от най-сериозните недостатъци - нелинейността на предавателната сензорна характеристика при максимално разширен обхват на измерваната магнитна индукция В 10 като точността е съществено повишена. Като сензори на Хол 1 в новия магнитометър могат да се използват всички видове и модификации на този клас полупроводникови преобразуватели. Това обхваща както класическите ортогонални конфигурации с правоъгълна, квадратна, триъгълна, ромбоидна и други геометрични форми, така и многобройните разновидности Холови сензори с равнинна магниточувствителност. В частност, на Фигура 1 като илюстрация на решението е използван елемент на Хол 1 с ортогонално активиране. ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА [1] E. Ramsden, Hall effect sensors – Theory and application, 2nd ed., Elsevier, Netherland, 2006.

[2] C. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in J.G. Korvink and O. Paul, eds, MEMS – a practical guide to design, analysis and application, W. Andrew Publ., USA & Spriger, pp. 453-521, 2006.

[3] А.Я. Шихина, Испытание магнитных материалов и систем, Москва, Энергоатомидат, стр. 376, 1984 г.

[4] C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sensors and Actuators, A 175, (2012) 45-52.

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ Магнитометър на Хол, съдържащ полупроводников сензор на Хол с ортогонална или равнинна чувствителност и формирани два захранващи и измервателни Холови контакти, токоизточник, извод на който е съединен с един от захранващите контакти на сензора, има още измервателна електронна схема с цифров дисплей, също свързана с токоизточника, измерваното магнитно поле е перпендикулярно на съответната активна равнина на сензора на Хол като информационният изход на магнитометъра е цифровият дисплей към схемата, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че измервателният Холов контакт (4) е един, захранващият контакт (2) е свързан с извода на товарен резистор (5), съпротивлението на който е поне с един порядък по-голямо от това на сензора на Хол (1), а останалият извод на резистора (5) е съединен с другия извод на токоизточника (6), към контакти (2) и (3) на сензора на Хол (1) са съединени съответно двата извода на високоомен тример (7), средната точка на който и Холовият контакт (4) са диференциалният изход на сензора (1) като този изход е свързан с диференциалния вход на измервателната електронна схема (8) с цифровия дисплей (9).

Р Е Ф Е Р А Т

МАГНИТОМЕТЪР НА ХОЛ

Сия Вълчева Лозанова Левон Онник Алтунян Светослав Атанасов Нойков Август Йорданов Иванов Чавдар Станоев Руменин

Магнитометърът на Хол съдържа полупроводников сензор на Хол (1) с ортогонална или равнинна чувствителност и формирани два захранващи (2) и (3), и един измервателен Холов контакти (4), токоизточник (6), единият извод на който е съединен с контакт (3) на сензора (1). Има още измервателна електронна схема (8) с цифров дисплей (9), също свързана с токоизточника (6). Измерваното магнитно поле (10) е перпендикулярно на съответната активна равнина на сензора на Хол (1) като информационният изход на магнитометъра е цифровият дисплей (9) към схемата (8). Захранващият контакт (2) е свързан с извода на товарен резистор (5), съпротивлението на който е поне с един порядък по-голямо от това на сензора на Хол (1). Другият извод на резистора (5) е съединен с останалия извод на токоизточника (6). Към контакти (2) и (3) на сензора (1) са свързани съответно двата извода на високоомен тример (7), средната точка на който и Холовият контакт (4) са диференциалният изход на сензора (1). Този изход е съединен с диференциалния вход на измервателната схема (8) с цифровия дисплей (9).

5

7 2

8

10

9 6 4 1 3

Фигура 1