Миниатюрный датчик магнитного поля

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИАТЮРНЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Миниатюрный датчик магнитного поля, 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, отличающийся тем, что 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, причем указанная структура подключена через резистор нагрузки к источнику постоянного стабилизированного напряжения, а указанный проводящий пленочный элемент 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. 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 узких зазорах и ограниченных по объему местах, в том числе в микроустройствах, работающих в течение длительного промежутка времени в сложных эксплуатационных условиях. Известно устройство для измерений слабых магнитных полей с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля 1, которое в одном из вариантов содержит три полупроводниковых, например, галлий-арсенидных элемента Холла с концентраторами магнитного потока, установленные в трех взаимно ортогональных плоскостях по граням немагнитного куба. Концентраторы выполнены из аморфного магнитного материала, т.е. металлического стекла с высокой проницаемостью. По форме концентратор магнитного потока состоит из двух симметричных половинок, которые сужаются к элементу Холла и, перекрываясь, обхватывают его. Таким образом, концентрация магнитного потока осуществляется в зазоре перекрытия, т.е. при изменении направления соответствующей компоненты вектора индукции магнитного поля на ортогональное, что является существенным недостатком конструкции магнитометрического зонда. Снижение точности измерений происходит из-за взаимного влияния усиления компонент индукции магнитного поля по ортогональным направлениям. Кроме того, устройство обладает повышенными габаритами и сложно в юстировке по трем взаимно ортогональным плоскостям при изготовлении датчика, а также при калибровке, поскольку необходимо обеспечивать совпадение каждой из трех нормалей к элементам Холла с вектором индукции калибрующего магнитного поля. Известен магниточувствительный датчик 2, наиболее близкий к предлагаемому (прототип), 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. Задачей настоящей полезной модели является расширение функций датчика на область проведения измерений магнитных полей с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля и упрощение процесса его калибровки. 92642013.06.30 Для решения поставленной задачи миниатюрный датчик магнитного поля 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. Датчик отличается тем, что указанная миниатюрная кристаллическая подложка закреплена на плоской поверхности магниточувствительного элемента, выполненного в форме диска из полупроводниковой структуры - типа, обладающей -эффектом 3, 4 и-образной вольт-амперной характеристикой, причем указанная структура подключена через резистор нагрузки к источнику постоянного стабилизированного напряжения, а указанный проводящий пленочный элемент 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. 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 предложенной полезной модели задачи, следовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности новизна. Заявляемая полезная модель поясняется фиг. 1-3. На фиг. 1 изображен заявляемый миниатюрный датчик магнитного поля. Размеры приведены ориентировочно. На фиг. 2 приведена электронная функциональная схема подключения элемента Холла и проводящего пленочного элемента в виде спирали. На фиг. 3 приведена электронная функциональная схема подключения полупроводниковой структуры типа, обладающей -эффектом, к источнику постоянного стабилизированного напряжения. Миниатюрный датчик магнитного поля содержит миниатюрную кристаллическую подложку из полуизолирующего арсенида галлия 1, эпитаксиальный пленочный элемент Холла электронного типа проводимости 2, например из полупроводникового соединенияс двумя токовыми и двумя холловскими контактами, проводящий пленочный элемент в виде спирали 3, содержащей два токовых контакта и окружающей элемент Холла 2. Топология пленочных элементов 2 и 3 формируется при помощи стандартных методов микроэлектроники средней точности. Токопроводящий спиральный пленочный слой 3 может быть выполнен из материала с высокой электрической проводимостью, например А, или может быть изготовлен из той же пленки, что и элемент Холла, но он имеет одинаковую с ним толщину. При использовании стандартных методов микроэлектроники и фотолитографического оборудования средней точности характерный размер кристаллической подложки 1 (миниатюрного квадрата) не более 1,51,5 мм. При использовании более прецизионного литографического оборудования он может быть значительно уменьшен. Миниатюрная кристаллическая подложка 1 закреплена (например, с помощью герметизирующего компаунда) на плоской поверхности магниточувствительного элемента 4,выполненного в форме диска из полупроводниковой структуры типа, содержащей электрические выводы 5 и 6 (обычно из золотого микропровода диаметром 20 мкм). Маг 3 92642013.06.30 ниточувствительный элемент 4 обладает -эффектом 3 и -образной вольт-амперной характеристикой. Способ формирования - и - областей такой структуры подробно описан в 4. Вектор индукции магнитного поля , на величину которого реагирует 4, прикладывается в плоскости, параллельной плоскости раздела - и - областей. Такие структуры поставляются фирмой, Россия, г. Москва (Институт проблем управления). Поскольку форма магниточувствительной полупроводниковой структуры 4 диск, то магнитная чувствительность 4 изотропна в плоскости параллельной плоскости раздела - и областей, и практически не зависит от составляющей вектора индукции магнитного поля- нормальной к пластине Холла 2. Магниточувствительный элемент 4 через резистор нагрузки н 2 подключен к источнику постоянного питающего напряжения п (источник питающего напряжения выполнен с функцией постоянной ЭДС, обычно 5-25 ) с соблюдением полярности. Плюс источника питания подключен к -области. Магниточувствительный элемент выполнен в виде полупроводниковой структуры, обладающей -эффектом с -образной вольтамперной характеристикой и частотно-импульсным выходным сигналом при величине индукции магнитного поля , превышающей 50 мТл. При величине индукции магнитного поля , меньшей чем 50 мТл, выходной сигнал аналоговый 3. Следует отметить, что 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 вольтамперной 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 4 является способность не только воспринимать внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в объеме кристалла без дополнительных электронных схем. Миниатюрный датчик магнитного поля работает следующим образом. Эпитаксиальный пленочный элемент Холла 2 работает по известному принципу действия традиционных элементов Холла через токовые контакты и ограничительные резисторы 1, 2 пропускают управляющий электрический ток, что вызывает под воздействием измеряемого магнитного поля с величиной компоненты индукциивозникновение на холловских контактах выходного сигнала н, пропорционального , т.е. Н, где- коэффициент пропорциональности, или величина магнитной чувствительности элемента Холла 2. Причины возникновения ЭДС Холла заключаются в изменении траектории движения носителей заряда в полупроводнике вследствие действия силы Лоренца при наличии внешнего магнитного поля. Проводящий спиральный пленочный элемент 3 подключен к источнику регулируемого тока, выполненному на основе транзисторов 1 и 2 (усилителю мощности). Регулирование осуществляется с помощью напряжения Н на элементе Холла 2, которое усиливается дифференциальным операционным усилителем (ОУ). При величине , отличной от нулевого значения, через спиральный элемент 3 проходит компенсационный ток комп., который создает магнитное поле противоположного направления. Таким образом, элемент Холла функционирует в режиме нуль-органа и поддерживает нулевое значение составляющей индукции магнитного поля, перпендикулярной пластине Холла в области расположения миниатюрного датчика. По величине выходного сигнала вых 1,снимаемого с резистора м (относительно нулевого потенциала, т.е точки 0), можно определитьвых 1/. По величине вых 2, снимаемого с н 2, определяется величина , при этом используется величина аналогового сигнала при 50 мТл или частотачастотно 4 92642013.06.30 импульсного сигнала при 501000 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 указанным датчиком. Калибровка датчика крайне проста, если известны величина индукции калибрующего магнитного поля и магнитная чувствительность элемента Холла. При произвольном размещении датчика в магнитном полекомпенсируется проходящим компенсационным током ком, т.е. она известнавых 1/, а величинаопределяется по величине вых 2 по ранее описанной методике. Для заявляемой конструкции миниатюрного датчика магнитного поля 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 заявляемого изобретения по сравнению с известными аналогами, содержащими трехкомпонентные магниточувствительные элементы, обычно размещенные в ортогональных плоскостях, является упрощение процесса его калибровки, а по сравнению с прототипом - расширение функций датчика на область проведения измерений магнитных полей с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля. Дополнительным преимуществом является простота его изготовления из известных магниточувствительных элементов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6