ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ
SOLID-STATE MAGNETIC FIELD SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники и твердотельной электроники и может быть использовано при создании миниатюрных датчиков магнитного поля для применения в магниточувствительных электронных микросистемах управления приводами, бесконтактных переключателях, дефектоскопии, при создании мобильных наземного воздушного и космического базирования магнитолокаторов и аппаратуры навигации.
Известно устройство индукционных феррозондовых первичных преобразователей магнитного поля (феррозондовый датчик) [1], содержащее многовитковую катушку на сердечнике из магнитного материала.
Недостатками феррозондовых датчиков являются низкие эксплуатационные параметры, а именно необходимость их термостабилизации и высокое энергопотребление, поскольку феррозондовые датчики работают в токовом режиме. Объем большинства конструкций феррозондов составляет от единиц до сотен кубических сантиметров.
-14
-18
-14
-18
Известно обладающее аномально высокой чувствительностью к магнитному полю - порядка 10-10 Тл устройство сверхпроводящего квантового интерференционного датчика (СКВИД) [2] на эффекте Джозефсона, содержащее на жесткой подложке магниточувствительный элемент, выполненный из сверхпроводящего тонкопленочного материала. Чувствительность СКВИДов, как правило, определяется материалом магниточувствительного элемента. Чувствительность на уровне 10 Тл характерна для СКВИДов, использующих магниточувствительный элемент из высокотемпературных сверхпроводящих материалов, а 10 Тл - для СКВИДов, изготовленных из низкотемпературных сверхпроводящих материалов.
Недостатком СКВИДов является необходимость системы охлаждения до криогенных температур, что увеличивает габаритные размеры, энергопотребление и снижает эксплуатационные параметры устройств с использованием СКВИДов.
Известно миниатюрное на одном кристалле, твердотельное устройство измерителя магнитных полей на эффекте Холла (датчик Холла) [3], содержащее на диэлектрической подложке магниточувствительный элемент, выполненный из тонкопленочного полупроводникового материала. На магниточувствительном элементе располагаются 4 электрода - 2 токовых и 2 потенциальных, позволяющих получить информационный сигнал от постоянных и переменных магнитных полей.
-6
Недостатком датчиков Холла является низкая пороговая чувствительность, которая не превышает 10 Тл.
Известно устройство твердотельного датчика магнитных полей, использующее пьезоэлектрический эффект [4], содержащее магниточувствительный элемент на пьезоактивном материале. Пьезоактивный материал представляет собой пластину из монолитного пьезоэлектрика. Магниточувствительный элемент представляет собой проводник тока, выполненный из токопроводящего материала, который находится в контакте с поверхностью пьезоэлектрика. На обеих поверхностях пьезоэлектрика располагаются электроды, позволяющие регистрировать информационный сигнал о величине механических деформаций пьезоэлектрика.
Преобразование магнитного поля в электрический сигнал происходит под действием силы Ампера, действующей на магниточувствительный элемент (проводник с током) со стороны поля и вызывающей деформацию пластин пьезокерамики. Электроды на внешних поверхностях пластины регистрируют электрический сигнал, пропорциональный величине магнитного поля.
Недостатком устройства на пластине из монолитной пьезокерамики является низкая пороговая чувствительность и узкий диапазон регистрируемых магнитных полей, определяемых конструкцией устройства.
Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного устройства.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по изменению конструкции датчика магнитного поля путем формирования на мембране из алмазной пленки магниточувствительного элемента и пьезоактивного материала в объеме одного модуля.
Получаемый при этом технический результат заключается в повышении пороговой чувствительности датчика и расширении его динамического диапазона.
Указанный технический результат достигается тем, что в твердотельный датчик магнитного поля, содержащий пьезоэлектрик, на котором расположены электроды для связи с устройством регистрации напряжения и магниточувствительный элемент, связанный с источником переменного тока, дополнительно введена алмазная мембрана, пьезоэлектрик и магниточувствительный элемент выполнены в виде тонких пленок, при этом пленка пьезоэлектрика расположена поверх алмазной мембраны, а магниточувствительный элемент расположен на поверхности пьезоэлектрика.
Находящиеся на пьезоэлектрике электроды для связи с устройством регистрации напряжения могут быть расположены как на одной стороне пьезоэлектрика, так и с разных сторон таким образом, что один из электродов может быть нанесен непосредственно на алмазную мембрану и располагаться между алмазной мембраной и пьезоэлектриком.
Повышение пороговой чувствительности и расширение динамического диапазона достигаются благодаря малой механической жесткости мембраны и, как следствие, возрастанию амплитуд механических деформаций (изгибных, продольных, поперечных) в тонкопленочном пьезоэлектрике и увеличению электрического напряжения на его электродах, а также за счет одновременного воздействия и сложения в магнитном поле силы Ампера и магнитострикционного эффекта, действующих на пьезоэлектрик со стороны магниточувствительного элемента.
Конструкция датчика приведена на фиг. 1а и 1б. Принцип работы датчика при воздействии магнитного поля приведен на фиг.2а и 2б. Датчик представляет собой тонкопленочную конструкцию, выполненную в едином модуле, где 1 - мембрана из алмазной пленки, концы которой закреплены на интегральной схеме (ИС) и кремниевой подложке, 2 - тонкопленочный пьезоэлектрик, 3 - тонкая пленка из магниточувствительного материала. Электроды 4 и 5 на поверхности магниточувствительного элемента соединены с источником переменного тока, электроды 6 и 7 пьезоэлектрика соединены с элементами управления и контроля на базе ИС. На фиг.1а электроды 6 и 7 расположены на одной стороне пьезоэлектрика, а на фиг. 1б электрод 6 находится на одной стороне, а электрод 7 - на противоположной стороне между пьезоэлектриком и алмазной мембраной.
4
2
2
Алмазная мембрана 1 сформирована таким образом: на одну поверхность подложки кремния (Si) методом химического пароосаждения (CVD) из газовой смеси CH и H напыляют алмазную пленку толщиной 300-500 нм, достаточную для придания прочности конструкции в устройстве мембранного типа благодаря высоким механическим свойствам алмазной пленки. При напылении концентрация Н должна быть не ниже 97,5 вес.%, что исключает образование в алмазной пленке углеродных фаз, кристаллизующихся в структуре графита. Перед напылением алмазной пленки закрывают теневой маской ИС. Затем с использованием жидкостного травления частично удаляют кремниевую подложку, оставляя небольшую ее часть в качестве опоры для мембраны.
0,2
0,8
3
0,2
0.8
3
Материал пьезоэлектрика - сегнетоэлектрик, толщиной 150-200 нм, состава BaSrTiO, сформирован методом ВЧ реактивного распыления в среде кислорода при условиях: давление кислорода 0,4 Торр, мишень - поликристаллическая, состав BaSiTiO, температура структуры в процессе напыления 640°С на алмазной мембране.
-5
Магнитострикционный материал - никель, толщиной 150-200 нм сформирован на пьезоэлектрическом материале методом электронно-лучевого распыления при условиях: остаточное давление 10 mBar, мощность источника 5 кВт, температура структуры в процессе напыления 150°С.
Контакты толщиной 300-400 нм выполнены из алюминия магнетронным распылением в среде аргона, причем для конструкции, представленной на фиг 1б, контакт наносится на алмазную мембрану перед напылением пьезоэлектрика.
Работает датчик следующим образом. При воздействии магнитного поля F на магниточувствительный элемент 3, который представляет собой проводник с током из токопроводящего магнитострикционного материала (никель) и который с помощью контактов 4,5 подсоединен к источнику переменного тока, действует как сила Ампера, так и магнитострикционный эффект - сила, стремящаяся изменить линейные размеры магниточувствительного элемента. В результате воздействия двух сил (динамических - за счет изменение линейных размеров пленки никеля и силы Ампера) в тонкопленочном пьезоэлектрике 2, расположенном на алмазной мембране 1, возникают механические напряжения, приводящие к его механической деформации, и генерации, вследствие пьезоэффекта, электрического напряжения на электродах 6 и 7 пьезоэлектрика. Величина электрического напряжения на электродах 6 и 7 соответствует величине механических деформаций в пьезоэлектрике 2 и пропорциональна величине магнитного поля F.
-14
-18
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет регистрировать магнитные поля порядка 10-10 Тл. Параметры твердотельного датчика магнитного поля приведены в таблице 1.
Таблица 1
Наименование параметра
Значение параметра
пороговая чувствительность, Тл
10<sup>-14</sup>…10<sup>-8</sup>
диапазон частот переменных магнитных полей, Гц
10<sup>1</sup>…10<sup>3</sup>
постоянная времени, с
10<sup>-5</sup>…10<sup>-6</sup>
вес, г - не более
0,5
диапазон рабочих температур, °С
-100…+100
ЛИТЕРАТУРА
1. Афанасьев Ю.В. «Феррозонды». Л.: «Энергия», 1969 г., 166 с.
2. Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с джозефсоновскими контактами. 1978 г. М.: Наука, 387 с.
3. Бараночников М.Л. «Микромагнитоэлектроника», том 1. 2001 г. Издание ДМК Пресс. 2001 г., 541 с.
4. Фетисов Ю.К. и др. Патент на полезную модель №94721. (Заявка №2010109760/22). Датчик магнитного поля, 2010 г. МПК G01R 33/02