Магнитный градиентометр

(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) 1. Магнитный градиентометр, содержащий полупроводниковый слой с примесным типом проводимости, на котором сформированы и разнесены в плоскости слоя две активные магниточувствительные области с холловскими и токовыми контактами, причем токовые контакты попарно подключены к соответствующим двум индивидуальным источникам тока, а холловские контакты - ко входам двух операционных усилителей с обеспечением вычитания ЭДС Холла, а выходы указанных операционных усилителей подключены ко 16322 1 2012.08.30 входу третьего операционного усилителя, отличающийся тем, что активные магниточувствительные области полупроводникового слоя выполнены крестообразными и окружены в плоскости полупроводникового слоя концами проводящего элемента, выполненными в виде двух спиралей, закрученных в противоположные стороны относительно проводящего элемента, причем проводящий элемент выполнен из материала с высокой электрической проводимостью или из того же полупроводникового слоя с примесным типом проводимости, что и активные магниточувствительные области, одинаковой с ним толщины, а два токовых контакта проводящего элемента подключены к третьему источнику тока, управляемому микропроцессором. 2. Градиентометр по п. 1, отличающийся тем, что полупроводниковый слой с примесным типом проводимости выполнен тонкопленочным эпитаксиальным с высокой подвижностью носителей заряда, например из -, на подложке из полуизолирующего арсенида галлия. Магнитный градиентометр относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и может найти преимущественное применение для прецизионного измерения и (или) преобразования в электрический сигнал больших градиентов индукции магнитного поля,которые изменяются в маленьком пространственном масштабе, в том числе в миниатюрных магнитных системах датчиков и устройств, работающих в течение длительного промежутка времени в сложных эксплуатационных условиях, а также для обнаружения дефектов печатных плат и идентификации микроскопических магнитных частиц. Известен интегральный градиентометр 1, функционирующий на эффекте Холла. Он содержит полупроводниковую пластину Холла со сформированными на ней двумя магниточувствительными сенсорами, расположенными обособленно на расстоянии, эффективном для того, чтобы измерить градиент магнитного поля, имеющий микроминиатюрный пространственный масштаб. Сенсоры вырабатывают электрические сигналы, пропорциональные величинам индукции магнитного поля в месте их расположения, которые поступают для сравнения на компаратор, который вырабатывает сигнал, пропорциональный величине градиента индукции магнитного поля. 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 магнитный градиентометр 2, наиболее близкий к предлагаемому (прототип), который так же функционирует с использованием эффекта Холла. Он содержит полупроводниковый слой с примесным типом проводимости, на котором сформированы и разнесены в плоскости слоя холловские и токовые контакты, причем токовые контакты попарно подключены к соответствующим двум индивидуальным источникам тока, а холловские контакты - к входам двух операционных усилителей таким образом, что ЭДС Холла вычитаются, а выходы указанных операционных усилителей подключены к входу третьего операционного усилителя, который вырабатывает сигнал, пропорциональный величине градиента индукции магнитного поля. Недостатком прототипа является низкая точность измерения или преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля вследствие временных изменений магнитной чувствительности полупроводника (в частности - с электронным типом проводимости), 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. 2 16322 1 2012.08.30 Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения или преобразования в электрический сигнал локального (в микромасштабах) градиента индукции магнитного поля. Причем магнитный градиентометр должен обеспечивать обнаружение неоднородности магнитного поля созданного близлежащим источником поля на фоне неоднородности магнитного поля наиболее удаленных от полупроводникового слоя источников, в частности магнитного поля Земли. Кроме того предусматривается работа полупроводникового слоя градиентометра в течение длительного промежутка времени в сложных эксплуатационных условиях. Решение поставленной задачи достигается тем, что магнитный градиентометр содержит полупроводниковый слой с примесным типом проводимости, на котором сформированы и разнесены в плоскости слоя две активные магниточувствительные области с холловскими и токовыми контактами, причем токовые контакты попарно подключены к соответствующим двум индивидуальным источникам тока, а холловские контакты - ко входам двух операционных усилителей с обеспечением вычитания ЭДС Холла, а выходы указанных операционных усилителей подключены ко входу третьего операционного усилителя. Новым, по мнению автора, является то, что активные магниточувствительные области полупроводникового слоя выполнены крестообразными и окружены в плоскости полупроводникового слоя концами проводящего элемента, выполненными в виде двух спиралей, закрученных в противоположные стороны относительно проводящего элемента,причем, проводящий элемент выполнен из материала с высокой электрической проводимостью или из того же полупроводникового слоя с примесным типом проводимости, что и активные магниточувствительные области, одинаковой с ним толщины, а два токовых контакта проводящего элемента подключены к третьему источнику тока, управляемому микропроцессором. При этом полупроводниковый слой с примесным типом проводимости может быть выполнен тонкопленочным эпитаксиальным с высокой подвижностью носителей заряда,например, из - на подложке из полуизолирующего арсенида галлия. Наличие проводящего элемента, выполненного в виде двух спиралей, через который можно пропускать управляемый микропроцессором ток и тем самым создавать заданные(калибрующие) магнитные поля, направленные противоположно друг другу, позволяет осуществить функцию калибровки магнитной чувствительности активных магниточувствительных областей полупроводникового слоя, и в итоге калибровку магнитной чувствительности всего устройства к величине градиента локального магнитного поля. Тем самым достигается сверхэффект, а именно убираются все возникающие погрешности в процессе эксплуатации магнитного градиентометра, в том числе температурная. При этом магнитный градиентометр остается миниатюрным и может быть изготовлен с применением групповой технологии микроэлектроники, как и прототип. 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 магнитный градиентометр. Он содержит выращенный на подложке 1 полупроводниковый слой 2 с примесным типом проводимости, на котором сформированы и разнесены на расстояние(база градиентометра) в плоскости слоя холловские 3 и токовые 4 контакты. Золотой микропровод 5,приваренный к токовым и холловским контактам, обеспечивает омическое электрическое контактирование с держателем электрических проволочных выводов устройства. На фигуре не показаны электрические соединения золотых микропроводов с держателем элек 3 16322 1 2012.08.30 трических проволочных выводов, соединяющих токовые контакты с источниками тока и холловские контакты с операционными усилителями. Токовые контакты 4 попарно подключены к соответствующим двум индивидуальным источникам тока, а холловские контакты 3 - к входам двух операционных усилителей таким образом, что ЭДС Холла вычитаются, а выходы указанных операционных усилителей подключены к входу третьего операционного усилителя, как в прототипе (на фигуре не изображены). Активные магниточувствительные области полупроводникового слоя 2 имеют крестообразную форму и окружены в плоскости полупроводникового слоя проводящим элементом 6, выполненным в виде двух спиралей, закрученных в противоположные стороны, причем проводящий элемент выполнен с двумя токовыми контактами 7, которые подключены к третьему источнику тока, находящемуся под управлением микропроцессора (источник тока и микропроцессор не изображены). Топология активных магниточувствительных областей полупроводникового слоя 2 с холловскими 3 и токовыми 4 контактами, а также проводящий элемент 6 формируются при помощи стандартных методов микроэлектроники, например как в 3. Проводящий элемент 6 может быть выполнен из материала с высокой электрической проводимостью, например , или может быть изготовлен из того же полупроводникового слоя 2 с примесным типом проводимости, что и активные магниточувствительные области и иметь одинаковую с ними толщину. При использовании стандартных методов микроэлектроники и фотолитографического оборудования средней точности характерные размеры кристаллической подложки 1 могут быть 0,51 мм 2, а размеры активной магниточувствительной области не превышать 5050 мкм 2 и быть разнесены до 300 мкм (это называется базой градиентометра). При использовании более прецизионного литографического оборудования указанные размеры могут быть значительно уменьшены. Как вариант, полупроводниковый слой с примесным типом проводимости целесообразно выполнить тонкопленочным эпитаксиальным с высокой подвижностью носителей заряда, например, из - (т.е. примесный тип проводимости является электронным) на подложке из полуизолирующего арсенида галлия по следующим причинам. Известно 4,что из полупроводниковых материалов, используемых для изготовления высокочувствительных к магнитному полю элементов Холла, наиболее пригодны материалы 33 с высокой подвижностью электронов, такие как , ,и др. Из этих материалов наибольшую подвижность электронов имеет эпитаксиальный слой , выращенный на полуизолирующем арсениде галлия. Магнитный градиентометр работает следующим образом. Вначале градиентометр подвергается первичной калибровке, при этом полупроводниковый слой 2 помещают в термостатированный объем с известным распределением индукции магнитного поля. Активные магниточувствительные области полупроводникового слоя 2, имеющие крестообразную форму, функционируют по известному принципу действия традиционных элементов Холла через токовые контакты 4, попарно подключенные к соответствующим двум индивидуальным источникам тока, пропускают управляющие электрические токи 1, и 2 соответственно. Под воздействием внешнего магнитного поля с величиной индукции , которая перпендикулярна слою 2 (при этом 0) на соответствующих парах холловских контактов индуцируются ЭДС Холла 1 и 2, пропорциональные величине магнитной индукции в каждом перекрестии (активная магниточувствительная зона), т.е. 11 и 22, где 1 и 2 - коэффициенты пропорциональности (магнитные чувствительности полупроводникового слоя в области перекрестий),которые приближенно равны друг другу. Соответствующей корректировкой управляющих электрических токов 1 и 2 легко установить 12 и, следовательно, выходной сигнал 1,2 с третьего операционного усилителя, который пропорционален разности ЭДС Холла,тождественно равен нулю. 1,20 в случае 0, а величина- является магнитной чувствительностью устройства к внешнему магнитному полю с индукцией . Если в областях перекрестий величины воздействующего магнитного поля разные и равны 1 и 2 соответственно, то выходной сигнал 1,2 определяется по следующей формуле 4(1) 1,212. Величина локального градиента индукции магнитного поля может быть вычислена при известнойпо формуле(2)(12)/1,2/,где- база градиентометра. Величинаможет быть корректно вычислена по формуле 2 только при условии постоянства магнитной чувствительности градиентометра . Однако при измерениях в различного рода устройствах автоматики, в том числе при длительной эксплуатации в сложных эксплуатационных условиях, она может изменяться в основном из-за изменений физических свойств полупроводникового слоя. Как ранее указывалось, в любом полупроводнике величина магнитной чувствительности может 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 ссекунд. Поскольку магнитный градиентометр 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 проводящий элемент 6 можно всегда выбрать хотя бы на порядок выше, запитав 6 от источника тока, находящегося под управлением микропроцессора. Таким образом, перечисленные выше временные процессы измененияиможно считать квазистатическим по сравнению с изменениями 0. Область СВЧ-полей длярассматривать не будем, т.к. там элементы на эффекте Холла функционируют по существенно другому принципу. Рассмотрим, как в предлагаемом устройстве можно осуществлять функцию калибровки магнитной чувствительностинепосредственно в процессе работы или периодически(без помещения магнитного градиентометра в специальный стенд). Проводящий элемент 6 подключается к источнику гармонического тока или знакопеременного импульсного предпочтительно прямоугольной формы. Так как этот источник тока находится под управлением микропроцессора, то проходящий ток 0 может протекать не только постоянно, но и периодически в определенный промежуток времени, в зависимости от программы управления, когда осуществляется функция калибровки магнитной чувствительности устройства. Без ограничения общности можно считать, что проводящий элемент 6 подключен к источнику знакопеременного импульсного тока прямоугольной формы амплитуды 0. Проходящий через проводящий элемент 6 ток 0 при его положительной полярности 0 воздействует на одну активную магниточувствительную область полупроводникового слоя 2 (перекрестие) калибрующим магнитным полем ( 0), а на другую активную магниточувствительную область полупроводникового слоя соответственно полем (- 0), так как спирали проводящего элемента 6 закручены в противоположные стороны и соответственно обтекание током перекрестий происходит противоположно. Таким образом, измеряемый градиент внешнего магнитного поля изменяется на величину 20/. Выходной сигнал градиентометра 1 (с третьего операционного усилителя) будет(3) 1(12)20. При отрицательной полярности тока 0 направление калибрующего градиента 20/ изменяется на противоположное и соответственно выходной сигнал градиентометра 2(4) 2(12)20. Следовательно, можно независимо от величины градиентаопределить магнитную чувствительность (произвести калибровку) по следующей формуле 5(12)/(40). Здесь 1 и 2 берутся со своими знаками, поэтому при 0 выполняется условие 12 и соответственно автоматически получается 1- 2, что приводит к определениюпо формуле(6) 1(20). Величина 0 приближенно пропорциональна 0 и определяется геометрией спирали и не зависит от электросопротивления проводящего элемента 6, следовательно и от всех деградационных и температурных изменений в проводящем элементе 6. Поэтомукалибруется с высокой точностью. Значения 0, как функция 0, измеряются при первичной калибровке и заносятся в память микропроцессора. Если измерения происходят в присутствие воздействия калибрующего поля 0, товычисляется по следующей формуле(7)(12)/220(12)/(12). Если измеренияпроисходят без воздействия калибрующего поля 0,- величина сигнала градиентометра при 00, то(8)/,где величинаопределена была ранее при предыдущей калибровке. Таким образом, наличие функции калибровки позволяет получить сверхэффект по повышению точности и надежности измерений за счет учета временных изменений магнитной чувствительности устройства к величине градиента магнитного поля. Для заявляемой конструкции магнитного градиентометра подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый магнитный градиентометр соответствует требованию промышленная применимость. Преимуществом заявляемого изобретения по сравнению с прототипом и известными аналогами является значительное повышение точности измерения или преобразования в электрический сигнал градиента индукции локального магнитного поля именно за счет наличия в конструкции проводящего элемента, выполненного в виде двух спиралей, закрученных в противоположные стороны, с помощью которого можно осуществлять функцию калибровки магнитной чувствительности активных магниточувствительных областей полупроводникового слоя с примесным типом проводимости, а, следовательно, и градиента индукции непосредственно в процессе измерений внешнего магнитного поля или периодически, в зависимости от программы микропроцессора. Источники информации 1..,7126331,. 24. 2006, . 1.01 33/07,01 33/02. 2.107966 ,2005-01-31, . 1.01 33/00,01 33/022.65340 (1) патент Республики Болгарии (прототип). 3. Болванович Э.М. полупроводниковые пленки и миниатюрные измерительные преобразователи. - Мн. Наука и техника, 1981. - С. 116-135. 4. 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) . Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6