Вимірювальний перетворювач магнітного поля

Винахід стосується напівпровідникових сенсорів магнітного поля, які використовують ефект Холла. Відомий вимірювальний перетворювач магнітного поля, який містить сформовані на підкладці напівпровідникову область, типово прямокутної форми, та чотири виводи - по одному на кожній стороні напівпровідникової області. Два навпроти розміщені виводи є струмовими, а два інші - потенційними [R.S. Popovic, Hall Effect Devices, Adam Hilger, Bristol, Philadelphia and New York, 1991. P.61.] (перший аналог). Такий перетворювач дозволяє вимірювати індукцію магнітного поля. Однак, його недоліком є низька просторова роздільна здатність, що, зокрема, перешкоджає його використанню для вимірювання високоградієнтних полів. Цей недолік обумовлений тим, що по периметру напівпровідникової області перетворювача розміщені виводи, які не дозволяють достатньо наблизити напівпровідникову область (активну область перетворювача) до поверхні джерела досліджуваного магнітного поля. Це перешкоджає використанню таких перетворювачів у 3-D сенсорах індукції магнітного поля, оскільки виводи, які оточують по периметру напівпровідникові області перетворювачів 3-D сенсора для вимірювання трьох ортогональних проекцій вектора індукції магнітного поля, не дозволяють наблизити ці області одна до другої. В результаті цьоро активні області трьох перетворювачів 3-D сенсора знаходяться в просторово суттєво різних ділянках вимірюваного поля. Це зменшує просторову роздільну здатність інтегрованого 3-D сенсора, і як наслідок, погіршує точність вимірювання високо градієнтних магнітних полів. Відомий також вимірювальний перетворювач магнітного поля, який містить сформовані на підкладці напівпровідниковий шар та п'ять виводів до нього, перший з яких є центральним струмовим виводом, другий та третій виводи розміщені симетрично відносно першого виводу і є боковими струмовими виводами, четвертий та п'ятий виводи також розміщені симетрично відносно першого виводу і є потенційними виводами, причому четвертий вивід розміщено між першим та другим виводами, а п'ятий вивід розміщено між першим та третім виводами [R.S. Popovic, Hall Effect Devices, Adam Hilger, Bristol, Philadelphia and New York, 1991. P.61.] (другий аналог). Перевагами такого рішення є те, що, поєднавши на єдиній підкладці два таких перетворювача, напівпровідникові шари яких перетинаються під прямим кутом, як це описано в [F. Burger, P.A. Besse, R.S. Popovic. New fully integrated 3-D silicon Hall sensor for precise angular-position measurements. Sensors and Actuators. A 67. 1998. PP. 72-7 6.] можна вимірювати дві ортогональні проекції вектора індукції магнітного поля. Це рішення є найближчим аналогом винаходу. Однак, як і перший аналог, цей перетворювач є непридатним для вимірювання магнітного поля в беспосередній близькості до поверхні джерела магнітного поля. Окрім того, вимірювання лише двох ортогональних проекцій вектора індукції магнітного поля в багатьох випадках є недостатнім. В основі винаходу поставлено задачу створити вимірювальний перетворювач магнітного поля, в якому введення нових елементів та зв'язків дозволяє підвищити просторову роздільну здатність та точність вимірювання. Технічне рішення поставленої задачі досягається тим, що у. вимірювальному перетворювачі магнітного поля, що містить сформовані на підкладці напівпровідниковий шар та п'ять виводів до нього, перший з яких є центральним струмовим виводом, другий та третій виводи розміщені симетрично відносно першого виводу і є боковими струмовими виводами, четвертий та п'ятий виводи також розміщені симетрично відносно першого виводу і є потенційними виводами, причому четвертий вивід розміщено між першим та другим виводами, а п'ятий вивід розміщено між першим та третім виводами, згідно винаходу, напівпровідниковий шар сформовано у виді двох, з'єднаних під кутом стрічок, так що кутова ділянка, утворена цими стрічками, контактує з першим виводом та знаходиться в кутовій частині підкладки, а четвертий та п'ятий виводи знаходяться на мінімально можливій відстані від першого виводу. Позитивний ефект досягається завдяки розміщенню активної частини вимірювального перетворювача магнітного поля, якою є напівпровідниковий шар в зоні контактування до нього четвертого та п'ятого потенційних виводів, в безпосередній близькості до кутової частини підкладки. В свою чергу кутова частина підкладки може бути максимально наближеною до поверхні джерела досліджуваного магнітного поля. Це дозволяє підвищити просторову роздільну здатність та точність вимірювання магнітного поля. Переважно підкладка перетворювача має прямокутну форму, а стрічки напівпровідникового шару утворюють прямий кут. Вказана ознака дозволяє поєднати три вимірювальні перетворювачі в єдину конструкцію інтегрованого 3-D сенсора таким чином, що вони складають три взаємно перпендикулярні сторони куба з спільною вершиною, в якій знаходяться кутові ділянки цих вимірювальних перетворювачів. Така конструкція забезпечує можливість вимірювання трьох ортогональних проекцій вектора індукції магнітного поля, причому активні частини вимірювальних перетворювачів знаходяться у взаємній близькості одна до другої. Це дозволяє підвищити просторову роздільну здатність та точність вимірювання трьох ортогональних проекцій магнітного поля. На Фіг.1 зображена схема вимірювального перетворювача магнітного поля, де 1 - підкладка, 2, 3 відповідно, перша та друга області напівпровідникового шару, 4 - кутова ділянка, 5, 6, 7 -струмові перший, другий, третій виводи, відповідно, 8, 9 - потенційні четвертий та п'ятий виводи, відповідно. Вимірювальний перетворювач магнітного поля працює так. Струм живлення в перетворювачі протікає від першого струмового виводу 5 через першу область 2 напівпровідникового шару до другого струмового виводу 6 та через другу область З напівпровідникового шару до третього струмового виводу 7. В магнітному полі під дією сили Лоренца в напівпровідниковому шарі відбувається відхилення траєкторії рухомих носіїв заряду. Це обумовлює виникнення електрорушійної сили (Холлівської напруги) в напрямку перпендикулярному до напрямку протікання струму живлення. Значення електрорушійної сили є пропорційне значенню струму через напівпровідниковий шар та проекції вектора індукції магнітного поля на нормаль до площини перетворювача. Кожна з двох областей напівпровідникового шару та відповідні виводи до них являють собою напівелементи Холла. Оскільки струми живлення І 1, І 2 та геометричні розміри областей напівпровідникових шарів обох напівелементів Холла є однаковими, то величини синфазних складових напруг на потенційних виводах також є однаковими. Проте, враховуючи напрями струму в цих напівелементах Холла, електрорушійні сили на їх потенційних виводах будуть мати взаємно протилежні знаки. Таким чином, в першому наближенні різниця напруг між потенційними виводами становить R IB cos a VH = H , d де RН - постійна Холла; І =1=І 2 - струм через напівелементи Холла (половина струму живлення І вимірювального перетворювача); В - індукція магнітного поля; cosa - кут між вектором індукції магнітного поля та нормаллю до площини перетворювача; d - товщина напівпровідникового шару. Активна частина вимірювального перетворювача магнітного поля згідно винаходу може розміщатися на як завгодно малій відстані від до кутової частини підкладки. В залежності від технології виготовлення перетворювача (технологія твердотільних інтегральних схем, тонкоплівкова технологія, технологія об'ємних структур тощо), ця відстань може знаходитися в межах від декількох мікрометрів до декількох сотень мікрометрів. Зокрема, використовуючи традиційну технологію тонкоплівкових перетворювачів Холла на напівпровідникових матеріалах групи А IIIВV, можна виготовити вимірювальний перетворювач магнітного поля з відстанню між активною частиною перетворювача та об'єктом дослідження не більше 50мкм, що приблизно на порядок менше ніж в аналога. Таким чином, при дослідженні приповерхневих магнітних полів на мінімально можливих відстанях, наприклад 50мкм від мікрооб'єктів чи об'єктів з зернистою (доменною) структурою, запропонований вимірювальний перетворювач дозволяє підвищити в декілька разів точність вимірювання магнітного поля. Переваги вимірювального перетворювача згідно винаходу найкраще проявляються при створенні на його основі інтегрованих 3-D сенсорів для вимірювання трьох ортогональних проекцій Βx, Βγ, ΒZ вектора індукції магнітного поля В. Для цього три одинакові вимірювальні перетворювачі розміщують в рамках єдиної конструкції таким чином, що їх підкладки складають три взаємно перпендикулярні сторони куба із спільною вершиною, в якій знаходяться кутові ділянки цих вимірювальних перетворювачів (Фіг.2). Вихідні напруги, які формуються на потенційних виводах вимірювальних перетворювачів такого інтегрованого 3-D сенсора, в першому наближенні становлять: R IB VHX = H x ; R IB R IB d VHY = H Y ; VHZ = H Z . d d Унікальною особливістю інтегрованого 3-D сенсора на основі трьох вимірювальних перетворювачів згідно винаходу є можливість наблизити активні частини цих перетворювачів безпосередньо до поверхні досліджуваного магнітного об'єкту. Відстані між активними частинами вимірювальних перетворювачів за винаходом, виготовлених за традиційною технологією тонкоплівкових перетворювачів Холла, можуть бути 100мкм і менше. Приблизно така ж відстань є між активними частинами перетворювачів та поверхнею об'єкту, що, принаймні, на порядок менше ніж у найближчого аналога. Вказане підвищення просторової роздільної здатності, в свою чергу, забезпечує підвищення в декілька раз точність вимірювання приповерхневих магнітних полів.