close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY16260

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.08.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 16260
(13) C1
(19)
G 01R 33/07
H 01L 43/06
(2006.01)
(2006.01)
МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК
(21) Номер заявки: a 20101377
(22) 2010.09.24
(43) 2012.04.30
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по
материаловедению" (BY)
(72) Автор: Ярмолович Вячеслав Алексеевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение "Научно-практический центр
Национальной академии наук Беларуси по материаловедению" (BY)
(56) RU 2262777 C1, 2005.
BY 3714 C1, 2000.
BY 3689 U, 2007.
SU 824086 A1, 1981.
JP 63142876 A, 1988.
JP 57100778 A, 1982.
BY 16260 C1 2012.08.30
(57)
Магниточувствительный датчик, содержащий миниатюрную кристаллическую подложку из полуизолирующего арсенида галлия, на которой сформирован эпитаксиальный
пленочный элемент Холла электронного типа проводимости, например из полупроводникового соединения AIIIBV, с двумя токовыми и двумя холловскими контактами, отличающийся тем, что 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.
BY 16260 C1 2012.08.30
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, автоматике и может
найти преимущественное 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.
Известен магниточувствительный датчик для бесконтактного двигателя [1], функционирующий на эффекте Холла. Он содержит полупроводниковую пластину Холла, полиамидное основание гибкой печатной платы, печатные проводники платы, корпус датчика,
слюдяную подложку, компаунд. Пластина Холла представляет собой прямоугольную пластину кремния, на одной из плоскостей которой сформированы управляющие (токовые) и холловские контакты. Устройство [1] имеет уменьшенную активную область пластины Холла.
Недостатком этого устройства является низкая точность измерения или преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля вследствие временных изменений
магнитной чувствительности полупроводника, происходящих из-за деградационных процессов структуры полупроводника, воздействий температурных полей и ионизирующих
излучений, а также диффузионных процессов переноса массы в условиях высоких плотностей тока, протекающих через токовые контакты.
Известен датчик для считывания информации [2], функционирующий на эффекте
Холла. Он содержит полупроводниковую пластину, на поверхности которой сформирован
слой с противоположным типом проводимости, с нанесенными на нее токовыми и холловскими контактами. В отличие от других элементов Холла [2] содержит источник магнитного
поля, а именно постоянные магниты, охватывающие поверхность пластины, создающие
постоянное магнитное поле, перпендикулярное поверхности кристалла, на которую нанесены контакты.
Недостатком [2] также является низкая точность измерения или преобразования в
электрический сигнал индукции магнитного поля вследствие временных изменений магнитной чувствительности полупроводника, происходящих из-за деградационных процессов структуры полупроводника, воздействий температурных полей и ионизирующих
излучений, а также диффузионных процессов переноса массы в условиях высоких плотностей тока, протекающих через токовые контакты. Дополнительно возникает погрешность из-за изменений свойств самих магнитов.
Известен датчик магнитного поля [3], наиболее близкий к предлагаемому (прототип),
который относится к полупроводниковым магниточувствительным датчикам, использующим
эффект Холла. Он содержит арсенидогаллиевый кристалл, состоящий из полуизолирующей
подложки, магниточувствительного эпитаксиального слоя электронного типа проводимости, двух токовых и двух потенциальных (холловских) контактов. Толщина магниточувствительного слоя (d) задана в пределах: d = (0,2-1,5) мкм, а средняя концентрация
электронов (n) в указанном слое выбирается из соотношения: n ⋅ d = (3,3 - 20) ⋅ 1011 см-2. В
[3] также указывается, что из полупроводниковых материалов, используемых для изготовления высокочувствительных датчиков магнитного поля, наиболее пригодны материалы
A3B5 с высокой подвижностью электронов, такие как InSb, InAs, GaAs и др.
Недостатком прототипа является низкая точность измерения или преобразования в
электрический сигнал индукции магнитного поля вследствие временных изменений магнитной чувствительности полупроводника, происходящих из-за деградационных процессов структуры полупроводника, воздействий температурных полей и ионизирующих
излучений, а также диффузионных процессов переноса массы в условиях высоких плотностей тока, протекающих через токовые контакты.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения или преобразования в электрический сигнал индукции магнитного поля практически без существенного увеличения габаритов магниточувствительного датчика, работающего в течение
длительного промежутка времени в сложных эксплуатационных условиях.
2
BY 16260 C1 2012.08.30
Решение поставленной задачи достигается тем, что магниточувствительный датчик
содержит: миниатюрную кристаллическую подложку из полуизолирующего арсенида галлия, на которой сформирован эпитаксиальный пленочный элемент Холла электронного
типа проводимости, например из полупроводникового соединения AIIIBV, с двумя токовыми и двумя холловскими контактами.
Новым, по мнению автора, является то, что 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.
Наличие спирального пленочного элемента, через который можно пропускать фиксированный ток и тем самым создавать заданное (калибрующее) магнитное поле, позволяет
осуществить функцию калибровки магнитной чувствительности элемента Холла в процессе его функционирования. Тем самым убираются все возникающие погрешности в
процессе эксплуатации, в том числе температурная. При этом магниточувствителтный
датчик остается миниатюрным и может быть изготовлен с применением групповой технологии микроэлектроники, что не приводит к заметному увеличению его себестоимости.
Учитывая современную тенденцию к интеллектуализации датчиков, когда они, как правило, сопряжены с микропроцессором, наличие функции калибровки позволяет получить
"сверхэффект" по повышению точности и надежности измерений.
Поэтому 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 заявляемом изобретении задачи, следовательно,
можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На фигуре изображен заявляемый магниточувствительный датчик.
Он содержит миниатюрную кристаллическую подложку из полуизолирующего арсенида галлия 1, эпитаксиальный пленочный элемент Холла электронного типа проводимости, например из полупроводникового соединения A3B5, с двумя токовыми и двумя
холловскими контактами 2, проводящий пленочный элемент в виде спирали 3, содержащей
два токовых контакта и окружающий элемент Холла 2, золотой микропровод 4, приваренный к токовым и холловским электродам и обеспечивающий омическое электрическое
контактирование. На фигуре не показаны электрические соединения золотых микропроводов с держателем электрических проволочных выводов датчика, а также герметизирующий компаунд, обеспечивающий монолитность конструкции датчика, как в прототипе [3].
Топология пленочных элементов 2 и 3 формируется при помощи стандартных методов
микроэлектроники, например как в [4]. Токопроводящий спиральный пленочный слой 3
может быть выполнен из материала с высокой электрической проводимостью, например
Au, или может быть изготовлен из той же пленки, что и элемент Холла, но он должен
иметь одинаковую с ним толщину. При использовании стандартных методов микроэлектроники и фотолитографического оборудования средней точности характерный размер
кристаллической подложки 1 (миниатюрного квадрата) находится в диапазоне (0,5-1) мм.
При использовании более прецизионного литографического оборудования он может быть
значительно уменьшен.
Магниточувствительный датчик работает следующим образом.
Эпитаксиальный пленочный элемент Холла 2 работает по известному принципу действия традиционных элементов Холла: через токовые контакты пропускают управляющий
электрический ток Jx, что вызывает под воздействием измеряемого магнитного поля с величиной индукции Bx возникновение на холловских контактах выходного сигнала Ux,
3
BY 16260 C1 2012.08.30
пропорционального магнитной индукции, т.е. Ux = γ ⋅ Bx, где γ - коэффициент пропорциональности или величина магнитной чувствительности. Причины возникновения э.д.с.
Холла заключаются в изменении траектории движения электронов (в случае электронного
типа проводимости) в полупроводнике вследствие действия силы Лоренца при наличии
внешнего магнитного поля. Она действует перпендикулярно к направлениям скорости
электронов и магнитной индукции.
Проводящий спиральный пленочный элемент 3 целесообразно подключать к генератору гармонического тока или знакопеременного импульсного тока прямоугольной формы. Учитывая современную тенденцию к интеллектуализации датчиков, когда они, как
правило, сопряжены с микропроцессором, генератор может быть подключен не только
постоянно, но и периодически на определенный промежуток времени, в зависимости от
программы управления генератором, когда осуществляется функция калибровки магнитной чувствительности элемента Холла.
Поскольку датчик в основном предназначен для работы в контрольно-измерительной
технике, автоматике, то изменения индукции магнитного поля Bx происходят, как правило, с характерной частотой гораздо менее (103-104) Гц, а частоту тока J0 через спиральный
пленочный элемент 3 можно всегда выбрать хотя бы на порядок выше, запитав 3 от соответствующего генератора тока.
Как в любом полупроводнике величина магнитной чувствительности γ может изменяться с течением времени из-за деградационных процессов структуры полупроводника,
воздействий температурных полей и ионизирующих излучений, а также диффузионных
процессов переноса массы в условиях высоких плотностей тока, протекающих через токовые контакты, и др. факторов. Причем характерные времена τ, когда γ изменяется существенно, зависят от вида процессов, протекающих в полупроводнике, и их интенсивности.
Наиболее быстрые - это температурные изменения с τ, ∼ секунд.
Таким образом, перечисленные выше процессы изменения γ и Bx можно считать квазистатическими по сравнению с изменениями J0. Область СВЧ полей для Bx рассматривать
не будем, т.к. там элемент Холла функционирует по-другому и датчик не предназначен
для работы в таких полях.
Рассмотрим, как в предлагаемом датчике можно осуществлять функцию калибровки
магнитной чувствительности γ непосредственно в процессе работы датчика. Без ограничения общности будем считать, что проводящий спиральный пленочный элемент 3 подключен к генератору знакопеременного импульсного тока прямоугольной формы амплитуды
J0. Проходящий через элемент 3 ток J0 при его положительной полярности J 0+ воздействует на элемент Холла 2 известным калибрующим магнитным полем (+ B0), при отрицательной полярности J 0− - соответственно полем (- B0). При наличии измеряемого внешнего
магнитного поля Bx выходные сигналы с элемента Холла будут соответственно U1 и U2 и
с учетом квазистатических измерений Bx они будут описываться формулами:
(1)
U1 = γ Bx + γ B0,
(2)
U2 = γ Bx–γ B0.
Следовательно, можно независимо от Bx определить магнитную чувствительность
(произвести калибровку) по следующей формуле:
(3)
(U1–U2) / (2B0) = γ.
Чтобы разность (U1–U2) не была близка к нулю, необходимо, чтобы величины магнитных Bx и B0 полей были соизмеримы, что можно обеспечить соответствующим выбором
тока J0. Следует заметить, что в режиме подключения 3 к генератору тока величина B0
пропорциональна J0 и определяется геометрией спирали, и не зависит от электросопротивления 3, следовательно, и от всех деградационных и температурных изменении в 3.
Поэтому γ калибруется с высокой точностью.
4
BY 16260 C1 2012.08.30
Если измерения Bx происходят в присутствии воздействия калибрующего поля B0, то
Bx вычисляется по следующей формуле:
Bx = B0(U1 + U2) / (U1–U2).
(4)
Если измерения Bx происходят без воздействия калибрующего поля B0, a Ux величина сигнала с элемента Холла при J0 = 0, то Bx вычисляется по формуле:
(5)
Bx= Ux/γ = 2 B0Ux / (U1–U2).
Таким образом, наличие функции калибровки позволяет получить "сверхэффект" по
повышению точности и надежности измерений за счет учета временных изменений γ.
Для заявляемой конструкции магниточувствительного датчика подтверждена возможность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый магниточувствительный датчик
соответствует требованию "промышленная применимость".
Преимуществом заявляемого изобретения по сравнению с прототипом и известными
аналогами является значительное повышение точности измерения или преобразования в
электрический сигнал индукции магнитного поля именно за счет наличия в конструкции
спирального пленочного элемента, с помощью которого можно осуществлять функцию
калибровки магнитной чувствительности непосредственно в процессе измерений внешнего магнитного поля или периодически.
Источники информации:
1. Тихонов В.И., Портной Г.Я., Постных О.А., Лаврентьев Б.Н. Магниточувствительный
датчик для бесконтактного двигателя: SU 1489397, опубл. 20.04.1995, МПК G 01R 33/06,
Заявитель: Отделение Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики (RU).
2. Гусев О.К., Киреенко В.П., Корженевский А.Г., Яржембицкий В.Б. Датчик для считывания информации: Патент RU 2012008, опубл. 30.04.1994, МПК G 01R 33/06, Патентообладатель: Белорусская государственная политехническая академия (BY).
3. Карлова Г.Ф. (RU), Пороховниченко Л.П. (RU), Умбрас Л.П. (RU). Датчик магнитного поля: Патент RU 2262777, опубл. 20.10.2005, МПК H 01L 43/06, патентообладатель:
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов" (ОАО НИИПП) (RU).
4. Болванович Э.М. Полупроводниковые пленки и миниатюрные измерительные преобразователи. - Мн.: Наука и техника, 1981. - С. 116-135.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
272 Кб
Теги
патент, by16260
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа