ЛИНЕЙКА ДАТЧИКОВ ХОЛЛА ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОЙ МАГНИТОМЕТРИИ

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности к тонкопленочным датчикам на основе эффекта Холла, и может быть использовано в микроэлектронике при измерении и регистрации локальных магнитных полей и величин электрического тока, а также при разработке микроэлектронных устройств нового поколения и в системах исследования локальных токонесущих характеристик пленочных сверхпроводящих образцов и бесконтактного контроля качества длинномерных сверхпроводящих лент на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения.
Известен датчик Холла [патент DE №19908473 А1 20000907] с уменьшенным компенсирующим сигналом, который состоит из 2-х противолежащих токоподводящих контактов источника питания, между которыми находится чувствительная зона. Датчик Холла также состоит из двух противолежащих потенциальных контактов для снятия холловского напряжения, при котором интерферирующее влияние контактов на воздействие компенсирующего сигнала на работу спинового тока уменьшается.
В предлагаемом устройстве не обеспечивается размещение максимального числа чувствительных зон датчиков Холла, что ограничивает применение данного устройства для измерений локальных магнитных полей с высоким пространственным разрешением.
Известны датчики Холла [патент US №2004164840 А1 20040826] на основе аномального эффекта Холла и их массивы. Магнитный датчик на основе аномального эффекта Холла имеет сплав в виде MxNloo-х, где М- Fe, Со, Ni или магнитный сплавы, которые содержат Fe, Со или Ni. N- элемент из пятого или шестого периода периодической таблицы. Датчик включает слой сплава, потенциальные и сигнальные провода (провода считывания) к датчику могут быть также изготовлены из того же самого сплава. Представляются различные геометрические формы датчиков, включая одномерные и двумерные линейки датчиков для измерения пространственных распределений магнитных полей, определяется подложкой, на которую осаждается слой сплава, заполняется проводящим материалом в определенных конструкций линеек. Недостатком известного устройства является определения профиля магнитного поля с невысоким пространственным разрешением.
Наиболее близким к предлагаемому устройству и принятым в качестве прототипа является устройство [патент RU №2321013С1], в котором предлагается датчик Холла для локальной магнитометрии. Датчик Холла для локальной магнитометрии включает подложку, помещенную на нее токопроводящую полосу из ферромагнитной пленки из сплава железо-платина, потенциальные и токоподводящие контакты.
В прототипе (Фиг.1) четырехконтактные датчики Холла располагаются вдоль оси линейки таким образом, токовые контакты соседних датчиков соединяются последовательно вдоль линейки, а потенциальные контакты располагаются симметрично относительно центральной оси прибора. Плотность расположения чувствительных зон в данном случае равно отношению длины подложки к сумме размеров одной чувствительной зоны и расстоянию между соседними потенциальными контактами. В прототипе расстоянием между соседними потенциальными контактами сопоставимо, или больше размера чувствительной зоны, поскольку в противном случае возможно замыкание потенциальных контактов через полупроводниковую пленку, из которой изготовлен элемент Холла.
Количество чувствительных зон =N
Количество контактов =2×N
Недостатками известного устройства являются необходимость использования как минимум в 2 раза большего числа потенциальных контактов, что ограничивает количество чувствительных зон датчика, и так же более удаленное расположение чувствительных зон датчиков Холла, что приводит к снижению надежности устройства в целом, и ограничивает применение устройства для измерений локальных магнитных полей с высоким пространственным разрешением.
Технический результат - повышение надежности устройства и повышение пространственного разрешения профиля захваченного магнитного поля.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для прецизионной магнитометрии, состоящем из набора размещенных на токопроводящей подложке датчиков Холла, включающих токовые и потенциальные контакты, для определения профиля магнитного поля в нормальном направлении по отношению к плоскости подложки, потенциальные контакты каждого из датчиков Холла расположены вдоль продольной оси линейки ассиметрично. Этим обеспечивается размещение максимального числа чувствительных зон датчиков Холла в единой линейке при заданном, фиксированном размере одной зоны, а также использование как минимум в 2 раза меньшего числа потенциальных контактов, что приводит к повышению надежности устройства в целом. Плотность расположения чувствительных зон в данном устройстве равна отношению длины подложки к размеру чувствительной зоны.
Количество чувствительных зон =N
Количество контактов =N
Сущность изобретения: линейка датчиков Холла для прецизионной магнитометрии, состоящая из набора размещенных на токопроводящей подложке датчиков Холла, включающих токовые и потенциальные контакты, для определения профиля магнитного поля в нормальном направлении по отношению к плоскости подложки, что потенциальные контакты каждого из датчиков Холла расположены вдоль продольной оси линейки ассиметрично.
1
N
1
N
1
N
Пример конкретной реализации линейки датчиков Холла для прецизионной магнитометрии представлен на фиг.2. Устройство состоит из 1 - токопроводящей подложки, 2 - токовых контактов датчиков, 3 - потенциальных контактов датчиков Холла, V,…,V - обозначены напряжения, снимаемые с токовых контактов датчиков Холла, U,…,U - обозначены напряжения, снимаемые с потенциальных контактов датчиков Холла, областями A,…,A обозначены чувствительные зоны датчиков Холла. Пунктирной рамкой выделено предлагаемое устройство. Электрическая схема вне рамки относится к интерфейсу.
Устройство работает следующим образом. Через расположенные на подложке 1 токовые контакты 2 по подложке 1 пропускают электрический ток. При появлении внешнего магнитного поля происходит отклонение носителей тока в подложке и на потенциальных контактах 3 появляется электрическое напряжение, которое и регистрируется. Любой намагниченный образец имеет в разных точках в своей поверхности разную намагниченность и, следовательно, разную магнитную индукцию. При перемещении датчика Холла для локальной магнитометрии по поверхности образца он проходит над точками с разной магнитной индукцией и выдает разный сигнал. Пространственное разрешение при этом определяется размером рабочей области датчика - шириной потенциальных контактов.
i
i+1
i
i
В отличии от прототипа, в котором снимается разность потенциалов U-U, в нашей установке снимается разность U-V.
Схема изобретения находится в пределах штриховой линии, все, что находится за ее пределами, относится к общей схеме. Приведенные выше примеры иллюстрируют, но не ограничивают применение данного изобретения. Преимуществом предлагаемой линейки датчиков Холла по сравнению с описанной в прототипе является: максимально плотное размещение чувствительных зон датчиков Холла вдоль линейки.
Экспериментальное подтверждение работоспособности предлагаемого устройства. При проверке работоспособности предлагаемой линейки датчиков Холла нами исследована работоспособность отдельного элемента этой линейки - трехконтактного датчика Холла с подключенным к нему делителем напряжения (см. фиг.2).
В качестве измерителя использовался один и тот же датчик Холла, данные с которого снимались в двух режимах - обычном четырехконтактном, и в тестируемом трехконтактном.
1
2
1
1
При четырехконтактном методе напряжение Холла измеряется между потенциальными контактами U и U, а при трехконтактном - между U и V. Результаты измерений представлены на фиг.3. На фиг.3 видно хорошее совпадение результатов, подтверждающее работоспособность элемента линейки. Незначительное смещение двух графиков связано с тем, что для четырехконтактного метода центр активной зоны совпадает с центром датчика Холла, а при трехконтактном смещен в сторону потенциального контакта U.
Таким образом, создано устройство для прецизионной магнитометрии, в котором обеспечивается размещение максимального числа чувствительных зон датчиков Холла в единой линейке при заданном, фиксированном размере одной зоны, что повышает пространственного разрешение профиля захваченного магнитного поля и надежность устройства.