Магниточувствительный датчик

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Магниточувствительный датчик, содержащий миниатюрную кристаллическую подложку из полуизолирующего арсенида галлия, на которой сформирован эпитаксиальный пленочный элемент Холла электронного типа проводимости, например из полупроводникового соединения , с двумя токовыми и двумя холловскими контактами, отличающийся тем, что в плоскости элемента Холла на указанной подложке сформирован проводящий пленочный элемент в виде спирали, содержащей два токовых контакта и окружающей указанный элемент Холла, причем проводящий пленочный элемент в виде спирали выполнен из материала с высокой электрической проводимостью или из той же пленки, что и элемент Холла, одинаковой с ним толщины. 16260 1 2012.08.30 Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и может найти преимущественное применение для прецизионного измерения и (или) преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля в узких зазорах и ограниченных по объему местах, в том числе в микроустройствах, работающих в течение длительного промежутка времени в сложных эксплуатационных условиях. Известен магниточувствительный датчик для бесконтактного двигателя 1, функционирующий на эффекте Холла. Он содержит полупроводниковую пластину Холла, полиамидное основание гибкой печатной платы, печатные проводники платы, корпус датчика,слюдяную подложку, компаунд. Пластина Холла представляет собой прямоугольную пластину кремния, на одной из плоскостей которой сформированы управляющие (токовые) и холловские контакты. Устройство 1 имеет уменьшенную активную область пластины Холла. Недостатком этого устройства является низкая точность измерения или преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля вследствие временных изменений магнитной чувствительности полупроводника, происходящих из-за деградационных процессов структуры полупроводника, воздействий температурных полей и ионизирующих излучений, а также диффузионных процессов переноса массы в условиях высоких плотностей тока, протекающих через токовые контакты. Известен датчик для считывания информации 2, функционирующий на эффекте Холла. Он содержит полупроводниковую пластину, на поверхности которой сформирован слой с противоположным типом проводимости, с нанесенными на нее токовыми и холловскими контактами. В отличие от других элементов Холла 2 содержит источник магнитного поля, а именно постоянные магниты, охватывающие поверхность пластины, создающие постоянное магнитное поле, перпендикулярное поверхности кристалла, на которую нанесены контакты. Недостатком 2 также является низкая точность измерения или преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля вследствие временных изменений магнитной чувствительности полупроводника, происходящих из-за деградационных процессов структуры полупроводника, воздействий температурных полей и ионизирующих излучений, а также диффузионных процессов переноса массы в условиях высоких плотностей тока, протекающих через токовые контакты. Дополнительно возникает погрешность из-за изменений свойств самих магнитов. Известен датчик магнитного поля 3, наиболее близкий к предлагаемому (прототип),который относится к полупроводниковым магниточувствительным датчикам, использующим эффект Холла. Он содержит арсенидогаллиевый кристалл, состоящий из полуизолирующей подложки, магниточувствительного эпитаксиального слоя электронного типа проводимости, двух токовых и двух потенциальных (холловских) контактов. Толщина магниточувствительного слоязадана в пределах(0,2-1,5) мкм, а средняя концентрация электроновв указанном слое выбирается из соотношения(3,3 - 20)1011 см-2. В 3 также указывается, что из полупроводниковых материалов, используемых для изготовления высокочувствительных датчиков магнитного поля, наиболее пригодны материалы 35 с высокой подвижностью электронов, такие как , ,и др. Недостатком прототипа является низкая точность измерения или преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля вследствие временных изменений магнитной чувствительности полупроводника, происходящих из-за деградационных процессов структуры полупроводника, воздействий температурных полей и ионизирующих излучений, а также диффузионных процессов переноса массы в условиях высоких плотностей тока, протекающих через токовые контакты. Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения или преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля практически без существенного увеличения габаритов магниточувствительного датчика, работающего в течение длительного промежутка времени в сложных эксплуатационных условиях. 2 16260 1 2012.08.30 Решение поставленной задачи достигается тем, что магниточувствительный датчик содержит миниатюрную кристаллическую подложку из полуизолирующего арсенида галлия, на которой сформирован эпитаксиальный пленочный элемент Холла электронного типа проводимости, например из полупроводникового соединения , с двумя токовыми и двумя холловскими контактами. Новым, по мнению автора, является то, что в плоскости элемента Холла на указанной подложке сформирован проводящий пленочный элемент в виде спирали, содержащей два токовых контакта и окружающей указанный элемент Холла, причем проводящий пленочный элемент в виде спирали выполнен из материала с высокой электрической проводимостью или из той же пленки, что и элемент Холла, одинаковой с ним толщины. Наличие спирального пленочного элемента, через который можно пропускать фиксированный ток и тем самым создавать заданное (калибрующее) магнитное поле, позволяет осуществить функцию калибровки магнитной чувствительности элемента Холла в процессе его функционирования. Тем самым убираются все возникающие погрешности в процессе эксплуатации, в том числе температурная. При этом магниточувствителтный датчик остается миниатюрным и может быть изготовлен с применением групповой технологии микроэлектроники, что не приводит к заметному увеличению его себестоимости. Учитывая современную тенденцию к интеллектуализации датчиков, когда они, как правило, сопряжены с микропроцессором, наличие функции калибровки позволяет получить сверхэффект по повышению точности и надежности измерений. Поэтому указанные отличительные признаки являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в комплексе обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно,можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На фигуре изображен заявляемый магниточувствительный датчик. Он содержит миниатюрную кристаллическую подложку из полуизолирующего арсенида галлия 1, эпитаксиальный пленочный элемент Холла электронного типа проводимости, например из полупроводникового соединения 35, с двумя токовыми и двумя холловскими контактами 2, проводящий пленочный элемент в виде спирали 3, содержащей два токовых контакта и окружающий элемент Холла 2, золотой микропровод 4, приваренный к токовым и холловским электродам и обеспечивающий омическое электрическое контактирование. На фигуре не показаны электрические соединения золотых микропроводов с держателем электрических проволочных выводов датчика, а также герметизирующий компаунд, обеспечивающий монолитность конструкции датчика, как в прототипе 3. Топология пленочных элементов 2 и 3 формируется при помощи стандартных методов микроэлектроники, например как в 4. Токопроводящий спиральный пленочный слой 3 может быть выполнен из материала с высокой электрической проводимостью, например, или может быть изготовлен из той же пленки, что и элемент Холла, но он должен иметь одинаковую с ним толщину. При использовании стандартных методов микроэлектроники и фотолитографического оборудования средней точности характерный размер кристаллической подложки 1 (миниатюрного квадрата) находится в диапазоне (0,5-1) мм. При использовании более прецизионного литографического оборудования он может быть значительно уменьшен. Магниточувствительный датчик работает следующим образом. Эпитаксиальный пленочный элемент Холла 2 работает по известному принципу действия традиционных элементов Холла через токовые контакты пропускают управляющий электрический ток , что вызывает под воздействием измеряемого магнитного поля с величиной индукциивозникновение на холловских контактах выходного сигнала ,3 16260 1 2012.08.30 пропорционального магнитной индукции, т.е., где- коэффициент пропорциональности или величина магнитной чувствительности. Причины возникновения э.д.с. Холла заключаются в изменении траектории движения электронов (в случае электронного типа проводимости) в полупроводнике вследствие действия силы Лоренца при наличии внешнего магнитного поля. Она действует перпендикулярно к направлениям скорости электронов и магнитной индукции. Проводящий спиральный пленочный элемент 3 целесообразно подключать к генератору гармонического тока или знакопеременного импульсного тока прямоугольной формы. Учитывая современную тенденцию к интеллектуализации датчиков, когда они, как правило, сопряжены с микропроцессором, генератор может быть подключен не только постоянно, но и периодически на определенный промежуток времени, в зависимости от программы управления генератором, когда осуществляется функция калибровки магнитной чувствительности элемента Холла. Поскольку датчик в основном предназначен для работы в контрольно-измерительной технике, автоматике, то изменения индукции магнитного поляпроисходят, как правило, с характерной частотой гораздо менее (103-104) Гц, а частоту тока 0 через спиральный пленочный элемент 3 можно всегда выбрать хотя бы на порядок выше, запитав 3 от соответствующего генератора тока. Как в любом полупроводнике величина магнитной чувствительностиможет изменяться с течением времени из-за деградационных процессов структуры полупроводника,воздействий температурных полей и ионизирующих излучений, а также диффузионных процессов переноса массы в условиях высоких плотностей тока, протекающих через токовые контакты, и др. факторов. Причем характерные времена , когдаизменяется существенно, зависят от вида процессов, протекающих в полупроводнике, и их интенсивности. Наиболее быстрые - это температурные изменения с ,секунд. Таким образом, перечисленные выше процессы измененияиможно считать квазистатическими по сравнению с изменениями 0. Область СВЧ полей длярассматривать не будем, т.к. там элемент Холла функционирует по-другому и датчик не предназначен для работы в таких полях. Рассмотрим, как в предлагаемом датчике можно осуществлять функцию калибровки магнитной чувствительностинепосредственно в процессе работы датчика. Без ограничения общности будем считать, что проводящий спиральный пленочный элемент 3 подключен к генератору знакопеременного импульсного тока прямоугольной формы амплитуды 0. Проходящий через элемент 3 ток 0 при его положительной полярности 0 воздействует на элемент Холла 2 известным калибрующим магнитным полем ( 0), при отрица тельной полярности 0 - соответственно полем (- 0). При наличии измеряемого внешнего магнитного полявыходные сигналы с элемента Холла будут соответственно 1 и 2 и с учетом квазистатических измеренийони будут описываться формулами(2) 20. Следовательно, можно независимо отопределить магнитную чувствительность(12) / (20). Чтобы разность (12) не была близка к нулю, необходимо, чтобы величины магнитныхи 0 полей были соизмеримы, что можно обеспечить соответствующим выбором тока 0. Следует заметить, что в режиме подключения 3 к генератору тока величина 0 пропорциональна 0 и определяется геометрией спирали, и не зависит от электросопротивления 3, следовательно, и от всех деградационных и температурных изменении в 3. Поэтомукалибруется с высокой точностью. 4 16260 1 2012.08.30 Если измеренияпроисходят в присутствии воздействия калибрующего поля 0, товычисляется по следующей формуле 0(12) / (12).(4) Если измеренияпроисходят без воздействия калибрующего поля 0,величина сигнала с элемента Холла при 00, товычисляется по формуле(5)/2 0 / (12). Таким образом, наличие функции калибровки позволяет получить сверхэффект по повышению точности и надежности измерений за счет учета временных изменений . Для заявляемой конструкции магниточувствительного датчика подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый магниточувствительный датчик соответствует требованию промышленная применимость. Преимуществом заявляемого изобретения по сравнению с прототипом и известными аналогами является значительное повышение точности измерения или преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля именно за счет наличия в конструкции спирального пленочного элемента, с помощью которого можно осуществлять функцию калибровки магнитной чувствительности непосредственно в процессе измерений внешнего магнитного поля или периодически. Источники информации 1. Тихонов В.И., Портной Г.Я., Постных О.А., Лаврентьев Б.Н. Магниточувствительный датчик для бесконтактного двигателя 1489397, опубл. 20.04.1995, МПК 01 33/06,Заявитель Отделение Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики . 2. Гусев О.К., Киреенко В.П., Корженевский А.Г., Яржембицкий В.Б. Датчик для считывания информации Патент 2012008, опубл. 30.04.1994, МПК 01 33/06, Патентообладатель Белорусская государственная политехническая академия . 3. Карлова Г.Ф. , Пороховниченко Л.П. , Умбрас Л.П. . Датчик магнитного поля Патент 2262777, опубл. 20.10.2005, МПК 01 43/06, патентообладатель Открытое акционерное общество Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов (ОАО НИИПП) . 4. Болванович Э.М. Полупроводниковые пленки и миниатюрные измерительные преобразователи. - Мн. Наука и техника, 1981. - С. 116-135. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.