ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области первичных преобразователей магнитного поля и может быть использовано в сенсорной аппаратуре, используемой в автоэлектронике, автоматике и робототехнике, измерительной технике, системах навигации и ориентации, безопасности, экологического мониторинга.
Известен датчик магнитного поля типа полевого датчика Холла (Мордкович В.Н. и др. Полевой датчик Холла - новый тип преобразователя магнитного поля. Датчики и системы, 2003, №7, с.33-37), содержащий области истока, канала, стока, сформированные в слое кремния структуры «кремний на изоляторе», подзатворный диэлектрик на поверхности канала, затвор на поверхности подзатворного диэлектрика, скрытый в кремниевой подложке диэлектрический слой, расположенный под каналом, причем подложка выполняет роль второго затвора. Такой датчик обладает чувствительностью к слабым магнитным полям.
Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками полезной модели:
а) совместимость технологии датчика с микроэлектронной технологией;
б) чувствительность к высоким магнитным полям.
в) наличие шин металлизации;
е) использование кремниевой подложки.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является высокая стоимость, обусловленная высокой стоимостью структур «кремний на изоляторе».
Известен также датчик магнитного поля на основе двухстокового полевого транзистора (R.S.Popovic Hall Effect Devices IoP, Publishing Ltd, 2004., p.357), сформированный на основе полупроводника (например, Si) и содержащий области истока, канала, двух стоков, подзатворный диэлектрик на поверхности полупроводника над каналом и затвор, расположенный на поверхности подзатворного диэлектрика.
Признаки аналога, совпадающие с существенными признаками полезной модели:
а) датчик выполнен в кремнии;
б) совместимость технологии датчика с микроэлектронной технологией;
в) наличие шин металлизации;
г) чувствительность к слабым магнитным полям.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является недостаточная чувствительность датчика к слабым магнитным полям.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является тензодатчик мебранного типа, предназначенный для прецизионного измерения величины приложенного усилия в диапазоне 0:1.5 кг (модель датчика HONEYWELL MicroSwitch http://www.filur.net/index.php?mod=art&id=41&). Чувствительный элемент датчика состоит из имплантированных в кремниевую мембрану пьезорезисторов измерительного моста; детектируемое поле воздействует на чувствительную диафрагму. Датчик может размещаться как на печатной плате, так и на отдельном кронштейне-держателе и выполнен по технологии, совместимой с технологией микроэлектроники.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками полезной модели:
а) датчик выполнен в кремнии;
б) совместимость технологии датчика с микроэлектронной технологией;
в) наличие пьезорезисторов измерительного моста;
г) наличие шин металлизации;
д) конструкция датчика мембранного типа;
е) наличие изолирующего слоя.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что данный датчик не детектирует магнитное поле, а также сложность и прецизионность технологии формирования кремниевых чувствительных мембран.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является удешевление технологии производства и повышение чувствительности датчиков магнитного поля, а также создание датчика по стандартной технологии микроэлектроники за счет выполнения ее в полупроводниковой пластине.
Для достижения технического результата предложена датчик магнитного поля, выполненный в кремнии по технологии, совместимой с микроэлектронной, состоящий из чувствительной мембраны, пьезорезисторов измерительного моста, шин металлизации, изолирующего слоя и кремниевой подложки, при этом изолирующий слой изготовлен из диэлектрического полимера, чувствительная мембрана изготовлена из композиционного материала, состоящего из диэлектрической полимерной матрицы, армированной ориентированным массивом углеродных нанотрубок с закрепленной частицей металла переходных групп.
На Рис.1 приведено сечение предлагаемого датчика магнитного поля.
Датчик магнитного поля, выполненный в кремнии по технологии, совместимой с микроэлектронной, состоящий из чувствительной мембраны 1, пьезорезисторов измерительного моста 2, шин металлизации 3-6, изолирующего слоя 7 и кремниевой подложки 8, при этом изолирующий слой 7 изготовлен из диэлектрического полимера, чувствительная мембрана 1 изготовлена из композиционного материала, состоящего из диэлектрической полимерной матрицы, армированной ориентированным массивом углеродных нанотрубок 9 с закрепленной частицей металла переходных групп 10.
Устройство работает следующим образом.
Датчик мембранного типа помещается в магнитное поле. При внесении в магнитное поле чувствительная мембрана 1 будет отклоняться от положения равновесия по направлению силовых линий магнитного поля, либо в противоположном направлении. Отклонение чувствительной мембраны зависит от величины поля, модуля Юнга и ее магниточувствительности. При этом параметры модуля Юнга и магниточувствительности задаются концентрацией УНТ 9. На конце каждой углеродной нанотрубки закреплена частица металла переходных групп 10, что обусловлено методом роста УНТ (например, по методу, предложенному П.В.Фурсиковым в статье Каталитический синтез и свойства углеродных нановолокон //International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. - 2005. №1. C. 24-40). Отклонение чувствительной мембраны 1 под воздействием магнитного поля вызывает деформацию пьезорезисторов измерительного моста 2, на изменении сопротивлений которых основан принцип работы датчика. К пьезорезисторам измерительного моста 2 (рис.2) подведены четыре металлических контакта 3-6, из которых 3 - заземлен, на 4 - подается напряжение питания, а 5, 6 - являются измерительными. При этом металлические контакты 3, 4 и 5, 6 изолированы друг от друга изолирующим слоем 4, а выходной сигнал датчика снимается непосредственно с измерительного моста 2 с контактов 5, 6.
Технико-экономические преимущества заявленного устройства перед известными выражены в повышении магнитной чувствительности и возможности регулирования параметров чувствительной мембраны за счет использования композиционного материала мембраны, состоящего из диэлектрической полимерной матрицы, армированной ориентированным массивом углеродных нанотрубок с закрепленной частицей металлов переходных групп, обладающих высокой магниточувствительностью, а также удешевление технологии производства за счет использования полимерных материалов и технологии поверхностной обработки..