МНОГОКРИСТАЛЬНАЯ МИКРОСБОРКА ДЛЯ КОНТРОЛЯ СИЛЫ ТОКА

Полезная модель относится к микроэлектронике и может быть использована в конструкции датчиков магнитного поля.
Известно изобретение по европейской заявке EP 2333567 (МПК G01R 15/20, опубл. 15.06.2011 г.), в котором описано техническое решение магниторезистивного преобразователя датчика тока, содержащего кристалл с выполненным в нем сквозным круглым отверстием, концентратор в виде незамкнутого кольцевого контура с зазором, и магниторезистивный преобразователь, размещенный в зазоре между дугами концентратора.
Известно изобретение по заявка США US 20070096717 (МПК G01R 15/20, опубл. 03.05.2007 г.), в котором описано техническое решение магниторезистивного преобразователя датчика тока, содержащего кремниевый кристалл с выполненным в нем сквозным круглым отверстием, планарный концентратор в виде незамкнутого кольцевого контура с зазором, размещенный в заглублении, выполненном в кристалле соосно отверстию, и магниторезистивный преобразователь, выполненный на кремниевом кристалле в зазоре между дугами концентратора.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в создании датчика токам с высокой чувствительностью, широким динамическим диапазоном и стабильно воспроизводимыми параметрами при его изготовлении.
Технический результат, получаемый при реализации заявляемой полезной модели, выражается в увеличении чувствительности датчика в широком температурном диапазоне.
Для достижения вышеуказанного технического результата многокристальная микросборка для контроля силы тока содержит кремниевый кристалл с выполненным в нем первом сквозным круглым отверстием, планарный концентратор в виде незамкнутого кольцевого контура с зазором, размещенный в кольцевом заглублении, выполненном в кристалле соосно первому отверстию, магниторезистивный преобразователь, выполненный на кремниевом кристалле в зазоре концентратора, соединенный с входами схемы усиления, кристалл которой размещен во втором отверстии, выполненном в кремниевом кристалле, причем магниторезистивный преобразователь выполнен в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок, над которыми размещена планарная катушка, выполненная с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок.
В частном случае выполнения полезной модели в каждом плече мостовой схемы соединено, по меньшей мере, две магниторезистивные полоски.
В частном случае выполнения полезной модели магниторезистивные полоски выполнены в виде магниторезистивных полосок с анизотропным магниторезистивным эффектом.
В частном случае выполнения полезной модели магниторезистивные полоски выполнены в виде магниторезистивных полосок с гигантским магниторезистивным эффектом.
В частном случае выполнения полезной модели концентраторы выполнены из магнитомягкого ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, например из магнитомягкого ферромагнитного материала со значением относительной магнитной проницаемости не менее 1000.
Отличительными признаками являются: выполнение магниторезистивного преобразователя в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок, над которыми размещена планарная катушка, выполненная с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, соединение магниторезистивного преобразователя с входами схемы усиления, кристалл которой размещен во втором отверстии.
Магниторезистивный преобразователь выполнен на основе мостовой схемы включения тонкопленочных резисторов в виде магниторезистивных полосок, например с анизотропным магниторезистивным эффектом, который заключается в способности ферромагнитной (FeNiCo) пленки изменять свое сопротивление в зависимости от взаимной ориентации протекающего через нее тока и направления ее вектора намагниченности. Внешнее магнитное поле поворачивает вектор намагниченности пленки на некоторый угол, величина которого зависит от направления и величины этого поля. Что приводит к изменению сопротивления пленки и изменению, соответственно, выходного напряжения магниторезистивного моста. В магниторезистивном преобразователе над магниторезистивными полосками размещена планарная катушка, выполненная с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок. Поле, создаваемое катушкой, используется для компенсации технологического разбаланса мостового датчика или для полной компенсации измеряемого поля при использовании датчика в измерениях с обратной связью.
Выполнение магниточувствительного элемента в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок, с размещением планарной катушки, выполненной с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок над магниточувствительным элементом, соединение магниточувствительного элемента со схемой усиления, смонтированной во втором отверстии, выполненном в кремниевом кристалле, приводят к увеличению чувствительности датчика в широком температурном диапазоне. Выполнение магниторезистивного преобразователя в виде соединенных по мостовой схеме магниторезистивных полосок, с размещением над ними планарной катушки, выполненной с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок, обеспечивает высокую чувствительность преобразователя к измеряемым токам и высокую разрешающую способность. При этом использование магниторезистивных наноструктур расширяет температурный диапазон работы, тем самым позволяя применять устройство в областях с жесткими условиями эксплуатации. Размещение кристалла схемы усиления в отверстии, выполненном в кремниевом кристалле, улучшает помехоустойчивость, виброустойчивость и термоустойчивость, что в свою очередь приводит к увеличению чувствительности датчика. Дополнительным результатом является уменьшение массогабаритных характеристик.
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
Фиг. 1 - схематичное изображение многокристальной микросборки для контроля силы тока;
Фиг. 2 - схематическое изображение разреза кремниевого кристалла в месте расположения кольцевого концентратора и магниторезистивного преобразователя фиг. 1.
Многокристальная микросборка для контроля силы тока содержит кремниевый кристалл 1 с выполненным в нем первым сквозным отверстием 2 круглой формы, планарный концентратор 3 в виде незамкнутого кольцевого контура с зазором 4, размещенный в кольцевом заглублении 5, выполненном в кристалле 1 соосно отверстию 2, магниторезистивный преобразователь 6, выполненный на кремниевом кристалле 1 в зазоре 4 между дугами концентратора 3 (фиг. 1, 2). Выходы мостовой схемы 6 соединены с входами схемы усиления 7. Кристалл схемы усиления 7 смонтирован во втором отверстии, выполненном в кремниевом кристалле. Магниторезистивный преобразователь выполнен в виде включенных в мостовую схему Уитстона магниторезистивных полосок. Над магниторезистивными полосками размещена планарная катушка, выполненная с возможностью формирования магнитного поля вдоль оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок.
Концентратор изготавливается из холоднокатаной пермаллоевой ленты.
Заглубление 5 в кремнии 1 формируется методом плазмохимического травления с высоким аспектным соотношением (Bosch-процесс). Сформированное заглубление 5 позволяет разместить концентратор магнитного поля 3 максимально близко к чувствительной части магниторезистивного элемента 6.
Ток, протекающий в проводнике, помещаемом в отверстие 2 создает вокруг магнитное поле. Это поле усиливается планарным кольцевым концентратором 3 и регистрируется магниторезистивным преобразователем 6, размещенным в зазоре кольцевого концентратора магнитного поля 3. Под действием поля на выходе мостовой схемы Уитстона магниторезистивного преобразователя 6 появляется дифференциальный сигнал, который усиливается схемой усиления 7.
Использована схема усиления КППН 431313.001.
В реализованном согласно полезной модели модуле достигается чувствительность к току более 3000 мВ/А