Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10337
(13) U
(46) 2014.10.30
(51) МПК
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
G 01R 33/07
H 01L 43/06
(2006.01)
(2006.01)
(54) МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ДАТЧИК
(21) Номер заявки: u 20130992
(22) 2013.11.26
(71) Заявитель: Белорусский государст-
венный университет (BY)
(72) Автор: Ярмолович Вячеслав Алексее-
вич (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский госу-
дарственный университет (BY)
(57)
Магниточувствительный датчик, содержащий миниатюрную кристаллическую под-
ложку из полуизолирующего арсенида галлия, на которой сформирован эпитаксиальный
пленочный элемент, например из полупроводникового соединения AIII
BV
, чувствительный к
компоненте индукции магнитного поля, направленной по нормали к указанной эпитакси-
альной пленке, причем указанная миниатюрная кристаллическая подложка закреплена на
плоской поверхности магниточувствительного элемента, выполненного в форме диска из
полупроводниковой структуры p-n-типа, обладающей Z-эффектом и L-образной вольтам-
перной характеристикой; структура подключена через резистор нагрузки к источнику по-
стоянного стабилизированного напряжения, а именно плюс упомянутого источника
напряжения подключен к p-области, отличающийся тем, что указанный эпитаксиальный
пленочный элемент выполнен в виде магниторезистора в форме полоски меандра, напри-
мер, из слаболегированной пленки InSb, обладающей p-типом проводимости, а указанные
эпитаксиальный пленочный элемент и магниточувствительный элемент как единое целое
размещены в узком зазоре между двумя миниатюрными цилиндрическими ферромагнит-
ными концентраторами магнитного потока, выполненными из материала с высокой на-
чальной магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой и высокой индукцией
технического насыщения.
Фиг. 1
BY10337U2014.10.30

2. BY 10337 U 2014.10.30
2
(56)
1. Хомерики О.К. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. - М.: Энер-
гоатомиздат, 1986. - С. 57-58.
2. Патент BY 16260, МПК G 01R 33/07; H 01L 43/06, 2010.
3. Патент BY на полезную модель 9264, МПК G 01R 33/07; H 01L 43/06, 2013 (прото-
тип).
4. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М.: ДМК Пресс, 2001. - 544 с.
5. А.с. SU 1739402, МПК H 01L 29/06, 1992.
Предлагаемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, авто-
матике, а именно к средствам измерений преимущественно квазистатических магнитных
полей с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля, и
может найти применение для прецизионного измерения и (или) преобразования в элек-
трический сигнал индукции магнитного поля, в том числе в устройствах, работающих в
сложных эксплуатационных условиях.
Известен полупроводниковый магниторезистор [1], выполненный в форме меандровой
полоски с двумя электрическими контактными площадками. Магнитное поле приклады-
вается перпендикулярно плоскости полоски.
Основными недостатками магниторезистора являются: невысокая чувствительность и
отсутствие возможности измерения магнитных полей с произвольной ориентацией в про-
странстве вектора индукции магнитного поля, т.е. устройство является однокомпонент-
ным, следовательно, обладает пониженными функциональными возможностями.
Известен магниточувствительный датчик [2], содержащий миниатюрную кристалли-
ческую подложку из полуизолирующего арсенида галлия, на которой сформирован эпи-
таксиальный пленочный элемент Холла электронного типа проводимости, например из
полупроводникового соединения AIII
BV
, с двумя токовыми и двумя холловскими контак-
тами, а в плоскости элемента Холла на указанной подложке сформирован проводящий
пленочный элемент в виде спирали, содержащей два токовых контакта и окружающей
указанный элемент Холла, причем проводящий пленочный элемент в виде спирали вы-
полнен из материала с высокой электрической проводимостью или из той же пленки, что
и элемент Холла, одинаковой с ним толщины.
Основным недостатком датчика является отсутствие возможности измерения магнит-
ных полей с произвольной ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного по-
ля, т.е. датчик является однокомпонентным, следовательно, обладает пониженными
функциональными возможностями. Процесс калибровки возможен только по одному на-
правлению, совпадающему с нормалью к пластине Холла.
Известен миниатюрный датчик магнитного поля [3], наиболее близкий к предлагае-
мому (прототип). Прототип содержит миниатюрную кристаллическую подложку из полу-
изолирующего арсенида галлия, на которой сформирован эпитаксиальный пленочный
элемент Холла электронного типа проводимости, например из полупроводникового со-
единения AIII
BV
, с двумя токовыми и двумя холловскими контактами, а в плоскости эле-
мента Холла на указанной подложке сформирован проводящий пленочный элемент в виде
спирали, содержащей два токовых контакта и окружающей указанный элемент Холла,
причем проводящий пленочный элемент в виде спирали выполнен из материала с высокой
электрической проводимостью или из той же пленки, что и элемент Холла, одинаковой с
ним толщины. Причем указанная миниатюрная кристаллическая подложка закреплена на
плоской поверхности магниточувствительного элемента, выполненного в форме диска из
полупроводниковой структуры p-n-типа, обладающей Z-эффектом [4, 5] и L-образной
вольт-амперной характеристикой; она подключена через резистор нагрузки к источнику
постоянного стабилизированного напряжения, а указанный проводящий пленочный эле-

3. BY 10337 U 2014.10.30
3
мент через измерительный резистор подключен к регулируемому источнику тока, кото-
рый регулируется платой обработки сигнала с элемента Холла, выполняющего функцию
"нуль-органа" по поддержанию нулевого значения компоненты индукции магнитного по-
ля, ориентированной по нормали к пластине элемента Холла.
Датчик предназначен для проведения измерений магнитных полей с произвольной
ориентацией в пространстве вектора индукции магнитного поля.
Основными недостатками датчика являются: низкая чувствительность датчика к ком-
поненте вектора магнитной индукции, перпендикулярной плоскости эпитаксиальной
пленки, и для элемента Холла обычно составляет 300-600 мВ/Тл, следовательно, датчик
имеет разрешающую способность на полтора порядка ниже, чем соответствующая величина
для структуры с Z-эффектом, чувствительной к компоненте магнитного поля, лежащей в
плоскости раздела p- и n-областей. Таким образом, для прототипа характерен большой
дисбаланс по чувствительности для разных компонент вектора индукции магнитного по-
ля. Кроме того, датчик [3] имеет 8 выводов, что создает неудобства при его подключении
и сложности схемы обработки сигналов и измерений. Дополнительно в проводах могут
генерироваться ЭДС наводок (пропорциональные производной по времени) от помехоне-
сущих электромагнитных полей при функционирования датчика в сложных эксплуатаци-
онных условиях.
Задачей настоящей полезной модели является обеспечение высокой чувствительности
датчика ко всем компонентам индукции магнитного поля, упрощение электронной схемы
подключения и измерений.
Для решения поставленной задачи магниточувствительный датчик содержит миниа-
тюрную кристаллическую подложку из полуизолирующего арсенида галлия, на которой
сформирован эпитаксильный пленочный элемент, например из полупроводникового со-
единения AIII
BV
, чувствительный к компоненте индукции магнитного поля, направленной
по нормали к указанной эпитаксильной пленке, причем указанная миниатюрная кристал-
лическая подложка закреплена на плоской поверхности магниточувствительного элемен-
та, выполненного в форме диска из полупроводниковой структуры p-n-типа, обладающей
Z-эффектом и L-образной вольт-амперной характеристикой; структура подключена через
резистор нагрузки к источнику постоянного стабилизированного напряжения, а именно
плюс упомянутого источника напряжения подключен к p-области.
Датчик отличается тем, что указанный эпитаксиальный пленочный элемент выполнен
в виде магниторезистора в форме полоски меандра, например, из слаболегированной
пленки InSb, обладающей p-типом проводимости, а указанные эпитаксильный пленочный
элемент и магниточувствительный элемент как единое целое размещены в узком зазоре
между двумя миниатюрными цилиндрическими ферромагнитными концентраторами маг-
нитного потока, выполненными из материала с высокой начальной магнитной проницае-
мостью, малой коэрцитивной силой и высокой индукцией технического насыщения.
Анализ элементов датчика, приведенных в отличительной части, показывает, что не-
которые из них могут встречаться по отдельности в различных аналогах технических ре-
шений. Однако в совокупности набор этих элементов не известен, поэтому является
новым. Кроме того, совокупность этих элементов придает датчику новое качество функ-
ционирования и обеспечивает полное решение поставленной комплексной задачи. Поэтому
заявляемый датчик соответствует критерию "новизна" по действующему законодательству.
Предложенная полезная модель поясняется фиг. 1-3.
На фиг. 1 изображен заявляемый магниточувствительный датчик, общий вид.
На фиг. 2 приведен вариант подключения датчика к источнику постоянного стабили-
зированного напряжения. Полупроводниковая структура p-n-типа, обладающая Z-эффек-
том, показана в разрезе вдоль оси цилиндров.

4. BY 10337 U 2014.10.30
4
На фиг. 3 приведена типичная зависимость частоты f выходного сигнала Uвых2 от ве-
личины индукции магнитного поля Bτ, приложенной в плоскости раздела p-n-областей
полупроводниковой структуры.
Магниточувствительный датчик содержит миниатюрную кристаллическую подложку
арсенида галлия 1, на которой сформирован эпитаксикальный пленочный элемент 2, напри-
мер из полупроводникового соединения AIII
BV
, чувствительный к компоненте индукции
магнитного поля Bn, направленной по нормали к эпитаксиальному пленочному элементу 2.
Эпитаксиальный пленочный элемент 2 выполнен в виде магниторезистора в форме полоски
меандра, например, из слаболегированной пленки InSb, обладающей
p-типом проводимости. При использовании стандартных методов микроэлектроники и фо-
толитографического оборудования средней точности характерный размер кристаллической
подложки из полуизолирующего арсенида галлия 1 не более 1,0 × 1,0 мм. При использова-
нии прецизионного литографического оборудования он может быть значительно уменьшен.
К концам меандра приварены микросваркой электрические проводники 3 и 4 соответ-
ственно (обычно из золотого микропровода диаметром 20 мкм), подключенные через рези-
стор нагрузки RH1 к источнику постоянного стабилизированного напряжения (+Uп; –Uп),
обычно выбираемого из диапазона 5-25 B. Миниатюрная кристаллическая подложка из
полуизолирующего арсенида галлия 1 закреплена (например, с помощью герметизирую-
щего компаунда) на плоской поверхности магниточувствительного элемента 5, выполнен-
ного в форме диска из полупроводниковой структуры p-n-типа, обладающей Z-эффектом
и L-образной вольт-амперной характеристикой. Магниточувствительный элемент 5 имеет
электрические выводы 6 и 7 соответственно, подведенные к n- и p-областям соответствен-
но. Он подключен через регистор нагрузки RH2 к источнику постоянного стабилизирован-
ного напряжения, а именно плюс источника напряжения + Uп подключен к p-области.
Выходные напряжения Uвых1 и Uвых2 снимаются с резисторов нагрузки RH1 и RH2 соответ-
ственно. Вывод –Uп может быть заземлен.
Магниточувствительный элемент 5 обладает Z-эффектом [4] и L-образной вольт-
амперной характеристикой. Способ формирования p- и n-областей такой структуры под-
робно описан в [5]. Вектор, индукция магнитного поля Bτ, на величину которого реагирует
магниточувствительный элемент 5, прикладывается в плоскости, параллельной плоскости
раздела p- и n-областей. Такие структуры поставляются фирмой VZ Sensor Ltd, Россия,
Москва (Институт проблем управления). Поскольку форма магниточуствительного эле-
мента 5 - диск, то магнитная чувствительность изотропна в плоскости, параллельной
плоскости раздела p- и n-областей, и практически не зависит от составляющей вектора
индукции магнитного поля Bn, нормальной к полоски эпитаксиального пленочного эле-
мента 2. Магниточувствительный элемент 5 выполнен в виде полупроводниковой струк-
туры, обладающей Z-эффектом с L-образной вольт-амперной характеристикой и
частотноимпульсным выходным сигналом при величине индукции магнитного поля Bτ,
превышающей 30-50 мТл (в зависимости от технологии изготовления). При величине ин-
дукции магнитного поля Bτ меньше чем 30 мТл выходной сигнал - аналоговый [3]. Эпи-
таксиальный пленочный элемент 2 и магниточувствительный элемент 5 как единое целое
размещены в узком зазоре между двумя миниатюрными цилиндрическими ферромагнит-
ными концентраторами магнитного потока 8 и 9, расположенными соосно, выполненны-
ми из материала с высокой начальной магнитной проницаемостью, низкой коэрцитивной
силой и высокой индукцией технического насыщения Bs, например, для измерений квази-
статических магнитных полей из супермендюра (справочно Bs = 2,8 Тл) или армкожелеза,
а для переменных или импульсных магнитных полей - из ферритов, например, марки 3000 НМ.
Для измерений слабых магнитных полей можно также использовать высоконикелевый
пермаллой.
Магниточувствительный датчик работает следующим образом.

5. BY 10337 U 2014.10.30
5
Эпитаксиальный пленочный элемент 2 работает по известному принципу действия
традициционных магниторезисторов, а именно увеличивается электрическое сопротивле-
ние магниторезистора при приложении магнитного поля Bn. Причина заключается в из-
менении траектории движения носителей заряда в полупроводнике вследствие действия
силы Лоренца при наличии внешнего магнитного поля. Она действует перпендикулярно к
направлениям скорости электронов и магнитной индукции. С целью увеличения состав-
ляющей индукции магнитного поля Bn, проходящей через пленочный элемент 2, исполь-
зуются цилиндрические концентраторы магнитного потока 8 и 9. При этом увеличивается
значение Bn в k раз, что эквивалентно увеличению магнитной чувствительности магнито-
резистора γ в указанном направлении в k раз без увеличения шумовых характеристик. По
величине выходного сигнала Uвых1 можно определить Bn = Uвых1/(γk).
Магниточувствительный элемент 5 работает по известному принципу Z-эффекта. При
этом магниточувствительный элемент 5 реагирует на составляющую индукции магнитно-
го поля Bτ и не реагирует на Bn.
В основе функционирования лежит явление управляемой скачковой проводимости
(Z-эффекта), которая возникает в структурах с L-образной вольт-амперной характеристи-
кой и заключается в том, что при определенных значениях питающего напряжения и
внешнего магнитного поля проводимость полупроводниковой структуры (в прямом на-
правлении) и, соответственно, амплитуда протекающего через нее тока меняются скачком
со временем переходного процесса 1-5 мкс. Изменение проводимости подобно структурам
с S-образной вольт-амперной характеристикой сопровождается возникновением шнура
тока, но с иными физическими свойствами, основным из которых является постоянство
плотности тока в шнуре при изменении напряжения на структуре. Основной особенно-
стью магниточувствительного элемента 5 является способность не только воспринимать
внешнее магнитное поле, но и производить его преобразование на молекулярном уровне в
объеме кристалла без дополнительных электронных схем.
По величине Uвых2, снимаемого с электрического сопротивления нагрузки RH2, определя-
ется величина Bτ, при этом используется величина аналогового сигнала при Bτ ≤ 30 мТл
или частота f частотно-импульсного сигнала при 30 < Bτ ≤ 1000 мТл. Величина измерен-
ного квазистатического магнитного поля с произвольной ориентацией в пространстве вектора
индукции магнитного поля определяется по классической формуле B = (Bτ2
+ Bn2
)1/2
обычно
с помощью микропроцессора, сопряженного с магниточувствительным датчиком. Маг-
нитная чувствительность обычно составляет 100 кГц/Тл, а амплитуда частотно-импульс-
ного сигнала может составлять до 50 % от напряжения питания и RH2.
Соизмеримость величин Uвых1 и Uвых2 при одинаковых значениях соответствующих
компонент индукции магнитного поля обеспечивают концентраторы магнитного потока 8,
9 за счет увеличения Bn в k раз. Величина k зависит от геометрических размеров концен-
траторов магнитного потока, в первую очередь, от их длины s и величины зазора между
ними h, и для приемлемых миниатюрных размеров длиной не более 10 мм достигает вели-
чин 15-30 единиц.
Для заявляемой конструкции магниточувствительного датчика подтверждена возмож-
ность ее осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приори-
тета средств и методов, поэтому заявляемый датчик соответствует требованию "промыш-
ленная применимость".
Преимуществом заявляемой полезной модели по сравнению с известными аналогами,
содержащими трехкомпонентные магниточувствительные элементы, обычно размещен-
ные в ортогональных плоскостях, является упрощение процесса его калибровки, а по
сравнению с прототипом - обеспечение высокой чувствительности датчика ко всем ком-
понентам индукции магнитного поля, упрощение электронной схемы подключения и из-
мерений.

6. BY 10337 U 2014.10.30
6
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.