Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в конструкции оптоволоконных датчиков магнитного поля.

Известно техническое решение по патенту РФ RU2478218 (МПК G 01R33/02, опубл. 27.03.2011 г.) твердотельного датчика магнитного поля. Твердотельный датчик магнитного поля содержит пьезоэлектрик, на котором расположены электроды для связи с устройством регистрации напряжения, и магниточувствительный элемент, связанный с источником переменного тока, также датчик содержит алмазную мембрану, а пьезоэлектрик и магниточувствительный элемент выполнены в виде тонких пленок, при этом пленка пьезоэлектрика расположена поверх алмазной мембраны, а магниточувствительный элемент из магнитострикционного материала расположен на поверхности пьезоэлектрика. Магниточувствительный элемент представляет собой проводник с током из токопроводящего магнитострикционного материала (никель), который с помощью контактов подсоединен к источнику переменного тока. Измерение величины магнитного поля определяется по величине механических деформаций в тонкопленочном пьезоэлектрике в результате воздействия двух сил (динамических - за счет изменение линейных размеров пленки никеля и силы Ампера).

Получению требуемого технического результата препятствует использование электрических сигналов, способных создавать помехи при измерении магнитных полей.

Известны технические решения по патентам на полезные модели Китая CN 206975198 (МПК G 01R33/02, опубл. 06.02.2018 г.) и CN 206975197 (МПК G 01R33/02, опубл. 06.02.2018 г.) согласно указанным техническим решениям чувствительный элемент, сформированный на торце оптического волокна, используемый в волоконно-оптическом датчике магнитного поля, содержит консольный элемент, на поверхности которого выполнен чувствительный слой, из магнитострикционного материала, отражающий свет. Данные технические решения выбраны в качестве прототипа.

Получению требуемого технического результата препятствует сложное выполнение чувствительного элемента ввиду его выполнения в оптическом волокне.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании чувствительного элемента мембранного типа с высокой точностью и чувствительностью измерения за счет исключения влияния помех, образуемых при использовании электрических сигналов.

Технический результат, получаемый при реализации заявляемого изобретения, выражается в расширении арсенала технических средств определенного назначения, повышении чувствительности элемента мембранного типа при минимальных встроенных механических напряжениях.

Для достижения вышеуказанного технического результата чувствительный элемент преобразователя магнитного поля для волоконно-оптического датчика содержит подложку из монокристаллического кремния, мембрану, расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры, и планарную чувствительную площадку, отражающую свет, из магнитострикционного материала, в центральной области мембраны, причем мембрана содержит по меньшей мере, два диэлектрических слоя, имеющих внутренние напряжения противоположного знака, а также на мембране выполнен рельеф гофров в виде, по меньшей мере, одной кольцевой концентрической канавки.

Отличительными являются следующие признаки: выполнение подложки из монокристаллического кремния, расположение мембраны над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры, выполнение мембраны, состоящей из, по меньшей мере, двух слоев, имеющих внутренние напряжения противоположного знака и выполнение на мембране рельефа гофров в виде, по меньшей мере, одной кольцевой концентрической канавки.

Причинно-следственная связь отличительных признаков с указанным техническим результатом заключается в следующем. Модель диафрагмы-пластины (мембраны) полностью корректна только при минимальных внутренних напряжений. Такие условия выполняются, если диафрагма формируется методом объемной обработки монокристаллической кремниевой подложки. При поверхностной обработке структура формируется из разных материалов и возможно появление внутренних напряжений, которые приводят к остаточной деформации. В результате возрастает жесткость и уменьшается чувствительность мембраны к давлению от планарной площадки. Гофрированная область мембраны снижает жесткость закрепления к подложке и способствует повышению её чувствительности. Минимальные механические напряжения мембраны обеспечивают ее работу на квазилинейном участке преобразования с высокой чувствительностью. Планарная светоотражающая площадка выполняет две функции: отражение светового сигнала без искажений и предотвращение коробления поверхности мембраны в центральной части, возникающего при изменении температуры окружающей среды.

Выполнение подложки из монокристаллического кремния, расположение мембраны над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры, выполнение мембраны двухслойной и выполнение на мембране рельефа гофров в виде, по меньшей мере, одной кольцевой концентрической канавки позволяет уменьшить внутренние напряжения в мембране, что приводит к увеличению чувствительности мембраны, что в свою очередь приводит к увеличению точности измерений. Изготовление чувствительного элемента позволяет расширить арсенал технических средств определенного назначения.

В частом случае выполнения изобретения подложка выполнена из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100).

В частом случае выполнения изобретения планарная светоотражающая площадка выполнена из магнитострикционного материала, содержащего, по меньшей мере, железо и кобальт. Такие магнитострикционные материалы обладают наибольшими магнитострикционными характеристиками для измерения магнитных полей.

В частом случае выполнения изобретения мембрана, содержит два диэлектрических слоя, имеющих скомпенсированные внутренние напряжения противоположного знака, а именно слой нитрида кремния Si₃N₄ и слой оксида кремния SiO₂.

Изобретение поясняется схемой устройства, представленной на фигуре 1. На фиг. 2 представлено изменение положения мембраны под действием магнитного поля.

Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля для волоконно-оптического датчика, содержит подложку из монокристаллического кремния 1, мембрану 2, расположенную над отверстием, выполненным в подложке 1 для образования подмембранной камеры 3, и планарную чувствительную площадку 4, отражающую свет (фиг. 1). Мембрана 2 содержит, по меньшей мере, два диэлектрических слоя 5 и 6, имеющих внутренние напряжения противоположного знака. Первый слой 5 мембраны 2 выполнен из оксида кремния SiO₂, второй слой 6 выполнен нитрида кремния Si₃N₄. Планарная чувствительная площадка 4 выполнена в центральной области мембраны 2 из магнитострикционного материала. На мембране 2 выполнен рельеф гофров в виде, по меньшей мере, одной кольцевой концентрической канавки 7. Подложка 1 выполнена из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100). Планарная чувствительная площадка 4 выполнена из магнитострикционного материала, содержащего, по меньшей мере, железо и кобальт, например Fe₅₀Co₅₀ или Fe₆₅Co₃₅. При изготовлении чувствительного элемента с лицевой стороны кремниевой платины с базовой ориентацией (100) формируется профиль заглублений и концентрических гофр. Затем формируется комбинация диэлектрических слоев (Si₃N₄ и SiO₂) и планарная светоотражающая площадка в центральной области из магнитострикционного материала. На заключительном этапе происходит травление кремния в области подмембранного объема с высокой селективностью к диэлектрическим пленкам (Si₃N₄ и SiO₂).

Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля работает следующим образом (фигура 2). На планарную чувствительную площадку 4, отражающую свет, направляют оптическое излучение от источника света (например, оптоволокна), отраженный от планарной площадки оптический сигнал регистрируют. При воздействии магнитного поля в планарной чувствительной площадке 4 из магнитострикционного материала возникает магнитострикционный эффект, характеризующийся изменение линейных размеров в зависимости от действующего магнитного поля. В результате за счет изменения линейных размеров планарной площадки 4 из магнитострикционного материала, расположенной на мембране 2, возникает перемещение (колебание) мембраны 2, и соответственно фазовый сдвиг регистрируемого отраженного светового сигнала. Возможность колебания мембраны обеспечивается пониженной жесткостью крепления к подложке за счет выполнения рельефа гофр.