Прецизионный частотный датчик магнитного поля

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Шепелевич Василий Григорьевич Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Прецизионный частотный датчик магнитного поля, содержащий выполненный в форме диска из полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой магниточувствительный элемент, подключенный через резистор нагрузки к источнику постоянного стабилизированного напряжения, отличающийся тем, что указанный магниточувствительный элемент вставлен в тонкую немагнитную теплопроводящую обойму, которая размещена в зазоре между двумя пластинами магнитомягких концентраторов магнитного потока с контактированием торцевых поверхностей, разделенных тонким диэлектрическим слоем, а каждая из указанных пластин выполнена с функцией электрических проводников двух модулей миниатюрного элемента 100812014.04.30 Пельтье, выполненных из тонкой фольги сплавов висмута с сурьмой -типа и сплавов висмута с сурьмой, легированных оловом, -типа, с однородным распределением компонентов или дисперсных фаз, причем указанный элемент Пельтье соединен с источником тока через прерыватель тока, управляемый микроконтроллером, таким образом, чтобы указанные концентраторы охлаждались, а противоположные горячие грани модулей через диэлектрический слой прикреплены к теплоотводящему радиатору.(прототип). 2. А. с.1739402, МПК 01 29/06, 1992. 3. Шепелевич В.Г., Цзинцзе Ван. Структура, микротвердость и стабильность быстрозатвердевших фольг сплавов системы - // Неорганические материалы. - 2010. - Т. 46.4. - С. 393-397. Предлагаемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, автоматике, а именно к средствам измерений преимущественно квазистатических магнитных полей, и может найти применение для прецизионного измерения и (или) преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля в электронных устройствах, работающих в течение длительного промежутка времени в сложных эксплуатационных условиях. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является магниточувствительный элемент, описанный в 1 (прототип). Магниточувствительный элемент 1 содержит выполненный в форме диска из полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой, причем указанная структура подключена через резистор нагрузки к источнику постоянного стабилизированного напряжения. Способ формирования - и -областей такой структуры подробно описан в 2. Вектор индукции магнитного поля, на величину которого реагирует магниточувствительный элемент, прикладывается в плоскости, параллельной плоскости раздела - и -областей. Такие структуры поставляются фирмой, Россия, г. Москва (Институт проблем управления). Поскольку форма магниточувствительной полупроводниковой структуры - диск, то магнитная чувствительность изотропна в плоскости, параллельной плоскости раздела - и -областей и практически не зависит от составляющей вектора индукции магнитного поля, нормальной к пластине диска. Магниточувствительный элемент 1 через резистор нагрузки подключен к источнику постоянного питающего напряжения (обычно 5-25 В) с соблюдением полярности. Плюс источника питания подключен к -области. Прототип обладает частотно-импульсным выходным сигналом при величине индукции магнитного поля, превышающей 50 мТл. При величине индукции магнитного поля меньшей, чем 50 мТл, выходной сигнал - аналоговый 1. Явление управляемой скачковой проводимости (-эффект) возникает в структурах с-образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том, что при определенных значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля проводимость полупроводниковой структуры (в прямом направлении) и, соответственно, амплитуда протекающего через нее тока меняются скачком со временем переходного процесса 1-5 мкс. Изменение проводимости, подобно структурам с -образной вольт-амперной характеристикой, сопровождается возникновением шнура тока, но с иными физическими свойствами, основным из которых является постоянство плотности тока в шнуре при изменении напряжения на структуре. Основной особенностью магниточувствительного элемента является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. 2 100812014.04.30 Основным недостатком 1 является низкая точность измерения или преобразования в электрический сигнал величины индукции магнитного поля из-за влияния внешних воздействий, особенно температуры. На основе структур типа, обладающих -эффектом,изготавливают термисторы. Кроме того, прототип обладает частотно-импульсным выходным сигналом при величине индукции магнитного поля, превышающей 50 мТл, что затрудняет использование структур в частотном режиме в устройствах автоматики(требуется использование достаточны сильных магнитов), поэтому необходимо снижение порога перехода функционирования 1 с аналогового сигнала на частотно-импульсный при меньших значениях порога индукции магнитного поля, например на порядок. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение точности измерения или преобразования в электрический сигнал величины индукции магнитного поля и расширение диапазона в область слабых магнитных полей. Прецизионный частотный датчик магнитного поля содержит выполненный в форме диска из полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой магниточувствительный элемент, подключенный через резистор нагрузки к источнику постоянного стабилизированного напряжения. Он отличается тем, что указанный магниточувствительный элемент вставлен в тонкую немагнитную теплопроводящую обойму, которая размещена в зазоре между двумя пластинами магнитомягких концентраторов магнитного потока с контактированием торцевых поверхностей, разделенных тонким диэлектрическим слоем, а каждая из указанных пластин выполнена с функцией электрических проводников двух модулей миниатюрного элемента Пельтье, выполненных из тонкой фольги сплавов висмута с сурьмой -типа и сплавов висмута с сурьмой, легированных оловом, -типа, с однородным распределением компонентов или дисперсных фаз, причем указанный элемент Пельтье соединен с источником тока через прерыватель тока, управляемый микроконтроллером, 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 отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле. 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 комплексной задачи в заявляемой полезной модели. По мнению авторов, прецизионный частотный датчик магнитного поля 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 фигурами. На фиг. 1 схематично представлен прецизионный частотный датчик магнитного поля в разрезе. На фиг. 2 изображена блок-схема подключения магниточувствительного элемента к источнику постоянного напряжения. На фиг. 3 изображена электрическая блок-схема подключения элемента Пельтье. На фиг. 4 представлена зависимость частотывыходного сигнала от величины индукции приложенного внешнего магнитного поля 0 при коэффициенте усиления магнитомягким концентратором магнитного потока 10. 3 100812014.04.30 Прецизионный частотный датчик магнитного поля содержит два магнитомягких планарных концентратора, выполненных в виде пластин 1 из отложенного пермаллоя с высокой магнитной проницаемостью, толщиной около 1,0 мм или немного более, расположенных параллельно друг другу с зазором. Немагнитная теплопроводящая обойма 2 размещена в зазоре между двумя пластинами 1 с контактированием торцевых поверхностей обоймы и пластин. Обойма 2 и каждая пластина разделены тонким диэлектрическим слоем (не изображен). Магниточувствительный элемент 3 толщиной около 1,0 мм, выполненный в форме диска из полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом 2 и-образной вольт-амперной характеристикой, вставлен в обойму 2 с крышкой и скреплен с ней при помощи электроизоляционного теплопроводящего клея или аналогичного по своим свойствам другого компаунда. Такие структуры поставляются фирмой,Россия, г. Москва (Институт проблем управления). К пластинам 1 концентратора прикреплены и объединены в электрическую цепь по паре плоских прямоугольных параллепипедов 4 и 5, выполненных с различным типом проводимости, имеющих одинаковую толщину , изготовленных из 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 3), причем каждая пластина 1 концентратора и каждая пара плоских прямоугольных параллепипедов 4 и 5 образуют два модуля миниатюрного элемента Пельтье. 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 горячей плоскости элемента Пельтье. Элемент Пельтье через прерыватель тока 9 подключен к источнику тока 10 таким образом, что пластины 1 охлаждаются (холодная поверхность элемента Пельтье). Прерыватель тока 9 управляется микроконтроллером 11, соединенным с индикатором температуры 12. Прецизионный частотный датчик магнитного поля работает следующим образом. Магниточувствительный элемент 3 через резистор нагрузки н подключен к источнику постоянного питающего напряжения п (источник питающего напряжения выполнен с функцией постоянной ЭДС, обычно 5-25 В в зависимости от электросопротивления магниточувствительного элемента 3 (фактически диода в прямом направлении) с соблюдением полярности). Плюс источника питания подключен к -области. Магниточувствительный элемент 3 выполнен в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом с-образной вольт-амперной характеристикой и частотно-импульсным выходным сигналом при величине компоненты индукции магнитного поляв области расположения магниточувствительного элемента 3 параллельно плоскости раздела - и -частей, превышающей 50 мТл. При величине индукции магнитного поляменьшей, чем 50 мТл, выходной сигнал - аналоговый. В предложенной конструкции магниточувствительный элемент 3 находится в зазоре между пластинами 1 концентратора, которые характеризуются коэффициентом усиления магнитной индукциивнешнего магнитного поля 0, направленного вдоль оси , т.е.0. Величиназависит от длины пластин 1 и величины зазора между ними. При заостренных концах пластин 1 и длине пластины 10 мм легко добиться 10 при величине зазора в 1 мм. Явление управляемой скачковой проводимости (-эффект) возникает в структурах с-образной вольт-амперной характеристикой и заключается в том, что при определенных значениях питающего напряжения и внешнего магнитного поля проводимость полупроводниковой структуры (в прямом направлении) и, соответственно, амплитуда протекающе 4 100812014.04.30 го через нее тока меняются скачком со временем переходного процесса 1-5 мкс. Изменение проводимости подобно структурам с -образной вольт-амперной характеристикой сопровождается возникновением шнура тока, но с иными физическими свойствами, основным из которых является постоянство плотности тока в шнуре при изменении напряжения на структуре. Основной особенностью магниточувтвительного элемента 3 является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. При пропускании тока через элемент Пельтье пластины 1 концентратора охлаждаются, следовательно, охлаждается магниточувствительный элемент 3, а противоположные горячие грани модулей, через диэлектрический слой прикрепленные к теплоотводящему радиатору, имеют практически температуру окружающей среды. Использование элемента Пельтье и магнитомягких концентраторов магнитного потока,которые являются составной частью миниатюрных модулей элемента Пельтье, позволяет в значительной мере увеличить эффективность теплоотвода джоулевого тепла от элемента 3,следовательно, увеличить величину п можно в несколько раз, что эквивалентно увеличению чувствительности датчика к магнитному полю, повышению стабильности, что в конечном итоге приводит к повышению точности измерения или преобразования в электрический сигнал величины индукции магнитного поля, а наличие пластин 1 концентраторов магнитного поля способствует расширению рабочего диапазона (где генерируется частотно-импульсный выходной сигнал) в область слабых магнитных полей. При 10 порог перехода функционирования элемента 3 с аналогового сигнала к частотному составляет 05 мТл. Кроме того, настоящий датчик магнитного поля является прецизионным, поскольку убрано влияние изменений температуры по следующей причине. Элемент Пельтье является термоэлектрическим преобразователем, который соединен с источником тока через прерыватель тока, управляемый микроконтроллером. Во время протекания тока термоэлектрический преобразователь работает как элемент Пельтье, его поверхность охлаждается, а во время кратковременного прерывания тока он является датчиком температуры собственной охлаждаемой поверхности, работая как элемент Зеебека. Температура,измеренная при прерывании тока, отображается на индикаторе температуры 12 и поддерживается с высокой точностью при помощи микроконтроллера 11, что дает возможность стабилизации функционирования магниточувствительного элемента 3 при фиксированной температуре, что обуславливает возможность значительного повышения точности измерения или преобразования в электрический сигнал величины индукции магнитного поля. Дополнительно частотный выходной сигнал датчика является более помехоустойчивым,чем аналоговый. Все вышеприведенные факторы обеспечивают выполнение комплексной задачи по повышению точности измерения или преобразования в электрический сигнал величины индукции внешнего магнитного поля 0 и одновременно расширение диапазона в область слабых магнитных полей (при 10 на порядок). Следовательно, заявляемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, автоматике, а именно к средствам измерений преимущественно квазистатических магнитных полей, и может найти применение для прецизионного измерения и (или) преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля в электронных устройствах, работающих в течение длительного промежутка времени в сложных эксплуатационных условиях. 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. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6