ПЛЕНОЧНАЯ СИСТЕМА ФОРМИРОВАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

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.

Пленочные полосковые концентраторы используются в составе интегральных микросистем измерения магнитного поля. Чувствительными элементами служат преобразователи магнитного поля на основе магниторезисторов /1/, датчиков Холла /2/, магнитотранзисторов /3/.

В работе /4/ представлены результаты теоретического анализа работоспособности концентраторов магнитного поля в виде анизотропных ферромагнитных полосок над или под рабочими проводниками для магниторезистивных датчиков тока и датчиков Холла и показано, что наилучшие результаты дает случай, когда ось легкого намагничивания ферромагнитной пленки направлена вдоль ширины проводника.

Две области пленочных концентраторов магнитного поля располагаются по сторонам от датчика и имеют различную форму прямоугольную, трапециевидную, Т-образную и дают разный коэффициент усиления магнитного поля /5/.

Изготавливаются пленки концентраторов методами микроэлектроники, например, локальным электрохимическим осаждением магнитомягкого сплава пермаллоя /6/.

Пермаллóй - прецизионный сплав, состоящий из железа и никеля 45-82% Ni. Магнитные характеристики индукции насыщения B_S и начальная магнитная проницаемость μ_Н сплавов Ni-Fe зависят от процентного содержания никеля Ni /7/. Сплав с 81% Ni обладает высокой максимальной относительной магнитной проницаемостью μ~100000, малой коэрцитивной силой менее 1 Э. Возможность усиления магнитной индукции на пять порядков величины представляет большой интерес для разработчиков магниточувствительных интегральных микросистем. Для применения пленок Ni₈₁Fe₁₉ в качестве концентраторов магнитного поля необходимо учитывать, что при намагничивании изменение магнитной индукции происходит в узком диапазоне изменения напряженности магнитного поля.

Изменение кривой намагничивания системы дросселя, содержащего катушку с разрезным сердечником, выполненным из ленточной электротехнической стали, за счет обработки торцов его половин предложено в патенте /8/. Технический результат заключается в получении существенной нелинейности кривых намагничивания. Этот патент является наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип.

Основной недостаток этой системы состоит в том, что обработка торцов разрезного сердечника дросселя дает нелинейность кривых намагничивания, тогда как в датчиках магнитного поля необходимо иметь линейное преобразование магнитной индукции в электрический сигнал в широком диапазоне изменения магнитного поля.

Задача изобретения - создание пленочной системы формирования магнитного поля с линейным преобразованием магнитной индукции в электрический сигнал в широком диапазоне изменения магнитного поля.

Поставленная задача решается за счет того, что пленочная система формирования магнитного поля, содержащая подложку; диэлектрический слой; элемент, чувствительный к магнитному полю; пленочные концентраторы магнитного поля из магнитомягкого материала, например пермаллоя, расположенные с двух сторон от элемента, чувствительного к магнитному полю, отличающаяся тем, что концентраторы состоят из 2 или 10 областей, разделенных немагнитным зазором, а над элементом, чувствительным к магнитному полю, между концентраторами параллельно плоскости подложки расположен пленочный магнитный экран из магнитомягкого материала над чувствительной областью элемента, чувствительного к магнитному полю.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь. Пленочная система формирования магнитного поля с помощью плоского магнитного экрана выравнивает направленное вдоль поверхности подложки магнитное поле в чувствительном элементе и обеспечивает линейность преобразования магнитного поля в электрический сигнал, а с помощью пленочных концентраторов магнитного поля определенной толщины, разделенных немагнитными промежутками усиливает магнитное поле за счет намагничивания магнитомягкого материала пленки и создает магнитный поток до насыщения в расширенном диапазоне измеряемых магнитных полей.

Изобретение пленочной системы формирования магнитного поля позволяет создавать датчики магнитного поля с линейным преобразованием величины напряженности магнитного поля в электрический сигнал в широком диапазоне изменения напряженности магнитного поля.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение пленочной системы формирования магнитного поля с линиями магнитной индукции. На фиг. 2 даны зависимости от напряженности магнитного поля величины магнитного потока намагничивания. На фиг. 3 дана зависимость потока насыщения магнитного поля и индукции насыщения от толщины пленок в концентраторах. На фиг. 4 показаны зависимости от напряженности магнитного поля выходного сигнала магнитного преобразователя на основе анизотропного магниторезистивного эффекта.

На фиг. 1 показано поперечное сечение пленочной системы формирования магнитного поля с линиями магнитной индукции, где система состоит из (1) подложки; (2) диэлектрического слоя; (3) элемента, чувствительного к магнитному полю; (4) магниточувствительной области элемента; (5) концентраторов магнитного поля с одной стороны от чувствительного элемента; (6) магнитного экрана; (7) концентраторов магнитного поля с другой стороны от чувствительного элемента; (8) линий магнитной индукции. Буквенными обозначениями на фиг. 1 указаны: h₁ - толщина пленки концентратора, h₂ - толщина пленки магнитного экрана, D - длина части концентратора, L - зазор между частями концентраторов, H - внешнее измеряемое магнитное поле.

На фиг. 2 представлены экспериментальные зависимости от напряженности магнитного поля Н величины магнитного потока намагничивания Ф с концентраторами из пермаллоя толщиной 14 мкм: 1. в виде сплошной пленки; 2. в виде пленочных областей, разделенных немагнитным зазором на 10 частей; 3. под магнитным экраном. Буквенными обозначениями на фиг. 2 указаны поток насыщения магнитного поля Фн и индукции насыщения Нн.

На фиг. 3 приведены экспериментальные зависимости от толщины пленок пермаллоя потока насыщения магнитного поля Фн и индукции насыщения Нн концентраторов с частями пленки размером D, разделенными немагнитным зазором L в двух вариантах плотности заполнения K=D/L: 1. Фн, 1.1 Нн при K=0,8; 2. Фн, 2.2 Нн при K=0,2.

На фиг. 4 представлены экспериментальные зависимости от напряженности магнитного поля величины чувствительности магнитного преобразователя на основе анизотропного магниторезистивного эффекта 1) с пленочной системой формирования магнитного поля и 2) без пленочной системы формирования магнитного поля.

Представленное на фиг. 1 поперечное сечение структуры пленочной системы формирования магнитного поля показывает, что магнитный экран (6) с толщиной h₂ расположен на диэлектрическом слое (2) и подложке (1) над элементом чувствительным к магнитному полю (3) и магниточувствительной области элемента (4). Концентраторы магнитного поля (5) (7) с толщиной h₁, с размером D и с зазором между концентраторами L расположены на диэлектрическом слое (2) с двух сторон от магнитного экрана (6) и магниточувствительной области элемента (4). Измеряемое внешнее магнитное поле H намагничивает пленочные концентраторы (5) (7) и магнитный экран (6) в результате чего в пленочной системе формирования магнитного поля создаются линии магнитной индукции (8). Чувствительный элемент магнитного поля (3) в виде магниторезистора, датчика Холла или магнитотранзистора преобразует магнитную индукцию (8) в электрический сигнал, соответствующий измеряемому внешнему магнитному полю H.

Линия намагничивания 1 на фиг. 2 показывает, что сплошная пленка пермаллоя толщиной 14 мкм имеет малое магнитное поле насыщения Нн ≈ 5 Э и большое значение магнитного потока насыщения Фн ≈ 2600 нВб. Малая величина Нн ограничивает диапазон магнитного поля, в котором происходит изменение магнитного потока. Пленочные области при разделении немагнитным зазором на 10 частей имеют линию намагничивания 2 с магнитным полем насыщения Нн ≈ 75 Э и значением магнитного потока насыщения Фн ≈ 500 нВб. Разделенные концентраторы имеют больше диапазон магнитного поля, в котором происходит изменение магнитного потока и меньше поле насыщения. Линия намагничивания 3 под магнитным экраном зависит от толщины h₂. Величина магнитного потока намагничивания Фн ≈ 60 нВб уменьшается под экраном при сохранении магнитного поля насыщения Нн ≈ 75 Э.

Экспериментальные зависимости от толщины пленок пермаллоя потока насыщения магнитного поля Фн и индукции насыщения Нн концентраторов с частями пленки размером D, разделенными немагнитным зазором L в двух вариантах плотности заполнения K=D/L: 1. Фн, 1.1 Нн при K=0,8; 2. Фн, 2.2 Нн при K=0,2 приведены на фиг. 3 и показывают, что поток насыщения магнитного поля Фн в указанных вариантах различается в 5 раз, а индукция насыщения Нн изменяется в зависимости от толщины пленок пермаллоя практически одинаково. Индукция насыщения магнитного поля не зависит от потока насыщения, а зависит от толщины пленок пермаллоя в концентраторах h₁. Для получения широкого диапазона изменения индукции насыщения магнитного поля необходимо увеличивать толщину пленок в концентраторах. Для получения высоких значений потока насыщения магнитного поля необходимо максимальное заполнение площади занимаемой частями концентратора при минимальном зазоре между частями, т.е. повышать K.

Как видно на фиг. 4(1), экспериментальная зависимость от напряженности магнитного поля величины чувствительности магнитного преобразователя на основе анизотропного магниторезистивного эффекта с пленочной системой формирования магнитного поля из 10 мкм пленки электроосажденного пермаллоя показывает в 5 раз увеличение чувствительности преобразователя магнитного поля на основе AMP эффекта и в 3 раза расширение диапазона напряженности измеряемого магнитного поля по сравнению с AMP без пленочной системы формирования магнитного поля на фиг. 4(2).

Функционирование пленочной системы формирования магнитного поля происходит следующим образом. В отсутствие внешнего магнитного поля начальная магнитная индукция магнитного экрана (6) создает нулевой уровень электрического сигнала элемента чувствительного к магнитному полю (3). Во внешнем магнитном поле сформированная концентраторами (5), (7) и магнитным экраном (6) 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.

Перечисленные на фиг. 1 конструктивные элементы пленочной системы формирования магнитного поля концентраторы (5), (7) и магнитный экран (6) выполнены по технологии локального электрохимического осаждения 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), (7) и магнитному экрану (6). В электрохимической ячейке анод присоединяется к металлическому слою, а на никелевый катод подается постоянное напряжение. Электролит содержит соли никеля и железа. При выбранной величине плотности тока проводится локальное осаждение пермаллоя и формирование концентраторов (5), (7) и магнитного экрана (6). Фоторезист, расположенный между концентраторами и магнитным экраном, смывается, а пленка никеля удаляется ионным травлением.

Описанная выше пленочная система формирования магнитного поля используются для создания датчиков магнитного поля различного назначения на основе магниторезисторов, датчиков Холла, магнитотранзисторов.

Пленочная система формирования магнитного поля обладает новым качеством в датчиках магнитного поля - повышенной чувствительностью к магнитной индукции, направленной параллельно поверхности подложки и расширенным диапазоном чувствительности.

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. P.M. Drljača, F. Vincent, P. Besse, R.S. Popović. 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. Вагин Д.В., Касаткин С.И., Поляков П.А. Полосковые концентраторы магнитного поля для магниторезистивных датчиков тока и датчиков Холла. // Датчики и системы. - 2010. - №12. - С. 25-29.

5. Marinho, Zita "3D Magnetic Flux Concentrators with improved efficiency for Magnetoresistive Sensors", Instituto Superior Tecnico, Universidade Tecnica de Lisboa, 2010.

6. Тихонов P.Д., Черемисинов А.А., Генералов C.C., Горелов Д.В., Поломошнов C.A., Казаков Ю.В. Получение концентраторов магнитного поля с помощью электрохимического осаждения пермаллоя // Нано- и микросистемная техника, 2015, №3, С. 51-57.

7. Миловзоров В.П. Электромагнитные устройства автоматики. Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1983. 408 с.

8. В.Л. Косенко, А.Ф. Голуб. Способ изменения формы кривой намагничивания дросселей. Патент РФ №2257630 - прототип.