Магниточувствительный датчик

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Магниточувствительный датчик, содержащий миниатюрную кристаллическую подложку из полуизолирующего арсенида галлия, на которой сформирован эпитаксиальный пленочный элемент, например из полупроводникового соединения , чувствительный к компоненте индукции магнитного поля, направленной по нормали к указанной эпитаксиальной пленке, причем указанная миниатюрная кристаллическая подложка закреплена на плоской поверхности магниточувствительного элемента, выполненного в форме диска из полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом и -образной вольтамперной характеристикой структура подключена через резистор нагрузки к источнику постоянного стабилизированного напряжения, а именно плюс упомянутого источника напряжения подключен к -области, отличающийся тем, что указанный эпитаксиальный пленочный элемент выполнен в виде магниторезистора в форме полоски меандра, например, из слаболегированной пленки , обладающей -типом проводимости, а указанные эпитаксиальный пленочный элемент и магниточувствительный элемент как единое целое размещены в узком зазоре между двумя миниатюрными цилиндрическими ферромагнитными концентраторами магнитного потока, выполненными из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой и высокой индукцией технического насыщения.(56) 1. Хомерики О.К. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. - М. Энергоатомиздат, 1986. - С. 57-58. 2. Патент 16260, МПК 01 33/0701 43/06, 2010. 3. Патентна полезную модель 9264, МПК 01 33/0701 43/06, 2013 (прототип). 4. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М. ДМК Пресс, 2001. - 544 с. 5. А.с.1739402, МПК 01 29/06, 1992. Предлагаемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, автоматике, а именно к средствам измерений преимущественно квазистатических магнитных полей с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля, и может найти применение для прецизионного измерения и (или) преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля, в том числе в устройствах, работающих в сложных эксплуатационных условиях. Известен полупроводниковый магниторезистор 1, выполненный в форме меандровой полоски с двумя электрическими контактными площадками. Магнитное поле прикладывается перпендикулярно плоскости полоски. Основными недостатками магниторезистора являются невысокая чувствительность и отсутствие возможности измерения магнитных полей с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля, т.е. устройство является однокомпонентным, следовательно, обладает пониженными функциональными возможностями. Известен магниточувствительный датчик 2, 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, а 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. Основным недостатком датчика является отсутствие возможности измерения магнитных полей с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля, т.е. датчик является однокомпонентным, следовательно, обладает пониженными функциональными возможностями. Процесс калибровки возможен только по одному направлению, совпадающему с нормалью к пластине Холла. Известен миниатюрный датчик магнитного поля 3, наиболее близкий к предлагаемому (прототип). Прототип 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, а 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. Причем указанная миниатюрная кристаллическая подложка закреплена на плоской поверхности магниточувствительного элемента, выполненного в форме диска из полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом 4, 5 и -образной вольт-амперной характеристикой она подключена через резистор нагрузки к источнику постоянного стабилизированного напряжения, а указанный проводящий пленочный эле 2 103372014.10.30 мент через измерительный резистор подключен к регулируемому источнику тока, который регулируется платой обработки сигнала с элемента Холла, выполняющего функцию нуль-органа по поддержанию нулевого значения компоненты индукции магнитного поля, ориентированной по нормали к пластине элемента Холла. Датчик предназначен для проведения измерений магнитных полей с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля. Основными недостатками датчика являются низкая чувствительность датчика к компоненте вектора магнитной индукции, перпендикулярной плоскости эпитаксиальной пленки, и для элемента Холла обычно составляет 300-600 мВ/Тл, следовательно, датчик имеет разрешающую способность на полтора порядка ниже, чем соответствующая величина для структуры с -эффектом, чувствительной к компоненте магнитного поля, лежащей в плоскости раздела - и -областей. Таким образом, для прототипа характерен большой дисбаланс по чувствительности для разных компонент вектора индукции магнитного поля. Кроме того, датчик 3 имеет 8 выводов, что создает неудобства при его подключении и сложности схемы обработки сигналов и измерений. Дополнительно в проводах могут генерироваться ЭДС наводок (пропорциональные производной по времени) от помехонесущих электромагнитных полей при функционирования датчика в сложных эксплуатационных условиях. Задачей настоящей полезной модели является обеспечение высокой чувствительности датчика ко всем компонентам индукции магнитного поля, упрощение электронной схемы подключения и измерений. Для решения поставленной задачи магниточувствительный датчик содержит миниатюрную кристаллическую подложку из полуизолирующего арсенида галлия, на которой сформирован эпитаксильный пленочный элемент, например из полупроводникового соединения , чувствительный к компоненте индукции магнитного поля, направленной по нормали к указанной эпитаксильной пленке, причем указанная миниатюрная кристаллическая подложка закреплена на плоской поверхности магниточувствительного элемента, выполненного в форме диска из полупроводниковой структуры типа, обладающей-эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой структура подключена через резистор нагрузки к источнику постоянного стабилизированного напряжения, а именно плюс упомянутого источника напряжения подключен к -области. Датчик отличается тем, что указанный эпитаксиальный пленочный элемент выполнен в виде магниторезистора в форме полоски меандра, например, из слаболегированной пленки , обладающей -типом проводимости, а указанные эпитаксильный пленочный элемент и магниточувствительный элемент как единое целое размещены в узком зазоре между двумя миниатюрными цилиндрическими ферромагнитными концентраторами магнитного потока, выполненными из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой и высокой индукцией технического насыщения. Анализ элементов датчика, приведенных в отличительной части, показывает, что некоторые из них могут встречаться по отдельности в различных аналогах технических решений. Однако в совокупности набор этих элементов не известен, поэтому является новым. Кроме того, совокупность этих элементов придает датчику новое качество функционирования и обеспечивает полное решение поставленной комплексной задачи. Поэтому заявляемый датчик соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Предложенная полезная модель поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 изображен заявляемый магниточувствительный датчик, общий вид. На фиг. 2 приведен вариант подключения датчика к источнику постоянного стабилизированного напряжения. Полупроводниковая структура типа, обладающая -эффектом, показана в разрезе вдоль оси цилиндров. 103372014.10.30 На фиг. 3 приведена типичная зависимость частотывыходного сигнала вых 2 от величины индукции магнитного поля , приложенной в плоскости раздела областей полупроводниковой структуры. Магниточувствительный датчик содержит миниатюрную кристаллическую подложку арсенида галлия 1, на которой сформирован эпитаксикальный пленочный элемент 2, например из полупроводникового соединения , чувствительный к компоненте индукции магнитного поля , направленной по нормали к эпитаксиальному пленочному элементу 2. Эпитаксиальный пленочный элемент 2 выполнен в виде магниторезистора в форме полоски меандра,например,из слаболегированной пленки-типом проводимости. При использовании стандартных методов микроэлектроники и фотолитографического оборудования средней точности характерный размер кристаллической подложки из полуизолирующего арсенида галлия 1 не более 1,01,0 мм. При использовании прецизионного литографического оборудования он может быть значительно уменьшен. К концам меандра приварены микросваркой электрические проводники 3 и 4 соответственно (обычно из золотого микропровода диаметром 20 мкм), подключенные через резистор нагрузки 1 к источнику постоянного стабилизированного напряжения (п п),обычно выбираемого из диапазона 5-25 . Миниатюрная кристаллическая подложка из полуизолирующего арсенида галлия 1 закреплена (например, с помощью герметизирующего компаунда) на плоской поверхности магниточувствительного элемента 5, выполненного в форме диска из полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом и -образной вольт-амперной характеристикой. Магниточувствительный элемент 5 имеет электрические выводы 6 и 7 соответственно, подведенные к - и -областям соответственно. Он подключен через регистор нагрузки 2 к источнику постоянного стабилизированного напряжения, а именно плюс источника напряженияп подключен к -области. Выходные напряжения вых 1 и вых 2 снимаются с резисторов нагрузки 1 и 2 соответственно. Вывод п может быть заземлен. Магниточувствительный элемент 5 обладает -эффектом 4 и -образной вольтамперной характеристикой. Способ формирования - и -областей такой структуры подробно описан в 5. Вектор, индукция магнитного поля , на величину которого реагирует магниточувствительный элемент 5, прикладывается в плоскости, параллельной плоскости раздела - и -областей. Такие структуры поставляются фирмой, Россия,Москва (Институт проблем управления). Поскольку форма магниточуствительного элемента 5 - диск, то магнитная чувствительность изотропна в плоскости, параллельной плоскости раздела - и -областей, и практически не зависит от составляющей вектора индукции магнитного поля , нормальной к полоски эпитаксиального пленочного элемента 2. Магниточувствительный элемент 5 выполнен в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом с -образной вольт-амперной характеристикой и частотноимпульсным выходным сигналом при величине индукции магнитного поля ,превышающей 30-50 мТл (в зависимости от технологии изготовления). При величине индукции магнитного поляменьше чем 30 мТл выходной сигнал - аналоговый 3. Эпитаксиальный пленочный элемент 2 и магниточувствительный элемент 5 как единое целое размещены в узком зазоре между двумя миниатюрными цилиндрическими ферромагнитными концентраторами магнитного потока 8 и 9, расположенными соосно, выполненными из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью, низкой коэрцитивной силой и высокой индукцией технического насыщения , например, для измерений квазистатических магнитных полей из супермендюра (справочно 2,8 Тл) или армкожелеза,а для переменных или импульсных магнитных полей - из ферритов, например, марки 3000 НМ. Для измерений слабых магнитных полей можно также использовать высоконикелевый пермаллой. Магниточувствительный датчик работает следующим образом. 4 103372014.10.30 Эпитаксиальный пленочный элемент 2 работает по известному принципу действия традициционных магниторезисторов, а именно увеличивается электрическое сопротивление магниторезистора при приложении магнитного поля . Причина заключается в изменении траектории движения носителей заряда в полупроводнике вследствие действия силы Лоренца при наличии внешнего магнитного поля. Она действует перпендикулярно к направлениям скорости электронов и магнитной индукции. С целью увеличения составляющей индукции магнитного поля , проходящей через пленочный элемент 2, используются цилиндрические концентраторы магнитного потока 8 и 9. При этом увеличивается значениевраз, что эквивалентно увеличению магнитной чувствительности магниторезисторав указанном направлении враз без увеличения шумовых характеристик. По величине выходного сигнала вых 1 можно определитьвых 1/. Магниточувствительный элемент 5 работает по известному принципу -эффекта. При этом магниточувствительный элемент 5 реагирует на составляющую индукции магнитного поляи не реагирует на . В основе функционирования лежит явление управляемой скачковой проводимости(-эффекта), которая 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 5 является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. По величине вых 2, снимаемого с электрического сопротивления нагрузки 2, определяется величина , при этом используется величина аналогового сигнала при 30 мТл или частотачастотно-импульсного сигнала при 301000 мТл. Величина измеренного квазистатического магнитного поля с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля определяется по классической формуле(22)1/2 обычно с помощью микропроцессора, сопряженного с магниточувствительным датчиком. Магнитная чувствительность обычно составляет 100 кГц/Тл, а амплитуда частотно-импульсного сигнала может составлять до 50 от напряжения питания и 2. Соизмеримость величин вых 1 и вых 2 при одинаковых значениях соответствующих компонент индукции магнитного поля обеспечивают концентраторы магнитного потока 8,9 за счет увеличениявраз. Величиназависит от геометрических размеров концентраторов магнитного потока, в первую очередь, от их длиныи величины зазора между ними , и для приемлемых миниатюрных размеров длиной не более 10 мм достигает величин 15-30 единиц. Для заявляемой конструкции магниточувствительного датчика подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый датчик соответствует требованию промышленная применимость. Преимуществом заявляемой полезной модели по сравнению с известными аналогами,содержащими трехкомпонентные магниточувствительные элементы, обычно размещенные в ортогональных плоскостях, является упрощение процесса его калибровки, а по сравнению с прототипом - обеспечение высокой чувствительности датчика ко всем компонентам индукции магнитного поля, упрощение электронной схемы подключения и измерений. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6