МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано как датчик магнитной индукции в составе комплексирования с инерциальными датчиками в системах ориентации и навигации летательных аппаратов.

Известны устройства для измерения магнитной индукции, например датчики, использующие эффект Холла, которые имеют чувствительность до 10² нТл. Конструктивно они представляют собой полупроводниковую пластину прямоугольной формы с двумя парами ортогонально расположенных электрических контактов [1]. Принцип действия таких устройств состоит в том, что при протекании электрического тока между одной парой контактов и под воздействием магнитного поля, вектор которого перпендикулярен вектору тока, возникает ЭДС Холла на другой паре электрических контактов. Величина ЭДС Холла определяется следующей зависимостью от физических и конструктивных параметров:

где - коэффициент Холла; n - плотность носителей проводимости; q - заряд носителей тока; d - толщина эпитаксиального слоя; - магнитная индукция внешнего поля, действующая перпендикулярно вектору силы тока ; µ₀µ - абсолютная магнитная проницаемость среды (в данном случае магнитная проницаемость эпитаксиального слоя); H - магнитная напряженность внешнего поля,

Недостатком таких устройств является технологическая трудность обеспечения повторяемости от датчика к датчику малой толщины эпитаксиального слоя, а с этим и обеспечение повторяемости всех его характеристик.

Из полупроводниковых материалов, используемых для изготовления высокочувствительных датчиков магнитного поля наиболее пригодны материалы A₃B₅ с высокой подвижностью электронов, такие как антимонид индия InSb, арсенид индия InAs, арсенид галлия GaAs и др. Изготовление арсенидогаллиевых датчиков в тонкопленочном исполнении позволяет задавать толщину магниточувствительного слоя до нескольких единиц микрометров. В результате максимальная магнитная чувствительность эпитаксиальных арсенидогаллиевых датчиков магнитного поля стабильно достигнута в пределах 10² нТл. Однако неограниченное уменьшение толщины магниточувствительной области и концентрации носителей заряда для достижения высоких значений U_Холла приводит к таким негативным факторам, как увеличение остаточного напряжения датчика, рост входного и выходного сопротивлений, а также повышение уровня шумов и снижение стабильности работы.

В связи с отмеченными недостатками предпочтительно производства датчиков магнитной индукции с применением МЭМС технологии. Датчики использующие кремний и его соединения предназначены для работы в широком диапазоне температур и в условиях воздействия радиоактивного излучения и факторов космического пространства.

Известен резонансный магнитометр [2], содержащий магниточувствительный челнок, подвешенный на упругих спицах в корпусной пластине. Магниточувствительный челнок включен в колебательный контур, частота которого зависит от усилия, приложенного магнитным полем к челноку. Недостатком известного устройства является погрешность, вносимая силами инерции на челнок от линейных и угловых ускорений.

Наиболее близким заявляемому устройству является магнитометр [3], включающий корпусную кремниевую пластину, в которой методом микротехнологии выполнен симметричный маятник, маятник подвешен на двух упругих торсионах, на одном из концов маятника нанесен магниточувствительный слой.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности работы магнитометра и улучшение характеристик магнитометра за счет компенсации сил инерции посредством уравновешивания маятника не магнитным материалом.

Задача решается тем, что упругий подвес маятника выполнен в виде дух крестообразных торсионов, жестко соединенных по оси симметрии с маятником и с корпусной кремниевую пластиной, маятник выполнен из проводящего кремния, на втором конце маятника введен немагнитный слой, масса которого и плечо до оси качания равны соответственно, массе и плечу магниточувствительного слоя, введена первая непроводящая обкладка с первым и вторым проводящими планарными электродами силовой отработки, выполненными на одной из сторон обкладки, обкладка жестко соединена с корпусной кремниевой пластиной и проводящими электродами направлена в сторону маятника без магниточувствительного и немагнитного слоев, первый и второй проводящие планарные электроды расположены по разные стороны оси симметрии маятника, введена вторая непроводящая обкладка с проводящими планарными электродами емкостного датчика угловых перемещений, направленная проводящими электродами в сторону магнитного и немагнитного слоев, суммарная высота проводящих электродов второй обкладки меньше чем суммарная высота электродов первой обкладки на суммарную высоту магнитного и не магнитного слоев, введен микроконтроллер, ко входам емкостного ШИМ которого подключены первый и второй проводящие электроды второй обкладки, а к первому и второму проводящим электродам магниточувствительного слоя первой обкладки подключены регистры прямого и инверсного выходов микроконтроллера.

На фигурах 1, 2 и 3 показаны детали и узлы, а также кинематическая схема заявляемого микроэлектромеханического датчика магнитного поля. На фигуре 1 приведен вид в плане чувствительного элемента. В состав чувствительного элемента входит корпусная пластина 1 из проводящего монокремния, в которой выполнен симметричный маятник 2 методом сквозного анизотропного травления паза 3. Маятник подвешен в корпусной пластине 1 на двух упругих торсионах 4 из того же материала. На одном конце маятника нанесена полоска магниточувствительного слоя 5 из магнитожесткого материала, например из кобальт-самария, а на другом - немагнитный слой 6 равный по массе магниточувствительному.

На фигуре 2 приведен вид в плане обкладки 7 с силовыми проводящими электродами 8 и 9, соединенными проводящими дорожками с контактными площадками 10. Обкладка с проводящими электродами емкостного преобразователя перемещений выполнена аналогично с обкладкой с силовыми электродами и на фигуре не показана. На фигуре 3 приведена кинематическая схема микроэлектромеханического датчика магнитного поля, где 11 - проводящий электрод емкостного преобразователя перемещений, 12 - микроконтроллер. Остальные обозначения позиций на фигуре 3 соответствует позициям на фигурах 1 и 2.

Работа микроэлектромеханического датчика магнитного поля осуществляется на использовании силы Лоренца. Отклик на магнитное поле происходит без потребления мощности источника питания. При отсутствии поля маятник 2 находится в нейтральном положении (см. фиг.3), измерительные емкости С₁ и С₂ равны между собой и электронный блок ШИМ микроконтроллера 12 вырабатывает нулевой сигнал на регистрах выхода. При наличии поля маятник 2 в результате притяжения магнитожесткого слоя 5 силой Лоренца отклоняется. Соответственно электронный блок ШИМ микроконтроллера 12 вырабатывает сигнал пропорциональный напряженности поля, и далее в микроконтроллере программно осуществляется усиление и масштабирования сигнала рассогласования и с выходи U_вых и напряжение поступает на электроды 8 силового электростатического преобразователя цепи отрицательной обратной связи. Под действием момента электростатического преобразователя маятник 2 возвращается в исходное положение, близкое к нейтральному. В этом положении маятник удерживается до тех пор, пока действует магнитное поле, а на кодовом выходе микроконтроллера при этом сохраняться цифровой код, соответствующий измеряемой величине магнитной индукции.

Таким образом, поставленная цель изобретения в заявляемом микроэлектромеханическом датчике магнитного поля достигнута.

Источники информации

1. Скачков С.В. Измеритель магнитного поля. Патент РФ №2053521. Опубликовано: 27.01.1996.

2. Барейни Б., Шафай С. Микроэлектромеханический датчик магнитного поля. «IEEE Sens. J», 7, №9, 2007, стр.1326-1334.

3. Краснов М.Г., Куркин А.Г., Спектор С.А. Устройство для измерения магнитной индукции. Патент РФ №2117310. Опубликовано: 10.08.1998