Устройство для измерения индукции магнитного поля

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для измерения индукции магнитного поля, содержащее два магниточувствительных элемента, первый из которых изготовлен из тонкой пленки магнитомягкого материала на изолирующей подложке, использует в своей работе планарный эффект Холла и выполнен с двумя токовыми и двумя потенциальными электродами, второй элемент расположен соосно с первым и является пленочным полупроводниковым элементом Холла,электронный блок питания, подключенный соответственно к токовым электродам магниточувствительных элементов, и регистратор сигнала, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит микропроцессор, а магниточувствительные пленки первого и второго элементов Холла нанесены на противоположные стороны подложки, например из полуизолирующего -, причем пленка первого магниточувствительного элемента выполнена одноосно-анизотропной в плоскости подложки, так что ось легкого намагничивания совпадает с одной из линий, соединяющих токовые либо потенциальные электроды указанного элемента, пары потенциальных электродов первого и второго магниточувствительных элементов Холла подключены к входному электронному блоку усилителя сигналов, выходы которого подключены к микропроцессору, функционально связанному с регистратором сигнала, а подложка с электрическими проводами от магниточувствительных элементов укреплена на миниатюрном немагнитном держателе в торце трубки, которая соосно вставлена в другую трубку - корпус, с возможностью поворота относительно продольной оси трубок на угол 225.(56) 1.2067982.,1990-03-07. 2.7191119.,1995-07-28. 3. А.с. СССР 1832233, МПК 01 33/06, 1993. Устройство относится к измерительной технике, а именно к измерению квазимагнитостатического магнитного поля с произвольной его ориентацией в пространстве при помощи эффекта Холла, и может использоваться в системах измерений, сигнализации и автоматического контроля в ограниченных объемах пространства и узких зазорах. Известно устройство 1, содержащее три полупроводниковых элемента Холла, размещенных под прямыми углами друг к другу так, что они измеряют три компонента вектора индукции магнитного поля по соответствующим направлениям координатных осей, У, . Сигналы с элементов Холла после соответствующей обработки поступают на компьютер, который рассчитывает величину индукции магнитного поля по трем его составляющим. Недостаточная точность при измерении обуславливается тем, что центры полупроводниковых элементов Холла расположены в пространстве в разных точках (разнесены друг от друга). И при измерении высокоградиентных магнитных полей, которые достаточно часто встречаются в технике, погрешности могут достигать высоких значений. Известен магниточувствительный зонд 2 для измерения трех компонент индукции магнитного поля по соответствующим направлениям координатных осей , У, . Здесь используются пять элементов Холла, разнесенных попарно по двум направлениям , У относительно центрального элемента Холла, измеряющего- составляющую вектора индукции магнитного поля. Если распределение магнитного поля по координатам линейно,то такая конструкция обеспечивает достаточную точность измерений. В случае нелинейного распределения магнитного поля по координатам измерения данным зондом приводят к значительным погрешностям, также обусловленным значительным разнесением центров элементов Холла. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство 3(прототип) - компонентный датчик магнитного поля на эффекте Холла. Датчик состоит из двух магниточувствительных элементов на эффекте Холла, разделенных диэлектрической пленкой, расположенных друг под другом соосно на изолирующей подложке, электронный блок питания, подключенный соответственно к токовым электродам магниточувствительных элементов, и регистратор ЭДС. Один магниточувствительный элемент является пленочным полупроводниковым датчиком Холла, а второй - пленочным датчиком, использующим планарный эффект Холла и изготовленным из магнитомягкого материала с низким значением коэрцитивной силы. Второй магниточувствительный элемент имеет форму круга с двумя парами токовых электродов, которые образуют между средними линиями, проходящими через каждую пару, угол в 45, и двумя парами холловских (потенциальных) электродов, образующих угол 90 со средними линиями, проходящими через соответствующие пары токовых электродов. Такая конфигурация позволяет в аналоговом режиме измерять три компоненты магнитного поля перпендикулярную составляющую (полупроводниковым элементом Холла) и по двум значениям ЭДС планарного эффекта Холла вычислять величину магнитного поля в плоскости подложки и его направление (угол). Однако эта конструкция работоспособна на очень ограниченном участке величин магнитных полей. Элементы, функционирующие на планарном эффекте Холла, предназначены для измерения слабых магнитных полей в несколько мТл, так как затем ЭДС выходит в область насыщения и практически не зависит от величины магнитного поля в плоскости пленки. Полупроводниковые элементы Холла целесообразно использовать при магнитных полях выше 1 мТл, поскольку они имеют недостаточную чувствительность, порядка(0,2-0,5) мВ/мТл. Известно, что полупроводниковые элементы Холла не имеют гистерези 2 36892007.06.30 са ЭДС от величины магнитного поля, а магнитопленочные элементы имеют достаточный гистерезис, особенно если они были подвержены воздействию магнитных полей (как измеряемых, так и помехи), приводящих в область насыщения ферромагнитную пленку (например, зависимости ЭДС от приложенного магнитного поля в плоскости подложки различны для различных ориентаций пленки). Величина этого гистерезиса является неустойчивой и зависит от предыстории намагничивания (если перемагничивание происходило не по предельной петле гистерезиса). Таким образом, точность определения индукции магнитного поля может значительно ухудшиться вследствие воздействий неконтролируемых магнитных полей. Задачей предлагаемой полезной модели является - повышение точности измерений. Решение указанной задачи и указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в известное устройство, содержащее два магниточувствительных элемента, первый из которых изготовлен из тонкой пленки магнитомягкого материала на изолирующей подложке, использует в своей работе планарный эффект Холла и выполнен с двумя токовыми и двумя потенциальными электродами, второй элемент расположен соосно с первым и является пленочным полупроводниковым элементом Холла, электронный блок питания, подключенный соответственно к токовым электродам магниточувствительных элементов, и регистратор сигнала, введены отличающееся элементы, устройство дополнительно содержит микропроцессор и два усилителя сигналов элементов Холла, а магниточувствительные пленки первого и второго элементов Холла нанесены на противоположные стороны подложки, например, из полуизолирующего-, причем пленка первого магниточувствительного элемента выполнена одноосноанизотропной в плоскости подложки, так что ось легкого намагничивания совпадает с одной из линий, соединяющих токовые либо потенциальные электроды указанного элемента, пары потенциальных электродов первого и второго магниточувствительных элементов Холла подключены к входному электронному блоку усилителей сигналов, выходы которого подключены к микропроцессору, функционально связанному с регистратором сигнала, а подложка с электрическими проводами от магниточувствительных элементов укреплена на миниатюрном немагнитном держателе в торце трубки, которая соосно вставлена в другую трубку - корпус, с возможностью поворота относительно продольной оси трубок на угол 225. Принципиально новым является использование двух, магниточувствительных элементов, которые формируют соответственно только два выходных сигнала, а не три и более,причем процессорная обработка которых обеспечивает измерение величины индукции магнитного поля, вектор которой произвольно направлен в пространстве. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой полезной модели, показал, что заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Сущность заявляемого технического решения поясняется на фиг. 1-4. На фиг. 1 представлен общий вид магниточувствительных элементов на подложке на фиг. 2 - размещение магниточувствительных элементов в держателе (разрез) на фиг. 3 представлена общая структурная схема функционирования устройства на фиг. 4 - нормированный выходной сигнал после усилителя от первого магнитопленочного элемента как функция измеряемого магнитного поля В 0 в плоскости подложки при условии, что угол между векторами В 0 и протекающим по пленке токомсоставляет 45. Устройство содержит магниточувствительный элемент 1 из тонкой пленки магнитомягкого материала на подложке 2 из -, выполненный в форме круга с двумя токовыми электродами (3, 3) и двумя потенциальными (4, 4), которые присоединены с помощью микросварки к соответствующим контактным площадкам 5. Магниточувствительная пленка выполнена из пермаллоя, например, состава ( - 81 , -19 или- 80 ,20 ) магнитно-анизотропной в плоскости подложки, а именно одноосно-анизотропной с 3 36892007.06.30 осью легкого намагничивания ЛО, сформированной под углом 0 либо 90 к линии, соединяющей токовые электроды 3 и 3. Ее толщина составляет 20-40 нм. Магнитная анизотропия в плоскости подложки формируется в процессе вакуумного осаждения ферромагнитного материала на подложку в присутствии внешнего магнитного поля с индукцией,превышающей 20 мТл, которая приложена в плоскости подложки в направлении вдоль ЛО. Второй магниточувствительный элемент 6, который расположен соосно с первым,является пленочным полупроводниковым элементом Холла и обычно выполняется из эпитаксиальной пленки -. Он расположен на противоположной стороне подложки 2, а его конфигурация формируется стандартными методами фотогравировки и химического травления, общепринятыми для элементов микроэлектроники. Толщина пленки полупроводника обычно не превышает 3 мкм. Он содержит пару токовых 7, 7 и пару потенциальных электродов 8, 8. Токовые электроды (3, 3) и (7, 7) магниточувствительных элементов 1 и 6 соответственно подключены к электронному блоку питания 14. Когда измеряемое магнитное поле приложено под углом 45 к протекающему току, то ЭДС планарного эффекта Холла максимальна, поскольку она пропорциональна (2). Подложка 2 с электрическими проводами 9 от магниточувствительных элементов 1 и 6 укреплена на миниатюрном немагнитном держателе (на фиг. 2 он не показан) в торце трубки 10 (обычно медной или латунной), которая соосно вставлена в другую диамагнитную трубку - корпус 11, с возможностью поворота относительно продольной оси трубок на угол 225. Направляющие кольца 12 служат для юстировки соосности трубок, а выступы 13 - для ограничения угла поворота в заданном диапазоне. В устройстве имеется блок питания 14 магниточувствительных элементов 1 и 6, два усилителя сигнала 15 и 16 (масштабирующие), входы которых подключены к соответствующим потенциальным электродам (4, 4) и (8, 8) магниточувствительных элементов, а выходы - к микропроцессору 17, который связан с регистратором (или табло) 18. Устройство работает следующим образом. Вначале оно калибруется, т.е. определяется закон изменения сигнала 1(0) магнитопленочного элемента 1 после усиленияусилителем 15 и его нормирования (устанавливается коэффициент усиления, необходимый для согласования с микропроцессором) как функции известного магнитного поля В 0 в плоскости подложки, когда магнитное поле направлено под углом 45 к протекающему току. Полученные данные записываются в память микропроцессора 17. При этом обеспечивается перемагничивание магниточувствительной пленки по предельной петле магнитного гистерезиса за счет выбора максимального значения В 0, при котором пленка обязательно попадает в зону магнитного насыщения. Эти зависимости 1(0), 1(0) для одноосно-анизотропной пленки приведены на фиг. 4. При этом нижний индексу кривой соответствует перемагничиванию пленки по восходящей петле магнитного гистерезиса, а нижний индекс- соответственно по нисходящей при положительных значениях В 0. Функции 1(0), 1(0) закладываются в память микропроцессора при калибровке. Причем значениям плюс В 0 и минус В 0 соответствует поворот вектора индукции магнитного поля на 180. В динамике устройство функционирует следующим образом. Сигнал (усиленная масштабирующим усилителем 15 ЭДС) от первого магнитопленочного элемента как функция измеряемого магнитного поля В в плоскости подложки при условии, что угол между векторами В и протекающим по пленке токомсоставляет , имеет вид 12, если измерение происходит по восходящей ветви магнитного гистерезиса, и 12 - при измерении по нисходящей ветви магнитного гистерезиса. При этом нет информации, на какой ветви мы находимся. Без ограничения общности, предположим, что на восходящей. Поворачиваем трубку 10 с магниточувствительными элементами 1 и 6 в плоскости подложки, микропроцессор 17 фиксирует максимальное значение 1 , которое достигается при 21, т.е. при 45. Развернув трубку 10 на угол до 225 (считая от произвольного начального положения),4 36892007.06.30 микропроцессор зафиксирует максимальное значение функции 1, которое соответствует уже нисходящей ветви магнитного гистерезиса и углу в 180 от найденного максимума. Очевидно, что при угле поворота трубки 10 на угол 225 обязательно найдутся максимумы функций 12 и 12. Угол поворота трубки 10 разумно ограничить значением в 225(18045), чтобы избежать учета и распознавания дополнительных максимумов. Для ЭДС планарного эффекта Холла выполняются условия симметрии относительно оси В 00, т.е.1(0)1(-0) и 1(0)1(-0), что соответствует переходу значений функции восходящей ветви в нисходящую при повороте на 180 (считая от найденного максимума), что также подтверждается на фиг. 4. Поэтому по максимальным значениям 1 и 1, запомненным микропроцессором, вычисляется значение(11(/2. По калиброванным значениям 1(0), 1(0), заложенным в память микропроцессора, вычисляется однозначная функция (1(0)1(0/2,значение которой равнопри ВВ 0. Следовательно В - есть значение модуля индукции магнитного поля в плоскости пленки, причем оно не зависит от величины гистерезиса (1(0)-1(0(1(-0)-1(-0. Кроме того, при перемагничивании пленки элемента 1 по не предельным, а частным петлям магнитного гистерезиса, функции 1(0) и 1(0) симметричны относительно линии (В 0)(1(0)1(0/2, поэтому (В 0)(1(0)1(0/2(В 0), а это означает, что магнитная предыстория пленки не влияет на результаты вычисления В. Величина вектора индукции магнитного поля, перпендикулярная плоскости подложки 2, определяется по показаниям второго магниточувствительного элемента (полупроводникового), функционирующего на классическом эффекте Холла. ЭДС Холла, снимаемая с потенциальных электродов 8 и 8, подается на другой масштабирующий усилитель 16, и по выходному сигналу 2 микропроцессор 17 вычисляет В. Значение модуля вектора ин и индицируется на редукции магнитного поля определяется по формуле 22 гистраторе 18 (например на табло). Для повышения чувствительности полупроводникового элемента 6 его целесообразно запитывать от блока 14 импульсным током с большой скважностью импульсов. Таким образом, поставленная задача - повышение точности измерений обуславливается несколькими причинами учетом гистерезиса магнитопленочного чувствительного элемента, минимальным разнесением в пространстве магниточувствительных элементов(подложка изимеет толщину 150-250 мкм и высокую плоскопараллельность граней) по одной из координатных осей и отсутствием разнесения по двум другим координатным осям (используется один магнитопленочный элемент для измерения индукции магнитного поля в плоскости подложки), а также отсутствием юстировки магниточувствительных элементов и выполнение их миниатюрными. Новым является использование двух магниточувствительных элементов, которые формируют соответственно только два выходных сигнала, а не три и более, причем процессорная обработка которых обеспечивает измерение величины индукции магнитного поля, вектор которой произвольно направлен в пространстве. Следовательно, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий средство, воплощающее заявленную полезную модель, при ее осуществлении, предназначено для использования в измерительной технике и устройствах автоматики для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в ниже изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов средство, воплощающее заявленное, при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.