Линейный магниторезистивный датчик

Линейный магниторезистивный датчик

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Линейный магниторезистивный датчик относится к средствам регистрации магнитных полей и может быть использован в контрольно-измерительной аппаратуре: датчиках перемещений, устройствах измерения постоянного и переменного магнитных полей.

Известны схемы подключения магниторезисторов к измерительной и питающей цепям такие, как одиночная, дифференциальная (полумостовая) и мостовая [1]. Стандартным для такого рода датчиков считается питание от источника постоянного стабилизированного напряжения, которое используется для питания электронной схемы, следующей за датчиком [2]. Тонкопленочные магниторезисторы (полоски) имеют в несколько раз меньшие размеры, чем пленочные [1], диапазон рабочих значений индукции измеряемых магнитных полей таких магниторезисторов составляет 10²-10^-10 Т [3], что существенно превосходит рабочий диапазон полупроводниковых магниторезисторов прототипа (десятые доли тесла), кроме того, и чувствительность (крутизна преобразования) тонкопленочных магниторезисторов в 5 раз больше при равных условиях работы [1].

В то же время фирма "Analog Devices" выпускает специализированные микросхемы AD7711 и AD7730, обеспечивающие электропитание мостовых (мост Уитсона) резистивных датчиков температуры и деформации постоянным стабилизированным током и одновременный съем и усиление выходного сигнала [4].

Известен также магниторезистивный сенсор (фиг.1), содержащий полупроводниковые магниторезистивные элементы [5]. Каждый магниторезистивный элемент 1, 2 датчика питается от своего стабилизированного источника током I одинаковой полярности и уровня через контакты 3, 4. На контактах 5, 6 образуются потенциалы, разность между которыми является полезным сигналом. Датчик имеет одну общую подвижную магнитную систему 7, обеспечивающую магнитное смещение (выбор рабочей точки) в каждом из магниторезисторов 1, 2 и появление полезного сигнала на контактах 5, 6 при перемещении магнитной системы 7 относительно магниторезисторов 1, 2. Недостатком данного устройства является невысокая чувствительность магниторезистивных элементов к величине магнитного поля, устройство работает лишь в относительно сильных магнитных полях, с индукцией в десятые доли тесла.

Техническим результатом изобретения является получение датчика магнитного поля, имеющего нечетную, S-образную (линейную) статическую вольт-эрстедную характеристику с повышенной чувствительностью к магнитному полю.

Указанный технический результат достигается тем, что 2(N+1) (N=0, 2, 3...) пары многослойных тонкопленочных магниторезистивных полосок, изготовленных из ферромагнитных материалов с анизотропным магниторезистивным эффектом, соединены в две ветви по (N+1) последовательно включенных пар полосок. Ветви имеют одну общую точку заземления. В каждой паре полосок одна полоска имеет продольную ось легкой намагниченности (ОЛН), ориентированную вдоль длины полоски, а вторая полоска имеет поперечную ОЛН, ориентированную вдоль ширины полоски. Неподвижная магнитная система, состоящая, например, из четного числа микромагнитов, обеспечивает индивидуальное магнитное смещение каждой магниторезистивной полоски в каждой из ветвей.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что магниторезистивные полоски с поперечной ОЛН в парах первой ветви и магниторезистивные полоски с продольной ОЛН в парах второй ветви имеют магнитное смещение одной полярности, а полоски с продольной ОЛН в первой ветви и полоски с поперечной ОЛН во второй ветви имеют магнитное смещение противоположной полярности. При этом первая из ветвей линейного магниторезистивного датчика питается током одной полярности, а вторая ветвь - током противоположной полярности, но с равным значением по модулю току питания первой ветви.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.2 показана схема взаимного расположения основных элементов заявляемого датчика, а на фиг.3 приведено графическое пояснение работы предлагаемого датчика.

Линейный магниторезистивный датчик поля (фиг.2) состоит из двух ветвей 1, 2 по (N+1) последовательно включенных пар многослойных тонкопленочных магниторезистивных полосок 3, 4 и 5, 6, изготовленных из ферромагнитного материала с анизотропным магниторезистивным эффектом. При этом в каждой паре 3, 4 и 5, 6 полоски 3 и 5 имеют продольно ориентированные ОЛН, а полоски 4 и 6 - поперечно ориентированные ОЛН. Общая точка соединения ветвей гальванически заземлена. К противоположным концам 7, 8 ветвей 1, 2 подводятся токи питания, каждый от своего источника стабилизированного тока, причем полярности токов на концах ветвей 7, 8 противоположны по знаку. С контактов 9, 10 снимается полезный сигнал (напряжение). Формирование вида статической вольт-эрстедной характеристики датчика в виде линейной зависимости амплитуды выходного напряжения от величины напряженности воздействующего (сигнального) магнитного поля обеспечивается источником магнитного поля смещения 11. Источник 11 обеспечивает магнитное смещение (например, +Н₀) одной полярности (бесцветные стрелки) магниторезистивных полосок 3 с продольной ОЛН каждой из N+1 пар в 1 ветви и магниторезистивных полосок 6 с поперечной ОЛН в каждой паре ветви 2. При этом магнитное смещение (соответственно -Н₀) противоположной полярности (черные стрелки) обеспечивается у полосок с поперечной ОЛН в первой ветви и у полосок с продольной ОЛН во второй ветви.

Линейный магниторезистивный датчик работает следующим образом. Рассмотрим его работу на примере работы одной пары магниторезистивных полосок, например, 3, 4 одной ветви схемы датчика (Фиг.2).

Магниторезистивная полоска 3 с поперечной ОЛН имеет четную (V-образную) статическую вольт-эрстедную характеристику (СВЭХ) с восходящими ветвями 13 и значение сопротивления, в отсутствие магнитных полей, R^⊥, а полоска 4 с продольной ОЛН - подобную СВЭХ со спадающими ветвями 14 и сопротивление R^//. Последовательно соединенные две полоски 3, 4 дают значение сопротивления, равное R^⊥+R^//. Схематично (в аппроксимации кусочно-ломанными кривыми) СВЭХ 13, 14 представлены на фиг.3. Точки перегиба ветвей кривых СВЭХ 13, 14 к горизонтальным участкам определяются значениями величин напряженностей насыщения ±Н_н материала магниторезистивных полосок и означают максимальные значения изменения сопротивления ΔR^⊥, ΔR^// полосок 3, 4 под воздействием магнитных полей. Предполагается, что значения модулей величин для обеих полосок 3, 4 равны Н_н и ΔR.

В рабочих точках А, Б, определяемых значениями напряженностей магнитных полей смещения ±Н₀, сопротивление R^⊥ полоски 3 увеличится на величину ΔRH₀/Н_н, а сопротивление R^// полоски 4 уменьшится на ту же величину. После этого суммарное сопротивление двух полосок 3, 4 останется без изменений R^⊥+R^//. Датчик готов к работе. В принципе, в качестве источника магнитного смещения 11 может быть использована либо система микромагнитов, в количестве от одного до 2(N+1) микромагнитов, либо система из такого же количества близко расположенных к магниторезистивным полоскам микропроводников или микрокатушек с током.

Под действием внешнего (сигнального) магнитного поля 12 (Фиг.2) напряженностью ΔН происходит смещение рабочих точек на эту величину, что соответствует уменьшению сопротивления обеих полосок 3, 4 на величину ΔHΔR/Н_н (точки В и Г графика на фиг.3). Таким образом, общее сопротивление пары полосок 3, 4 изменится на величину (-2ΔНΔR/Н_н). При прохождении тока I через контакт 7 ветви 1 датчика, содержащей полоски 3, 4, на контакте 9 (Фиг.2) по отношению к заземлению образуется напряжение выходного сигнала U_вых1=U_вых1 ^пост+ΔU_вых1=I(R^⊥+R^//)-2IΔHΔR/H_н. Таким образом, получена спадающая линейная зависимость напряжения ΔU_вых (полезного сигнала) от величины входного магнитного сигнала ΔН. Суммарная СВЭХ полосок 3, 4 приведена на фиг.4.

Использование второй ветви линейного магниторезистивного датчика, содержащей магниторезистивные полоски 5, 6, позволяет исключить постоянную составляющую выходного сигнала U_вых ^пост. Если через контакт 8 и полоски 5, 6 пропустить электрический ток -I, то на контакте 10 по отношению к земле образуется в отсутствие магнитных полей выходное напряжение U_вых2=U_вых2 ^пост=-I(R^⊥+R^//), противоположное по знаку U_вых1 ^пост=I(R^⊥+R^//). Обеспечив магнитное смещение +Н_о на полоске 5 и, соответственно, смещение -Н_о на полоске 6, т.е. зеркально отраженным магнитным смещениям на полосках 3, 4, будет сформирована линейная зависимость величины суммарного сопротивления от входного магнитного сигнала, аналогичная приведенной на фиг.4, но с противоположным углом наклона (R^⊥+R^//)+2ΔНΔR/Н_н. Доказательство аналогично приведенному выше доказательству для полосок 3, 4. Таким образом, при пропускании тока -I через полоски 5, 6, в присутствии магнитных полей смещения Н_о и входного сигнала ΔН, суммарный выходной сигнал на контакте 10 будет следующим U_вых2=U_вых2 ^пост+ΔU_вых2=-I(R^⊥+R^//)-2I(ΔHΔR/H_н). Суммируя выходные сигналы с контактов 9 и 10, получим полезный суммарный сигнал U_вых1,2=-4I(ΔНΔR/Н_н). При этом будет сформирована суммарная линейная СВЭХ (Фиг.5), при этом U_вых1 ^пост+U_вых2 ^пост=0. На графике фиг.5 пунктирными кривыми обозначены СВЭХ 15 полосок 3, 4 и СВЭХ 16 полосок 5, 6. СВЭХ 17 -суммарная статическая вольт-эрстедная характеристика полосок 3, 4, 5, 6, наклон которой, т.е. чувствительность к внешнему магнитному полю, вдвое больше, чем у СВЭХ 15, 16 каждой из пар (при условии идентичности пар полосок 3, 4 и 5, 6). Таким образом, на выходе линейного магниторезистивного датчика (контакты 9, 10 на фиг.2) будет сформирован сигнал без постоянного смещения, аналогичный сигналу, получаемому с выходной диагонали датчика в виде моста Уитсона. При этом чувствительность к магнитному полю предлагаемого устройства в четыре раза выше, чем у мостового датчика, имеющего также линейную СВЭХ и состоящего из аналогичных магниторезистивных полосок с аналогичными магнитными смещениями. Вид питания мостового датчика (от источника тока или напряжения) на значение магнитной чувствительности мостового датчика не влияет.

Предлагаемая схема линейного магниторезистивного датчика позволяет наращивать его чувствительность путем симметричного включения в ветви 1, 2 дополнительных пар магниторезистивных полосок, аналогичных полоскам 3, 4 и 5, 6. При этом каждое симметричное добавление по одной паре в каждую ветвь приводит к удвоению суммарной магнитной чувствительности. В случае добавления N пар магнитная чувствительность увеличится (в идеале) в N+1 раз, при условии сохранения значений токов питания ветвей.

Отметим, что схема линейного магниторезистивного датчика позволяет использовать питание ветвей 1, 2 электрическими токами одной полярности, для чего требуется два источника стабилизированного тока одной полярности. При этом формируются линейные СВЭХ с противоположными по знаку углами наклона ΔU_вых1=-2I(ΔНΔR/Н_н); ΔU_вых2=2I(ΔНΔR/Н_н) и постоянными значениями напряжений смещения одной полярности U_вых1 ^пост; U_вых2 ^пост. Используя на выходе датчика (с контактов 9, 10) дифференциальный съем суммарного сигнала, получим СВЭХ, описываемую выражением U_вых1,2=-4I(ΔHΔR/Н_н), аналогичным приведенному выше.

Таким образом, в сравнении с прототипом увеличение значения магнитной чувствительности линейного магниторезистивного датчика складывается из большей чувствительности многослойных магниторезистивных тонкопленочных полосок, из которых состоит предлагаемый датчик, и за счет симметричного увеличения количества пар полосок в его ветвях.

Источники информации

1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника // М: ДМК. - 2001.

2. Касаткин и др. Многослойные тонкопленочные магниторезистивные элементы // Тула. - 2001 г.

3. Lenz James E. A review of magnetic sensor // Proceeding IEEE. - 1990. - v.78. - №6. - h.973-989.

4. Каталог продукции фирмы "Analog Devices". - 2005 г.

5. А.Н.Марченко и др. Полупроводниковые сенсорные потенциометрические элементы. // М.: Радио и связь. - 1988 г.

Линейный магниторезистивный датчик, состоящий из двух ветвей, имеющих одну общую заземленную точку, содержащих по одному магниторезистору с магнитным смещением и гальванически соединенных вторыми концами каждая со своим источником тока, отличающийся тем, что магниторезисторы заменены каждый на равное число пар последовательно включенных тонкопленочных магниторезистивных полосок, одна из которых в каждой паре имеет продольную ось намагниченности и магнитное смещение одной полярности, а другая - поперечную ось намагниченности и магнитное смещение противоположной полярности, причем магниторезистивные полоски с одинаковой ориентацией из разных ветвей имеют магнитное смещение противоположного знака.