полупроводниковый датчик магнитного поля

Формула изобретения

Полупроводниковый датчик магнитного поля, содержащий емкостной управляемый элемент в виде полевого магнитотранзистора с изолированным затвором, электрически связанный с двумя параллельно подключенными источниками электропитания, отличающийся тем, что в него введены биполярный транзистор, конденсатор и катушка индуктивности, причем база биполярного транзистора подключена к истоку полевого транзистора, коллектор к затвору, а эмиттер биполярного транзистора подключен к стоку полевого транзистора, который через второй источник электропитания связан с истоком, первый вывод катушки индуктивности подключен к коллектору биполярного транзистора, затвору полевого транзистора и первому полюсу первого источника электропитания, второй вывод катушек индуктивности соединен с первым выводом конденсатора, к которому подключена первая выходная клемма, а второй вывод конденсатора подключен к эмиттеру биполярного транзистора, стоку полевого транзистора и вторым полюсам источников электропитания, соединенных с образованием общей шины, к которой подключена вторая выходная клемма.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано как датчик магнитной индукции в различных автоматизированных устройствах по определению магнитных параметров окружающей среды.

Известны устройства для измерения магнитной индукции, которые состоят из однопереходного транзистора с поверхностью, обладающей высокой скоростью рекомбинации, расположенной около инжектирующего верхнего базового контакта (см. Викулин И.М. Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М. Радио и связь, 1990, стр.232, рис.7.22). При указанном направлении вектора индукции поперечного магнитного поля инжектированные верхним базовым контактом дырки отклоняются от плоскости с высокой скоростью рекомбинации, вследствие чего увеличивается их эффективная диффузионная длина и их концентрация около обратносмещенного эмиттерного перехода в момент заряда конденсатора, подключенного к эмиттеру и второму базовому омическому контакту. Соответственно увеличивается обратный ток эмиттера и уменьшается время заряда конденсатора. Период колебаний напряжения на эмиттере пропорционален обратному току, который в свою очередь пропорционален концентрации дырок в базе напротив эмиттера. Таким образом, частота колебаний релаксационного генератора зависит от индукции магнитного поля. Недостатком таких устройств является низкая чувствительность, обусловленная резким уменьшением отрицательного сопротивления с увеличением инжекции верхнего базового контакта, что приводит к срыву релаксационных колебаний.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению можно считать полевой магнитотранзистор (см. Викулин Т.М. Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов, М. Радио и связь, 1990, с. 233 235, рис.7.23). Его конструкция представляет собой полевой транзистор с изолированным затвором, в канале которого имеются дополнительные боковые омические контакты для вывода ЭДС Холла. Их расположение обусловлено местом в канале, где толщина имеет наименьшее значение, т.е. на расстоянии (0,8 0,9) длин канала, если длину канала отсчитывать от истоков. При помещении полевого магнитотранзистора в поперечное магнитное поле в его канале возникает электрическое поле Холла, как и в полупроводниковом стержне с двумя омическими контактами на концах. Холловская разница потенциалов пропорциональна магнитной индукции и току стока полевого магнитотранзистора. Недостатками известного устройства является низкая чувствительность и точность измерения магнитной индукции, обусловленные тем, что при малых значениях магнитной индукции изменение тока стока является незначительным, что резко уменьшает ЭДС Холла, а следовательно чувствительность и точность измерения магнитной индукции.

Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности и точности измерения магнитной индукции.

Использование предлагаемого полупроводникового датчика магнитного поля измерения магнитной индукции по сравнению с прототипом существенно повышает чувствительность и точность определения информативного параметра за счет выполнения индуктивного элемента на основе биполярного транзистора, а емкостного в виде полевого транзистора измерительного колебательного контура, в котором изменение емкости под действием магнитного поля обеспечивает эффективную перестройку частоты на выходе, а также за счет возможности линеаризации функции преобразования путем выбора напряжения на выходе источника электропитания.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве преобразование магнитной индукции в напряжение заменяется в предлагаемом устройстве преобразованием магнитной индукции в частоту, для чего полевой транзистор выступает в качестве управляемого магнитным полем емкостного элемента колебательного контура, потери энергии в котором компенсируются за счет отрицательного сопротивления, возникающего на зажимах коллектор эмиттер биполярного транзистора, у которого базовый электрод соединен с истоком полевого транзистора, коллектор соединен с затвором, а эмиттер со стоком. Индуктивным элементом служит реактивная составляющая полного сопротивления на зажимах коллектор эмиттер биполярного транзистора. Для увеличения общей эквивалентной индуктивности подстройки контура параллельно зажимам эмиттер - коллектор биполярного транзистора включается внешняя пассивная индуктивность. Таким образом, в предлагаемом устройстве небольшое изменение емкости полупроводникового инверсионного слоя за счет отклонения траектории электронов канала под действием магнитного поля преобразуется в значительное изменение резонансной частоты колебательного контура, что позволяет увеличить чувствительность и точность определения индукции магнитного поля.

Отличительными признаками являются следующие.

Подключение к магнитотранзистору с изолированным затвором биполярного транзистора осуществляют таким образом, что затвор магнитотранзистора соединен с коллектором биполярного транзистора, сток с эмиттером, исток с базой биполярного транзистора. При таком включении в общих целях полевого и биполярного транзисторов образуется положительная обратная связь.

На зажимах коллектор эмиттер биполярного транзистора образуется отрицательное сопротивление, так как полное входное сопротивление этой структуры имеет емкостной характер реактивной составляющей и отрицательное значение активной составляющей.

Такая транзисторная структура является емкостным элементом колебательного контура, образованного параллельным включением последовательной цепочки из емкости и индуктивности. Потери в колебательном контуре компенсируется за счет отрицательного сопротивления.

При воздействии магнитного поля на канал полезного магнитотранзистора происходит изменение емкостной составляющей полного сопротивления, в результате чего изменяется резонансная частота колебательного контура.

Полупроводниковый датчик магнитного поля содержит источник 1 управляющего постоянного напряжения, включенного параллельно зажимам эмиттер коллектор биполярного транзистора 4 и последовательной цепочке, состоящей из пассивной индуктивности 5 и конденсатора 6, причем затвор полевого транзистора 3 соединен с коллектором биполярного транзистора 4, исток соединен с базой, а сток с эмиттером. Источник 2 управляющего постоянного напряжения подключен параллельно зажимам исток сток полевого транзистора 3. Магниточувствительным элементом полевого транзистора 3 является его канал, на который воздействует поперечное магнитное поле при указанном на фиг.1 векторе магнитной индукции. Выход устройства образован первой обкладкой конденсатора 6 и общей шиной.

Полупроводниковый датчик магнитного поля работает следующим образом.

В начальный момент времени поперечное магнитное поле отсутствует и не действует на канал полевого транзистора 3. Повышением напряжения управляющих источников 1 и 2 до значений, когда биполярный транзистор 4 станет работать в активном режиме, а полевой транзистор 3 в режиме насыщения, на зажимах эмиттер коллектор биполярного транзистора 4 возникает отрицательное сопротивление, которое приводит к возникновению электрических колебаний в колебательном контуре, образованном параллельным включением полного сопротивления с емкостным характером на зажимах затвор сток полевого транзистора 3 и полным сопротивлением с индуктивным характером на зажимах эмиттер коллектор биполярного транзистора 4. Индуктивность 5 служит для подстройки колебательного контура на нужную резонансную частоту, а емкость 6 предохраняет источник 1 управляющего напряжения от короткого замыкания через подстроечную индуктивность 5, а также служит нагрузочным сопротивлением по переменному току, с которого снимается выходной сигнал. При последующем включении магнитного поперечного поля с направлением вектора магнитной индукции, как показано на фиг.1, происходит уменьшение количества электронов в канале транзистора 3, так как они отклоняются магнитным полем вглубь полупроводниковой подложки и не попадают на электрод стока, что приводит к изменению емкостной составляющей полного сопротивления на зажимах затвор - сток полевого транзистора 3, что изменяет резонансную частоту колебательного контура.