ДАТЧИК МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ Российский патент 2013 года по МПК H01L43/06 

Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным устройствам и может быть использовано как датчик магнитной индукции в составе измерительной аппаратуры и в различных 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:

$$U_{Холла}=R_x\left[\overrightarrow{I}\times \overrightarrow{B}\right],(1)$$

где R_х - коэффициент Холла; $$\overrightarrow{I}$$ - вектор силы тока между токовыми электродами; $$\overrightarrow{B}={\mu }_0\mu \overrightarrow{H}$$ - магнитная индукция внешнего поля, дейфствующая перпендикулярно вектору силы тока $$\overrightarrow{I}$$ ; 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 магнитная чувствительность эпитаксиальных арсенидогаллиевых датчиков магнитного поля достигнута до значений чувствительности кремниевых датчиков. 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 [2].

В связи с отмеченными недостатками предпочтительно для производства датчиков магнитной индукции, по МЭМС технологии предназначенных для работы в широком диапазоне температур и в условиях воздействия радиоактивного излучения и факторов космического пространства является кремний и его соединения.

Наиболее близким заявляемому устройству является датчик магнитной индукции [3], включающий изолирующую подложку, например, кремниевый кристалл собственной проводимости, выполненный в виде прямоугольной пластины, первый эпитаксиальный проводящий слой на поверхности изолирующей подложки, первый и второй токовые планарные электроды и первый и второй потенциальные (холловские) планарные электроды, попарно размещенные на противоположных сторонах изолирующей прямоугольной пластины

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение стабильности работы и снижение уровня шумов.

Задача решается тем, что в датчик введен контур обратной связи в виде прямоугольного витка нанесенного на изолирующий слой и охватывающий токовые и потенциальные электроды, токовые и потенциальные электроды выполнены с барьерами Шоттки, введен дифференциальный операционный усилитель, ко входам которого подключены первый и второй потенциальные электроды, а выход операционного усилителя подключен к одному из концов витка обратной связи, таким образом, что обратная связь является отрицательной, второй конец витка обратной связи через нагрузочный резистор соединен с «землей».

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое решение, состоит в увеличении стабильности работы и в снижении уровня шумов.

Положительный результат достигается тем, что в датчик магнитной индукции включающий изолирующую подложку, например, из искусственного сапфира, выполненную в виде прямоугольной пластины, кремниевый эпитаксиальный слой на поверхности изолирующей подложки, первый и второй токовые планарные электроды и первый и второй потенциальные (холловские) планарные электроды, токовые и потенциальные электроды попарно размещены на противоположных сторонах эпитаксиального слоя, в соответствии с изобретением в датчик введен контур обратной связи в виде прямоугольного витка нанесенного на изолирующий слой и охватывающий токовые и потенциальные электроды, токовые и потенциальные электроды выполнены с барьерами Шоттки, введен дифференциальный операционный усилитель, ко входам которого подключены первый и второй потенциальные электроды, а выход операционного усилителя подключен к одному из концов витка обратной связи, таким образом, что обратная связь является отрицательной, второй конец обмотки обратной связи через нагрузочный резистор соединен с «землей».

На фигурах 1, 2 и 3 показано устройство заявляемого датчика магнитной индукции и его принцип действия. На фигуре 1 показан поперечный разрез датчика. На изоляционной подложке 1 выполнены следующие элементы: 2 - виток обмотки обратной связи; 3 - эпитаксиальный проводящий слой; 4 - токовый электрод; 5 - потенциальный электрод. На фигуре 2 показана топология датчика магнитной индукции в плане. Позиции на фигуре 2 те же самые, что и на фигуре 1, за исключением позиции 6, где 6 - контактные площадки. Чип датчика магнитной индукции включает два устройства: датчик Холла, выполненный на эпитаксиальном слое по технологии «кремний на сапфире» и контур обратной связи, выполненный на изоляционном слое, например, вакуумным напылением металлического витка обратной связи. В зависимости от предела измерения число витков в контуре обратной связи может быть N, где N выбирают из условия создания индукции обратной связи B_обр≥B_внеш.

На фигуре 3 приведена полная конструктивная схема заявляемого датчика магнитной индукции. На сапфировой подложке 1 нанесен металлический виток 2 обратной связи и выращен эпитаксиальный кремниевый слой 3 в виде квадратного поля, толщиной один микрометр. Проводимость эпитаксиального кремниевого слоя в данном примере рассматривается электронной с собственной плотностью носителей. По сторонам эпитаксиального поля выполнены токовые электроды 4 с барьерами Шоттки, и потенциальные (холловские) первый и второй электроды 5 также с барьерами Шоттки. Первый и второй потенциальные электроды 5 подключены на вход операционного усилителя 7. Выход операционного усилителя 7 подключен к одному из концов витка 2 обратной связи, таким образом, что обратная связь является отрицательной. Второй конец витка обратной связи через нагрузочный резистор R_н соединен с «землей».

Работа устройства осуществляется следующим образом. Пусть на эпитаксиальный слой действует индукция внешнего магнитного поля B_внеш. Одновременно между токовыми электродами протекает ток, вектор которого перпендикулярен вектору магнитного поля. При этом возникает известный эффект Холла и на потенциальных электродах 5 возникает напряжение, пропорциональное внешней магнитной индукции. Это напряжение усиливается операционным усилителем и подается на виток обратной связи. Перпендикулярно плоскости витка обратной связи создается противоиндукция B_обр обратной связи. В данном случае использована жесткая обратная связь или токовая петля. Значение индукции B_обр обратной связи определятся в виде:

$$B_{обр}={\mu }_0\mu \frac{U_{вых}}{4a{R}_{н}},(2)$$

µ₀ - магнитная постоянная; µ - магнитная проницаемость среды (в данном случае эпитаксиального слоя); R_н - резистор нагрузки; U_вых - выходное напряжение операционного усилителя; а - длина одной стороны квадратного витка обратной связи.

Для одного канала с учетом эффекта Холла (1) выходное напряжение датчика магнитной индукции, вектор которого перпендикулярен к току I_т, и полю индукции В_внеш имеет значение:

$$U_{Холла}=R_{х}{I}_{т}{B}_{внеш}\frac{1}{d}\frac{A}{1+A},(3)$$

где $$R_{х}=\frac{1}{nq}$$ - коэффициент Холла; n - плотность носителей проводимости; q - заряд носителей тока; d - толщина эпитаксиального слоя; A - коэффициент усиления операционного усилителя.

Чувствительность датчика магнитной индукции со структурой «кремний на сапфире» и с электродами, имеющими барьер Шоттки составляет 10² нТл. При большом коэффициенте усиления A в токовой петле все характеристики датчика магнитной индукции определяются только стабильностью силы тока на токовом электроде датчика Холла, что легко достигается известными в схемотехнике решениями [4]. Снижение шумов в выходном сигнале достигнуто за счет применения барьеров Шоттки в токовых и потенциальных электродах.

Применение заявляемого устройства может найти в измерениях магнитного поля Земли при комплексировании инерциальных систем навигации летательных аппаратов, среднее значение, которого составляет 10⁵ нТл, т.е. на три порядка больше чем чувствительность заявляемого датчика магнитной индукции.

Таким образом, поставленная цель изобретения в заявляемом датчике магнитной индукции достигнута.

Источники информации:

1. Измеритель магнитного поля. Патент РФ №2053521. МПК⁶ G01R 33/06 Опубликовано: 27.01.1996

2. Кемпенрасо Р. Датчик Холла на основе GaAs выполненный по технологии MOCVD. Реферативный журнал "Электроника", 1993, №4, реф // 4Б216.

3. Датчик магнитного поля. Патент РФ №2262777. МПК⁷ H01L 43/06 Опубликовано: 20.10.2005.

4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, Издание седьмое, 2011, 704 с.

Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным устройствам и может быть использовано как датчик магнитной индукции в составе измерительной аппаратуры и в различных системах ориентации и навигации летательных аппаратов. Датчик магнитной индукции включает изолирующую подложку, выполненную в виде прямоугольной пластины, кремниевый эпитаксиальный слой на поверхности изолирующей подложки, первый и второй токовые планарные электроды и первый и второй потенциальные (холловские) планарные электроды, токовые и потенциальные электроды попарно размещены на противоположных сторонах эпитаксиального слоя. Согласно изобретению в датчик введен контур обратной связи в виде прямоугольного витка, нанесенного на изолирующий слой, охватывающий токовые и потенциальные электроды, токовые и потенциальные электроды выполнены с барьерами Шоттки, введен дифференциальный операционный усилитель, ко входам которого подключены первый и второй потенциальные электроды, а выход операционного усилителя подключен к одному из концов витка обратной связи, таким образом, что обратная связь является отрицательной, второй конец витка обратной связи через нагрузочный резистор соединен с «землей». Изобретение обеспечивает увеличение стабильности работы и снижение уровня шумов устройства. 3 ил.

Датчик магнитной индукции, включающий изолирующую подложку, выполненную в виде прямоугольной пластины, кремниевый эпитаксиальный слой на поверхности изолирующей подложки, первый и второй токовые планарные электроды и первый и второй потенциальные (холловские) планарные электроды, токовые и потенциальные электроды попарно размещены на противоположных сторонах эпитаксиального слоя, отличающийся тем, что в датчик введен контур обратной связи в виде прямоугольного витка, нанесенного на изолирующий слой и охватывающего токовые и потенциальные электроды, токовые и потенциальные электроды выполнены с барьерами Шоттки, введен дифференциальный операционный усилитель, ко входам которого подключены первый и второй потенциальные электроды, а выход операционного усилителя подключен к одному из концов витка обратной связи, таким образом, что обратная связь является отрицательной, второй конец витка обратной связи через нагрузочный резистор соединен с «землей».