МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Советский патент 1995 года по МПК G01R33/06 

Изобретение относится к полупроводниковым датчикам, принцип работы которых заключается в изменении выходного сигнала при воздействии внешнего магнитного поля. Такие магниточувствительные датчики в составе двигателя могут быть использованы в приборах и системах автоматики и управления, в электроэнергетике, в бытовой радиотехнике и т.д.

Целью изобретения является повышение магнитной чувствительности и стабильности работы при уменьшении активной области пластины Холла.

На фиг. 1 изображен общий вид магниточувствительного датчика, разрез; на фиг. 2 конфигурация и основные элементы магниточувствительного кристалла пластины Холла.

Датчик включает полупроводниковую пластину 1 Холла, которая закреплена непосредственно на полиимидном основании 2 гибкой печатной платы. Печатные проводники 3 платы изолированы от корпуса 4 датчика с помощью слюдяной подложки 5. Полученная сборка закреплена в металлическом корпусе с помощью компаунда 6.

Пластина 1 Холла (см. фиг. 2) представляет собой прямоугольную пластину кремния, на одной из плоскостей которой сформированы управляющие (токовые) электроды 7 и холловские электроды 8. Активная область 9 такой пластины обведена на фиг. 2 пунктиром.

Магниточувствительный датчик для бесконтактного двигателя работает следующим образом. В статоре двигателя под углом в 90^о изготавливаются два узких паза, в каждом из которых закрепляется корпус магниточувствительного датчика, а его гибкая печатная плата коммутируется с соответствующими клеммами коммутатора двигателя. На управляющие проводники гибкой печатной платы подается стабилизированное управляющее напряжение. При вращении ротора двигателя постоянное магнитное поле периодически воздействует на магниточувствительный датчик, в результате чего на выходных проводниках гибкой печатной платы возникает холловское напряжение. Это напряжение открывает соответствующие транзисторы коммутатора, что, в конечном итоге, приводит к переключению обмоток двигателя.

Для изготовления магниточувствительного датчика с повышенной чувствительностью используется высокоомный кремний с удельным сопротивлением 12 Ом ˙ см. Использование кремния с ρ < 10 Ом ˙ см не дает возможности уменьшить размеры пластины Холла при сохранении остальных ее параметров. Использование же кремния с ρ > 14 Ом ˙ см приводит к резкому снижению процента выхода годных приборов ввиду их меньшей стабильности при работе в предельных режимах.

Пластина Холла (см. фиг. 1) закрепляется непосредственно на полиимидном изолирующем основании 2 гибкой печатной платы, обладающем высокой теплопроводностью, с помощью специально подобранного теплопроводящего анаэробного компаунда.

При изготовлении электродов пластины Холла используется химическое нанесение никеля на полупроводниковую пластину с последующим формированием конфигурации электродов методом фотохимического травления. При этом для удовлетворения двух противоречивых требований уменьшения активной области пластины при сохранении неизменными основных ее электрофизических параметров ниже следуют оптимальные соотношения.

При использовании высокоомного полупроводника особое значение для стабильной и надежной работы прибора приобретают условия теплового баланса датчика. Действительно, нельзя уменьшить отношение ширины управляющих электродов к ширине пластины до менее 0,5, так же как и нельзя увеличить до более 0,7, так как это приводит к снижению стабильности остаточного напряжения и к заметному отклонению входного сопротивления датчика от значения ≈1 кОм. В конечном итоге это приводит к ухудшению согласования датчика со схемой управления двигателя.

Нельзя также увеличить отношение расстояния между управляющими электродами к длине пластины до более 0,9, так как образующиеся в процессе скрайбирования микротрещины (при близком расположении электродов к краю пластины) ухудшают стабильность работы. Тем самым ухудшается стабильность входного сопротивления, остаточного напряжения и выходного напряжения, т.е. основных эксплуатационных параметров датчика.

С другой стороны, уменьшение отношения расстояния между управляющими электродами к длине пластины до менее 0,9 ведет к повышению стабильности всех параметров, и, кроме того, увеличивает площадь той части пластины Холла, которая является теплостоком для мощности, выделяемой в активной области. Вследствие этого уменьшается средняя температура перегрева пластины Холла во время эксплуатации и повышается надежность датчика в работе.

Однако уменьшение рассматриваемого отношения до менее 0,7, эквивалентное приближению управляющих электродов от краев к центру пластины Холла, ухудшает однородность электрического поля в активной области пластины Холла. А это, в свою очередь, увеличивает исходную величину паразитного остаточного напряжения, затрудняет его снижение до требуемого значения и тем самым снижает выход годных.

Также нельзя увеличивать отношения ширины управляющих электродов к расстоянию между холловскими электродами до значений более 0,8. Это ведет к уменьшению эффективной площади рассеивания и увеличению перегрева пластины Холла, что снижает стабильность сигнала остаточного напряжения и пороговую чувствительность датчика. Перегрев пластины Холла усиливает также деградацию контактов, что, в конечном итоге, приводит как к внезапным, так и постепенным отказам датчиков.

С другой стороны, рассеиваемая мощность ограничивает значение управляющего тока, а магнитная чувствительность или холловское напряжение прямо пропорционально управляющему току, поэтому образующийся при нарушении выбранного соотношения перегрев пластины Холла снижает магнитную чувствительность датчика.

Для достижения стабильной работы датчика холловские электроды вынесены за пределы активной области пластины Холла. В этом случае повышение стабильности достигается в основном за счет двух факторов:
площадь, заключенная между управляющими электродами, является зоной наибольшей плотности управляющего тока, а пластина вне этой зоны является эффективным теплостоком от активной области, поэтому в предлагаемом датчике холловские электроды вынесены за пределы активной области, что ведет к большей температурной стабильности остаточного напряжения;
обычно в районе холловских контактов осуществляется операция снижения (доводки) остаточного напряжения, например, с помощью луча ОКГ.

Микротрещины, неизбежно возникающие из конца лазерного реза в процессе доводки, максимально удалены от активной области пластины Холла и не вызывают искажений тепловых условий в активной области при различных режимах работы датчика.

Изобретение относится к полупроводниковым датчикам, которые используются в системах автоматики и управления. Целью изобретения является повышение магнитной чувствительности и стабильности работы при уменьшении активной области пластины Холла. Устройство содержит полупроводниковую пластину 1 Холла, полиимидное основание 2 гибкой печатной платы, печатные проводники 3 платы, корпус 4 датчика, слюдяную подложку 5, компаунд 6. Пластина Холла представляет собой прямоугольную пластину кремния, на одной из плоскостей которой сформированы управляющие (токовые) и холловские электроды. Уменьшение активной области пластины Холла позволило повысить магнитную чувствительность и стабильность работы. 2 ил.

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащий пластину Холла из монокристаллического полупроводника с управляющими и холловскими электродами и выводами, выполненными в виде полиимидной гибкой печатной платы, отличающийся тем, что, с целью повышения магнитной чувствительности и стабильности работы при уменьшении активной области пластины Холла, последняя выполнена из полупроводника с удельным сопротивлением 10 14 Ом · см и закреплена непосредственно на полиимидном основании гибкой печатной платы с помощью теплопроводящего анаэробного компаунда, холловские электроды вынесены за пределы активной области пластины Холла, ограниченной шириной управляющих электродов и расстоянием между ними, размеры пластины удовлетворяют соотношениям
a (0,5 0,7) A;
l (0,7 0,9)L;
a ≅ 0,8b,
где a ширина управляющих электродов;
A ширина пластины;
l расстояние между управляющими электродами;
L длина пластины;
b расстояние между холловскими электродами.