Вид РИД
Изобретение
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.
|
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