Магнитный датчик тока с пленочным концентратором
MAGNETIC CURRENT SENSOR WITH A FILM CONCENTRATOR

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля.
Полупроводниковые датчики величины и направления магнитного поля находят все более широкое распространение в интегрированных микросистемах благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники и создания микроминиатюрных приборов для контроля и управления в автоматизированных комплексах различного назначения.
В датчиках магнитного поля используются концентраторы магнитного поля, позволяющие повысить величину индукции внешнего магнитного поля в месте расположения чувствительного элемента за счет намагничивания магнитомягкого материала концентратора с высокой магнитной проницаемостью. Форма и расположение концентраторов относительно элемента, чувствительного к магнитному полю, определяют величину и направление магнитного потока, проходящего в чувствительной зоне датчика. Система формирования магнитного потока, включающая пленочные концентраторы и датчики, позволяет повысить чувствительность преобразования магнитного поля в электрический сигнал.
Концентраторы используются в составе интегральных микросистем измерения магнитного поля, в частности, для создания магнитных датчиков тока. Чувствительными элементами служат преобразователи магнитного поля на основе магниторезисторов /1/, датчиков Холла /2/, магнитотранзисторов /3/.
Улучшение электромагнитных характеристик и повышение точности трансформаторных датчиков тока достигается применением в качестве материала магнитопровода аморфного железа /4/. Датчик тока трансформаторного типа имеет кольцевой магнитопровод, измерительную обмотку, медное короткозамкнутое кольцо и шины с измеряемым током. Главным отличием датчика является электропроводящее неферромагнитное кольцо, охватывающее магнитопровод. Конструкция датчика выполняется в виде объемной структуры, занимающей большое пространство.
В патенте /5/ предлагается создание магниторезистивного датчика с оптимальным направлением вектора намагниченности ферромагнитной пленки в тонкопленочной магниторезистивной полоске, что увеличивает чувствительность датчика и линейность его ВЭХ. Технология изготовления датчика не предусматривает изготовление магнитопровода.
В патенте /6/ предлагается создание магниторезистивного датчика с магнитожесткими полосками на поверхности проводника управления, уменьшающими величину тока в проводнике управления. Технология изготовления датчика не предусматривает изготовление магнитопровода.
В патенте /7/ предлагается использовать мостовую схему на магниторезисторах, проводники перемагничивания в виде плоской прямоугольной петли и управления в виде плоской прямоугольной катушки, которые уменьшают погрешности измерения тока, вызванные влиянием внешнего магнитного поля. В патенте не рассматриваются магнитопроводы, увеличивающие чувствительность датчика тока.
В патенте /8/ предлагается с целью расширения функциональных возможностей как датчика скорости нарастания тока и уменьшения потребляемой мощности ввести в зазор кольцевого магнитопровода второй магнитопровод. Первый магнитопровод охватывает проводник с током и имеет зазор, а другой кольцевой магнитопровод расположен в зазоре первого и имеет обмотки, формирующие выходной сигнал. Этот патент является наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип.
Описанный в патенте /8/ магнитный датчик тока имеет следующие основные недостатки. Дополнительный магнитопровод в зазоре первого магнитопровода уменьшает измеряемый магнитный поток, что соответственно уменьшает чувствительность датчика тока. Конструкция датчика выполняется в виде объемной структуры, не поддающейся микроминиатюризации.
Задача изобретения - создание пленочного концентратора магнитного поля для магнитного датчика тока с высокой чувствительностью в микроминиатюрном исполнении.
Поставленная задача решается за счет того, что магнитный датчик тока с пленочным концентратором содержит два кольцевых пленочных магнитопровода, расположенных параллельно токовому проводнику с минимальным зазором; кольца магнитопроводов пересекаются и происходит сложение магнитных потоков и магнитное поле усиливается в области расположения магниточувствительных элементов.
Магнитный датчик тока с пленочным концентратором, содержащий подложку; элемент, чувствительный к магнитному полю; диэлектрический слой; концентратор магнитного поля с двух сторон от элемента, чувствительного к магнитному полю, расположенного около проводника с током, отличающийся тем, что концентратор магнитного поля выполнен из пленки магнитомягкого материала, например, пермаллоя, на диэлектрическом слое в форме частично пересекающихся двух колец переменной ширины с зазором, около элемента, чувствительного к магнитному полю. Плоская структура концентраторов позволяет минимизировать расстояние от проводника с током и использовать сильное магнитное поле вблизи проводника с током, что повышает чувствительность и уменьшает габариты датчика. Индукция магнитного поля вблизи проводника с током усиливается в области расположения магниточувствительных элементов за счет изменения ширины колец и сложения магнитных потоков от двух колец. Техническим результатом является микроминиатюризация магнитного датчика тока и повышение его чувствительности.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь. Магнитный датчик тока с пленочным концентратором располагается на минимальном расстоянии от проводника с током в области с максимальной магнитной индукцией, создаваемой током. Магнитная индукция создает намагничивание пленочного концентратора, соответственно с магнитной проницаемостью материала пленки, например пермаллоя, и формирует магнитный поток в кольцевых магнитопроводах двух концентраторов. Магнитный поток проходит по сужающимся магнитопроводам, что повышает магнитную индукцию и доходит до стыка концентраторов, где происходит суммирование магнитной индукции. В области зазора в магнитопроводах формируется усиленное значение магнитной индукции, создаваемое проводником с током. Расположенный в зазоре магнитопроводов чувствительный элемент датчика тока воспринимает усиленную магнитную индукцию и преобразует магнитное поле тока в электрический сигнал.
Изобретение позволяет создавать малогабаритные датчики магнитного поля с преобразованием величины напряженности магнитного поля около проводника с током в электрический сигнал в расширенном диапазоне изменения напряженности магнитного поля.
На фиг. 1 представлено поперечное сечение и план магнитного датчика тока с пленочным концентратором. На фиг. 2 дано распределение магнитной индукции вокруг проводника с током. На фиг. 3 представлена конфигурация концентратора. На фиг. 4 показана чувствительность магнитного датчика тока с пленочным концентратором и с магниточувствительным элементом на основе преобразователя с анизотропным магниторезистивным эффектом.
1
2
1
2
На фиг. 1 показано поперечное сечение и план магнитного датчика тока с пленочным концентратором, где датчик состоит из (1) подложки; (2) диэлектрического слоя; (3) элемента, чувствительного к магнитному полю; (4) магниточувствительной области элемента; (5) пленочных концентраторов магнитного поля с двух сторон от чувствительного элемента. Проводник с током обозначен (6). Буквенными обозначениями на фиг. 1 указаны: h - зазор между проводником с током (6) и пленочным концентратором (5), h - толщина пленки концентратора, D - размер части концентраторов около проводника с током, D - размер части концентраторов около магниточувствительной области элемента, чувствительного к магнитному полю; L - зазор между частями концентратора около магниточувствительной области элемента, чувствительного к магнитному полю.
max
намагн
На фиг. 2 представлено распределение магнитной индукции B вокруг проводника 6 с током I в зависимости от радиуса R по формуле B=I/2πR. Пленочные магнитные концентраторы 5 располагаются на минимальном расстоянии h1 от проводника с током в области с максимальным значением магнитной индукции B. В концентраторах возникает индукция намагничивания максимальной величины B.
намагн
изм
На фиг. 3 представлена конфигурация концентратора, имеющего форму частично пересекающихся двух колец переменной ширины с зазором, около элемента, чувствительного к магнитному полю, в котором за счет изменения ширины колец и сложения магнитных потоков от двух колец магнитный поток, создаваемый током B, усиливается в области расположения магниточувствительных элементов B, как показано линиями индукции и стрелками.
На фиг. 4 представлены экспериментальные зависимости от величины тока в проводнике I величины чувствительности S магнитного датчика тока с пленочным концентратором и с магниточувствительным элементом на анизотропном магниторезистивном эффекте 1) магнитного датчика тока с пленочным концентратором и 2) магнитного датчика тока с объемным магнитопроводом.
2
1
max
2
1
2
max
2
2
1
1
2
2
2
1
1
max
изм
Представленное на фиг. 1 поперечное сечение структуры и план магнитного датчика тока с пленочным концентратором показывает, что пленочный концентратор магнитного поля (5) с толщиной h расположен на диэлектрическом слое (2) и подложке (1) над элементом, чувствительным к магнитному полю (3), и магниточувствительной области элемента (4). Кольцевые концентраторы магнитного поля соприкасаются с проводником с током (6), т.е. расположены на минимальном расстоянии h от проводника с током, где действует максимальная величина магнитного поля тока с индукцией B. Магнитомягкий материал с магнитной проницаемостью μ в соответствующее количество раз увеличивает магнитную индукцию в концентраторе. Для пермаллоя магнитная проницаемость μ достигает 100000. Размер кольца концентратора в области размером D, удаленной от магниточувствительной области элемента, чувствительного к магнитному полю, существенно больше, чем в области размером D, граничащей с чувствительной областью магниточувствительного элемента, и с зазором в кольцевом концентраторе с размером L. Магнитный поток в области D имеет величину W=μB⋅D⋅h и после прохождения по магнитопроводу концентратора равен магнитному потоку в области D с W=μB⋅D⋅h. Отношение D/D обеспечивает увеличение отношения магнитной индукции B/B. Кроме того, перекрытие двух колец увеличивает вдвое магнитный поток и магнитную индукцию в зазоре концентратора L и в чувствительной области (4) магниточувствительного элемента (3). В общей сложности на чувствительную область (4) магниточувствительного элемента (3) воздействует сильное магнитное поле с индукцией B.
1
max
намагн
Магнитная индукция B вокруг проводника (6) с током I уменьшается при увеличении радиуса R по формуле B=I/2πR, как показано на фиг. 2. Пленочные магнитные концентраторы (5) располагаются на минимальном расстоянии h от проводника с током 6 в области с максимальным значением магнитной индукции B. В концентраторах в виде тонкой пленки возникает индукция намагничивания максимальной величины B.
намагн
изм
Конфигурация концентратора имеет форму частично пересекающихся двух колец переменной ширины с зазором, около элемента, чувствительного к магнитному полю, как показано на фиг. 3. За счет сужения ширины колец и сложения магнитных потоков от двух колец создаваемый током магнитный поток B усиливается в области расположения магниточувствительных элементов B, как показано линиями индукции и стрелками.
Экспериментальное исследование чувствительности S магнитного датчика тока с пленочным концентратором и с магниточувствительным элементом на анизотропном магниторезистивном эффекте показало, как видно на фиг. 4, что пленочный концентратор в 5 раз повышает чувствительность магнитного датчика тока и в 4 раза расширяет диапазон чувствительности.
изм
Функционирование магнитного датчика тока с пленочным концентратором происходит следующим образом. В отсутствие внешнего магнитного поля проводника с током (6) начальная магнитная индукция кольцевых концентраторов (5) создает нулевой уровень электрического сигнала элемента, чувствительного к магнитному полю (3). При протекании тока в проводнике с током возникает магнитном поле, которое формируется и усиливается до величины магнитной индукции B. Магнитная индукция создает рабочий уровень электрического сигнала элемента, чувствительного к магнитному полю (3). Разность напряжений в нулевом и рабочем уровнях определяет величину магнитного поля, действующего параллельно поверхности кристалла.
Изготавливаются пленки концентраторов методами микроэлектроники, например локальным электрохимическим осаждением магнитомягкого сплава пермаллоя /9/. Перечисленные на фиг. 1 конструктивные элементы пленочной системы формирования магнитного поля концентраторы (5) выполнены по микроэлектронной технологии следующим образом. На поверхности диэлектрического слоя (2) и подложки (1) с элементом, чувствительным к магнитному полю (3), и магниточувствительной области элемента (4) наносится металлический слой, например, никеля с помощью термического напыления. На металлическом слое формируется фотолитографией маска из фоторезиста. Топология выбирается таким образом, чтобы окна в маске соответствовали концентраторам (5). В электрохимической ячейке с электролитом, содержащим соли никеля и железа, катодный потенциал подается на металлический слой, а на никелевую пластину анода подается постоянное напряжение. При выбранной величине плотности тока проводится локальное осаждение пермаллоя и формирование концентраторов (5). Фоторезист смывается, а пленка никеля удаляется ионным травлением. Такой технологический процесс позволяет разместить концентраторы относительно магниточувствительного элемента с микроэлектронной точностью, что обеспечивает воспроизводимость.
Датчик с концентраторами прикладывается поверхностью концентраторов к проводнику с током на минимально близком расстоянии. Описанный выше магнитный датчик тока с пленочным концентратором используются для создания микросистем контроля величины и изменения тока на основе магниторезисторов, датчиков Холла, магнитотранзисторов.
Магнитный датчик тока с пленочным концентратором обладает новым качеством - повышенной чувствительностью к магнитной индукции вблизи с проводником с током и микроминиатюрным исполнением.
Источники информации
1. Амеличев В.В., Аравин В.В., Белов А.Н., Красюков А.Ю., Резнев А.А., Сауров А.Н. Создание интегральных компонентов усиления магнитного сигнала в беспроводной МЭМС на основе магниторезистивных элементов // Нано- и микросистемная техника, 2013, №3, С. 29-33.
2. , F. Vincent, P. Besse,  Sensors and Actuators A: Physical, Volumes 97-98, 1 April 2002, Pages 10-14, Selected papers from Eurosenors XV, "Design of planar magnetic concentrators for high sensitivity Hall devices".
3. Schneider M., R. Castagnetti, M.G. Allen, H. Baltes Integrated flux concentrator improves CMOS magnetotransistors // Micro Electro Mechanical Systems, 1995, MEMS '95, Proceedings. IEEE.
4. Клименко К.А. Применение аморфного железа для улучшения электромагнитных характеристик трансформаторного датчика тока // Инновации в науке: сб. ст. по матер. VI междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск: СибАК, 2012.
5. Касаткин С.И., Муравьев A.M., Амеличев В.В., Гамарц И.А., Поломошнов С.А. Магниторезистивный датчик // Патент РФ №2433507. 2011.
6. Касаткин С.И., Муравьев A.M., Амеличев В.В., Решетников И.А., Гаврилов P.O. Магниторезистивный датчик // Патент РФ №2436200. 2011.
7. Ажаева Л.А., Веселов А.В., Грабов А.Б.. Сергеева Л.В., Суханов В.И., Суханова Н.Н. Магниторезистивный датчик тока // Патент РФ №2495514. 2014.
8. Могилевский Г.В., Лифар А.В., Петров Б.М., Нехитров А.С. Магнитный датчик тока // Патент РФ №1181036. 1985. - прототип.
9. Тихонов Р.Д., Черемисинов А.А. Генералов С.С., Горелов Д.В., Поломошнов С.А., Казаков Ю.В. Получение концентраторов магнитного поля с помощью электрохимического осаждения пермаллоя // Нано- и микросистемная техника, 2015, №3, С. 51-57.