Пороговое магниточувствительное устройство

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Пороговое магниточувствительное устройство, содержащее гибридную интегральную схему в корпусе,включающую подложку, элемент Холла, токовые электроды которого через резисторы подключены к источнику питания схемы, а холловские - к входу дифференциального усилителя, охваченного положительной обратной связью, электрические элементы коррекции усилителя, отличающееся тем, что элемент Холла выполнен в форме круга из тонкой магниточувствительной пленки ферромагнетика с возможностью функционирования на планарном эффекте Холла, а на корпусе выполнены две линии отметок, соответствующие наиболее рациональному приложению внешнего магнитного поля и направленные под углом 45 к направлению тока, протекающего в пленке. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве магниточувствительной пленки использована магнито-изотропная в плоскости подложки пленка , причем отношение диаметра круга магниточувствительной пленки к ее толщине превышает величину начальной магнитной проницаемости материала, из которого изготовлена пленка. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве магниточувствительной пленки использована одноосно-анизотропная в плоскости подложки пленка , причем ось легкого намагничивания составляет угол в 45 с направлением тока, протекающего в пленке, а ось трудного намагничивания лежит в плоскости пленки и перпендикулярна оси легкого намагничивания таким образом, что оси параллельны линиям отметок на корпусе. 3714 1 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве магниточувствительной пленки использована однонаправлено-анизотропная в плоскости подложки пленка (8119)1- , где 00,1, причем направление легкого намагничивания составляет угол 45 с направлением тока, протекающего в пленке, таким образом, что направление легкого намагничивания совпадает с направлением одной из линий отметок на корпусе.(56) 1. Микросхемы Холла серии К 1116 КП. Параметры и их применение. - М. Гиперон, 1991. - С. 58. 2. Васильев И.И., Демьянюк В.Н., Ярмолович В.А. Интегральный пороговый датчик Холла//Радиопромышленность. - 1991 -9. - С. 44-46. 3. Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах Справочник/Под ред. Н.Н. Евтихиева и др. - М. Радио и связь, 1987. - С. 282. 4. Технология тонких пленок Справочник/Под ред. Л. Майссела и др. Т. 2. - М. Советское радио, 1977. С. 488-494, 523-524. 5.1489397 1, 1995. 6.2012008 1, 1994. 7.2151848 , 1985. 8.0660128 1, 1995. 9.0632475 , 1994. 1098/38519 1, 1998. Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к гибридным интегральным схемам и может использоваться в качестве электронных ключей, управляемых внешним магнитным полем в разнообразных технических устройствах. Известны магнитоуправляемые интегральные логические микросхемы, например К 1116 КП 1, К 1116 КП 2,К 1116 КПЗ, К 1116 КП 4, К 1116 КП 7, К 1116 КП 8, К 1116 КП 9, К 1116 КП 10, принцип действия которых основан на изменении сигнала на их выходе при воздействии внешнего магнитного поля 1, т.е. микросхемы выполняют функции электронных ключей, управляемых магнитным полем. Микросхемы этой серии представляют собой устройства малой степени интеграции, содержащие в одном кремниевом кристалле преобразователь магнитного поля, т.е. четырехэлектродный элемент Холла и электронное устройство усиления и обработки сигнала. Микросхемы изготавливают по эпипланарной технологии и обычно оформляют в трех или пяти выводном пластмассовом корпусе с жесткими плоскими выводами. В основе работы электрической схемы используется усиление выходного сигнала с элемента Холла дифференциальным усилителем, к выходу которого подключен триггер Шмитта. По реакции на воздействие внешнего магнитного поля микросхемы подразделяют на униполярные, уровень напряжения на выходе которых зависит от значения индукции магнитного поля одной полярности, и биполярные, уровень выходного напряжения которых зависит как от значения индукции, так и от знака (полярности) воздействующего магнитного поля. Униполярные микросхемы имеют прямой выход, сигнал на котором в отсутствие магнитного поля соответствует логической единице. При повышении индукции внешнего магнитного поля до значения Всраб. происходит переключение микросхемы и уровень сигнала на ее выходе скачком изменяется до логического нуля. Всраб. - индукция срабатывания, т.е значение индукции внешнего магнитного поля, при котором происходит переключение выходного напряжения с высокого уровня на низкий. Наоборот, если индукцию внешнего магнитного поля уменьшить до величины Вотп., происходит переключение микросхемы в обратном направлении, т.е. на уровень соответствующий логической единице. Вотп. - индукция отпускания, т.е. значение индукции внешнего магнитного поля, при котором происходит переключение выходного напряжения с низкого уровня на высокий. При этом микросхема обладает магнитным гистерезисом В, представляющим собой разность между индукцией срабатывания и индукцией отпускания. Характерные значения В составляют (3-9) мТл. Величины максимальных и минимальных значений Всраб. и Вотп. варьируются в зависимости от серии. Однако общим недостатком для такого рода устройств являются большие значения величин индукции срабатывания и индукции отпускания (порядка 30-80 мТл), что требует применения совместно с микросхемами достаточно сильных источников магнитного поля. В связи с общей тенденцией к миниатюризации в электронике это не всегда возможно либо трудно выполнимо (т.е. необходимо применение миниатюрных редкоземельных магнитов типа 5, что дорого). Снизить величины Всраб. и Вотп. крайне трудно из-за того, что кремниевые элементы Холла имеют низкую чувствительность к магнитному полю и большое остаточное напряжение неэквипотенциальности, а также высокий уровень собственных шумов. Традиционно считается, что лучшими элементами Холла являются тонкопленочные преобразователи с высокой подвижностью носителей заряда, т.е. на полупроводниках А 3 В 5, напримери . Но они несовместимы с кремниевой технологией изготовления магниточувствительного элемента и электронной схе 2 3714 1 мы обработки сигнала в едином кристалле, поэтому пороговые устройства с использованием полупроводников А 3 В 5 изготавливают по гибридной технологии. Наиболее близким по технической реализации является интегральный пороговый датчик Холла 2, выполненный по гибридной тонкопленочной технологии. Устройство 2 (прототип) содержит гибридную интегральную схему, включающую подложку, элемент Холла из, токовые электроды которого через резисторы подключены к источнику питания схемы, а холловские к дифференциальному усилителю, охваченному положительной обратной связью и электрические элементы коррекции усилителя. Выходные напряжения, соответствующие напряжению логической единицы и логического нуля соответственно равнялись 10,2 В и 1,3 В. Устройство функционирует так же, как и ранее описанное. Получены значения индукции срабатывания и отпускания, меньше чем в 1, в полтора-два раза, что однако кардинально не решает проблему снижения уровня источников магнитного поля, воздействующих на магниточувствительную схему. Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности к уровню магнитных полей за счет снижения величин индукции срабатывания и индукции отпускания до величин менее 1,5 мТл. Решение данной задачи достигается тем, что 1. Пороговое магниточувствительное устройство содержит гибридную интегральную схему в корпусе,включающую подложку, элемент Холла, токовые электроды которого через резисторы подключены к источнику питания схемы, а холловские - к входу дифференциального усилителя, охваченного положительной обратной связью, электрические элементы коррекции усилителя и отличается тем, что элемент Холла выполнен в форме круга из тонкой магниточувствительной пленки ферромагнетика с возможностью функционирования на планарном эффекте Холла, а на корпусе выполнены две линии отметок, соответствующие наиболее рациональному приложению внешнего магнитного поля и направленные под углом 45 к направлению тока, протекающего в пленке. 2. Устройство по п. 1 отличается тем, что в качестве магниточувствительной пленки использована магнитно-изотропная в плоскости подложки пленка , причем отношение диаметра круга магниточувствительной пленки к ее толщине превышает величину начальной магнитной проницаемости материала, из которого изготовлена пленка. 3. Устройство по п. 1 отличается тем, что в качестве магниточувствительной пленки использована одноосно-анизотропная в плоскости подложки пленка , причем ось легкого намагничивания составляет угол в 45 с направлением тока, протекающего в пленке, а ось трудного намагничивания лежит в плоскости пленки и перпендикулярна оси легкого намагничивания таким образом, что оси параллельны линиям отметок на корпусе. 4. Устройство по п. 1 отличается тем, что в качестве магниточувствительной пленки использована однонаправлено-анизотропная в плоскости подложки пленка (8119)1-, где (0 х 0,1), причем направление легкого намагничивания составляет угол 45 с направлением тока, протекающего в пленке, таким образом,что направление легкого намагничивания совпадает с направлением одной из линий отметок на корпусе. Сопоставительный анализ с прототипом и с аналогами показывает, что в предлагаемом техническом решении новым является изготовление элемента Холла из магниточувствительной пленки ферромагнетика,функционирующей на планарном эффекте Холла, в то время как в остальных технических решениях используются полупроводниковые элементы Холла. Поскольку управление гибридной микросхемой должно осуществляться магнитным полем, лежащим в плоскости подложки, направленным под определенным углом к току, протекающему в элементе Холла, то необходимым является указание наиболее рационального приложения внешнего магнитного поля, т.е. наличие линий отметок на корпусе. Эти признаки обеспечивают соответствие технического решения критерию новизна. Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с другими техническими решениями показал, что существуют сходные признаки в выполнении отдельных элементов устройства. Например, известно выполнение элемента Холла в форме круга из пленки ферромагнетика, функционирующего на планарном эффекте 3 для фиксации числа передвигающихся доменов. Известны способы изготовления пленок магнито-анизотропными в плоскости подложки 4, т.е. одноосно-анизотропными и однонаправленноанизотропными. Однако гибридная интегральная схема, взятая в совокупности составляющих ее элементов,заявляемых в настоящем техническом решении, обеспечивает проявление новых свойств, не равных сумме используемых. Уменьшаются величины индукции срабатывания и индукции отпускания в несколько десятков раз, что эквивалентно увеличению чувствительности к магнитному полю, а значит, и возможности управления с помощью миниатюрных источников магнитного поля. Этот факт легко понять на примере магнитного гистерезиса В, т.е. разницы между индукцией срабатывания и индукцией отпускания. В известных технических решениях 1, 2 определяется только схемным решением, поскольку чувствительность стандартных элементов Холла к магнитному полю не имеет гистерезисных свойств. В элементах Холла, функционирующих на планарном эффекте Холла и выполненных из тонкой пленки ферромагнетика, чувствительность к магнитному полю является гистерезисной по своей сути. Поэтому проявляемые свойства предлагаемого устройства не являются следствием простого увеличения чувствительности элемента Холла,3 3714 1 вследствие его замены на элемент, функционирующий на планарном эффекте Холла. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию существенные отличия. Предлагается следующее устройство. На фиг. 1 изображено расположение элементов гибридной интегральной схемы на фиг. 2, 3 зависимости ЭДС магниточувствительной пленкиот приложенного внешнего магнитного поля Во для различных случаев 2(а) - изотропная пленка 2(б) - одноосно-анизотропная пленка, когда внешнее магнитное поле параллельно оси легкого намагничивания (ОЛ) 2(в) - одноосно-анизотропная пленка, когда внешнее магнитное поле перпендикулярно оси легкого намагничивания 3(а) - однонаправленно-анизотропная пленка, когда направление Во и направление легкого намагничивания совпадают 3(б) - однонаправленно-анизотропная пленка, когда направления Во и легкого намагничивания антипараллельны 3(в) - однонаправленноанизотропная пленка, когда направление легкого намагничивания составляет угол 90 с направлением внешнего магнитного поля. На фиг. 4(б) представлено выходное напряжение устройства вы. от величины внешнего магнитного поля Во, соответствующее гистерезисной зависимости ЭДС Холлаот величины Во, представленной на фиг. 4(а). Устройство содержит подложку 1 из ситалла с нанесенной магниточувствительной пленкой ферромагнетика 2, выполненной в форме круга. Токовые электроды 3 через тонкопленочные резисторы 4 подключены к источнику питания схемы через выводы 5 (источник питания не изображен). Холловские электроды 6 подключены к входу дифференциального усилителя 7, охваченного положительной обратной связью с помощью тонкопленочного электросопротивления 8. Безкорпусный дифференциальный усилитель 7 имеет элементы коррекции 9, и выход его связан с выводом микросхемы 10, на которой выходное напряжение, вырабатываемое устройством, соответствует либо логической единице, либо логическому нулю. Защитный корпус 11 имеет линии отметок 12 и 13, расположенные под углом 45 к току , протекающему в магниточувствительной пленке 2, и составляют между собой угол в 90. Эти линии отметок соответствуют наиболее рациональному приложению внешнего магнитного поля для управления гибридной микросхемой. Они выполнены либо без указания выделенного направления (например стрелкой), либо с таковыми в зависимости от типа магниточувствительной пленки. Микросхема выполнена по гибридной тонкопленочной технологии. Резисторы, проводники и контактные площадки были получены методом напыления на подложку из ситалла ст-50-1. Резистивный слой 3714 имел удельное поверхностное сопротивление на квадрат пленки 600 Ом. Суммарная толщина слоя металлизации составляла 0,8 мкм. Подсоединения безкорпусного дифференциального усилителя, внешних выводов и др. электрических элементов осуществлено пайкой -образным электродом. Устройство герметизировалось лаком 595. В качестве элемента 7 был применен стандартный усилитель марки 740 УД 3 с однополярным питанием 12 В. Устройство работает следующим образом. При воздействии магнитного поля величиной Во на пороговое магниточувствительное устройство по линиям отметок 12 или 13, соответствующим наиболее рациональному приложению внешнего магнитного поля, в пленке 2 наводится ЭДС Холла (ЭДС планарного эффекта Холла). Если внешнее магнитное поле Во лежит в плоскости пленки 2 и направлено под угломк направлению протекания токав магниточувствительной пленке, то ЭДС планарного эффекта изменится по величине в 2 раз. Поэтому без ограничения общности будем считать, что внешнее управляющее магнитное поле приложено соответствующим образом. ЭДС планарного эффекта Холла , снимаемая с выходов 6, является результатом существования эффекта поперечного магнитосопротивления пленки, т.е. возникает из-за анизотропии свойств ферромагнитных пленок в магнитном поле. Поэтому в зависимости от типа пленки 2 графикинесколько отличаются друг от друга. Если пленка, например , изготавливалась в магнитно-изотропных условиях (без приложения магнитного поля в процессе напыления или отжига), то зависимостьимеет вид, представленный на фиг. 2(а). Такие пленки будем называть магнитноизотропными в плоскости подложки. Если в процессе получения пленок приложить внешнее магнитное поле, то можно сформировать одноосно-анизотропные пленки 4. Зависимость планарной ЭДС Холла, наводимой в выводах 6 устройства, от величины внешнего магнитного поля Во представлена на фиг. 2(б) и 2(в) для одноосно-анизотропной пленки . При перемагничивании пленки внешним полем, совпадающим по направлению с осью легкого намагничивания ЛО, зависимостьимеет ярко выраженный гистерезисный характер (фиг. 2(б. Если Во воздействует вдоль оси трудного намагничивания и перпендикулярно оси ЛО, то при намагничивании преобладает процесс вращения магнитных доменов и линии гистерезиса практически схлопываются, что представлено на фиг. 2(в). Пленки состава (8119)1-, полученные в условиях приложения внешнего магнитного поля, обладают однонаправленной магнитной анизотропией, т.е. в них состояние наименьшей энергии достигается в том случае, когда намагниченность в пленке параллельна (но не антипараллельна) определенному легкому направлению в плоскости пленки. В одноосно, анизотропных пленках не выделяется ни одно из двух направлений ЛО, в противоположность однонаправленно-анизотропным. Поэтому в однонаправленноанизотропных пленках проявляются элементы магнитной жесткости, что приводит к смещению типичной зависимости ЭДС планарного эффекта Холла по оси Во, что представлено на фиг. 3(а) и 3(б), в зависимости 4 3714 1 от того параллельно либо антипараллельно направление Во направлению легкого намагничивания (ЛН). Случай, когда Во перпендикулярен направлению легкого намагничивания, зависимостьпо форме близка к зависимостямпервоначально магнитно-изотропным пленкам (фиг. 3(в. Таким образом, меняя тип магниточувствительной пленки, можно формировать сигнал на входе дифференциального усилителя 7 в соответствие с фиг. 2(а), 2(б), 2(в), 3(а), 3(б), 3(в). Пусть для определенности сигнал на входе 7 изменяется с изменением управляющего поля Во по фиг. 4(а). При отсутствии воздействия управляющего магнитного поля выходной сигнал магниточувствительного устройства равен 1 10,2 В, т.е. схема находится в первом стабильном состоянии. При увеличении внешнего магнитного поля положительной полярности до значения Всраб. ЭДС, снимаемая с выводов 6, достигает величины б., при котором происходит скачкообразное переключение выходного напряжения магниточувствительного устройства с напряжения 1 10,2 В до 2 -10,2 В. б. определяется электрическими параметрами схемы, и в данном случае составляло 5,8 мВ. Переключение устройства в первоначально стабильное состояние происходит при установлении сигнала на выводах 6 величины, равной отп. Напряжению отп., согласно фиг.4(а), может соответствовать интервал магнитных полей от минимального значения Вотп.до максимального Вотп. . Разница между величинами б. и отп. определяется величиной резистора 8, осуществляющего положительную обратную связь. Если индукция внешнего магнитного поля Во после достижения величины Всраб. начнет сразу уменьшаться,то изменениепойдет практически по той же линии графика, что и возрастание. Тогда отп. достигается при Вотп.Если Во после достижения величины Всраб. продолжает значительно увеличиваться, то при дальнейшем его уменьшенииопишет петлю гистерезиса и отп. будет получено при уровне поля Во,равном Вотп. . Все остальные случаи находятся внутри интервала Вотп.- Вотп.. Если изменить полярность приложенного магнитного поля Во, то принцип работы порогового магниточувствительного устройства не изменится. Только срабатывание устройства будет происходить в интервале магнитных полей от минимального значения - Вотп.до максимального Вотп.(фиг. 4(б. Еслисимметрично относительно начала координат, как в случае фиг. 2(а), 2(б), 3(в), то Всраб.Всраб., Вотп.Вотп. , Вотп.Вотп. , Поскольку в качестве магниточувствительной пленки 2 применена тонкая пленка ферромагнетика, то величины индукции срабатывания и отпускания не превышают 1,5 мТл. Посколькуявляется функцией геометрических размеров пленки, то необходимые размеры выбирались из следующих соотношений. Размагничивающий фактор или коэффициент размагничиванияв плоскости пленки для тонкой пленки в виде круга диаметроми толщинойприближенно описывается формулой / 4. Следовательно, индукция магнитного поля Вр внутри ферромагнитного тела(пленки 2) связана с величиной внешнего управляющего поля Во посредством формулы Аркадьева ВрВо 1/(1-1/)-1 , где- магнитная проницаемость вещества пленки. А поскольку ЭДС планарного эф 2 2 фекта Холла пропорциональна величине (Вр)2, т.е( 0 )01(11 ) . Причем магнитная прони цаемость пленкисама является функцией напряженности внешнего магнитного поля НоВо/о. Здесь о абсолютная магнитная проницаемость вакуума. Поэтому для получения достаточно высокой чувствительности пленки к магнитному полю (высокой величины ) необходимо выполнение условия /1/. А поскольку для очень тонких пленок , то /. При небольших Во подобычно подразумевают начальную магнитную проницаемость вещества пленки. Так как приемлемыми электрическими характеристиками обладают пленки ферромагнетика толщиной (10-30) нм, то диаметр магниточувствительной пленки целесообразно выбирать более 1 мм, а из соображений миниатюризации гибридной интегральной схемы этот размер обычно не должен превышать 5 мм, что и реализовано в настоящем примере. Приведенное техническое решение позволяет изготавливать пороговое магниточувствительное устройство, управляемое значительно меньшими величинами магнитных полей, чем существующие. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.