МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ С МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
MICROELECTROMECHANICAL SENSOR OF MICRO MOTIONS WITH MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к области приборостроения. Оно может быть использовано в датчиках перемещений в системах навигации, автоматического управления и стабилизации подвижных объектов - самолетов, плавательных аппаратов, автомобилей и других. Контроль микроперемещений различных объектов необходимо проводить при производстве микросхем и в робототехнике.
В патенте США №6717413 (опубл. 06.04.2004 г.) предлагается контролировать движение образцов с помощью ионизационного детектора контактной разности потенциалов.
В патенте США №7152476 (опубл. 23.07.2004 г.) предлагается контролировать движение вращающегося вала с помощью датчика контактной разности потенциалов с емкостной фиксацией.
В патенте США №7282822 (опубл. 16.10.2007 г.) предлагается контролировать движение образцов с разным составом и структурой с помощью магнитострикционного датчика, изменяющего индуктивность связанных катушек.
В патенте РФ №2454644 (МПК G01M 1/22, G01H 11/02, опубл. 27.06.2012 г.) предлагается контролировать пространственные вибрации электроприводов с помощью вибропреобразователей.
В патенте РФ №2207522 (МПК G01H 11/02, опубл. 27.06.2003 г.) предлагается контролировать пространственные вибрации низкооборотных энергетических агрегатов гидроэлектростанций с помощью постоянного магнита и катушки с обмотками электродинамической системы чувствительного элемента.
В патенте РФ №2131591 (МПК G01H 11/02, G01B 7/00, опубл. 10.06.1999 г.) предлагается контролировать линейные перемещения с помощью индукционного датчика, соединенного с LC-генератором.
Аналогом изобретения является патент РФ на изобретение РФ №2086934 (МПК G01H 11/02, опубл. 10.08.1997), в котором предлагается контролировать механические колебания ферромагнитного инерционного элемента, установленного в положение устойчивого равновесия в магнитном поле с помощью изменения напряженности магнитного поля с частотой, большей частоты колебаний объекта, а параметры движения объекта определяют по изменениям амплитуды колебаний инерционного элемента, установленного в магнитную систему, выполненную в виде соленоида.
Приведенные выше примеры патентов реализуют функцию контроля перемещений с помощью систем с объемными элементами. Основная тенденция развития датчиков состоит в переходе к микроминиатюрным датчикам, в которых элементы контроля микроперемещений и преобразователи механических микроперемещений в электрический сигнал располагаются на одном кристалле. Микроперемещения кристалла приводят к перемещению упругих элементов в виде консолей или язычков. Эти элементы чаще всего составляют часть емкостных систем, в которых перемещения приводят к изменению емкости, что фиксируется электрическими методами. Изменение емкости от величины перемещения имеет линейную зависимость.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков (прототипом) изобретения является техническое решение датчика микроперемещений, описанное в заявке на изобретение РФ №95103486 (МПК H01L 27/20, опубл. 10.01.1997 г.). Интегральная схема датчика микроперемещений отличается тем, что в корпусе расположен постоянный магнит на расстоянии от полупроводниковой подложки, превышающем величину максимального отклонения чувствительного элемента, а в приповерхностном слое чувствительного элемента расположены электрические элементы первичного преобразователя типа индукции постоянного магнитного поля в электрический сигнал. Признаками, совпадающими с заявляемым изобретением, являются признаки наличия конструктивных элементов: консоли, магниточувствительного элемента и постоянного магнита.
Получению требуемого технического результата препятствуют конструктивное исполнение магнитной системы, а также технические методы сборки всего устройства. Предложенное расположение магнита на расстоянии от полупроводниковой подложки, превышающем величину максимального отклонения чувствительного элемента, и расположение в приповерхностном слое чувствительного элемента электрических элементов первичного преобразователя типа индукции постоянного магнитного поля в электрический сигнал приводит к тому, что перемещение консоли с первичным преобразователем относительно магнита или ограничивается расположением магнита и эффектом залипания, или при значительном удалении магнита от консоли существенно уменьшает эффективность преобразования величины перемещений в полезный электрический сигнал. В интегральной схеме датчика микроперемещений взаимное расположение магнита и консоли с первичным преобразователем определяется точностью приклеивания элементов при сборке.
Задачей изобретения микроэлектромеханического датчика микроперемещений с магнитным полем является создание миниатюрного датчика с высокой эффективностью преобразования микроперемещений в электрический сигнал.
Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных характеристик, увеличении разрешающей способности.
Для достижения вышеуказанного технического результата в микроэлектромеханическом датчике микроперемещений с магнитным полем, содержащем консоль, магниточувствительный элемент и постоянный магнит, консоль сформирована в кремниевом кристалле с образованием зазора, поверхность кристалла покрыта изолирующим слоем, на поверхности изолирующего слоя, по меньшей мере, на части консоли и, по меньшей мере, на части поверхности кристалла, включая край зазора, противолежащий концу консоли, размещен магнитопровод из пленки магнитомягкого материала, постоянный магнит размещен на магнитопроводе, магниточувствительный элемент размещен в области изменения магнитного поля, формируемого постоянным магнитом, при перемещении консоли.
В частных случаях выполнения изобретения магниточувствительный элемент выполнен в виде магнитотранзистора, сформированного в кристалле.
В частных случаях выполнения изобретения магниточувствительный элемент выполнен в виде магниторезистивного моста Уитстона, сформированного на кристалле.
Между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.
Снабжение датчика магнитопроводом позволяет использовать магнитную систему для контроля за перемещениями консольных микроэлектромеханических систем. Перемещение части магнитопровода, расположенной на консоли, относительно части магнитопровода, расположенной на остальной части кристалла, изменяет магнитный поток, проходящий через зазор, что может быть зафиксировано магниточувствительными элементами. Магнитный поток около края магнита изменяется пропорционально шестой степени расстояния от края. Высокая степень зависимости определяет высокую чувствительность магнитного потока к перемещениям.
Структура датчика располагается на одном кристалле, что позволяет изготовить его по МЭМС технологии и обеспечить снижение размеров и массы датчика.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлена схема датчика микроперемещений, поперечное сечение;
на фиг.2 представлена схема датчика микроперемещений, вид сверху;
на фиг.3 представлена схема изменения магнитного поля при изменении положения консоли,
на фиг.4 представлена схема включения напряжения на электроды магниточувствительного элемента в виде магнитотранзистора;
на фиг.5 представлена схема включения напряжения на магниторезистивный мост Уитстона:
на фиг.6 представлена зависимость относительной дифференциальной магнитной чувствительности магнитотранзистора по току
от величины перемещения конца консоли Н.
Микроэлектромеханический датчик микроперемещений содержит консоль 1, сформированную в кремниевом кристалле 2 с образованием зазора 3, магниточувствительный элемент 4 и постоянный магнит 5 (фиг.1, 2). Поверхность кристалла 1 покрыта изолирующим слоем 6. На поверхности изолирующего слоя 6, по меньшей мере, на части консоли 1 и, по меньшей мере, на части поверхности кристалла 1, включая край зазора 3, противолежащий концу консоли 1, на изолирующем слое размещен магнитопровод 7 из пленки магнитомягкого материала (фиг.1, 2). Постоянный магнит 5 размещен на магнитопроводе 7. Магниточувствительный элемент 4 размещен в области изменения магнитного поля, формируемого постоянным магнитом 5, при перемещении консоли 1. Магниточувствительный элемент по алюминиевой разводке 8 соединен с контактными площадками 9 - контактная площадка Епит - напряжение питания; 10 - контактная площадка Выход 1; 11 - контактная площадка Выход 2; 11 - контактная площадка Земля.
Схема изменения магнитного поля при изменении положения инерциального элемента - консоли микроэлектромеханического датчика микроперемещений с магнитным полем представлена на фиг.3, где В1 - вектор магнитной индукции до перемещения консоли; В2 - вектор магнитной индукции после перемещения консоли.
Б
К1
К2
Схема включения напряжения на электроды магнитотранзистора микроэлектромеханического датчика микроперемещений выполнена так, как показано на фиг.4, где Епит - напряжение питания; К1 - вывод от первого коллектора магнитотранзистора является контактной площадкой 10; К2 - вывод от второго коллектора магнитотранзистора является контактной площадкой 11. К - вывод кармана. Б - вывод базы. Э - эмиттер. П - подложка. R - сопротивление смещения базы. R сопротивление нагрузки коллектора 1. R - сопротивление нагрузки коллектора 2.
Схема включения напряжения на магниторезистивный мост Уитстона микроэлектромеханического датчика микроперемещений с магнитным полем выполнена так, как показано на фиг.5, где 9 - Eпит - напряжение питания; 10 - Выход 1 с магниторезистивного моста Уитстона; 11 - Выход 2 с магниторезистивного моста Уитстона; 12 - Земля. R1, R2, R3, R4 - магниторезисторы.
Магниточувствительные элементы - магнитотранзисторы и магниторезисторы располагаются в магнитопроводе так, чтобы действующее изменение магнитного поля в месте расположения элемента соответствовало их диапазону чувствительности.
На фиг.6 дана зависимость относительной дифференциальной магнитной чувствительности магнитотранзистора по току
от величины перемещения конца консоли Н.
Схема изменения магнитного поля с индукцией В при механическом перемещении консоли микроэлектромеханического датчика микроперемещений с магнитным полем представлена на фиг.3. Перемещение кристалла в пространстве вследствие приложения к нему силы приводит к перемещению относительно своего первоначального положения консоли, играющей роль инерционной массы, причем величина такого перемещения консоли пропорциональна приложенной силе. При этом происходит рассовмещение магнитопровода, расположенного на конце консоли около зазора и магнитопровода, расположенного на кристалле с другой стороны от зазора. Также при этом изменяется фактическая величина зазора в магнитопроводе и уменьшается магнитный поток. Начальное значение магнитной индукции В1 изменяется и принимает значение В2. Магниточувствительный элемент магнитотранзистор или магниторезистивный мост Уитстона фиксирует изменение магнитной индукции в виде разности потенциалов между выходом 1 и выходом 2. Таким образом, механическое перемещение преобразуется в электрический сигнал.
На фиг.6 для конкретного прибора микроэлектромеханического датчика микроперемещений с магнитным полем дана зависимость относительной дифференциальной магнитной чувствительности магнитотранзистора по току
от величины перемещения конца консоли Я для микромагнита ЮНКДК25Ф ГОСТ 17809-72 с магнитной индукции В=50 мТл. В зависимости от величины перемещения относительная магнитная чувствительность по току увеличивается при увеличении перемещения до 0,3 мкм и достигает величины
.
Конструктивные элементы микроэлектромеханического датчика микроперемещений выполнены по МЭМС технологии следующим образом. Трехколлекторный биполярный магнитотранзистор изготавливался по технологии интегральных схем на поверхности кремниевого кристалла в соответствии со статьей - Козлов А.В., Королев М.А., Шаманаев С.В., Тихонов Р.Д., Черемисинов А.А. Трехколлекторный магнитотранзистор: механизм чувствительности с отклонением двух потоков носителей заряда // Радиопромышленность. - 2012, вып.3. - С.58-66. На поверхности окисла формируется магниторезистивный мост Уитстона в виде четырех полосок магниторезистивной пленки с анизотропным эффектом. Для формирования кремниевой консоли 1 в кремниевом кристалле 2 методами объемной микрообработки анизотропным химическим травлением вытравливается углубление под плоской кремниевой мембраной толщиной порядка 20 мкм, которая служит для создания консоли. На окисленную поверхность (изолирующий слой) кремниевого кристалла напыляется пленка магнитомягкого материала. Используя методы фотолитографии и плазмохимического травления, формируют магнитопровод 7 и консоль 1. Точное расположение магнитопровода и малая величина зазора в магнитопроводе определяются высокой точностью воспроизведения размеров, достигаемой при фотолитографических процессах. Методами изготовления интегральных схем создаются алюминиевая разводка 8 и контактные площадки 9-12. Расположение контактных площадок дает возможность осуществлять разварку выводов с контактных площадок, используя стандартное технологическое оборудование. На кристалл 2 микроэлектромеханического датчика микроперемещений в области широкой части магнитопровода наклеивается микромагнит 5.
Описанный выше микроэлектромеханический датчик микроперемещений работает следующим образом. На выводы прибора подается напряжение: на контакты питания подается положительное напряжение смещения относительно земли. С выводов коллекторов снимается разность напряжений. Прибор имеет симметричную структуру и одинаковые нагрузки, поэтому токи рабочих коллекторов равны и на выходах между двумя коллекторами разница напряжений равна нулю при нулевом магнитном поле. В магнитном поле, задаваемом постоянным микромагнитом 5 через магнитопровод 7 на магнитотранзистор 4 между выводами коллекторов магнитотранзистора, вырабатывается разность потенциалов.
При механическом движении консоли 1 происходит изменение разности напряжений измерительных коллекторов трехколлекторного биполярного магнитотранзистора 4, которая зависит от величины микроперемещения.
Микроэлектромеханический датчик микроперемещений с магнитным полем обладает новым качеством - структура датчика располагается на одном кристалле, что позволяет изготовить его по МЭМС технологии и обеспечить снижение размеров и массы датчика.