ВИСОКОСТАБіЛЬНИЙ ГАЛЬВАНОМАГНіТНИЙ СЕНСОР З ЧАСОВИМ ПЕРЕТВОРЕННЯМ НА КОМУТОВАНИХ КОНДЕНСАТОРАХ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Сенсорн нзгнвпро1йднико1й пристрси

■а о

Представлет новi тдходи стаб^заци режимiв робо-ти гальваномагттних пере-творювачiв пристрогв вимi-рювання магттного поля на ттегральних структурах латеральних магттотран-зисторiв. Основними результатами роботи е схемт ршення мтропроцесорних сигнальних перетворювачiв часового типу на комутова-них конденсаторах в колек-торних колах магнтотран-зистора

Ключовi слова: сенсор магттного поля, магтто-транзистор, стаб^защя

□-□

Представлены новые подходы стабилизации режимов работы гальваномагнитных преобразователей устройств измерения магнитного поля на интегральных структурах латеральных магнитотранзисторов. Основными результатами работы есть схемные решения микропроцессорных сигнальных преобразователей временного типа на коммутированных конденсаторах в коллекторных цепях маг-нитотранзистора

Ключевые слова: сенсор магнитного поля, магнито-транзистор, стабилизация

■а о

УДК 621.315.592

ВИСОКОСТАБШЬНИЙ ГАЛЬВАНОМАГШТНИЙ СЕНСОР З ЧАСОВИМ ПЕРЕТВОРЕННЯМ

НА КОМУТОВАНИХ КОНДЕНСАТОРАХ

З. Ю. Готра

Доктор техычних наук, професор, завщувач кафедри* Контактний тел.: (0322) 58-26-03 E-mail: zhotra@polynet.lviv.ua Р.Л. Голяка Доктор техычних наук, професор* Контактний тел.: (0322) 58-26-03 E-mail: holyaka@yahoo.com Т.А. Марусен кова Астрант*

Контактний тел.: (0322) 58-26-03 E-mail: tetyana.marus@gmail.com В.Ю. 1льканич

Астрант*

Контактний тел.: (0322) 58-26-03 E-mail: ilkanych.vika@gmail.com *Кафедра електронних приладiв Нацюнальний ушверситет «Львiвська полЬехшка» вул. Степана Бандери, 12, м. Львiв, УкраТна, 79013

1.М. Годинюк Астрант** Контактний тел.: (037) 24-24-36 E-mail: wanhod@i.ua О.В. Бойко

Кандидат техшчних наук, доцент, завщувач кафедри Кафедра медичноТ шформатики Львiвський нацюнальний медичний ушверситет вул. Пекарська, 69, м. Львiв, УкраТна, 79010 Контактний тел.: (032) 276-78-08 E-mail: bojko@ukr.net В.В. Леонський Асистент** Контактний тел.: (037) 24-24-36 **Кафедра радютехшки та шформацтноТ безпеки Чершвецький нацюнальний ушверситет iм. Юрiя Федьковича вул. Коцюбинського, 2, м. Чершвщ, УкраТна, 58012

1. Вступ

Магштотранзистори е одним з сучасних клаив ceHcopiB магнiтного поля [1, 2]. 1х характеризуе висока магштна чутливiсть, простота виконання в складi ш-тегральних схем, низьке енергоспоживання та можли-вiсть багатофакторного керування режимами роботи.

В складi МДН (Метал^електрик-Натвпровщник) сенсори магнiтного поля базуються на структурах МДН транзисторiв з розщепленим стоком, а в складi бiполярних iнтегральних схем, вщповщно, - на структурах бшолярних транзисторiв з розщепленим колек-тором. Таю структури називають двостоковими чи двоколекторними магштотранзисторами [3, 4].

© З.Ю. Готра, РЛ Голяка, ТА. Марусенкова, В.Ю. 1льканич, I.M. Годинюк, О.В. Бойко, В.В. Леснсь-кий, 2012

Розрiзняють вертикальш (типово, п-р-п типу про-вiдностi) та латеральнi (типово, р-п-р типу провщ-ностi) бiполярнi структури двоколекторних магш-тотранзисторiв. Вiсь чутливоси за магнiтним полем вертикальних магнiтотранзисторiв е паралельною, а латеральних - перпендикулярною до поверхш криста-ла [5, 6].

В данш роботi розглядаються новi пiдходи стабШзацп режимiв роботи

магнiтного поля. Шдвищення коефiцiента передачi струму структури магштотранзистора забезпечуеться дрейфовим полем бази i реалiзуеться двома базовими електродами ( В1, В2 ).

гальваномагнiтних перетворювачiв пристро!в вимiрювання магнiтного поля на штегральних структурах латеральних магнiтотранзисторiв. У основу роботи покладена схемо-технiка сигнального перетворювача на комутованих конденсаторах. Ця схемотехшка передбачае перехiд з традицшних лiнiйних сигнальних перетворювачiв неперервно! дп на перетворювачi з часовою детермшащею, що реалiзуються на динамiч-но комутованих конденсаторах [7, 8]. Перехщ з пере-важно резистивних юл сигнального перетворення на кола з комутованими конденсаторами вщкривае новi можливосп, зокрема, як це мае мкце в сигма-дельта модуляторах, забезпечуеться ефективне перетворення сигналу у двшковий код без використання традицш-них аналого-цифрових перетворювачiв [9].

Використання схемотехшки на комутованих конденсаторах в сигнальних перетворювачах сенсорних пристро!в на магштотранзисторах мае особливу актуальность - на вiдмiну вiд шших гальваномагнiтних перетворювачiв, зокрема, холлiвських сенсорiв, ш-формативними сигналами магнiтотранзисторiв е не потенщальш, а струмовi кола. Вщтак, замiна тради-цiйного резистивного навантаження колекторних юл магнiтотранзисторiв на конденсатори дозволяе реаль зувати часовий метод вимiрювального перетворення. 1нформативною величиною такого вимiрювального перетворення е тривалкть часу, протягом якого на-пруга на конденсаторi навантаження колекторного кола магштотранзистора досягне заданого порогового рiвня. Цифровий код формуеться лiчильником, який керуеться компаратором рiвня напруги та тдраховуе кiлькiсть тактових iмпульсiв, протягом яких ввдбува-еться заряд конденсатора.

2. Структура та принцип функцюнування перетворювачiв

Фотографiя штегрально! структури магштотран-зистора, що використовуеться в ролi первинного перетворювача пристрою вимiрювання магнiтного поля, наведена на рис. 1а, а його еквiвалентна схема (елек-трична схема замщення) - на рис. 1б. Структура магнiтотранзистора представляе собою чотири ортогонально розвернеш двоколекторнi р-п-р транзистори, конструкщя яких е оптимiзована з точки зору високо! магштно! чутливостi. Емiтерна область ( Е ) магштотранзистора формуеться мiж двома колекторними областями (С1, С2), рiзниця струмiв яких е функщ-ею обумовленого силою Лоренца вщхилення носив заряду i служить iнформативним сигналом сенсора

а) б)

Рис. 1. 1нтегральна структура магнiтотранзистора (а) та його е^валентна

схема (б)

На е^валентнш схемi показано два транзистори Т1, Т2, що визначають струми магштотранзистора при вщсутност магнiтного поля, та функщонально кероване джерело G1, що визначае перерозпод^ стру-мiв мiж двома колекторами структури при дп на не'! магнiтного поля. Крiм того, показано транзистор Т3 та функцiонально кероване джерело G2, що визначають паразитний вплив на вихщш струми магштотран-зистора тдкладки iнтегральноi структури. Ця тд-кладка, в бiполярних iнтегральних схемах - р--типу провiдностi, функцiонуе в ролi колектора паразитного транзистора, що екстрагуе носи заряду з област бази, а ввдтак, зменшуе колекторш струми магштотранзисто-ра. Омiчна структура мiж двома виводами бази В1 та В2 показана резистором ЯВ , опiр якого модулюеться магштним полем В.

Корисний з точки зору типових одновимiрних сен-сорiв магнiтного поля перерозподiл струму мiж колекторами латерального магштотранзистора базуеться на вщхиленш траекторп руху iнжектованих емiтером носiiв заряду, що дрейфують в електричному полi бази. У вщповщност до фiзичних основ взаемодп рухомих носiiв заряду з магштним полем, вщхилення вщбу-ваеться в перпендикулярнш до вектора шдукцп поля площинi. Для наведено! на рисунку структури величина перерозподшу струму мiж колекторами С1 та С2 визначаеться проекцiею iндукцii поля на нормаль (перпендикуляр) до поверхш штегрально! структури -ВЪ. Паразитний перерозпод^ струму обумовлений ввдхиленням носив у перпендикулярнш до поверхш штегрально! структури площиш. Це вщхилення об-умовлене дiею паралельно! до площини структури та перпендикулярно! до вектора електричного поля (вшь X ) базово! областi проекцii вектора поля - BY .

Вказаний мехашзм магнiтноi модуляцii процесiв переносу струму в структурах штегральних магшто-транзисторiв дозволяе отримати iнформативнi сиг-нали для визначення двох ортогональних проекцш вектора магнiтного поля ВЪ = Bcosа , BY = Bsinа , де а -кут нахилу мiж вектором iндукцii поля В та нормал-лю до поверхнi штегрально! структури (нормаль N в даному випадку ствпадае з вксю Ъ системи координат).

Принцип функцiонування сигнального перетворювача двокоординатних сенсорiв магштного поля на

Сенсорн нзгнвпро1йднико1й пристрой

латеральних магнiтотранзисторах передбачае вимь рювання колекторних струмiв 1С1, 1С2. Рiзницеве та сумарне значення цих струмiв використовуеться для розрахунку В2 та BY проекцп вектора шдукцп поля.

Вимiрювання струмiв 1С1, 1С2 проводиться шляхом визначення часу заряду конденсаторiв колекторних кiл магштотранзистора. Елементарна схема сигнального перетворювача з емнiсним навантаженням колекторних юл магнiтотранзистора наведена на рис. 1в. Струм базового кола магштотранзистора МТ задаеть-ся резисторами ЯВ1, ЯВ2. 1нформативними величинами процесу вимiрювання е часова залежнiсть напруг УС1, УС2 на конденсаторах С1, С2. Схема керуеться мь кропроцесором (мжроконтролером), лiчильник якого забезпечуе безпосередне формування двшкового коду без використання аналого-цифрових перетворювачiв.

Типовi епюри напруг у процесi вимiрювального перетворення наведеш на рис. 2.

I,

' , ^M2 = "

I

лише одного лiчильника. Спочатку цей лiчильник пiдраховуe кiлькiсть iмпульсiв NM1, протягом яких вiдбуваeться заряд конденсатора з меншим часом заряду, а тод^ пiсля обнулення, тдраховуе юль-юсть iмпульсiв NM = NM2 - NM1. Рiзницевою складо-вою сигналу такого вимiрювання е значення NM , а сумарною: 2Nmi + Nm .

3. Стабтзацп режимiв роботи перетворювачiв

В данш роботi представлено нове схемне ршення високостабiльного магнiтотранзисторного сенсора з часовим перетворенням на комутованих конденсаторах, яке забезпечуе стабШзащю роботи пристрою при дрейфi напруги живлення. Таке ршення мае особливу актуальнiсть в низьковольтних пристроях з малопо-тужними джерелами живлення (акумулятори, соняч-ш батареТ тощо).

У вiдповiдностi до запропонованого ршення таке перетворення здшснюеться без прецизiйних аналого-цифрових перетворювачiв та базуеться на вимiрюван-ш часу заряду конденсаторiв, що служать динамiчним навантаженням колекторних кiл магштотранзисто-рiв.

Структурна схема базового варiанту розробленого сигнального перетворювача (рис. 3) складаеться з формувача протифазних напруг на ОА1 та Т1, кола стабШзацп емiтерного струму магштотранзистора МТ на ОА2, опорно'! iнтегруючоi ланки часового перетворення на ОА3 , конденсаторiв динамiчного наван-таження С1, С2 та трьох компараторiв СМ1, СМ2,

СМ.

Рис. 2. Типовi епюри напруг у процесi вимiрювального перетворення

Процес вимiрювання вiдбуваеться циклiчно з перь одом T (епюра E1). Тривалкть пауз tS мiж вимiрюван-нями визначаеться юльюстю вимiрювань за одиницю часу. Тривалостi tM1 (епюра E2) та tM2 (епюра E3) процеив заряду конденсаторiв до заданого порогового рiвня VHR визначаються виразами:

C1 ' VHR t- = C2 ' VHR

Можливi декiлька алгоритмiв реалiзацii процесу вимiрювання iнформативних сигналiв. Зокрема, для визначення В2 проекцп вектора iндукцii магнiтного поля необхщно вимiряти рiзницеву складову сигналу. Для цього використовують лише один лiчильник, який пiдраховуе кiлькiсть такив NM мiж моментами досягнення напругою на конденсаторах С1, С2 порогового рiвня Уна (епюра Е4). Для вимiрювання BY проекцii необхщно вимiряти сумарну складову сигналу.

Для цього використовують два лiчильники, яю пiдраховують кiлькiсть тактiв NM1 та (епюри

Е5, Е6, вщповщно). Унiверсальний алгоритм вимь рювання рiзницевоi та сумарноТ складових шфор-мативних сигналiв можна реалiзувати i з допомогою

Рис. 3. Структурна схема сигнального перетворювача

Висока стаб^ьшсть роботи при змж напруги жив-лення забезпечуеться сигнальним перетворенням, яке швдюеться iмпульсом опорно! напруги VREF . Керу-вання процесом вимiрювання, формування тактових iмпульсiв, вимiрювання часових iнтервалiв заряду конденсаторiв тощо здiйснюеться на основi програмо-ваних систем на кристалi - PSoC (Programmed System on Chip) компанп Cypress [10].

Початкове перетворення опорно! напруги здшснюеться формувачем протифазних напруг на операцш-ному пiдсилювачi OA1 та польовому транзисторi T1. Внаслвдок ди вiд'емного зворотного зв'язку напруга на витощ транзистора T1 рiвна опорнiй напрузi VREF , а падшня напруги VR4 на резисторi R4 в колi витоку становить

Восточно-Европейский журнал передовым технологий ISSN 1729-3774

у _ VREFR4 R1 + R2

Саме ця напруга стабШзуе роботу магштотран-зистора, що вщбуваеться внaслiдок стaбiлiзaцiï його емггерного струму та забезпечуеться колом ввд'емно-го зворотного зв'язку на операцшному пiдсилювaчi OA2. 1нформативними сигналами магштного поля е чaсoвi iнтepвaли tC1 та tC2 заряду кoндeнсaтopiв C, C2 колекторних кiл магштотранзистора. Щ чaсoвi iнтepвaли формуються ввдповщними перемиканнями кoмпapaтopiв CM1, CM2.

Частина сформова-moï мп шиши грпмзм-стора T1 напруги, що длиться резистивним пoдiльникoм R1 , R2, використовуеться для формування вх^но! напруги опорно! ште-груючо! ланки часового перетворення на операцшному шдси-лювaчi OA3 та ланщ R3, C3. На вихoдi OA3 формуеться лiнiйнo наростаюча напруга,

Для вiдладки та дослщження стабiльностi вимiрю-вального перетворювача розроблений апаратно-про-грамний комплекс, вид робочого вжна якого наведено на рис. 4а, а приклад результату дослщження - на рис. 4б. В результат проведених експериментальних дослщжень було встановлено, що при змж напруги живлення вимiрювального перетворювача в межах ввд 3В до 5В (типовi межi роботи низьковольтно! апа-ратури) нестабiльнiсть вимiрювання магштного поля не перевищуе 1%, що в повнш мiрi вiдповiдае вимогам поставлено! в робоп задачi.

а)

б)

час tREF наростання

Рис. 4. Робоче BiKHO програмного забезпечення (а) та результат експериментального дослщження вихщного сигналу (б)

яко1 до певного поро- -

гового piвня VT0 не залежить вiд напруги живлення схеми та визначаеться виразом

4. Висновки

,C3(VTO - VR3)

Ir

Де Vr3 = VrEfR2

R1 + R2

I _ Ум.

Ic3 _ R3

Опорний часовий iнтepвaл tREF формуеться компаратором CM3.

В робот розглянутi новi пiдходи у побудовi сенсор-них пристро!в магштного поля на штегральних структурах латеральних магнiтотранзисторiв. Основним результатом е нове схемне ршення високостаб^ьного магштотранзисторного сенсора з часовим перетворен-ням на комутованих конденсаторах, яке забезпечуе стабШзащю роботи пристрою при дрейфi напруги живлення. Розроблений апаратно-програмний комплекс по вщладщ та дослвдженню стабiльностi вимi-рювального перетворювача.

Лiтература

1. R.S. Popovic, Hall Effect Devices. Second edition. Adam Hilger, Bristol, Philadelphia and New York, 2002.

2. Мжроелектронш сенсорш пристро! MarHiTHoro поля. За ред. Готри З.Ю. / Большакова I.A., Гладун М.Р., Голяка Р.Л., Готра З.Ю., Лопатинський I.6., Пoтенцкi 6., Сoпiльник Л.1. ^bBiB: Вид. Нащонального унiверситету "Львiвськa пол^ехшка", 2001.

3. James Lenz and Alan S. Edelstein. Magnetic Sensors and Their Applications // IEEE Sensors Journal. - 2006. - Vol. 6. No. 3. PP.631-649.

4. Chana Leepattarapongpan, Toempong Phetchakul. Magnetotransistor Based on the Carrier Recombination-Deflection Effect // IEEE Sensors Journal. - 2010. Vol. 10, No. 2. PP. 294 - 299.

5. Marioara Avram, Otilia Neagoe, Cecilia Codreanu, Corneliu Voitincu, Monica Simion. An optimised bipolar lateral magnetotransistor // International Semiconductor Conference, CAS'2002. - 2002. Proceedings. Vol.1. PP. 83 - 86.

6. Toempong Phetchakul, Panyakorn Sottip. The Deflection Length and Emitter Width on Sensitivity of Magnetotransistor // 6th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. Kaohsiung, Taiwan. - 2011. Proceedings. PP.359-362.

7. Аналогова мжросхемотехшка вимiрювaльних та сенсорних пристро!в [Текст]/ За ред. Готри З., Голяки Р. - Львiв: Вид. Державного ушверситету "Львiвськa пол^ехшка", 1999. -364с.

8. Schmalzel J.L., Rauth D.A. Sensors and signal conditioning // Instrumentation & Measurement Magazine, IEEE. 2005. - Vol. 8. № 2.- PP. 48- 53.

9. Patrick J. Quinn, Arthur H.M. van Roermund. Switched-capacitor techniques for high-accuracy filter and ADC design. Springer 2007 - 244 p.

10. Robert Ashby. Designer's Guide to the Cypress PSoC™. Elsevier Inc. 2005. 273 p.

Abstract

The article concerns the new construction principles and circuitry of galvanomagnetic sensors with time conversion. The objective of the research is to stabilize modes of a signal transducer of the sensor of magnetic field based on the lateral double-collector magnetic transistor. The usage of the circuitry on the switching capacitors in the signal transducer of the sensor devices on the magnetic transistors has the particular relevance - unlike other galvanomagnetic transducers, including Hall sensors, the informative signals of magnetic transistors are not potential, but current circles. Thus, the replacement of the traditional resistive load of the collector circles of the magnetic transistors on the capacitors allows the realization of the time method of the measuring conversion.

The informative value of the measuring conversion is duration of time, during which voltage on the load capacitors of the collector circles of the magnetic transistors reaches a given threshold level. A counter, controlled by a comparator of voltage level, forms a digital code, which counts the number of the clock pulses, during which the capacitor is being charged.

The main result is the new circuit solution of the high stable magnetic transistor sensor with time transformation on the switching capacitors, which stabilizes the operation of the device at the voltage drift. The hardwaresoftware complex for the adjustment and examination of stability of the measuring transducer was designed. The results can be used in the magnetic field sensors that meet the requirements of the modern low-voltage energy efficient electronics.

Keywords: magnetic field sensor, magnetic transistor, stabilization

-□ □-

Приведено результати впливу гальмiвних гамма-KeaHmie, високоенергетичнихелектротв iгамма-ней-тротв на електричш та фотоелектричш властиво-стi фотоперетворювачаЫ2О—р-1^е. Запропоновано фiзичну модель електронних процеЫв, що вiдбува-ються у данш структурi при впливi рiзних титв опромтень. Здшснено порiвняння з тестовим соняч-ним елементом ITOSiO2n-Si

Ключовi слова: шаруватий кристал, селешд тдю, гамма-випромтювання, електронне випромтюван-

ня, нейтронне випромтювання

□-□

Приведены результаты влияния тормозных гамма-квантов, высокоэнергетических электронов и гамма-нейтронов на электрические и фотоэлектрические свойства фотопреобразователя In2Oj-p-InSe. Предложена физическая модель электронных процессов, которые происходят в данной структуре при влиянии разных типов облучений. Осуществлено сравнение с тестовым солнечным элементом ITO SiO2 n-Si

Ключевые слова: слоистый кристалл, селенид индия, гамма-излучение, электронное излучение,

нейтронное излучение -□ □-

УДК 621.315.292; 621.382.232

СТ1ЙК1СТЬ ФОТО-ПЕРЕТВОРЮВАЧА IN203—p-In Se ДО Р1ЗНИХ ВИД1В ОПРОМ1НЕННЯ

О.М . Сидор

Кандидат фiзико-математичних наук, науковий

ствроб^ник Чершвецьке вщд^ення 1нститут проблем матерiалознавства îm.

1.М.Францевича НАН Украши вул. I. Вильде, 5, м. Чершвщ, Украша, 58001 Контактний тел.: (0372) 52-51-55 E-mail: chimsp@ukrpost.ua

1. Вступ

Iснуючi на ринку KpeMHieBi фотодюди у бшьшоси випадюв деградують вже при порiвняно помiрних дозах радiацiï.

У цьому аспект значний штерес викликають аш-зотропш кристали групи A3B6, зокрема, селешд шдж. Ван-дер-ваальсовий зв'язок мiж його шарами дозво-

ляв отримувати тдкладки з малою густиною обiрва-них зв'язюв (<1010 см-2) та дов^ьно'Т товщини (навггь мжронно':!), що у поеднанш з простою технолопею термiчного окислення дае можлившть створювати по-верхнево-бар'ерш дюди з високими питомими характеристиками [1]. Не менш важливим е факт кнування в шаруватих кристалах величезно'Т густини власних дефекив (до 1018 см-3), що е ключовим моментом для

©