RU121940U1

RU121940U1 - HALL SENSOR RANGE FOR PRECISION MAGNETOMETRY

Info

Publication number: RU121940U1
Application number: RU2012130681/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Анатольевич Руднев; Алексей Игоревич Подливаев; Сергей Владимирович Покровский; Алла Павловна Сотникова
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2012-11-10

Abstract

Линейка датчиков Холла для прецизионной магнитометрии, состоящая из набора размещенных на токопроводящей подложке датчиков Холла, включающих токовые и потенциальные контакты, для определения профиля магнитного поля в нормальном направлении по отношению к плоскости подложки, отличающаяся тем, что потенциальные контакты каждого из датчиков Холла расположены вдоль продольной оси линейки ассиметрично. A range of Hall sensors for precision magnetometry, consisting of a set of Hall sensors located on a conductive substrate, including current and potential contacts, to determine the magnetic field profile in the normal direction with respect to the substrate plane, characterized in that the potential contacts of each Hall sensor are located along the longitudinal axis axis asymmetrically.

Description

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности к тонкопленочным датчикам на основе эффекта Холла, и может быть использовано в микроэлектронике при измерении и регистрации локальных магнитных полей и величин электрического тока, а также при разработке микроэлектронных устройств нового поколения и в системах исследования локальных токонесущих характеристик пленочных сверхпроводящих образцов и бесконтактного контроля качества длинномерных сверхпроводящих лент на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения.The utility model relates to the field of instrumentation, in particular to thin-film sensors based on the Hall effect, and can be used in microelectronics in the measurement and recording of local magnetic fields and electric currents, as well as in the development of new-generation microelectronic devices and in systems for studying local current-carrying characteristics film superconducting samples and non-contact quality control of long-length superconducting tapes based on high-temperature superconductors about generation.

Известен датчик Холла [патент DE №19908473 А1 20000907] с уменьшенным компенсирующим сигналом, который состоит из 2-х противолежащих токоподводящих контактов источника питания, между которыми находится чувствительная зона. Датчик Холла также состоит из двух противолежащих потенциальных контактов для снятия холловского напряжения, при котором интерферирующее влияние контактов на воздействие компенсирующего сигнала на работу спинового тока уменьшается.Known Hall sensor [DE patent No. 19908473 A1 20000907] with a reduced compensating signal, which consists of 2 opposite current-supplying contacts of the power source, between which there is a sensitive area. The Hall sensor also consists of two opposite potential contacts for relieving Hall voltage, in which the interfering effect of the contacts on the effect of the compensating signal on the spin current decreases.

В предлагаемом устройстве не обеспечивается размещение максимального числа чувствительных зон датчиков Холла, что ограничивает применение данного устройства для измерений локальных магнитных полей с высоким пространственным разрешением.The proposed device does not provide the placement of the maximum number of sensitive zones of Hall sensors, which limits the use of this device for measuring local magnetic fields with high spatial resolution.

Известны датчики Холла [патент US №2004164840 А1 20040826] на основе аномального эффекта Холла и их массивы. Магнитный датчик на основе аномального эффекта Холла имеет сплав в виде MxNloo-х, где М- Fe, Со, Ni или магнитный сплавы, которые содержат Fe, Со или Ni. N- элемент из пятого или шестого периода периодической таблицы. Датчик включает слой сплава, потенциальные и сигнальные провода (провода считывания) к датчику могут быть также изготовлены из того же самого сплава. Представляются различные геометрические формы датчиков, включая одномерные и двумерные линейки датчиков для измерения пространственных распределений магнитных полей, определяется подложкой, на которую осаждается слой сплава, заполняется проводящим материалом в определенных конструкций линеек. Недостатком известного устройства является определения профиля магнитного поля с невысоким пространственным разрешением.Known Hall sensors [US patent No. 2004164840 A1 20040826] based on the anomalous Hall effect and their arrays. The magnetic sensor based on the anomalous Hall effect has an alloy in the form of MxNloo-x, where M is Fe, Co, Ni, or magnetic alloys that contain Fe, Co, or Ni. N is an element from the fifth or sixth period of the periodic table. The sensor includes an alloy layer, potential and signal wires (read wires) to the sensor can also be made of the same alloy. Various geometric shapes of the sensors are presented, including one-dimensional and two-dimensional sensor arrays for measuring spatial distributions of magnetic fields, determined by the substrate on which the alloy layer is deposited, filled with conductive material in certain ruler designs. A disadvantage of the known device is to determine the profile of the magnetic field with a low spatial resolution.

Наиболее близким к предлагаемому устройству и принятым в качестве прототипа является устройство [патент RU №2321013С1], в котором предлагается датчик Холла для локальной магнитометрии. Датчик Холла для локальной магнитометрии включает подложку, помещенную на нее токопроводящую полосу из ферромагнитной пленки из сплава железо-платина, потенциальные и токоподводящие контакты.Closest to the proposed device and adopted as a prototype is a device [patent RU No. 221013C1], which proposes a Hall sensor for local magnetometry. The Hall sensor for local magnetometry includes a substrate placed on it a conductive strip of a ferromagnetic film of an alloy of iron-platinum, potential and current-carrying contacts.

В прототипе (Фиг.1) четырехконтактные датчики Холла располагаются вдоль оси линейки таким образом, токовые контакты соседних датчиков соединяются последовательно вдоль линейки, а потенциальные контакты располагаются симметрично относительно центральной оси прибора. Плотность расположения чувствительных зон в данном случае равно отношению длины подложки к сумме размеров одной чувствительной зоны и расстоянию между соседними потенциальными контактами. В прототипе расстоянием между соседними потенциальными контактами сопоставимо, или больше размера чувствительной зоны, поскольку в противном случае возможно замыкание потенциальных контактов через полупроводниковую пленку, из которой изготовлен элемент Холла.In the prototype (Figure 1) four-pin Hall sensors are located along the axis of the ruler in this way, the current contacts of adjacent sensors are connected in series along the ruler, and potential contacts are located symmetrically with respect to the central axis of the device. The density of the arrangement of the sensitive zones in this case is equal to the ratio of the length of the substrate to the sum of the sizes of one sensitive zone and the distance between neighboring potential contacts. In the prototype, the distance between adjacent potential contacts is comparable to or larger than the size of the sensitive zone, since otherwise potential contacts can be closed through the semiconductor film of which the Hall element is made.

Количество чувствительных зон =NThe number of sensitive zones = N

Количество контактов =2×NNumber of pins = 2 × N

Недостатками известного устройства являются необходимость использования как минимум в 2 раза большего числа потенциальных контактов, что ограничивает количество чувствительных зон датчика, и так же более удаленное расположение чувствительных зон датчиков Холла, что приводит к снижению надежности устройства в целом, и ограничивает применение устройства для измерений локальных магнитных полей с высоким пространственным разрешением.The disadvantages of the known device are the need to use at least 2 times more potential contacts, which limits the number of sensitive areas of the sensor, as well as the more remote location of the sensitive areas of Hall sensors, which reduces the reliability of the device as a whole, and limits the use of the device for measuring local magnetic fields with high spatial resolution.

Технический результат - повышение надежности устройства и повышение пространственного разрешения профиля захваченного магнитного поля.The technical result is to increase the reliability of the device and increase the spatial resolution of the profile of the captured magnetic field.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для прецизионной магнитометрии, состоящем из набора размещенных на токопроводящей подложке датчиков Холла, включающих токовые и потенциальные контакты, для определения профиля магнитного поля в нормальном направлении по отношению к плоскости подложки, потенциальные контакты каждого из датчиков Холла расположены вдоль продольной оси линейки ассиметрично. Этим обеспечивается размещение максимального числа чувствительных зон датчиков Холла в единой линейке при заданном, фиксированном размере одной зоны, а также использование как минимум в 2 раза меньшего числа потенциальных контактов, что приводит к повышению надежности устройства в целом. Плотность расположения чувствительных зон в данном устройстве равна отношению длины подложки к размеру чувствительной зоны.The technical result is achieved by the fact that in the known device for precision magnetometry, consisting of a set of Hall sensors located on a conductive substrate, including current and potential contacts, to determine the profile of the magnetic field in the normal direction with respect to the plane of the substrate, the potential contacts of each of the Hall sensors are located asymmetrically along the longitudinal axis of the ruler. This ensures the placement of the maximum number of sensitive zones of Hall sensors in a single line for a given, fixed size of one zone, as well as the use of at least 2 times less number of potential contacts, which leads to an increase in the reliability of the device as a whole. The density of the sensitive areas in this device is equal to the ratio of the length of the substrate to the size of the sensitive area.

Количество контактов =NNumber of pins = N

Сущность изобретения: линейка датчиков Холла для прецизионной магнитометрии, состоящая из набора размещенных на токопроводящей подложке датчиков Холла, включающих токовые и потенциальные контакты, для определения профиля магнитного поля в нормальном направлении по отношению к плоскости подложки, что потенциальные контакты каждого из датчиков Холла расположены вдоль продольной оси линейки ассиметрично.The inventive range of Hall sensors for precision magnetometry, consisting of a set of Hall sensors located on a conductive substrate, including current and potential contacts, to determine the magnetic field profile in the normal direction relative to the plane of the substrate, that the potential contacts of each of the Hall sensors are located along the longitudinal axis axis asymmetrically.

Пример конкретной реализации линейки датчиков Холла для прецизионной магнитометрии представлен на фиг.2. Устройство состоит из 1 - токопроводящей подложки, 2 - токовых контактов датчиков, 3 - потенциальных контактов датчиков Холла, V₁,…,V_N - обозначены напряжения, снимаемые с токовых контактов датчиков Холла, U₁,…,U_N - обозначены напряжения, снимаемые с потенциальных контактов датчиков Холла, областями A₁,…,A_N обозначены чувствительные зоны датчиков Холла. Пунктирной рамкой выделено предлагаемое устройство. Электрическая схема вне рамки относится к интерфейсу.An example of a specific implementation of the line of Hall sensors for precision magnetometry is presented in figure 2. The device consists of 1 - conductive substrate, 2 - current contacts of the sensors, 3 - potential contacts of the Hall sensors, V ₁ , ..., V _N - indicated voltages taken from the current contacts of the Hall sensors, U ₁ , ..., U _N - indicated voltage, removable from potential contacts of Hall sensors, areas A ₁ , ..., A _N denote the sensitive areas of Hall sensors. The proposed device is highlighted with a dotted frame. Out-of-frame circuitry refers to the interface.

Устройство работает следующим образом. Через расположенные на подложке 1 токовые контакты 2 по подложке 1 пропускают электрический ток. При появлении внешнего магнитного поля происходит отклонение носителей тока в подложке и на потенциальных контактах 3 появляется электрическое напряжение, которое и регистрируется. Любой намагниченный образец имеет в разных точках в своей поверхности разную намагниченность и, следовательно, разную магнитную индукцию. При перемещении датчика Холла для локальной магнитометрии по поверхности образца он проходит над точками с разной магнитной индукцией и выдает разный сигнал. Пространственное разрешение при этом определяется размером рабочей области датчика - шириной потенциальных контактов.The device operates as follows. An electric current is passed through the current contacts 2 located on the substrate 1 through the substrate 1. When an external magnetic field appears, current carriers in the substrate are deflected and an electric voltage appears at potential contacts 3, which is detected. Any magnetized sample has different magnetization and, therefore, different magnetic induction at different points in its surface. When moving the Hall sensor for local magnetometry along the surface of the sample, it passes over points with different magnetic induction and produces a different signal. The spatial resolution in this case is determined by the size of the working area of the sensor - the width of potential contacts.

В отличии от прототипа, в котором снимается разность потенциалов U_i-U_i+1, в нашей установке снимается разность U_i-V_i.In contrast to the prototype, in which the potential difference U _i -U _{i + 1} is removed, the difference U _i -V _i is removed in our installation.

Схема изобретения находится в пределах штриховой линии, все, что находится за ее пределами, относится к общей схеме. Приведенные выше примеры иллюстрируют, но не ограничивают применение данного изобретения. Преимуществом предлагаемой линейки датчиков Холла по сравнению с описанной в прототипе является: максимально плотное размещение чувствительных зон датчиков Холла вдоль линейки.The scheme of the invention is within the dashed line, everything that is beyond its limits refers to the general scheme. The above examples illustrate but do not limit the application of the present invention. The advantage of the proposed line of Hall sensors compared to that described in the prototype is: the most dense placement of the sensitive zones of Hall sensors along the line.

Экспериментальное подтверждение работоспособности предлагаемого устройства. При проверке работоспособности предлагаемой линейки датчиков Холла нами исследована работоспособность отдельного элемента этой линейки - трехконтактного датчика Холла с подключенным к нему делителем напряжения (см. фиг.2).Experimental confirmation of the health of the proposed device. When checking the operability of the proposed line of Hall sensors, we investigated the operability of a separate element of this line - a three-pin Hall sensor with a voltage divider connected to it (see figure 2).

В качестве измерителя использовался один и тот же датчик Холла, данные с которого снимались в двух режимах - обычном четырехконтактном, и в тестируемом трехконтактном.The same Hall sensor was used as a meter, the data from which were taken in two modes - the usual four-pin, and in the tested three-pin.

При четырехконтактном методе напряжение Холла измеряется между потенциальными контактами U₁ и U₂, а при трехконтактном - между U₁ и V. Результаты измерений представлены на фиг.3. На фиг.3 видно хорошее совпадение результатов, подтверждающее работоспособность элемента линейки. Незначительное смещение двух графиков связано с тем, что для четырехконтактного метода центр активной зоны совпадает с центром датчика Холла, а при трехконтактном смещен в сторону потенциального контакта U₁.In the four-contact method, the Hall voltage is measured between the potential contacts U ₁ and U ₂ , and in the three-contact method, between U ₁ and V. The measurement results are presented in Fig. 3. Figure 3 shows a good agreement between the results, confirming the operability of the line item. The slight shift of the two graphs is due to the fact that for the four-pin method the center of the active zone coincides with the center of the Hall sensor, and for the three-pin method it is shifted towards the potential contact U ₁ .

Таким образом, создано устройство для прецизионной магнитометрии, в котором обеспечивается размещение максимального числа чувствительных зон датчиков Холла в единой линейке при заданном, фиксированном размере одной зоны, что повышает пространственного разрешение профиля захваченного магнитного поля и надежность устройства.Thus, a device for precision magnetometry has been created, which ensures the placement of the maximum number of sensitive zones of Hall sensors in a single line for a given, fixed size of one zone, which increases the spatial resolution of the profile of the captured magnetic field and the reliability of the device.

Claims

A range of Hall sensors for precision magnetometry, consisting of a set of Hall sensors located on a conductive substrate, including current and potential contacts, to determine the magnetic field profile in the normal direction with respect to the substrate plane, characterized in that the potential contacts of each Hall sensor are located along the longitudinal axis axis asymmetrically.