RU2694788C1 - Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля - Google Patents
Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694788C1 RU2694788C1 RU2018145690A RU2018145690A RU2694788C1 RU 2694788 C1 RU2694788 C1 RU 2694788C1 RU 2018145690 A RU2018145690 A RU 2018145690A RU 2018145690 A RU2018145690 A RU 2018145690A RU 2694788 C1 RU2694788 C1 RU 2694788C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- magnetic field
- substrate
- fiber
- sensitive element
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 41
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XRZCZVQJHOCRCR-UHFFFAOYSA-N [Si].[Pt] Chemical compound [Si].[Pt] XRZCZVQJHOCRCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000001364 causal effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Использование: для конструкции оптоволоконных датчиков магнитного поля. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент преобразователя магнитного поля для волоконно-оптического датчика содержит подложку из монокристаллического кремния, мембрану, расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры, и планарную чувствительную площадку, отражающую свет, из магнитострикционного материала в центральной области мембраны, причем мембрана содержит по меньшей мере два диэлектрических слоя, имеющих внутренние напряжения противоположного знака, а также на мембране выполнен рельеф гофров в виде по меньшей мере одной кольцевой концентрической канавки. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности элемента мембранного типа при минимальных встроенных механических напряжениях. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в конструкции оптоволоконных датчиков магнитного поля.
Известно техническое решение по патенту РФ RU2478218 (МПК G 01R33/02, опубл. 27.03.2011 г.) твердотельного датчика магнитного поля. Твердотельный датчик магнитного поля содержит пьезоэлектрик, на котором расположены электроды для связи с устройством регистрации напряжения, и магниточувствительный элемент, связанный с источником переменного тока, также датчик содержит алмазную мембрану, а пьезоэлектрик и магниточувствительный элемент выполнены в виде тонких пленок, при этом пленка пьезоэлектрика расположена поверх алмазной мембраны, а магниточувствительный элемент из магнитострикционного материала расположен на поверхности пьезоэлектрика. Магниточувствительный элемент представляет собой проводник с током из токопроводящего магнитострикционного материала (никель), который с помощью контактов подсоединен к источнику переменного тока. Измерение величины магнитного поля определяется по величине механических деформаций в тонкопленочном пьезоэлектрике в результате воздействия двух сил (динамических - за счет изменение линейных размеров пленки никеля и силы Ампера).
Получению требуемого технического результата препятствует использование электрических сигналов, способных создавать помехи при измерении магнитных полей.
Известны технические решения по патентам на полезные модели Китая CN 206975198 (МПК G 01R33/02, опубл. 06.02.2018 г.) и CN 206975197 (МПК G 01R33/02, опубл. 06.02.2018 г.) согласно указанным техническим решениям чувствительный элемент, сформированный на торце оптического волокна, используемый в волоконно-оптическом датчике магнитного поля, содержит консольный элемент, на поверхности которого выполнен чувствительный слой, из магнитострикционного материала, отражающий свет. Данные технические решения выбраны в качестве прототипа.
Получению требуемого технического результата препятствует сложное выполнение чувствительного элемента ввиду его выполнения в оптическом волокне.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании чувствительного элемента мембранного типа с высокой точностью и чувствительностью измерения за счет исключения влияния помех, образуемых при использовании электрических сигналов.
Технический результат, получаемый при реализации заявляемого изобретения, выражается в расширении арсенала технических средств определенного назначения, повышении чувствительности элемента мембранного типа при минимальных встроенных механических напряжениях.
Для достижения вышеуказанного технического результата чувствительный элемент преобразователя магнитного поля для волоконно-оптического датчика содержит подложку из монокристаллического кремния, мембрану, расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры, и планарную чувствительную площадку, отражающую свет, из магнитострикционного материала, в центральной области мембраны, причем мембрана содержит по меньшей мере, два диэлектрических слоя, имеющих внутренние напряжения противоположного знака, а также на мембране выполнен рельеф гофров в виде, по меньшей мере, одной кольцевой концентрической канавки.
Отличительными являются следующие признаки: выполнение подложки из монокристаллического кремния, расположение мембраны над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры, выполнение мембраны, состоящей из, по меньшей мере, двух слоев, имеющих внутренние напряжения противоположного знака и выполнение на мембране рельефа гофров в виде, по меньшей мере, одной кольцевой концентрической канавки.
Причинно-следственная связь отличительных признаков с указанным техническим результатом заключается в следующем. Модель диафрагмы-пластины (мембраны) полностью корректна только при минимальных внутренних напряжений. Такие условия выполняются, если диафрагма формируется методом объемной обработки монокристаллической кремниевой подложки. При поверхностной обработке структура формируется из разных материалов и возможно появление внутренних напряжений, которые приводят к остаточной деформации. В результате возрастает жесткость и уменьшается чувствительность мембраны к давлению от планарной площадки. Гофрированная область мембраны снижает жесткость закрепления к подложке и способствует повышению её чувствительности. Минимальные механические напряжения мембраны обеспечивают ее работу на квазилинейном участке преобразования с высокой чувствительностью. Планарная светоотражающая площадка выполняет две функции: отражение светового сигнала без искажений и предотвращение коробления поверхности мембраны в центральной части, возникающего при изменении температуры окружающей среды.
Выполнение подложки из монокристаллического кремния, расположение мембраны над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры, выполнение мембраны двухслойной и выполнение на мембране рельефа гофров в виде, по меньшей мере, одной кольцевой концентрической канавки позволяет уменьшить внутренние напряжения в мембране, что приводит к увеличению чувствительности мембраны, что в свою очередь приводит к увеличению точности измерений. Изготовление чувствительного элемента позволяет расширить арсенал технических средств определенного назначения.
В частом случае выполнения изобретения подложка выполнена из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100).
В частом случае выполнения изобретения планарная светоотражающая площадка выполнена из магнитострикционного материала, содержащего, по меньшей мере, железо и кобальт. Такие магнитострикционные материалы обладают наибольшими магнитострикционными характеристиками для измерения магнитных полей.
В частом случае выполнения изобретения мембрана, содержит два диэлектрических слоя, имеющих скомпенсированные внутренние напряжения противоположного знака, а именно слой нитрида кремния Si3N4 и слой оксида кремния SiO2.
Изобретение поясняется схемой устройства, представленной на фигуре 1. На фиг. 2 представлено изменение положения мембраны под действием магнитного поля.
Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля для волоконно-оптического датчика, содержит подложку из монокристаллического кремния 1, мембрану 2, расположенную над отверстием, выполненным в подложке 1 для образования подмембранной камеры 3, и планарную чувствительную площадку 4, отражающую свет (фиг. 1). Мембрана 2 содержит, по меньшей мере, два диэлектрических слоя 5 и 6, имеющих внутренние напряжения противоположного знака. Первый слой 5 мембраны 2 выполнен из оксида кремния SiO2, второй слой 6 выполнен нитрида кремния Si3N4. Планарная чувствительная площадка 4 выполнена в центральной области мембраны 2 из магнитострикционного материала. На мембране 2 выполнен рельеф гофров в виде, по меньшей мере, одной кольцевой концентрической канавки 7. Подложка 1 выполнена из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100). Планарная чувствительная площадка 4 выполнена из магнитострикционного материала, содержащего, по меньшей мере, железо и кобальт, например Fe50Co50 или Fe65Co35. При изготовлении чувствительного элемента с лицевой стороны кремниевой платины с базовой ориентацией (100) формируется профиль заглублений и концентрических гофр. Затем формируется комбинация диэлектрических слоев (Si3N4 и SiO2) и планарная светоотражающая площадка в центральной области из магнитострикционного материала. На заключительном этапе происходит травление кремния в области подмембранного объема с высокой селективностью к диэлектрическим пленкам (Si3N4 и SiO2).
Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля работает следующим образом (фигура 2). На планарную чувствительную площадку 4, отражающую свет, направляют оптическое излучение от источника света (например, оптоволокна), отраженный от планарной площадки оптический сигнал регистрируют. При воздействии магнитного поля в планарной чувствительной площадке 4 из магнитострикционного материала возникает магнитострикционный эффект, характеризующийся изменение линейных размеров в зависимости от действующего магнитного поля. В результате за счет изменения линейных размеров планарной площадки 4 из магнитострикционного материала, расположенной на мембране 2, возникает перемещение (колебание) мембраны 2, и соответственно фазовый сдвиг регистрируемого отраженного светового сигнала. Возможность колебания мембраны обеспечивается пониженной жесткостью крепления к подложке за счет выполнения рельефа гофр.
Claims (4)
1. Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля для волоконно-оптического датчика, содержащий подложку из монокристаллического кремния, мембрану, расположенную над отверстием, выполненным в подложке для образования подмембранной камеры, и планарную чувствительную площадку, отражающую свет, из магнитострикционного материала в центральной области мембраны, причем мембрана, содержит по меньшей мере два диэлектрических слоя, имеющих внутренние напряжения противоположного знака, а также на мембране выполнен рельеф гофров в виде по меньшей мере одной кольцевой концентрической канавки.
2. Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля для волоконно-оптического датчика по п. 1, отличающийся тем, что подложка выполнена из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100).
3. Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля для волоконно-оптического датчика по п. 1, отличающийся тем, что планарная светоотражающая площадка выполнена из магнитострикционного материала, содержащего по меньшей мере железо и кобальт.
4. Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля для волоконно-оптического датчика по п. 1, отличающийся тем, что мембрана содержит слой нитрида кремния Si3N4 и слой оксида кремния SiO2.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018145690A RU2694788C1 (ru) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018145690A RU2694788C1 (ru) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2694788C1 true RU2694788C1 (ru) | 2019-07-16 |
Family
ID=67309398
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018145690A RU2694788C1 (ru) | 2018-12-21 | 2018-12-21 | Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2694788C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2739161C1 (ru) * | 2020-04-07 | 2020-12-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" | Способ измерения магнитострикции тонких пленок |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU53021U1 (ru) * | 2005-10-31 | 2006-04-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока |
| RU102813U1 (ru) * | 2010-05-24 | 2011-03-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Датчик магнитного поля |
| JP2011069700A (ja) * | 2009-09-25 | 2011-04-07 | Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence | 光ファイバ磁気センサ |
| RU2478218C1 (ru) * | 2011-10-28 | 2013-03-27 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | Твердотельный датчик магнитного поля |
| US20170074947A1 (en) * | 2014-05-30 | 2017-03-16 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Magnetic sensor |
| CN206975197U (zh) * | 2017-05-05 | 2018-02-06 | 中国计量大学 | 基于超磁致伸缩效应的十字微悬桥光纤磁场传感探头 |
-
2018
- 2018-12-21 RU RU2018145690A patent/RU2694788C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU53021U1 (ru) * | 2005-10-31 | 2006-04-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока |
| JP2011069700A (ja) * | 2009-09-25 | 2011-04-07 | Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence | 光ファイバ磁気センサ |
| RU102813U1 (ru) * | 2010-05-24 | 2011-03-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Датчик магнитного поля |
| RU2478218C1 (ru) * | 2011-10-28 | 2013-03-27 | Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН | Твердотельный датчик магнитного поля |
| US20170074947A1 (en) * | 2014-05-30 | 2017-03-16 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Magnetic sensor |
| CN206975197U (zh) * | 2017-05-05 | 2018-02-06 | 中国计量大学 | 基于超磁致伸缩效应的十字微悬桥光纤磁场传感探头 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2739161C1 (ru) * | 2020-04-07 | 2020-12-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" | Способ измерения магнитострикции тонких пленок |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7315161B2 (en) | Micro-electromechanical system (MEMS) based current and magnetic field sensor having capacitive sense components | |
| US7181972B2 (en) | Static and dynamic pressure sensor | |
| Tian et al. | The novel structural design for pressure sensors | |
| US9476779B2 (en) | Sensor with an embedded thermistor for precise local temperature measurement | |
| CN109489843B (zh) | 高灵敏度传感器及其制备方法 | |
| CN103557970B (zh) | 一种静电激励/压阻检测硅微谐振式压力传感器及其制作方法 | |
| CN112284607B (zh) | 一种十字岛耐高温耐腐蚀压力传感器芯片及制备方法 | |
| CN103983395A (zh) | 一种微压力传感器及其制备与检测方法 | |
| CN110243394A (zh) | 基于智能材料的谐振式传感器 | |
| CN103837290B (zh) | 高精度的电容式压力传感器 | |
| CN103454345B (zh) | 基于cmut的海洋生化物质监测传感器及其制备与测量方法 | |
| RU2694788C1 (ru) | Чувствительный элемент преобразователя магнитного поля | |
| CN110361445B (zh) | 一种多参数高选择性CMUTs气体传感器及其使用与制备方法 | |
| CN107246895B (zh) | 一种用于植物大棚的多功能传感器 | |
| CN102520147B (zh) | 一种用于痕量生化物质检测的cmut及其制备方法 | |
| CN112607701A (zh) | Mems压力芯片及其制备方法 | |
| CN107144378B (zh) | Mems压力传感器 | |
| CN113353883B (zh) | 一种基于相位检测原理的mems压力传感器及制备方法 | |
| Qaradaghi et al. | Frequency output MEMS resonator on membrane pressure sensors | |
| CN113758613A (zh) | 基于soi的电阻中心放置的压阻式压力传感器 | |
| Park et al. | A capacitive absolute-pressure sensor with external pick-off electrodes | |
| CN104576431B (zh) | 测试结构及其制造方法和牺牲层刻蚀工艺的监控方法 | |
| CN106949910B (zh) | 一种基于纳米复合材料的自驱动、自感知悬臂梁传感器 | |
| CN112284606B (zh) | 一种t型交叉梁十字岛膜压力传感器芯片及制备方法 | |
| RU2799390C1 (ru) | Чувствительный элемент емкостного микромеханического датчика давления |