×
27.03.2013
216.012.3188

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002478218
Дата охранного документа
27.03.2013
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: 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 магнитолокаторов наземного воздушного и космического базирования и аппаратуры навигации. Сущность изобретения заключается в том, что твердотельный датчик магнитного поля содержит пьезоэлектрик, на котором расположены электроды для связи с устройством регистрации напряжения, и магниточувствительный элемент, связанный с источником переменного тока, при этом он дополнительно содержит алмазную мембрану, а пьезоэлектрик и магниточувствительный элемент выполнены в виде тонких пленок, при этом пленка пьезоэлектрика расположена поверх алмазной мембраны, а магниточувствительный элемент расположен на поверхности пьезоэлектрика. Технический результат - повышение пороговой чувствительности датчика и расширение его динамического диапазона. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

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.

Известно обладающее аномально высокой чувствительностью к магнитному полю - порядка 10-14-10-18 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 10-14 Тл характерна для СКВИДов, использующих магниточувствительный элемент из высокотемпературных сверхпроводящих материалов, а 10-18 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.

Недостатком датчиков Холла является низкая пороговая чувствительность, которая не превышает 10-6 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.

Алмазная мембрана 1 сформирована таким образом: на одну поверхность подложки кремния (Si) методом химического пароосаждения (CVD) из газовой смеси CH4 и H2 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 Н2 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.

Материал пьезоэлектрика - сегнетоэлектрик, толщиной 150-200 нм, состава Ba0,2Sr0,8TiO3, сформирован методом ВЧ реактивного распыления в среде кислорода при условиях: давление кислорода 0,4 Торр, мишень - поликристаллическая, состав Ba0,2Si0.8TiO3, температура структуры в процессе напыления 640°С на алмазной мембране.

Магнитострикционный материал - никель, толщиной 150-200 нм сформирован на пьезоэлектрическом материале методом электронно-лучевого распыления при условиях: остаточное давление 10-5 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.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет регистрировать магнитные поля порядка 10-14-10-18 Тл. Параметры твердотельного датчика магнитного поля приведены в таблице 1.

Таблица 1
Наименование параметра Значение параметра
пороговая чувствительность, Тл 10-14…10-8
диапазон частот переменных магнитных полей, Гц 101…103
постоянная времени, с 10-5…10-6
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


ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-8 of 8 items.
10.03.2013
№216.012.2e23

Способ соединения деталей из тугоплавких оксидов

Изобретение относится к области изготовления деталей для оптических, акустоэлектронных и лазерных устройств, где в качестве активных и пассивных материалов используются тугоплавкие оксиды, преимущественно, двух-, трех- и четырехвалентных металлов, как в форме простых оксидов, так и сложных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477342
Дата охранного документа: 10.03.2013
10.08.2013
№216.012.5d68

Подложка для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия

Изобретение относится к электронной технике, а именно - к материалам для изготовления полупроводниковых приборов с использованием эпитаксиальных слоев арсенида галлия. Сущность изобретения заключается в использовании для выращивания эпитаксиальных слоев GaAs подложек из интерметаллических...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489533
Дата охранного документа: 10.08.2013
10.01.2014
№216.012.95cd

Гибридная фоточувствительная схема (гфс)

Гибридная фоточувствительная схема содержит: алмазный матричный фотоприемник (МФП), индиевые столбики и кремниевый мультиплексор с чувствительными площадками. В состав МФП входят: верхний плоский электрод, на который подается напряжение смещения, алмазная пластина и нижние электроды...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002504043
Дата охранного документа: 10.01.2014
27.03.2014
№216.012.af24

Малогабаритный фазовращатель свч-диапазона

Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано в интегральной СВЧ-электронике для радиотехнической аппаратуры наземного, воздушного, космического базирования. Технический результат - снижение потерь мощности СВЧ-сигнала и увеличение верхнего диапазона частот....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510551
Дата охранного документа: 27.03.2014
10.06.2014
№216.012.d021

Гибридная фоточувствительная схема (гфс)

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при создании многоспектральных и многоэлементных фотоприемников. Гибридная фоточувствительная схема содержит алмазный матричный фотоприемник (МФП), индиевые столбики и кремниевый мультиплексор с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519052
Дата охранного документа: 10.06.2014
20.04.2015
№216.013.44cd

Способ и устройство стирания записанной информации

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в увеличении надежности при бесконтактном способе стирания информации. Способ стирания записанной информации с микросхемы с неоднородным полупроводниковым носителем информации с энергонезависимой памятью,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002549111
Дата охранного документа: 20.04.2015
20.03.2016
№216.014.cd45

Способ получения монокристаллических алмазных эпитаксиальных пленок большой площади

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при разработке технологии алмазных электронных приборов увеличенной площади. Способ включает закрепление на подложке монокристаллических алмазных пластин с ориентацией поверхности (100) и последующее нанесение на пластины...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002577355
Дата охранного документа: 20.03.2016
27.05.2016
№216.015.41dd

Способ изготовления углеродных пленок со структурой алмаза, легированных бором

Изобретение относится к области технологии тонкопленочных материалов и может быть использовано при создании пассивных и активных элементов микро- и оптоэлектронных устройств. В способе изготовления углеродных пленок со структурой алмаза, легированных бором, осуществляемом методом химического...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002585311
Дата охранного документа: 27.05.2016
Showing 1-9 of 9 items.
10.03.2013
№216.012.2e23

Способ соединения деталей из тугоплавких оксидов

Изобретение относится к области изготовления деталей для оптических, акустоэлектронных и лазерных устройств, где в качестве активных и пассивных материалов используются тугоплавкие оксиды, преимущественно, двух-, трех- и четырехвалентных металлов, как в форме простых оксидов, так и сложных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002477342
Дата охранного документа: 10.03.2013
10.08.2013
№216.012.5d68

Подложка для выращивания эпитаксиальных слоев арсенида галлия

Изобретение относится к электронной технике, а именно - к материалам для изготовления полупроводниковых приборов с использованием эпитаксиальных слоев арсенида галлия. Сущность изобретения заключается в использовании для выращивания эпитаксиальных слоев GaAs подложек из интерметаллических...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489533
Дата охранного документа: 10.08.2013
10.01.2014
№216.012.95cd

Гибридная фоточувствительная схема (гфс)

Гибридная фоточувствительная схема содержит: алмазный матричный фотоприемник (МФП), индиевые столбики и кремниевый мультиплексор с чувствительными площадками. В состав МФП входят: верхний плоский электрод, на который подается напряжение смещения, алмазная пластина и нижние электроды...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002504043
Дата охранного документа: 10.01.2014
27.03.2014
№216.012.af24

Малогабаритный фазовращатель свч-диапазона

Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано в интегральной СВЧ-электронике для радиотехнической аппаратуры наземного, воздушного, космического базирования. Технический результат - снижение потерь мощности СВЧ-сигнала и увеличение верхнего диапазона частот....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510551
Дата охранного документа: 27.03.2014
10.06.2014
№216.012.d021

Гибридная фоточувствительная схема (гфс)

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано при создании многоспектральных и многоэлементных фотоприемников. Гибридная фоточувствительная схема содержит алмазный матричный фотоприемник (МФП), индиевые столбики и кремниевый мультиплексор с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519052
Дата охранного документа: 10.06.2014
20.04.2015
№216.013.44cd

Способ и устройство стирания записанной информации

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в увеличении надежности при бесконтактном способе стирания информации. Способ стирания записанной информации с микросхемы с неоднородным полупроводниковым носителем информации с энергонезависимой памятью,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002549111
Дата охранного документа: 20.04.2015
20.03.2016
№216.014.cd45

Способ получения монокристаллических алмазных эпитаксиальных пленок большой площади

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при разработке технологии алмазных электронных приборов увеличенной площади. Способ включает закрепление на подложке монокристаллических алмазных пластин с ориентацией поверхности (100) и последующее нанесение на пластины...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002577355
Дата охранного документа: 20.03.2016
27.05.2016
№216.015.41dd

Способ изготовления углеродных пленок со структурой алмаза, легированных бором

Изобретение относится к области технологии тонкопленочных материалов и может быть использовано при создании пассивных и активных элементов микро- и оптоэлектронных устройств. В способе изготовления углеродных пленок со структурой алмаза, легированных бором, осуществляемом методом химического...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002585311
Дата охранного документа: 27.05.2016
29.05.2019
№219.017.673d

Способ и устройство стирания записанной информации (варианты)

Способ стирания записанной на микросхеме с неоднородным полупроводниковым носителем информации с энергонезависимой памятью состоит в том, что на микросхему и управляющий затвор кратковременно подают номинальные напряжения питания. В это время в проводниках микросхемы, размещенных на ее...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002323491
Дата охранного документа: 27.04.2008
+ добавить свой РИД