Герконовый датчик

Герконовый датчик – устройство, изменяющее состояние контактов в зависимости от наличия либо отсутствия магнитного поля.

История

Википедия утверждает, что герконовый датчик изобретён в 1936 году Волтером Эллвудом, работавшим на Лаборатории Белла. Эта информация тщательно проверена и найдена ошибочной. Первый из поданных Эллвудом патентов – не тот, что изображен на рисунке в Википедии – датируется 29 марта 1938 года. Налицо ошибка, уверенность внушает то, что на Хольмской Конференции 2013 года прочитан доклад о герконовых реле, где дана ссылка на упомянутый патент 1938 года.

Хольмская Конференция – мероприятие, проводимое с 1953 года в виде обсуждения хода развития достижений в области электричества. В 1968 году получило имя малоизвестного физика Рагнара Хольма, 50 лет жизни отдавшего изучению связанных с темой вопросов. С 1985 года официально поддерживается ассоциацией IEEE, законодателя в большинстве областей техники.

Итак, в 2013 году, видимо, обсуждались достижения в области герконовых реле (см. ниже), и авторы (Стефен Дэй и Тодд Кристенсон) осторожно заметили, что первый «reed switch» появился «70 лет назад». Простым вычитанием получаем 43-й год. Больше похоже на 14 июля 1942 года – дату публикации патента за номером US2289830 A – нежели гипотетический и непонятно откуда возникший 1936 год. Исходя из имеющихся на руках данных, заметим, что датой появления на свет датчиков допустимо считать 1938, год заявления патента. Вдобавок допускается существование дневников и записей, поясняющих происходившее в Лабораториях Белла, но на их реальное местонахождение ничто не указывает.

Содержание патента

Показанное в Википедии, взято из патента US 2264746 и автором названо электромагнитным переключателем. Публикация состоялась 2 декабря 1942 года, после выпуска указанного выше US2289830 A. На изображении видим герметичную прозрачную колбу из стекла, предотвращающую загрязнение контактов датчика и их окисление. Рабочей частью считаются ферромагнитные полосы, взаимодействующие с внешним полем (на рисунке – поз. 3 и 6).

Диэлектрический разделитель нужен для надёжного разграничения групп контактов. Проводники, идущие наружу колбы, как правило, медные или латунные. При попадании датчика в область действия магнитного поля железные пластины начинают притягиваться друг к другу, изменяя расположение контактов. Показано, что в отсутствии внешнего воздействия ток выходит на клемму 4, при наличии – на пятую. Это позволяет коммутировать цепи должным образом.

Фактически патент US 2264746 подан на реле. Оно не может переключать силовые цепи по очевидным причинам, но служит промежуточным. Способным управлять прочими, более мощными устройствами. Что касается патента US2289830 A, поданного раньше, там речь идёт о датчике. Не сложно догадаться, что Эллвуд написал в бюро бумагу, позднее придумал новое устройство и выслал на проверку вслед. Тексты и опубликованы друг за другом: Эллвуд дополнительно заявил, если принят первый патент, нет причин отклонять второй. Что оказалось принято во внимание комиссией.

Из скрина видно, что автор предложил ряд идей по приведению в действие контакта. Во-первых, сильное магнитное поле, создаваемое намотанной на колбу катушкой. Второй вариант – используется остов в виде катушки, надетый на колбу. Третья иллюстрация намекает, что внешний корпус в виде предохранителя позволит вставить конструкцию в любой уже имеющийся соленоид. Наконец, в четвёртом варианте предлагается покрыть контакты медью, чтобы взаимодействовали поля индукционных токов золотого напыления.

Из сказанного видно, что автор долго экспериментировал с предлагаемыми устройствами, либо обдумывал их. Исходя из подобных предпосылок, предположим, что герконовый датчик действительно задуман ещё в 1936 году. Предлагал автор и прочие варианты, к примеру, платиновые вкрапления на контактной поверхности. Пробежимся по тексту патента:

• Цель работы заключается в создании более дешёвых и долговечных переключателей взамен существующих с одновременным повышением надёжности устройства.
• Новое устройство получилось гораздо меньше по габаритам, нежели предшественники, с минимумом подвижных деталей.
• При отсутствии воздуха (гелий, аргон и пр.) внутри возможно выполнить контакты из дешёвого железа, не опасаясь возникновения ржавчины.

Принцип действия

Принцип действия герконового датчика рассматривается отвлечённо, на примере устройства, приведённого в патенте. При намотке катушки вокруг герметичной колбы и пропускании сквозь жилу тока возникает магнитное поле, линии которого направлены вдоль оси датчика (внутри колбы). Напряжённость поля усиливается в ферромагнетиках, умножаясь в десятки тысяч раз. Направленность линий одинаковая. Следовательно, на конце первого железного контакта возникнет южный полюс, на втором северный. Они притянутся и станут держать друг друга, пока не исчезнет внешнее поле.

Остаточной намагниченности не хватит, чтобы удержать систему замкнутой. Контакты разойдутся на прежние позиции. Системы с золотым напылением могут действовать за счёт индуцированных токов, но напряжённость магнитного поля предполагается большой. Допустимо назвать герконовые датчики на металлических контактах более чувствительными.

Достоинства и недостатки, применение

Несмотря на кажущуюся простоту, герконовые датчики управляют значительными токами для скромных размеров, вдобавок весьма прочны и выдерживают значительные механические перегрузки. К недостаткам относят трудоёмкость изготовления и высокую стоимость изделий. К началу XXI века оказалось, что дальнейшее развитие технологии проблематично из-за достижения лимита по линейным размерам (5 мм в длину). С 1940 года габариты герконового датчика снизились примерно в 30 раз.

5 мм остаются слишком большим размером, чтобы применять изделия в сотовых телефонах, эндоскопах, наушниках и прочих мобильных устройствах. Отдельные продавцы к достоинствам герконовых датчиков относят нулевое потребление энергии. В некотором смысле это правда, устройство полностью пассивное.

Ежегодно выпускается миллионы герконовых датчиков для автоматизированных систем тестирования, двигателей, оборудования геологической разведки, медицины, бытовой техники, планшетов. Они служат для определения ориентации устройства в пространстве, регистрации магнитных полей, способны играть роль компаса.

Современные герконовые датчики

Развитие микросхем привело к созданию герконовых датчиков по планарной и микрополосковой технологии. Технологический процесс идёт по схеме:

1. Неподвижный контакт напыляется на подложку из кремния.
2. Подвижный контакт имеет вырез для снижения упругих свойств, изготавливается из ферромагнетика и вплавляется в контакт подложки.
3. Зазор настолько миниатюрный, что срабатывание обеспечивается минимальной напряжённостью магнитного поля.

Особенности изготовления

Приведённую на рисунке конструкцию относят к планарной MEMS – Микро-электро-механическим системам (MicroElectroMechanical System). К недостаткам относят чувствительность датчика к толщине подложки, параметр меняется между пластинами кремния, делая результат нестабильным. Упругие свойства пластины зависят от куба её толщины, малейшая ошибка приводит к аналогичным результатам. Наконец, температурный стресс материала при изготовлении приводит к неравномерному изменению габаритов, что вызывает изгиб пластины вверх или вниз, дополнительно внося случайность в получаемый результат.

Технологическим процессом признан HARM – производство микрокомпонентов с высокой степенью плотности. В результате становятся доступны устройства потрясающей переключающей способности – под нагрузкой сотни милливатт. К примеру, продукт RedRock лишён тенденции к залипанию контактов. Удаётся нанести на подложку элемент площадью лишь 2,4 кв. мм при высоте конструкции 0,95 мм. Задача толщины пластины решается нанесением элементов методами литографии, направление изгиба изменяется на параллельное подложке. Указанные допущения позволяют достичь высокой повторяемости производства.

Производитель заявляет, что HARM преодолеют ограничения, перечисленные выше. В частности, смогут стать полноправными компонентами мобильных устройств. Дополнительным достоинством технологии является возможность тонкой настройки порога срабатывания, что открывает новое направление в использовании герконовых датчиков. HARM позволяет сравнить устройства с прирождёнными лидерами рынка:

1. Датчики Холла.
2. Анизотропные магниторезисторы.
3. Планарные переключатели.
4. Гигантские магниторезисторы.

SMT технология позволяет надеяться, что устройства найдут применение. Планарный монтаж позволяет достичь высокой плотности расположения микроэлементов, автоматизировать процесс сборки. И до некоторых пор герконовые датчики не вписывались в технологию SMT с высокой степенью автоматизации, но на момент второго десятилетия XXI века появились конструкции, сглаживающие недостаток, устраняющие его.

К настоящему времени доказано, что фотолитография позволяет достичь большей точности при производстве герконовых датчиков, нежели любая технология. Процесс производства вкратце:

1. Специальный полимер (к примеру, полиметил метакрилат) через маску подвергается воздействию рентгеновских лучей или ультрафиолета.
2. Внешнее воздействие изменяет молекулярную решётку полимера, что позволяет смыть облучённые участки подходящим сольвентом.
3. Ферро-никелевый сплав (пермаллой-80) напыляется вровень с получившейся формой. Остатки полимера удаляются.
4. Послойно наносится нужная конструкция.

Важным является точное масштабирование устройства при его миниатюризации для получения заданных свойств. Допустимым считается малое сопротивление контактов при высокой повторяемости параметров от одного конвейерного цикла к другому. Это нужно, чтобы создать сравнительно высокую силу притяжения при действии поля: миниатюризация сопровождается ударным снижением притяжения. К счастью, особенности технологии HARM позволяют решить задачу весьма элегантным методом. Увеличение площади контактов достигается повышением толщины напыляемого металла (см. выше), движение происходит параллельно подложке. Сотня-другая микрометров не играет роли для размещения элементов на плате (занимаемая площадь не изменяется).

Иным техническим решением является создание принципиально новой топологии под технологию HARM. Расчёты показывают, что чувствительность датчика удаётся повысить минимум в три раза. В то же время упругости достаточно, чтобы противостоять случайным ударам и вибрациям, поскольку вес мостика с контактом крайне мал. Применение одного гибкого контакта позволяет сделать «наковальню» толстой, образующиеся там магнитные домены образуют сильное притягивающее поле. Получившаяся конструкция описывается достаточно простыми математическими формулами, позволяющими заранее предсказать результат. В частности, описать упомянутое выше сопротивление контактов.

Технология производства герконовых датчиков имеет определённые неисследованные резервы для внедрения изделий в состав современного оборудования.