Датчик магнитной индукции



Датчик магнитной индукции
Датчик магнитной индукции
Датчик магнитной индукции

 


Владельцы патента RU 2490753:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) (RU)

Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным устройствам и может быть использовано как датчик магнитной индукции в составе измерительной аппаратуры и в различных системах ориентации и навигации летательных аппаратов. Датчик магнитной индукции включает изолирующую подложку, выполненную в виде прямоугольной пластины, кремниевый эпитаксиальный слой на поверхности изолирующей подложки, первый и второй токовые планарные электроды и первый и второй потенциальные (холловские) планарные электроды, токовые и потенциальные электроды попарно размещены на противоположных сторонах эпитаксиального слоя. Согласно изобретению в датчик введен контур обратной связи в виде прямоугольного витка, нанесенного на изолирующий слой, охватывающий токовые и потенциальные электроды, токовые и потенциальные электроды выполнены с барьерами Шоттки, введен дифференциальный операционный усилитель, ко входам которого подключены первый и второй потенциальные электроды, а выход операционного усилителя подключен к одному из концов витка обратной связи, таким образом, что обратная связь является отрицательной, второй конец витка обратной связи через нагрузочный резистор соединен с «землей». Изобретение обеспечивает увеличение стабильности работы и снижение уровня шумов устройства. 3 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным устройствам и может быть использовано как датчик магнитной индукции в составе измерительной аппаратуры и в различных системах ориентации и навигации летательных аппаратов.

Известны устройства для измерения магнитной индукции, например датчики, использующие эффект Холла, которые имеют чувствительность до 102 нТл. Конструктивно они представляют собой полупроводниковую пластину прямоугольной формы с двумя парами ортогонально расположенных электрических контактов [1]. Принцип действия таких устройств состоит в том, что при протекании электрического тока между одной парой контактов и под воздействием магнитного поля, вектор которого перпендикулярен вектору тока, возникает ЭДС Холла на другой паре электрических контактов. Величина ЭДС Холла определяется следующей зависимостью от физических и конструктивных параметров:

U Х о л л а = R x [ I × B ] , ( 1 )

где Rх - коэффициент Холла; I - вектор силы тока между токовыми электродами; B = μ 0 μ H - магнитная индукция внешнего поля, дейфствующая перпендикулярно вектору силы тока I ; µ0µ - абсолютная магнитная проницаемость среды (в данном случае магнитная проницаемость эпитаксиального слоя); H - магнитная напряженность внешнего поля,

Недостатком таких устройств является технологическая трудность обеспечения повторяемости от датчика к датчику малой толщины эпитаксиального слоя, а с этим и обеспечение повторяемости всех его характеристик.

Из полупроводниковых материалов, используемых для изготовления высокочувствительных датчиков магнитного поля наиболее пригодны материалы A3B5 с высокой подвижностью электронов, такие как антимонид индия InSb, арсенид индия InAs, арсенид галлия GaAs и др. Изготовление арсенидогаллиевых датчиков в тонкопленочном исполнении позволяет задавать толщину магниточувствительного слоя до нескольких единиц микрометров. В результате магнитная чувствительность эпитаксиальных арсенидогаллиевых датчиков магнитного поля достигнута до значений чувствительности кремниевых датчиков. Однако неограниченное уменьшение толщины магниточувствительной области и концентрации носителей заряда для достижения высоких значений UХолла приводит к таким негативным факторам, как увеличение остаточного напряжения датчика, рост входного и выходного сопротивлений, а также повышение уровня шумов и снижение стабильности работы [2].

В связи с отмеченными недостатками предпочтительно для производства датчиков магнитной индукции, по МЭМС технологии предназначенных для работы в широком диапазоне температур и в условиях воздействия радиоактивного излучения и факторов космического пространства является кремний и его соединения.

Наиболее близким заявляемому устройству является датчик магнитной индукции [3], включающий изолирующую подложку, например, кремниевый кристалл собственной проводимости, выполненный в виде прямоугольной пластины, первый эпитаксиальный проводящий слой на поверхности изолирующей подложки, первый и второй токовые планарные электроды и первый и второй потенциальные (холловские) планарные электроды, попарно размещенные на противоположных сторонах изолирующей прямоугольной пластины

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение стабильности работы и снижение уровня шумов.

Задача решается тем, что в датчик введен контур обратной связи в виде прямоугольного витка нанесенного на изолирующий слой и охватывающий токовые и потенциальные электроды, токовые и потенциальные электроды выполнены с барьерами Шоттки, введен дифференциальный операционный усилитель, ко входам которого подключены первый и второй потенциальные электроды, а выход операционного усилителя подключен к одному из концов витка обратной связи, таким образом, что обратная связь является отрицательной, второй конец витка обратной связи через нагрузочный резистор соединен с «землей».

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое решение, состоит в увеличении стабильности работы и в снижении уровня шумов.

Положительный результат достигается тем, что в датчик магнитной индукции включающий изолирующую подложку, например, из искусственного сапфира, выполненную в виде прямоугольной пластины, кремниевый эпитаксиальный слой на поверхности изолирующей подложки, первый и второй токовые планарные электроды и первый и второй потенциальные (холловские) планарные электроды, токовые и потенциальные электроды попарно размещены на противоположных сторонах эпитаксиального слоя, в соответствии с изобретением в датчик введен контур обратной связи в виде прямоугольного витка нанесенного на изолирующий слой и охватывающий токовые и потенциальные электроды, токовые и потенциальные электроды выполнены с барьерами Шоттки, введен дифференциальный операционный усилитель, ко входам которого подключены первый и второй потенциальные электроды, а выход операционного усилителя подключен к одному из концов витка обратной связи, таким образом, что обратная связь является отрицательной, второй конец обмотки обратной связи через нагрузочный резистор соединен с «землей».

На фигурах 1, 2 и 3 показано устройство заявляемого датчика магнитной индукции и его принцип действия. На фигуре 1 показан поперечный разрез датчика. На изоляционной подложке 1 выполнены следующие элементы: 2 - виток обмотки обратной связи; 3 - эпитаксиальный проводящий слой; 4 - токовый электрод; 5 - потенциальный электрод. На фигуре 2 показана топология датчика магнитной индукции в плане. Позиции на фигуре 2 те же самые, что и на фигуре 1, за исключением позиции 6, где 6 - контактные площадки. Чип датчика магнитной индукции включает два устройства: датчик Холла, выполненный на эпитаксиальном слое по технологии «кремний на сапфире» и контур обратной связи, выполненный на изоляционном слое, например, вакуумным напылением металлического витка обратной связи. В зависимости от предела измерения число витков в контуре обратной связи может быть N, где N выбирают из условия создания индукции обратной связи Bобр≥Bвнеш.

На фигуре 3 приведена полная конструктивная схема заявляемого датчика магнитной индукции. На сапфировой подложке 1 нанесен металлический виток 2 обратной связи и выращен эпитаксиальный кремниевый слой 3 в виде квадратного поля, толщиной один микрометр. Проводимость эпитаксиального кремниевого слоя в данном примере рассматривается электронной с собственной плотностью носителей. По сторонам эпитаксиального поля выполнены токовые электроды 4 с барьерами Шоттки, и потенциальные (холловские) первый и второй электроды 5 также с барьерами Шоттки. Первый и второй потенциальные электроды 5 подключены на вход операционного усилителя 7. Выход операционного усилителя 7 подключен к одному из концов витка 2 обратной связи, таким образом, что обратная связь является отрицательной. Второй конец витка обратной связи через нагрузочный резистор Rн соединен с «землей».

Работа устройства осуществляется следующим образом. Пусть на эпитаксиальный слой действует индукция внешнего магнитного поля Bвнеш. Одновременно между токовыми электродами протекает ток, вектор которого перпендикулярен вектору магнитного поля. При этом возникает известный эффект Холла и на потенциальных электродах 5 возникает напряжение, пропорциональное внешней магнитной индукции. Это напряжение усиливается операционным усилителем и подается на виток обратной связи. Перпендикулярно плоскости витка обратной связи создается противоиндукция Bобр обратной связи. В данном случае использована жесткая обратная связь или токовая петля. Значение индукции Bобр обратной связи определятся в виде:

B о б р = μ 0 μ U в ы х 4 a R н , ( 2 )

µ0 - магнитная постоянная; µ - магнитная проницаемость среды (в данном случае эпитаксиального слоя); Rн - резистор нагрузки; Uвых - выходное напряжение операционного усилителя; а - длина одной стороны квадратного витка обратной связи.

Для одного канала с учетом эффекта Холла (1) выходное напряжение датчика магнитной индукции, вектор которого перпендикулярен к току Iт, и полю индукции Ввнеш имеет значение:

U Х о л л а = R х I т B в н е ш 1 d A 1 + A , ( 3 )

где R х = 1 n q - коэффициент Холла; n - плотность носителей проводимости; q - заряд носителей тока; d - толщина эпитаксиального слоя; A - коэффициент усиления операционного усилителя.

Чувствительность датчика магнитной индукции со структурой «кремний на сапфире» и с электродами, имеющими барьер Шоттки составляет 102 нТл. При большом коэффициенте усиления A в токовой петле все характеристики датчика магнитной индукции определяются только стабильностью силы тока на токовом электроде датчика Холла, что легко достигается известными в схемотехнике решениями [4]. Снижение шумов в выходном сигнале достигнуто за счет применения барьеров Шоттки в токовых и потенциальных электродах.

Применение заявляемого устройства может найти в измерениях магнитного поля Земли при комплексировании инерциальных систем навигации летательных аппаратов, среднее значение, которого составляет 105 нТл, т.е. на три порядка больше чем чувствительность заявляемого датчика магнитной индукции.

Таким образом, поставленная цель изобретения в заявляемом датчике магнитной индукции достигнута.

Источники информации:

1. Измеритель магнитного поля. Патент РФ №2053521. МПК6 G01R 33/06 Опубликовано: 27.01.1996

2. Кемпенрасо Р. Датчик Холла на основе GaAs выполненный по технологии MOCVD. Реферативный журнал "Электроника", 1993, №4, реф // 4Б216.

3. Датчик магнитного поля. Патент РФ №2262777. МПК7 H01L 43/06 Опубликовано: 20.10.2005.

4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, Издание седьмое, 2011, 704 с.

Датчик магнитной индукции, включающий изолирующую подложку, выполненную в виде прямоугольной пластины, кремниевый эпитаксиальный слой на поверхности изолирующей подложки, первый и второй токовые планарные электроды и первый и второй потенциальные (холловские) планарные электроды, токовые и потенциальные электроды попарно размещены на противоположных сторонах эпитаксиального слоя, отличающийся тем, что в датчик введен контур обратной связи в виде прямоугольного витка, нанесенного на изолирующий слой и охватывающего токовые и потенциальные электроды, токовые и потенциальные электроды выполнены с барьерами Шоттки, введен дифференциальный операционный усилитель, ко входам которого подключены первый и второй потенциальные электроды, а выход операционного усилителя подключен к одному из концов витка обратной связи, таким образом, что обратная связь является отрицательной, второй конец витка обратной связи через нагрузочный резистор соединен с «землей».



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным датчикам, использующим эффект Холла. .

Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным датчикам, использующим технологию микроэлектромеханических систем

Изобретение может быть использовано для создания миниатюрных датчиков для трехосевой магнитометрии. Датчик магнитного поля содержит сенсорные узлы, реализованные на использовании эффекта Холла, которые выполнены в составе криволинейной оболочки с системой слоев. В системе слоев присутствуют восприимчивые к магнитному полю - функциональные и формообразующие. Последними обеспечена кривизна оболочки и возможность ориентации крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Способ изготовления датчика магнитного поля заключается в следующем. На подложке формируют многослойный пленочный элемент/элементы. При этом используют материалы, геометрию и внутренние механические напряжения, обеспечивающие ориентацию крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. На стадии формирования пленочного элемента изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами. Пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации крестообразных холловских элементов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Решения обеспечивают достижение точности и надежности одновременных измерений ортогональных компонент магнитного поля, а также компоненты вектора магнитного поля, отличной от перпендикулярной к плоскости датчика; повышение надежности датчика и воспроизводимости параметров датчиков. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 6 ил., 5 пр.
Наверх