[1]Изобретение относится к электронным преобразователям магнитного поля, а более конкретно к кремниевым датчикам Холла в виде интегральной схемы, содержащей магниточувствительный элемент Холла и электронную схему для измерения и обработки сигнала.
[2]Целью изобретения является повышение чувствительности интегральных датчиков Холла для многоэлементных преобразователей магнитного поля.
[3]Известными недостатками кремниевых датчиков Холла являются невысокая чувствительность и большое влияние пьезоэлектрического эффекта, вследствие которого к полезному сигналу добавляется остаточный потенциал, вызванный напряжениями в кристаллической структуре [1]. С другой стороны, использование для их изготовления хорошо отработанных процессов современной кремниевой КМОП технологии обеспечивает им существенные преимущества за счет интегрирования сенсоров в схемы обработки сигнала, позволяя реализовать целый ряд интеллектуальных функций для решения широкого круга прикладных задач.
[4]Наиболее широко используемый метод компенсации остаточного потенциала датчика Холла состоит в формировании двух близко расположенных и электрически параллельно соединенных холловских элементов, повернутых в плоскости кристалла на 90° относительно друг друга [1]. Однако, поскольку градиенты механических напряжений и неточности совмещения слоев структуры в этих элементах отличаются друг от друга, использование этого метода не обеспечивает высокую точность компенсации остаточного потенциала и, соответственно, высокую точность измерения магнитного поля.
[5]Известен интегральный датчик Холла с улучшенной компенсацией остаточного потенциала, предложенный в патенте [2], который выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Датчик содержит один сенсорный элемент Холла с четырьмя взаимно симметричными ортогонально переключаемыми контактами, электронный ключ, осуществляющий ортогональное переключение контактов, выходной усилитель, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, и сумматор, выполняющий суммирование сигналов при ортогональном переключении контактов и вычитание остаточного потенциала. Точная компенсации остаточного потенциала достигается за счет того, что при ортогональном переключении контактов в одном элементе Холла выделяются два значения остаточного потенциала разной полярности, которые практически равны по абсолютной величине. Это обеспечивает практически точное вычитание этих величин сумматором, входящим в состав датчика.
[6]При разработке многоэлементных (матричных и линейных) преобразователей магнитного поля точная компенсация остаточного потенциала в каждом пикселе массива особенно актуальна, поскольку его разброс от элемента к элементу будет приводить к пространственной неоднородности чувствительности преобразователя и искажению результатов измерений. Однако, конструкция интегрального датчика, описанная в прототипе, в силу большого числа входящих в него компонентов не дает возможности реализовать многоэлементный преобразователь магнитного поля высокой степени интеграции, поскольку для этого необходим активный пиксель с малой площадью.
[7]В предлагаемом изобретении указанное ограничение снимается за счет включения в состав активного пикселя элемента Холла с ортогональным переключением контактов малошумящего каскада усиления сигнала на основе ячейки с зарядовой связью, осуществляющей многократное преобразование сигнала в заряд с точной компенсацией остаточного потенциала и интегрирование информационной составляющей сигнала в течение времени кадра многоэлементного преобразователя магнитного поля.
[8]Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности активного магниточувствительного сенсора на основе элемента Холла для многоэлементного преобразователя магнитного поля большой степени интеграции.
[9]Указанный результат достигается за счет того, что в известном интегральном датчике, содержащем один сенсорный элемент Холла с четырьмя взаимно симметричными ортогонально переключаемыми контактами, электронный ключ, выходной усилитель, аналого-цифровой преобразователь и сумматор последние три устройства заменяются на малошумящий каскад усиления сигнала на основе ячейки с зарядовой связью, осуществляющей многократное преобразование сигнала в заряд с точной компенсацией остаточного потенциала и интегрирование информационной составляющей сигнала в течение времени кадра многоэлементного преобразователя магнитного поля.
[10]Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение.
[11]Рисунок 1 иллюстрирует известный интегральный датчик на основе сенсорного элемента Холла с четырьмя взаимно симметричными ортогонально переключаемыми контактами
[12]На рисунке 2 показан предлагаемый активный магниточувствительный сенсор, содержащий элемент Холла ЭХ с ортогональным переключением контактов, электронный ключ ЭК и малошумящий каскад усиления сигнала на основе ячейки с зарядовой связью, состоящий из трех полевых электродов G1, G2, Gc с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда Di, транзистора предустановки Т2 и входного транзистора Т3 истокового повторителя, осуществляющих многократное преобразование сигнала в заряд с точной компенсацией остаточного потенциала и интегрирование информационной составляющей сигнала в течение времени кадра τƒ многоэлементного преобразователя магнитного поля на емкости Csum затвора входного транзистора Т3.
[13]На рисунке 3 приведена диаграмма импульсов, обеспечивающая функционирование активного сенсора, представленной на рисунке 2.
[14]Активный магниточувствительный сенсор на рисунке 2 функционирует следующим образом (рисунок 3).
[15]1. В начальном состоянии (момент времени τ1) диод Di инжекции-сброса заряда смещен в обратном направлении, выходной электрод Gc открыт (Ф3=1), а импульс напряжения Фset на затворе транзистора предустановки Т2 заряжает емкость Csum, равную сумме емкостей затвора транзистора Т3 и истока ST2 транзистора Т2, до потенциала Vd. Ключ ЭК находится в состоянии 1 (Ф1=1), при котором контакт 1 элемента Холла ЭХ заземлен, напряжение питания подается на контакт 3, и в качестве сенсорных выступают контакты 2 и 4. В этом состоянии на электрод G2 поступает потенциал 
, генерируемый элементом Холла ЭХ под действием напряжения питания Vd и магнитного поля. Здесь Vh - ЭДС Холла, a Vres - остаточное напряжение. После закрытия выходного электрода Gc (Ф3=0) и затвора транзистора предустановки Т2 пиксель приходит в исходное состояние.
[16]2. В момент времени τ2 КМОП-ключ ЭК переходит в состояние 2 (потенциал Ф1=0), осуществляя ортогональное переключение контактов элемента Холла, при котором заземляется контакт 4, напряжение питания подается на контакт 2, и в качестве сенсорных выступают контакты 1 и 3. В этом состоянии электрод G1 смещается напряжением 
. В результате этого между электродами G1 и G2, создается разность потенциалов, равная ЭДС Холла Vh, генерируемая сенсором под действием магнитного поля.
[17]3. В момент времени t=τ3 диод Di инжекции-сброса заряда смещается в прямом направлении (Ф1=0), инжектируя за время τi заряд под электроды G1 и G2 и переходя затем в момент времени t=τ3+τi в обратно смещенное состояние. При этом под электродом G2 остается часть инжектированного заряда ΔQn=C2Vh, где С2 - емкость электрода G2.
[18]4. В момент времени t=τ4 открывается электрод Gc и происходит считывание заряда ΔQn на емкость Csum, уменьшая потенциал затвора транзистора Т3 на величину 
.
[19]5. Циклы преобразования информационного сигнала Vh в заряд и его считывание, описанные в пунктах 3 и 4, повторяются n раз. За счет этого в течение времени кадра τƒ осуществляется n-кратное суммирование заряда на емкости Csum и уменьшение потенциала затвора транзистора Т3 на величину 
, после чего на транзистор выборки подается импульс напряжения Фreset, производящий считывание интегрированного информационного сигнала на вход внешнего предусилителя.
[20]Таким образом, коэффициент усиления сенсора, приведенный ко входу истокового повторителя, составляет величину, равную:
[21]
[22]Полагая с учетом величины напряжении питания Vd=5,0 В и постоянного смещения электродов G1 и G2 на уровне 
максимальный диапазон изменений потенциала суммирующей емкости Csum равным ΔVsum=2 В, а также учитывая технологически возможное соотношение
, получим для ЭДС Холла на уровне 1 мВ, максимальное число циклов nmax:
[23]
[24]Соответственно, максимальный коэффициент усиления для выделенной ЭДС Холла на уровне 1 мВ с точной компенсацией остаточного напряжения, реализуемый предлагаемым пикселем при таком количестве циклов, составит:
[25]
[26]При этом соотношение сигнал/шум может быть увеличено до величины, не менее чем в 
раз, что существенным образом снижает требования к усилителям на периферии кристалла.
[27]Предложенный способ интегрирования информационного сигнала экспериментально промоделирован с использованием методики статистического измерения шума. Суть экспериментальной проверки состояла в осуществлении многократной выборки (10000 выборок) ЭДС Холла тестового образца элемента Холла, с их статистической обработкой (значение магнитной индукции составляло В=520 мТл). По каждой сотне выборок определялось среднее значение сигнала, компьютер производил суммирование полученных значений и соотносил полученное суммарное значение со среднеквадратичным шумом по 10000 выборкам, что позволяло определить отношение сигнал/шум после интегрирования сигнала. Полученное отношение сигнал/шум сравнивалось с отношением сигнал/шум по одной из ста выборок сигнала. Время одной выборки τs выбиралось равным 4 мкс. Примененная процедура моделировала выборку сигнала строки из ста элементов, каждый из которых за время кадра τƒ=40 мс осуществлял сто суммирований сигнала. При использованной процедуре теоретический предел увеличения отношения сигнал/шум после интегрирования составляет 
.
[28]В таблице 1 сведены результаты измерений исследованного образца. Результаты проведенных измерений показывают экспериментально полученное увеличение отношения сигнал/шум после интегрирования сигнала практически до ~50 раз. Расхождение с теоретическим пределом связано с отличием распределения шума от нормального при выборке, произведенной при τs=4 мкс.
[29]
[31]1. Popovic R.S. Hall effect devices. Second edition. Institute of Physics Publishing, 2004.
[32]2. Патент США №US 5,406,202.
