Твердотельный датчик магнитного поля

Изобретение относится к области измерительной техники и твердотельной электроники и может быть использовано при создании миниатюрных датчиков магнитного поля для применения в магниточувствительных электронных микросистемах управления приводами, бесконтактных переключателях, дефектоскопии, при создании мобильных магнитолокаторов наземного воздушного и космического базирования и аппаратуры навигации. Сущность изобретения заключается в том, что твердотельный датчик магнитного поля содержит пьезоэлектрик, на котором расположены электроды для связи с устройством регистрации напряжения, и магниточувствительный элемент, связанный с источником переменного тока, при этом он дополнительно содержит алмазную мембрану, а пьезоэлектрик и магниточувствительный элемент выполнены в виде тонких пленок, при этом пленка пьезоэлектрика расположена поверх алмазной мембраны, а магниточувствительный элемент расположен на поверхности пьезоэлектрика. Технический результат - повышение пороговой чувствительности датчика и расширение его динамического диапазона. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и твердотельной электроники и может быть использовано при создании миниатюрных датчиков магнитного поля для применения в магниточувствительных электронных микросистемах управления приводами, бесконтактных переключателях, дефектоскопии, при создании мобильных наземного воздушного и космического базирования магнитолокаторов и аппаратуры навигации.

Известно устройство индукционных феррозондовых первичных преобразователей магнитного поля (феррозондовый датчик) [1], содержащее многовитковую катушку на сердечнике из магнитного материала.

Недостатками феррозондовых датчиков являются низкие эксплуатационные параметры, а именно необходимость их термостабилизации и высокое энергопотребление, поскольку феррозондовые датчики работают в токовом режиме. Объем большинства конструкций феррозондов составляет от единиц до сотен кубических сантиметров.

Известно обладающее аномально высокой чувствительностью к магнитному полю - порядка 10-14-10-18 Тл устройство сверхпроводящего квантового интерференционного датчика (СКВИД) [2] на эффекте Джозефсона, содержащее на жесткой подложке магниточувствительный элемент, выполненный из сверхпроводящего тонкопленочного материала. Чувствительность СКВИДов, как правило, определяется материалом магниточувствительного элемента. Чувствительность на уровне 10-14 Тл характерна для СКВИДов, использующих магниточувствительный элемент из высокотемпературных сверхпроводящих материалов, а 10-18 Тл - для СКВИДов, изготовленных из низкотемпературных сверхпроводящих материалов.

Недостатком СКВИДов является необходимость системы охлаждения до криогенных температур, что увеличивает габаритные размеры, энергопотребление и снижает эксплуатационные параметры устройств с использованием СКВИДов.

Известно миниатюрное на одном кристалле, твердотельное устройство измерителя магнитных полей на эффекте Холла (датчик Холла) [3], содержащее на диэлектрической подложке магниточувствительный элемент, выполненный из тонкопленочного полупроводникового материала. На магниточувствительном элементе располагаются 4 электрода - 2 токовых и 2 потенциальных, позволяющих получить информационный сигнал от постоянных и переменных магнитных полей.

Недостатком датчиков Холла является низкая пороговая чувствительность, которая не превышает 10-6 Тл.

Известно устройство твердотельного датчика магнитных полей, использующее пьезоэлектрический эффект [4], содержащее магниточувствительный элемент на пьезоактивном материале. Пьезоактивный материал представляет собой пластину из монолитного пьезоэлектрика. Магниточувствительный элемент представляет собой проводник тока, выполненный из токопроводящего материала, который находится в контакте с поверхностью пьезоэлектрика. На обеих поверхностях пьезоэлектрика располагаются электроды, позволяющие регистрировать информационный сигнал о величине механических деформаций пьезоэлектрика.

Преобразование магнитного поля в электрический сигнал происходит под действием силы Ампера, действующей на магниточувствительный элемент (проводник с током) со стороны поля и вызывающей деформацию пластин пьезокерамики. Электроды на внешних поверхностях пластины регистрируют электрический сигнал, пропорциональный величине магнитного поля.

Недостатком устройства на пластине из монолитной пьезокерамики является низкая пороговая чувствительность и узкий диапазон регистрируемых магнитных полей, определяемых конструкцией устройства.

Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного устройства.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по изменению конструкции датчика магнитного поля путем формирования на мембране из алмазной пленки магниточувствительного элемента и пьезоактивного материала в объеме одного модуля.

Получаемый при этом технический результат заключается в повышении пороговой чувствительности датчика и расширении его динамического диапазона.

Указанный технический результат достигается тем, что в твердотельный датчик магнитного поля, содержащий пьезоэлектрик, на котором расположены электроды для связи с устройством регистрации напряжения и магниточувствительный элемент, связанный с источником переменного тока, дополнительно введена алмазная мембрана, пьезоэлектрик и магниточувствительный элемент выполнены в виде тонких пленок, при этом пленка пьезоэлектрика расположена поверх алмазной мембраны, а магниточувствительный элемент расположен на поверхности пьезоэлектрика.

Находящиеся на пьезоэлектрике электроды для связи с устройством регистрации напряжения могут быть расположены как на одной стороне пьезоэлектрика, так и с разных сторон таким образом, что один из электродов может быть нанесен непосредственно на алмазную мембрану и располагаться между алмазной мембраной и пьезоэлектриком.

Повышение пороговой чувствительности и расширение динамического диапазона достигаются благодаря малой механической жесткости мембраны и, как следствие, возрастанию амплитуд механических деформаций (изгибных, продольных, поперечных) в тонкопленочном пьезоэлектрике и увеличению электрического напряжения на его электродах, а также за счет одновременного воздействия и сложения в магнитном поле силы Ампера и магнитострикционного эффекта, действующих на пьезоэлектрик со стороны магниточувствительного элемента.

Конструкция датчика приведена на фиг. 1а и 1б. Принцип работы датчика при воздействии магнитного поля приведен на фиг.2а и 2б. Датчик представляет собой тонкопленочную конструкцию, выполненную в едином модуле, где 1 - мембрана из алмазной пленки, концы которой закреплены на интегральной схеме (ИС) и кремниевой подложке, 2 - тонкопленочный пьезоэлектрик, 3 - тонкая пленка из магниточувствительного материала. Электроды 4 и 5 на поверхности магниточувствительного элемента соединены с источником переменного тока, электроды 6 и 7 пьезоэлектрика соединены с элементами управления и контроля на базе ИС. На фиг.1а электроды 6 и 7 расположены на одной стороне пьезоэлектрика, а на фиг. 1б электрод 6 находится на одной стороне, а электрод 7 - на противоположной стороне между пьезоэлектриком и алмазной мембраной.

Алмазная мембрана 1 сформирована таким образом: на одну поверхность подложки кремния (Si) методом химического пароосаждения (CVD) из газовой смеси CH4 и H2 напыляют алмазную пленку толщиной 300-500 нм, достаточную для придания прочности конструкции в устройстве мембранного типа благодаря высоким механическим свойствам алмазной пленки. При напылении концентрация Н2 должна быть не ниже 97,5 вес.%, что исключает образование в алмазной пленке углеродных фаз, кристаллизующихся в структуре графита. Перед напылением алмазной пленки закрывают теневой маской ИС. Затем с использованием жидкостного травления частично удаляют кремниевую подложку, оставляя небольшую ее часть в качестве опоры для мембраны.

Материал пьезоэлектрика - сегнетоэлектрик, толщиной 150-200 нм, состава Ba0,2Sr0,8TiO3, сформирован методом ВЧ реактивного распыления в среде кислорода при условиях: давление кислорода 0,4 Торр, мишень - поликристаллическая, состав Ba0,2Si0.8TiO3, температура структуры в процессе напыления 640°С на алмазной мембране.

Магнитострикционный материал - никель, толщиной 150-200 нм сформирован на пьезоэлектрическом материале методом электронно-лучевого распыления при условиях: остаточное давление 10-5 mBar, мощность источника 5 кВт, температура структуры в процессе напыления 150°С.

Контакты толщиной 300-400 нм выполнены из алюминия магнетронным распылением в среде аргона, причем для конструкции, представленной на фиг 1б, контакт наносится на алмазную мембрану перед напылением пьезоэлектрика.

Работает датчик следующим образом. При воздействии магнитного поля F на магниточувствительный элемент 3, который представляет собой проводник с током из токопроводящего магнитострикционного материала (никель) и который с помощью контактов 4,5 подсоединен к источнику переменного тока, действует как сила Ампера, так и магнитострикционный эффект - сила, стремящаяся изменить линейные размеры магниточувствительного элемента. В результате воздействия двух сил (динамических - за счет изменение линейных размеров пленки никеля и силы Ампера) в тонкопленочном пьезоэлектрике 2, расположенном на алмазной мембране 1, возникают механические напряжения, приводящие к его механической деформации, и генерации, вследствие пьезоэффекта, электрического напряжения на электродах 6 и 7 пьезоэлектрика. Величина электрического напряжения на электродах 6 и 7 соответствует величине механических деформаций в пьезоэлектрике 2 и пропорциональна величине магнитного поля F.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет регистрировать магнитные поля порядка 10-14-10-18 Тл. Параметры твердотельного датчика магнитного поля приведены в таблице 1.

Таблица 1
Наименование параметра Значение параметра
пороговая чувствительность, Тл 10-14…10-8
диапазон частот переменных магнитных полей, Гц 101…103
постоянная времени, с 10-5…10-6
вес, г - не более 0,5
диапазон рабочих температур, °С -100…+100

ЛИТЕРАТУРА

1. Афанасьев Ю.В. «Феррозонды». Л.: «Энергия», 1969 г., 166 с.

2. Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с джозефсоновскими контактами. 1978 г. М.: Наука, 387 с.

3. Бараночников М.Л. «Микромагнитоэлектроника», том 1. 2001 г. Издание ДМК Пресс. 2001 г., 541 с.

4. Фетисов Ю.К. и др. Патент на полезную модель №94721. (Заявка №2010109760/22). Датчик магнитного поля, 2010 г. МПК G01R 33/02

1. Твердотельный датчик магнитного поля, содержащий пьезоэлектрик, на котором расположены электроды для связи с устройством регистрации напряжения, и магниточувствительный элемент, связанный с источником переменного тока, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алмазную мембрану, а пьезоэлектрик и магниточувствительный элемент выполнены в виде тонких пленок, при этом пленка пьезоэлектрика расположена поверх алмазной мембраны, а магниточувствительный элемент расположен на поверхности пьезоэлектрика.

2. Твердотельный датчик магнитного поля по п.1, отличающийся тем, что электроды расположены на одной стороне пленки пьезоэлектрика.

3. Твердотельный датчик магнитного поля по п.1, отличающийся тем, что один из электродов расположен между алмазной мембраной и пьезоэлектрической пленкой, а второй - на ее противоположной стороне.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам и может быть использовано для измерения трех ортогональных компонент вектора индукции магнитного поля Земли и выдачи сигналов, пропорциональных измеренным компонентам, в виде цифрового кода.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для преобразования переменного магнитного поля в электрическое напряжение в составе измерительной аппаратуры и в различных системах автоматического управления, а также в качестве питающего элемента.

Изобретение относится к информационно-измерительной технике, в частности к магнитометрии, и может быть использовано для получения и визуализации распределенных в пространстве и периодически изменяющихся во времени магнитных полей внутри тела с неоднородными магнитными свойствами без механического проникновения в него.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для выбора безопасных для человека мест его жизнедеятельности и определения местоположения скрытой электропроводки при проведении ремонтных работ.

Изобретение относится к измерению электрических и магнитных величин, а именно к устройствам и способам измерения напряженности магнитных полей. .

Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам и может быть использовано для измерения трех ортогональных компонент вектора индукции магнитного поля Земли и выдачи сигналов, пропорциональных измеренным компонентам в виде цифрового кода.

Изобретение относится к электрическим испытаниям на восприимчивость к электромагнитному полю (ЭМП) изделий электрооборудования и/или электронных систем автотранспортных средств (АТС) в заданном диапазоне частот, при котором испытуемые изделия подвергают воздействию от одного или нескольких источников поляризованного ЭМП, параметры которого выбирают из условий: Здесь hi - шаг перестройки воздействующего ЭМП по частоте; Q - параметр, задаваемый вначале испытаний; fнi - несущая частота воздействующего ЭМП; Ев - напряженность воздействующего ЭМП; Еmin.доп - минимально-допустимый уровень электромагнитной стойкости изделий электрооборудования; fmin - наименьшая граничная частота в заданном диапазоне частот.

Изобретение относится к области измерительных приборов для научных исследований. .

Изобретение относится к устройствам, использующим магнитометрию на железных дорогах, в частности измерению напряженности магнитного поля в рельсовых стыках. .

Изобретение относится к области измерения параметров магнитного поля конструкций из ферромагнитного материала, например корпуса судна

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для измерений магнитного поля надводного или подводного объекта при наладке его системы электромагнитной компенсации

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов и явлений

Изобретение относится к датчиковому устройству измерения магнитного поля. Датчиковое устройство измерения магнитного поля содержит датчиковую часть, которая включает в себя магнитоимпедансное устройство, имеющее магнитную аморфную структуру; стержневую часть сердечника, которая направляет магнитное поле к магнитной аморфной структуре и расположена в продольном направлении относительно магнитной аморфной структуры; и средство подавления магнитного поля, которое создает корректирующее магнитное поле, которое подавляет магнитное поле окружающей среды, обусловленное земным магнетизмом, входящее в магнитную аморфную структуру. Технический результат - повышение эффективности измерений при подземной электромагнитной разведке. 12 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к феррозондовым навигационным магнитометрам и может быть использовано для измерения трех ортогональных компонент вектора индукции магнитного поля Земли. Сущность изобретения заключается в том, что цифровой феррозондовый магнитометр содержит задающий генератор, выход которого соединен с входом логического блока, выход которого соединен с входом формирователя синусоиды, выход которого соединен с первыми входами трех феррозондов, выходы которых соединены с входами трех избирательных усилителей, выходы которых соединены с входами трех устройств выборки-хранения, первые выходы которых соединены со вторыми входами трех феррозондов, при этом в него введены три мультиплексора и три инвертора, входы которых соединены с третьими выходами трех устройств выборки-хранения, а выходы соединены со вторыми входами трех мультиплексоров, первые входы которых соединены со вторыми выходами трех устройств выборки-хранения, а выходы соединены с входами трех аналого-цифровых преобразователей. Технический результат - повышение быстродействия устройства. 2 ил.

Изобретение относится к поверке магнитоизмерительных систем, в том числе предназначенных для поиска ферромагнитных объектов, без демонтажа входящих в систему магнитометрических средств. Трехкомпонентную меру магнитного момента ориентируют вдоль осей координат системы поиска, устанавливают на некотором расстоянии от системы и задают компоненты радиус-вектора от центра системы координат до центра меры. Затем воздействуют на систему полем заданного магнитного момента, воспроизводимого мерой, и по показаниям бортовых магнитометрических средств определяют (косвенно измеряют) координаты источника магнитного поля и компоненты его магнитного момента. После этого определяют погрешности всей системы как разности между измеренными и заданными величинами, а также определяют погрешности каждого магнитометрического средства. Техническим результатом заявленного способа является определение погрешностей системы поиска с учетом погрешностей, вносимых носителем этой системы. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к средствам для обеспечения жизнедеятельности инвалидов по зрению, а именно предназначено для получения информации и облегчения ориентации незрячих людей в пространстве. Способ ориентации в пространстве, навигации и информирования людей с нарушением зрительных функций заключается в том, что с помощью радиомаяка, размещаемого в одном месте ориентации, передают радиосигналы, а с помощью находящегося у человека радиоинформатора принимают эти радиосигналы и передают их на устройство воздействия на человека, сигнализируя о близком нахождении места ориентации. При этом первоначально с помощью радиоинформатора передают радиосигналы, а передачу радиосигналов с помощью радиомаяка осуществляют после приема им радиосигналов от радиоинформатора, информирующих о нахождении человека в зоне обнаружения. При приеме радиосигнала радиоинформатором измеряют интенсивность принятого радиосигнала, в зависимости от него изменяют значение параметра воздействия на человека и определяют направление приближения к радиомаяку. Система содержит радиомаяк для размещения в месте ориентации и радиоинформатор, находящийся у человека. Радиомаяк включает источник и приемник радиосигналов и блок управления. Радиоинформатор включает источник и приемник радиосигналов, который соединен с устройством воздействия на человека. Использование изобретения позволяет повысить точность ориентации и не загромождает эфир лишней радиоинформацией. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к инвазивным медицинским устройствам. Медицинский зонд содержит вводимую трубку, имеющую продольную ось и дистальный конец, дистальный кончик, расположенный на дистальном конце вводимой трубки и сконфигурированный для введения в контакт с тканью тела, стык, который соединяет дистальный кончик с дистальным концом вводимой трубки, и датчик стыка, заключенный внутри зонда, для распознавания положения дистального кончика относительно дистального конца вводимой трубки, причем датчик стыка содержит первый и второй подузлы, которые расположены внутри зонда на противоположных соответствующих сторонах стыка, и каждый подузел содержит один или более магнитных измерительных преобразователей. Стык содержит упругий элемент, который сконфигурирован, чтобы деформироваться в ответ на давление, прикладываемое на дистальный кончик, когда он входит в соприкосновение с тканью, при этом упругий элемент содержит трубчатую деталь из эластичного материала, имеющую винтовой срез вдоль части длины детали. Устройство для исполнения медицинской процедуры включает зонд и процессор, который присоединен с возможностью подавать ток к одному из первого и второго подузлов, заставляя тем самым один из подузлов генерировать, по меньшей мере, одно магнитное поле, и для приема и обработки одного или более сигналов, выводимых другим из первого и второго подузлов относительно указанного, чтобы обнаруживать изменения в положении дистального кончика относительно дистального конца вводимой трубки. Устройство для обнаружения перемещения стыка в узле содержит первый и второй сенсорные подузлы, которые расположены внутри узла на противоположных соответствующих сторонах стыка, при этом каждый подузел содержит один или более магнитных измерительных преобразователей, и процессор, выполненный с возможностью обнаруживания посредством обработки одного или более сигналов осевое сжатие стыка и угловое отклонение стыка. Способ выполнения медицинской процедуры на ткани в теле пациента включает применение в теле зонда и продвижение его таким образом, чтобы дистальный кончик входил в соприкосновение и прикладывал давление на ткань, подачу тока к одному из первого и второго подузлов и прием и обработку одного или более сигналов, выводимых другим из первого и второго подузлов относительно указанного, по меньшей мере, одного магнитного поля так, чтобы обнаруживать изменение в положении дистального кончика. Использование изобретения позволяет повысить надежность и легкость манипулирования катетером в теле. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предложен cпособ локализации источника магнитного поля дипольной модели. В способе одновременно измеряют приращения индукции магнитного поля между опорной точкой и точкой на каждой полуоси системы координат и измеряют расстояния между точками. Определяют по результатам измерений искомые радиус-вектор до источника и его магнитный момент. Опорную точку совмещают с центром системы координат, размер базы каждого приращения повышают до конструктивно удобного предела, при этом все искомые величины определяют численно без обращения к измерениям градиента. Техническим результатом является повышение точности и дальности локализации источника магнитного поля. 2 табл., 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой способ измерения напряжённости постоянного магнитного поля. Способ заключается в том, что конденсатор, диэлектриком которого является магнитострикционно-пьезоэлектрический композит, помещают в измеряемое постоянное магнитное поле, прикладывают заданное переменное магнитное поле и измеряют разность соседних амплитуд выходного гармонического сигнала, которая равна произведению напряжённости постоянного магнитного поля на величину, характеризующую чувствительность структуры. 1 табл., 3 ил.
Наверх