Датчик магнитного поля на эффекте Холла

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Датчик магнитного поля на эффекте Холла, содержащий миниатюрный элемент Холла и пару осесимметричных концентраторов магнитного потока, выполненных из материала с высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой, изготовленных в форме цилиндрических стержней с заостренными концами в виде усеченных конусов, расположенных меньшими основаниями навстречу друг другу и разнесенных на минимальное расстояние, равное толщине элемента Холла или чуть превышающее ее,причем угол между образующей усеченного конуса и его осью выбран в диапазоне 17,522,5, а элемент Холла размещен в зазоре концентраторов по оси конусов, отличающийся 82112012.04.30 тем, что стержни помещены в трубчатый корпус из немагнитного материала, элемент Холла размещен на меньшем основании конуса, диаметр которого равен или незначительно превосходит длину перекрестия пленочного элемента Холла, а стержни выполнены разъемными и содержатодинаковых секций и элементы крепления к ним. 2. Датчик магнитного поля на эффекте Холла по п. 1, отличающийся тем, что концентраторы магнитного потока выполнены из материала с высокой индукцией магнитного насыщения, например из супермендюра или армко-железа.(56) 1. Патент 2033661, МПК 601 43/04, 1995. 2. А.с. СССР 1698854, МПК 501 33/05, 1991. 3. Буслов И., Бауткин В., Драпезо А., Ярмолович В. Магнитомягкие концентраторы магнитного потока для сенсоров слабых магнитных полей // Электроника инфо. -1. 2011. - С. 31-34 (прототип). Заявляемая полезная модель относится к технике магнитных измерений и может быть использована для изготовления сенсоров слабых магнитных полей. Из уровня техники известен датчик магнитного поля 1, содержащий два концентратора трапецеидальной формы из магнитомягкого материала, расположенных с зазором, и магниточувствительный элемент Холла, скрепленный с одной из пластин на узком ее конце,причем пластины расположены параллельно друг другу с зазором между ними и с перекрытием узких концов, причем каждая пластина на узком конце содержит дополнительный участок в виде усеченной прямоугольной пирамиды, высота которой равна толщине пластины, зазор образован меньшими прямоугольными основаниями пирамиды, а элемент Холла расположен на меньшем основании. Этот датчик позволяет увеличить чувствительность к магнитному полю в 10 раз. В качестве примера конкретного исполнения авторы 1 описывают датчик магнитного поля, у которого концентраторы выполнены из магнитомягкого материала толщиной 0,3 мм, чувствительный элемент Холла имеет размеры 110,6 мм, а сторона трапеции 7 мм. Датчик в сборе имеет диаметр 15 мм и толщину 1,5 мм. Недостатком этого датчика является то, что его конструкция дает малую степень концентрации магнитного потока, и, как следствие, датчик имеет низкую чувствительность к магнитным полям. Также известен датчик для измерения слабых магнитных полей 2, обладающий большей чувствительностью по сравнению с 1. Датчик 2 состоит из двух плоских симметричных концентраторов магнитного потока, выполненных в виде пластин прямоугольной формы, изготовленных из материала с высокой магнитной проницаемостью и расположенных с зазором, в котором размещен элемент Холла. Толщина пластин равна размеру чувствительной зоны элемента Холла, а значение отношения ширины пластины к толщине и высоты пластины к толщине выбрано в пределах 20-1000. Как следует из графика,приведенного в 2, чувствительность к магнитному полю повышается в 20 раз при значительных размерах концентраторов магнитного потока. Недостатком датчика 2 является то, что его конструкция дает также небольшую степень концентрации магнитного потока, и, как следствие, датчик имеет низкую чувствительность к магнитным полям. Наиболее близким к заявляемому датчику магнитного поля на эффекте Холла является конструкция, описанная в 3 (прототип). В ней используется пара концентраторов магнитного потока, выполненных из материала с высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой в форме цилиндрических стержней с заостренными концами в 2 82112012.04.30 виде усеченных конусов, расположенных меньшими основаниями навстречу друг другу и разнесенных на минимальное расстояние , определяемое толщиной элемента Холла, размещенного в зазоре концентраторов, причем угол между образующей усеченного конуса и его осью выбран в диапазоне 17,5-22,5, а диаметр меньшего основания конуса равен или превосходит длину элемента Холла. Хотя коэффициент усиления магнитного потока (магнитной индукции) в зазоре концентраторов на порядок и более превосходит соответствующие коэффициенты датчиков 1 и 2, приведенная в 3 конструкция не является оптимальной, и ее можно улучшить. Известно, что коэффициент усиления магнитной индукции Ку, определяемый как отношение индукции магнитного поля в месте расположения элемента Холлак индукции внешнего однородного магнитного поля, в которое поместили датчик 0, т.е. Ку/0,сильно зависит, в первую очередь, от величины зазора и длины концентратора и в общем случае при больших 0 становится функцией от 0. В области слабых магнитных полей он не зависит от 0 и равен Ку(0)/0 при 00. Поэтому основным недостатком прототипа является относительно низкий Ку(0), а следовательно, и относительно низкая чувствительность в области слабых магнитных полей при заданных длинах концентраторов магнитного потока (длина каждого концентраторапо 100 мм обеспечивает максимальный Ку(0)404, а при длине концентраторов по 30 мм коэффициент усиления около 177 единиц при угле заострения 20). Другим недостатком конструкции является узкий диапазон внешних магнитных полей, измеряемых (преобразуемых) этим датчиком, т.е. диапазон отдо , где можно считать, что КуКу(0). Верхний диапазон ограничен индукцией насыщения материала концентратора , а в технике принято считать величиной0,9 . Его можно приближенно определить из условия Ку(0)0,9 , и для прототипа с максимальным 2,46 Тл для материала 1117 В 0,9/(0) не превышает величины 5,5 мТл (при 100 мм, Ку(0)404), а для ферритов в 3-4 раза меньше. Нижний предел диапазона ограничен в основном шумами элемента Холла (материалом полупроводниковой пленки, из которой он изготовлен), и для элемента Холла без концентратора магнитного потока эту величину без ограничения общности обозначим 1. Для датчика, содержащего концентраторы магнитного потока, эта величина уменьшается в Ку(0) раз, т.е.1/Ку(0). Следовательно, реализуется ситуация, когда увеличение Ку(0) расширяет диапазон регистрируемых внешних магнитных полей с нижнего предела диапазона, но сужает его по верхнему пределу. Поэтому задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение чувствительности датчика к магнитному полю, т.е. повышение Ку(0) и расширение диапазона регистрируемых магнитных полей. Датчик магнитного поля на эффекте Холла содержит элемент миниатюрный Холла и пару осесимметричных концентраторов магнитного потока, выполненных из материала с высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой, выполненных в форме цилиндрических стержней с заостренными концами в виде усеченных конусов, расположенных меньшими основаниями навстречу друг другу и разнесенных на минимальное расстояние, равное толщине элемента Холла, причем угол между образующей усеченного конуса и его осью выбран в диапазоне 17,5-22,5, а элемент Холла размещен в зазоре концентраторов по оси конусов. Он отличается тем, что стержни помещены в трубчатый корпус из немагнитного материала, элемент Холла размещен на меньшем основании конуса, диаметр которого равен или незначительно превосходит длину перекрестия пленочного элемента Холла, а стержни выполнены разъемными и содержатодинаковых секций и элементы крепления к ним. Датчик магнитного поля на эффекте Холла отличается также тем, что концентраторы магнитного потока выполнены из материала с высокой индукцией магнитного насыщения,например из супермендюра (справочно 2,8 Тл) или армко-железа. Для слабых магнитных полей можно также использовать высоконикелевый пермаллой. 3 82112012.04.30 По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых элементов,позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению чувствительности датчика к магнитному полю и расширению диапазона регистрируемых магнитных полей. Повышение чувствительности датчика при фиксированной длине концентраторов обусловливается двумя факторами, а именно уменьшением величины зазора (или толщины элемента Холла) и уменьшением площади меньшего основания конуса, когда его диаметр равен длине перекрестия пленочного элемента Холла, а не длине всего кристалла элемента Холла, как в прототипе. Расширение диапазона регистрируемых магнитных полей датчиком осуществляется за счет того, что длина концентратора, состоящая из суммарной длины секций, обусловливает регулирование усиления магнитного потока,следовательно, при увеличении внешнего магнитного поля путем уменьшения числа секций концентратора магнитного потока можно уменьшить коэффициент усиления Ку до величины, при которой концентратор не будет находиться в состоянии магнитного насыщения. Таким образом, можно подстраивать пределы диапазонаипредложенного датчика магнитного поля. Кроме того, концентраторы предпочтительно изготавливать из материала с высокой величиной индукции магнитного насыщения, а не из ферритов, что также способствует расширению диапазона регистрируемых магнитных полей. Для супермендюра с 2,8 Тл и одной секцией концентраторов магнитного потока, т.е. при 1, имеем 0,9/Ку(0)19,1 мТл, что превосходит аналогичноедля прототипа 5,5 мТл (концентратор из 1117). 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 в заявляемой полезной модели задачи. Проведенный комплексный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого датчика, показал, что заявляемый датчик соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-3. На фиг. 1 изображен датчик в разрезе вдоль его продольной оси. На фиг. 2 изображен используемый миниатюрный элемент Холла производства ГО НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, выполненный на основе гетероэпитаксиальной структуры с поперечными размерами кристалла 300300 мкм 3, областью перекрестия пленочного элемента в форме квадрата 3030 мкм и толщиной пленки -, равной 3 мкм. Уменьшение толщины элемента Холла осуществлялось механическим шлифованием подложки из - до толщины менее 70 мкм с дальнейшей приваркой золотого микропровода диаметром 20 мкм к контактным площадкам элемента Холла. Круг (поз. 15) - меньшее основание усеченного конуса концентратора магнитного потока. На фиг. 3 приведена расчетная зависимость индукции магнитного поля и Ку(0) как функция радиального смещения элемента Холлав концентраторе магнитного потока Электронный ресурс сайт в интернете //.-,расчет с использованием программы, версия 4.2). Параметры концентратора магнитного потока 1,6 мм 100 мкм 10 мм 22. Материал концентратора - супермендюр. Величина индукции внешнего магнитного поля 1 мкТл. В таблице приведены коэффициенты усиления магнитной индукции в зазоре концентратора при различных значениях длины концентратора для предложенного датчика и прототипа. 4 82112012.04.30 Значение Ку(0) Геометрические параметры,В предлагаемой полезной модели длина концентратора , мм В прототипе ( 1117)(супермендюр) 100 404 1006 (при 10) 80 820 (при 8) 60 635 (при 6) 30 177 355 (при 3) 10 132 (при 1) Датчик магнитного поля на эффекте Холла содержит миниатюрный элемент Холла 1 и пару осесимметричных концентраторов магнитного потока, изготовленных из материала с высокой магнитной проницаемостью, низкой коэрцитивной силой и высокой индукцией магнитного насыщения. Миниатюрный элемент Холла 1 (производства ГО НПЦ НАН Беларуси по материаловедению), выполненный на основе гетероэпитаксиальной структуры , содержит подложку из монокристаллического - 2, пленку полупроводника - 3 с магниточувствительной областью 4, выполненной в виде квадрата,золотые контактные площадки 5, нанесенные на пленку полупроводника 3, и золотые электрические выводы 6 (микропроволока), приваренные с помощью микросварки или термокомпрессии. Рабочая поверхность элемента Холла герметизирована слоем компаунда 7 (показан его кусочек). Его толщина в сборе не превышает величину зазора 100 мкм. Концентраторы помещены в трубчатый корпус 8 из немагнитного материала и зафиксированы компаундом 9. Стержни концентраторов 10, 11, 12 (на фиг. 1 показаны только три из ) выполнены разъемными изодинаковых секций и плотно могут крепиться друг к другу с помощью креплений 13 к ним и ферромагнитных прокладок 14, образуя единую магнитную цепь. Скрепленными концентраторы магнитного потока имеют вид цилиндрических стержней диаметром 1,6 мм с заостренными концами 15 (только первая секция) в виде усеченных конусов, расположенных меньшими основаниями навстречу друг другу и разнесенных на минимальное расстояние, равное толщине элемента Холла 100 мкм. Угол 22 между образующей усеченного конуса и его осью выбран в диапазоне 17,5-22,5, как в прототипе, а элемент Холла 1 размещен в зазоре концентраторов по оси конусов. Элемент Холла устанавливается на меньшем основании конуса с большой точностью (операция выполняется под микроскопом, например марки МБС-3),диаметр меньшего основания конуса равен или незначительно превосходит длину перекрестия 4 (в частном случае квадрата) пленочного элемента Холла 1. Датчик магнитного поля на эффекте Холла работает следующим образом. Вначале датчик калибруется в известном однородном поле соленоида с индукцией 0(магнитное поле должно быть слабым, например 01 мкТл), при этом определяются последовательно коэффициенты усиления магнитного потока для конструкции, содержащей первую секцию Ку 1 (0), первую и вторую секцию Ку 2(0), первую, вторую и третью секции Ку 3(0) и так далее до Ку(0). Для этого величины выходных сигналов с элемента Холлапересчитываются в величину индукции магнитного поляв зазоре концентраторов магнитного потока по формуле Ку/0/(0), где- магнитная чувствительность элемента Холла без концентратора (паспортные данные на элемент Холла при заданном токе питания). При эксперименте использовалось значение 258 мВ/Тл. Экспериментально определенные Ку(0) отличались от расчетных не более чем на 7-10 в зависимости от числа секций. При измерении датчик помещается в магнитное поле и по измеренной ЭДС Холлавычисляется искомая величина индукции магнитного поляпо формуле/(Ку),где Ку выбирается из ряда Ку 1(0), Ку 2(0), Ку 3(0), , Ку(0) в соответствии с числом секций в концентраторе магнитного потока. 82112012.04.30 Исходя из вышеизложенного, для заявленного датчика в том виде, как он охарактеризован в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый датчик соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6