RU2490754C1 - Микроэлектромеханический датчик магнитного поля - Google Patents
Микроэлектромеханический датчик магнитного поля Download PDFInfo
- Publication number
- RU2490754C1 RU2490754C1 RU2012107202/28A RU2012107202A RU2490754C1 RU 2490754 C1 RU2490754 C1 RU 2490754C1 RU 2012107202/28 A RU2012107202/28 A RU 2012107202/28A RU 2012107202 A RU2012107202 A RU 2012107202A RU 2490754 C1 RU2490754 C1 RU 2490754C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pendulum
- electrodes
- conducting
- plate
- conductive
- Prior art date
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- KPLQYGBQNPPQGA-UHFFFAOYSA-N cobalt samarium Chemical compound [Co].[Sm] KPLQYGBQNPPQGA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Изобретение относится к полупроводниковым магниточувствительным датчикам, использующим технологию микроэлектромеханических систем. Микроэлектромеханический датчик магнитного поля включает корпусную кремниевую пластину, в которой методом микротехнологии выполнен симметричный маятник, маятник подвешен на упругом подвесе, на свободном конце которого нанесен магниточувствительный слой. Согласно изобретению упругий подвес маятника выполнен в виде двух крестообразных торсионов, жестко соединенных по оси симметрии с маятником и с корпусной кремниевой пластиной, маятник выполнен из проводящего кремния, на втором конце маятника введен немагнитный слой, масса которого и плечо до оси качания равны соответственно массе и плечу магниточувствительного слоя, введена первая непроводящая обкладка с первым и вторым проводящими планарными электродами силовой отработки, выполненными на одной из сторон обкладки, обкладка жестко соединена с корпусной кремниевой пластиной и проводящими электродами направлена в сторону маятника без магниточувствительного и немагнитного слоев, первый и второй проводящие планарные электроды расположены по разные стороны оси симметрии маятника, введена вторая непроводящая обкладка с проводящими планарными электродами емкостного датчика угловых перемещений, направленная проводящими электродами в сторону магнитного и немагнитного слоев, суммарная высота проводящих электродов второй обкладки меньше, чем суммарная высота электродов первой обкладки, на суммарную высоту магнитного и немагнитного слоев, введен микроконтроллер, ко входам емкостного ШИМ которого подключены первы�
Description
Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано как датчик магнитной индукции в составе комплексирования с инерциальными датчиками в 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:
где
- коэффициент Холла; n - плотность носителей проводимости; q - заряд носителей тока; d - толщина эпитаксиального слоя;
- магнитная индукция внешнего поля, действующая перпендикулярно вектору силы тока
; 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 максимальная магнитная чувствительность эпитаксиальных арсенидогаллиевых датчиков магнитного поля стабильно достигнута в пределах 102 нТл. Однако неограниченное уменьшение толщины магниточувствительной области и концентрации носителей заряда для достижения высоких значений UХолла приводит к таким негативным факторам, как увеличение остаточного напряжения датчика, рост входного и выходного сопротивлений, а также повышение уровня шумов и снижение стабильности работы.
В связи с отмеченными недостатками предпочтительно производства датчиков магнитной индукции с применением МЭМС технологии. Датчики использующие кремний и его соединения предназначены для работы в широком диапазоне температур и в условиях воздействия радиоактивного излучения и факторов космического пространства.
Известен резонансный магнитометр [2], содержащий магниточувствительный челнок, подвешенный на упругих спицах в корпусной пластине. Магниточувствительный челнок включен в колебательный контур, частота которого зависит от усилия, приложенного магнитным полем к челноку. Недостатком известного устройства является погрешность, вносимая силами инерции на челнок от линейных и угловых ускорений.
Наиболее близким заявляемому устройству является магнитометр [3], включающий корпусную кремниевую пластину, в которой методом микротехнологии выполнен симметричный маятник, маятник подвешен на двух упругих торсионах, на одном из концов маятника нанесен магниточувствительный слой.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности работы магнитометра и улучшение характеристик магнитометра за счет компенсации сил инерции посредством уравновешивания маятника не магнитным материалом.
Задача решается тем, что упругий подвес маятника выполнен в виде дух крестообразных торсионов, жестко соединенных по оси симметрии с маятником и с корпусной кремниевую пластиной, маятник выполнен из проводящего кремния, на втором конце маятника введен немагнитный слой, масса которого и плечо до оси качания равны соответственно, массе и плечу магниточувствительного слоя, введена первая непроводящая обкладка с первым и вторым проводящими планарными электродами силовой отработки, выполненными на одной из сторон обкладки, обкладка жестко соединена с корпусной кремниевой пластиной и проводящими электродами направлена в сторону маятника без магниточувствительного и немагнитного слоев, первый и второй проводящие планарные электроды расположены по разные стороны оси симметрии маятника, введена вторая непроводящая обкладка с проводящими планарными электродами емкостного датчика угловых перемещений, направленная проводящими электродами в сторону магнитного и немагнитного слоев, суммарная высота проводящих электродов второй обкладки меньше чем суммарная высота электродов первой обкладки на суммарную высоту магнитного и не магнитного слоев, введен микроконтроллер, ко входам емкостного ШИМ которого подключены первый и второй проводящие электроды второй обкладки, а к первому и второму проводящим электродам магниточувствительного слоя первой обкладки подключены регистры прямого и инверсного выходов микроконтроллера.
На фигурах 1, 2 и 3 показаны детали и узлы, а также кинематическая схема заявляемого микроэлектромеханического датчика магнитного поля. На фигуре 1 приведен вид в плане чувствительного элемента. В состав чувствительного элемента входит корпусная пластина 1 из проводящего монокремния, в которой выполнен симметричный маятник 2 методом сквозного анизотропного травления паза 3. Маятник подвешен в корпусной пластине 1 на двух упругих торсионах 4 из того же материала. На одном конце маятника нанесена полоска магниточувствительного слоя 5 из магнитожесткого материала, например из кобальт-самария, а на другом - немагнитный слой 6 равный по массе магниточувствительному.
На фигуре 2 приведен вид в плане обкладки 7 с силовыми проводящими электродами 8 и 9, соединенными проводящими дорожками с контактными площадками 10. Обкладка с проводящими электродами емкостного преобразователя перемещений выполнена аналогично с обкладкой с силовыми электродами и на фигуре не показана. На фигуре 3 приведена кинематическая схема микроэлектромеханического датчика магнитного поля, где 11 - проводящий электрод емкостного преобразователя перемещений, 12 - микроконтроллер. Остальные обозначения позиций на фигуре 3 соответствует позициям на фигурах 1 и 2.
Работа микроэлектромеханического датчика магнитного поля осуществляется на использовании силы Лоренца. Отклик на магнитное поле происходит без потребления мощности источника питания. При отсутствии поля маятник 2 находится в нейтральном положении (см. фиг.3), измерительные емкости С1 и С2 равны между собой и электронный блок ШИМ микроконтроллера 12 вырабатывает нулевой сигнал на регистрах выхода. При наличии поля маятник 2 в результате притяжения магнитожесткого слоя 5 силой Лоренца отклоняется. Соответственно электронный блок ШИМ микроконтроллера 12 вырабатывает сигнал пропорциональный напряженности поля, и далее в микроконтроллере программно осуществляется усиление и масштабирования сигнала рассогласования и с выходи Uвых и
напряжение поступает на электроды 8 силового электростатического преобразователя цепи отрицательной обратной связи. Под действием момента электростатического преобразователя маятник 2 возвращается в исходное положение, близкое к нейтральному. В этом положении маятник удерживается до тех пор, пока действует магнитное поле, а на кодовом выходе микроконтроллера при этом сохраняться цифровой код, соответствующий измеряемой величине магнитной индукции.
Таким образом, поставленная цель изобретения в заявляемом микроэлектромеханическом датчике магнитного поля достигнута.
Источники информации
1. Скачков С.В. Измеритель магнитного поля. Патент РФ №2053521. Опубликовано: 27.01.1996.
2. Барейни Б., Шафай С. Микроэлектромеханический датчик магнитного поля. «IEEE Sens. J», 7, №9, 2007, стр.1326-1334.
3. Краснов М.Г., Куркин А.Г., Спектор С.А. Устройство для измерения магнитной индукции. Патент РФ №2117310. Опубликовано: 10.08.1998
Claims (1)
- Микроэлектромеханический датчик магнитного поля, включающий корпусную кремниевую пластину, в которой методом микротехнологии выполнен симметричный маятник, маятник подвешен на упругом подвесе, на свободном конце которого нанесен магниточувствительный слой, отличающийся тем, что упругий подвес маятника выполнен в виде двух крестообразных торсионов, жестко соединенных по оси симметрии с маятником и с корпусной кремниевой пластиной, маятник выполнен из проводящего кремния, на втором конце маятника введен немагнитный слой, масса которого и плечо до оси качания равны соответственно массе и плечу магниточувствительного слоя, введена первая непроводящая обкладка с первым и вторым проводящими планарными электродами силовой отработки, выполненными на одной из сторон обкладки, обкладка жестко соединена с корпусной кремниевой пластиной и проводящими электродами направлена в сторону маятника без магниточувствительного и немагнитного слоев, первый и второй проводящие планарные электроды расположены по разные стороны оси симметрии маятника, введена вторая непроводящая обкладка с проводящими планарными электродами емкостного датчика угловых перемещений, направленная проводящими электродами в сторону магнитного и немагнитного слоев, суммарная высота проводящих электродов второй обкладки меньше, чем суммарная высота электродов первой обкладки, на суммарную высоту магнитного и немагнитного слоев, введен микроконтроллер, ко входам емкостного ШИМ которого подключены первый и второй проводящие электроды второй обкладки, а к первому и второму проводящим электродам магниточувствительного слоя первой обкладки подключены регистры прямого и инверсного выходов микроконтроллера.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012107202/28A RU2490754C1 (ru) | 2012-02-27 | 2012-02-27 | Микроэлектромеханический датчик магнитного поля |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012107202/28A RU2490754C1 (ru) | 2012-02-27 | 2012-02-27 | Микроэлектромеханический датчик магнитного поля |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2490754C1 true RU2490754C1 (ru) | 2013-08-20 |
Family
ID=49162997
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012107202/28A RU2490754C1 (ru) | 2012-02-27 | 2012-02-27 | Микроэлектромеханический датчик магнитного поля |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2490754C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017126986A1 (ru) * | 2016-01-19 | 2017-07-27 | Алексей Михайлович КОРОЛЕВ | Инерциальное устройство создания изображений |
CN108231997A (zh) * | 2016-12-22 | 2018-06-29 | 迈来芯保加利亚有限公司 | 包括无源磁电式换能器结构的半导体器件 |
CN110736942A (zh) * | 2019-10-12 | 2020-01-31 | 南京邮电大学 | 一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU918907A1 (ru) * | 1980-05-23 | 1982-04-07 | Особое Конструкторское Бюро При Физико-Техническом Институте Ан Узсср | Устройство дл измерени амплитуды импульсного магнитного пол и способ,его реализующий |
RU2053521C1 (ru) * | 1991-04-03 | 1996-01-27 | Институт теоретической и экспериментальной физики | Измеритель магнитного поля |
RU2321013C1 (ru) * | 2006-07-25 | 2008-03-27 | Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской Академии Наук (ИПТМ РАН) | Датчик холла для локальной магнитометрии |
-
2012
- 2012-02-27 RU RU2012107202/28A patent/RU2490754C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU918907A1 (ru) * | 1980-05-23 | 1982-04-07 | Особое Конструкторское Бюро При Физико-Техническом Институте Ан Узсср | Устройство дл измерени амплитуды импульсного магнитного пол и способ,его реализующий |
RU2053521C1 (ru) * | 1991-04-03 | 1996-01-27 | Институт теоретической и экспериментальной физики | Измеритель магнитного поля |
RU2321013C1 (ru) * | 2006-07-25 | 2008-03-27 | Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской Академии Наук (ИПТМ РАН) | Датчик холла для локальной магнитометрии |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017126986A1 (ru) * | 2016-01-19 | 2017-07-27 | Алексей Михайлович КОРОЛЕВ | Инерциальное устройство создания изображений |
CN108231997A (zh) * | 2016-12-22 | 2018-06-29 | 迈来芯保加利亚有限公司 | 包括无源磁电式换能器结构的半导体器件 |
CN108231997B (zh) * | 2016-12-22 | 2020-12-29 | 迈来芯保加利亚有限公司 | 包括无源磁电式换能器结构的半导体器件 |
CN110736942A (zh) * | 2019-10-12 | 2020-01-31 | 南京邮电大学 | 一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器 |
CN110736942B (zh) * | 2019-10-12 | 2021-09-10 | 南京邮电大学 | 一种具有对称结构的高灵敏度垂直型磁场传感器 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2972417B1 (en) | Magnetometer using magnetic materials on accelerometer | |
US2987669A (en) | Hall effect electromechanical sensing device | |
Thompson et al. | Parametrically amplified $ z $-axis Lorentz force magnetometer | |
Langfelder et al. | Operation of Lorentz-force MEMS magnetometers with a frequency offset between driving current and mechanical resonance | |
Zhang et al. | Frequency-based magnetic field sensing using Lorentz force axial strain modulation in a double-ended tuning fork | |
Rouf et al. | Area-efficient three axis MEMS Lorentz force magnetometer | |
Zhang et al. | A horseshoe micromachined resonant magnetic field sensor with high quality factor | |
RU2490754C1 (ru) | Микроэлектромеханический датчик магнитного поля | |
US7253616B2 (en) | Microelectromechanical magnetometer | |
EP2236982A1 (en) | MEMS gyroscope magnetic sensitivity reduction | |
RU2414717C1 (ru) | Датчик электростатического поля и способ измерения электростатического поля | |
JP2020106394A (ja) | 磁場検出装置および磁場検出方法 | |
Todaro et al. | Magnetic field sensors based on microelectromechanical systems (MEMS) technology | |
NL2023462B1 (en) | Sensor equipped with at least one magnet and a diamagnetic plate levitating above said at least one magnet and method to measure a parameter of an object using such a sensor | |
US9816888B2 (en) | Sensor and method for detecting a position of an effective surface of the sensor | |
RU2410703C1 (ru) | Линейный микроакселерометр | |
RU2431850C1 (ru) | Интегральный чувствительный элемент акселерометра | |
RU2509307C1 (ru) | Линейный акселерометр | |
Tang et al. | Design and Characterization of an ALN Piezoelectric Mems Magnetometer | |
RU2401431C1 (ru) | Электромагнитный датчик ускорения | |
Wen et al. | A characterization of the performance of MEMS vibratory gyroscope in different fields | |
JPS6011454Y2 (ja) | 変位検出装置 | |
RU2490753C1 (ru) | Датчик магнитной индукции | |
Shokir oʻg’li | HALL SENSORS FOR MAGNETIC FIELD | |
Ştefănescu et al. | Galvanomagnetic Force Transducers |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160228 |