Датчик магнитного поля на эффекте Холла

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Шепелевич Василий Григорьевич Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Датчик магнитного поля на эффекте Холла, содержащий два магнитомягких планарных концентратора трапецеидальной формы, расположенных внахлест с зазором, и датчик Холла, скрепленный с одной из пластин концентратора на узком ее конце, причем пластины расположены параллельно друг другу с зазором между ними и с перекрытием узких концов, каждая пластина на узком конце содержит дополнительный участок в виде усеченной прямоугольной пирамиды, высота которой равна толщине пластины, зазор образован меньшими прямоугольными основаниями пирамиды, а датчик Холла расположен на меньшем основании, отличающийся тем, что к указанным концентраторам прикреплены и объединены в электрическую цепь по паре плоских усеченных прямоугольных пирамид,выполненных в форме трапеции, с различным типом проводимости, которые выполнены разной толщины, например 30 и 150 мкм, в виде тонкой фольги сплавов висмута с сурьмой, -типа, и сплавов висмута с сурьмой, легированных оловом, -типа, с однородным распределением компонентов или дисперсных фаз, причем каждый концентратор и пара полупроводниковых пирамид образуют модуль миниатюрного элемента Пельтье, подключенного к источнику постоянного тока таким образом, чтобы указанные концентраторы охлаждались, а противоположные горячие грани модулей через диэлектрический слой прикреплены к теплоотводящему радиатору.(56) 1. Патент 2033661, МПК 01 43/04, 1995 (прототип). 2. Шепелевич В.Г., Цзинцзе Ван. Структура, микротвердость и стабильность быстрозатвердевших фольг сплавов системы - // Неорганические материалы. - 2010. Т. 46. -4.- С. 393-397. Заявляемая полезная модель относится к области приборостроения, а именно может использоваться для измерения напряженности слабых магнитных полей рассеяния ферромагнитных объектов и при обнаружении дефектов, например, в трубопроводах, стальных тросах. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик магнитного поля, описанный в 1 (прототип). Датчик магнитного поля 1 содержит два планарных концентратора трапецеидальной формы, расположенных внахлест с зазором, и датчик Холла, скрепленный с одной из пластин на узком ее конце, причем пластины расположены параллельно друг другу с зазором между ними и с перекрытием узких концов, каждая пластина на узком конце содержит дополнительный участок в виде усеченной прямоугольной пирамиды, высота которой равна толщине пластины, зазор образован меньшими прямоугольными основаниями пирамиды,а датчик Холла расположен на меньшем основании. У описанного датчика концентраторы выполнены из магнитомягкого материала толщиной 0,3 мм, чувствительный датчик Холла имеет размеры 110,6 мм, а сторона трапеции 7 мм. Датчик в сборе имеет диаметр 15 мм и толщину 1,5 мм. Благодаря конфигурации пластин концентраторов с основаниями пирамид происходит максимальная концентрация магнитного потока по тангенциальной составляющей. При этом также происходит концентрация и по нормальной составляющей поля, но в меньшей мере, что приводит к увеличению чувствительности датчика. Датчик магнитного поля 1 позволяет увеличить чувствительность к магнитному полю в 10 раз. Недостатком прототипа является достаточно низкая чувствительность датчика с магнитомягкими концентраторами магнитного потока. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение чувствительности к магнитному полю без увеличения габаритов концентраторов и при сохранении планарности конструкции. Датчик магнитного поля на эффекте Холла содержит два магнитомягких планарных концентратора трапецеидальной формы, расположенных внахлест с зазором, и датчик Холла,скрепленный с одной из пластин концентратора на узком ее конце, причем пластины расположены параллельно друг другу с зазором между ними и с перекрытием узких концов,каждая пластина на узком конце содержит дополнительный участок в виде усеченной прямоугольной пирамиды, высота которой равна толщине пластины, зазор образован меньшими прямоугольными основаниями пирамиды, а датчик Холла расположен на меньшем основании. Он отличается тем, что к указанным концентраторам прикреплено и объединено в электрическую цепь по паре плоских усеченных прямоугольных пирамид, выполненных в форме трапеции, с различным типом проводимости, которые выполнены разной толщины,например 30 мкм и 150 мкм, в виде тонкой фольги сплавов висмута с сурьмой, -типа, и сплавов висмута с сурьмой, легированных оловом, -типа, с однородным распределением компонентов или дисперсных фаз, причем каждый концентратор и пара полупроводниковых пирамид образуют модуль миниатюрного элемента Пельтье, подключенного к источнику постоянного тока таким образом, чтобы указанные концентраторы охлаждались, а противоположные горячие грани модулей через диэлектрический слой прикреплены к теплоотводящему радиатору. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявляемой полезной модели, а в прототипе позволил выявить совокупность существенных по 2 101522014.06.30 отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, комплексный анализ изложенных отличительных признаков, конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной задачи в заявляемой полезной модели. По мнению авторов, датчик магнитного поля на эффекте Холла содержит вышеприведенный ряд новых и отличительных признаков, позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по сравнению с прототипом. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 схематично представлен датчик магнитного поля на эффекте Холла в разрезе по плоскости, перпендикулярной средним линиям трапеций концентраторов. На фиг. 2 изображен датчик магнитного поля, вид сверху. Датчик магнитного поля на эффекте Холла содержит два магнитомягких планарных концентратора 1 (пластины) трапецеидальной формы, расположенных внахлест, выполненных из отвоженного пермаллоя с высокой магнитной проницаемостью, толщинойне более 100 мкм. Причем пластины расположены параллельно друг другу с зазором между ними и с перекрытием узких концов каждая пластина на узком конце содержит дополнительный участок в виде усеченной прямоугольной пирамиды 2, высота которой равна толщине пластины . Датчик Холла 3 толщиной 20 мкм скреплен с одной из пластин концентратора 1 на узком ее конце пирамиды 2, т.е. расположен на меньшем основании прямоугольной пирамиды в зазоре между пирамидами. К концентраторам 1 прикреплены и объединены в электрическую цепь по паре плоских усеченных прямоугольных пирамид 4 и 5, выполненных в форме трапеции, с различным типом проводимости, которые выполнены разной толщиной 130 мкм и 2150 мкм в виде тонкой фольги сплавов висмута с сурьмой, -типа, и сплавов висмута с сурьмой, легированных оловом, -типа, с однородным распределением компонентов или дисперсных фаз (изготовление фольги сверхбыстрой кристаллизацией расплава со скоростями 106 К/с, как описано в 2), причем каждый концентратор и каждая пара плоских усеченных прямоугольных пирамид 4 и 5 образуют два модуля миниатюрного элемента Пельтье, подключенного к источнику постоянного тока таким образом, чтобы концентраторы 1 охлаждались. Ветви - и -модулей элемента Пельтье объединены в электрическую цепь при помощи тонких медных пластин 6. Электрические проводники припаяны к двум крайним медным пластинам 6. Противоположные грани модулей элемента Пельтье через тонкий диэлектрический слой 7 (обычно из оксида алюминия) прикреплены к теплоотводящему радиатору 8 из алюминия, выполненному с разветвленной поверхностью для эффективного отвода тепла от горячих плоскостей элемента Пельтье. Золотые выводы 9 датчика Холла 3 приварены микросваркой к плате 10. Миниатюрный датчик Холла 3 габаритами 50050020 мкм с размерами магниточувствительной области перекрытия 1001005 мкм выполнен на основе гетероэпитаксиальной структуры (эпитаксиальная пленка антимонида индия на полуизолирующем арсениде галлия). Датчик магнитного поля на эффекте Холла работает следующим образом. При пропускании тока через токовые контакты датчика Холла 3 и наличии магнитного поля, например поля рассеяния ферромагнитных объектов, на потенциальных контактах датчика Холла 3 индуцируется ЭДС Холлав соответствие с функционированием широко используемого в практике датчика Холла. Как и в прототипе, благодаря конфигурации пластин магнитомягких концентраторов с основаниями пирамид происходит максимальная концентрация магнитного потока по тангенциальной составляющей. При этом также происходит концентрация и по нормальной составляющей поля, но в меньшей мере, что при 3 101522014.06.30 водит к увеличению чувствительности датчика. Как и в 1, при длине концентраторов в 7 мм это позволяет увеличить чувствительность к магнитному полю в 10 раз и более. Но чувствительность датчика к магнитному полю также прямо пропорционально зависит от величины тока питания п, проходящего через токовые контакты датчика Холла 3. Величина п не может быть произвольно большой, и обычно она выбирается на середине вольт-амперной характеристики , где- пропускаемый через датчик Холла 3 ток. Ограничение связано с выделяющимся при прохождении тока джоулевым теплом, разогревающим датчик Холла и приводящим к нелинейности , т.е. выходу зависимости на плато, и в конечном счете перегоранию датчика Холла 3. Поэтому от эффективности теплообмена датчика Холла 3 с окружающей средой зависит выбор величины п. При пропускании постоянного тока через элемент Пельтье концентраторы 1 охлаждаются,следовательно, охлаждается безкорпусной датчик Холла 3, а противоположные горячие грани модулей через диэлектрический слой, прикрепленные к теплоотводящему радиатору, имеют практически температуру окружающей среды. Использование элемента Пельтье, в котором именно концентраторы 1 магнитного потока являются составной частью миниатюрных модулей элемента Пельтье позволяет в значительной мере увеличить эффективность теплоотвода джоулевого тепла, следовательно, увеличить величину п можно не менее чем в пять раз, что эквивалентно увеличению чувствительности датчика к магнитному полю менее чем в пять раз по сравнению с прототипом без увеличения габаритов концентраторов и при сохранении планарности конструкции. Таким образом, для решения поставленной задачи реализована планарная конструкция датчика магнитного поля на эффекте Холла, выполненная без увеличения габаритов концентраторов, в которой магнитомягкие концентраторы магнитного потока являются составной частью миниатюрных модулей элемента Пельтье, что приводит к увеличению чувствительности датчика к магнитному полю не менее чем в 5 раз по сравнению прототипом. Следовательно, заявляемая полезная модель относится к области приборостроения, а именно может использоваться для измерения напряженности слабых магнитных полей,направленных как в плоскости расположения планарных концентраторов, так и перпендикулярно ей, а также может эффективно применяться для обнаружении дефектов магнитного происхождения, например, в трубопроводах, стальных тросах и т.д. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4