Датчик магнитного поля

 

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой измерительный преобразователь, который может быть использован в устройстве для измерения магнитного поля, электрического тока, линейных и угловых перемещений. Техническим результатом является уменьшение погрешности преобразования за счет термокомпенсации магниторезистора. Он содержит магниторезистивный элемент, выполненный из магнитной пленки по мостовой схеме и постоянный магнит. Магнит создает изменяющиеся с температурой смещающее поле, величина которого и температурный коэффициент остаточной индукции магнита связаны определенным соотношением, включающим температурный коэффициент чувствительности магниторезистора при постоянном смещающем поле и коэффициент зависимости чувствительности от смещающего поля при фиксированной температуре. Наличие такого магнита при использовании пермаллоевого магниторезистивного элемента позволяет уменьшить погрешность преобразования за счет термокомпенсации чувствительности в 10 раз до величины 0,01%/град. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительных преобразователей и может быть использовано в устройствах преобразования электрического тока, измерения величины и мощности электрического тока, измерения напряженности и ориентации вектора магнитного поля, измерения линейных и угловых перемещений.

Известны тонкопленочные магниторезисторы, выполненные по мостовой схеме. Такая схема необходима для компенсации температурного дрейфа "нуля", который происходит за счет изменения номинального электросопротивления R с температурой. Как правило, магниторезисторы, кроме магниторезистивного (МР) элемента, содержат дополнительные электрические или магнитные элементы для линеаризации полезного сигнала (Ленц Д. Э. Обзор магнитных датчиков. ТИИЭР, 1990-Т. 78, N 6, с. 87-102). Однако наряду с учтенными имеется еще один источник погрешности преобразователя, который обусловлен зависимостью анизотропии магнитосопротивления ΔR от температуры. Он приводит к изменению чувствительности магниторезистора с температурой. В известных конструкциях магниторезисторов температурная компенсация чувствительности не производится.

Наиболее близким по конструктивным особенностям к заявляемому является магниторезистор, содержащий пермаллоевый пленочный МР элемент в виде четырехплечего моста и систему пленочных постоянных магнитов. Hill E.W. Britwistle J.K. Spattered permanent magnet arrays for MR sensor bias. IEEE Tr. Magn 1987. V. 23, N 5, P. 2419-2421.

Магниты PtCo предназначены для создания смещающего магнитного поля (магнитного смещения) и тем самым для обеспечения двуполярного и линейного полезного сигнала. Параметры и расположение магнитов выбраны из расчета получения оптимальной чувствительности магниторезистора при комнатной температуре. Температурная зависимость чувствительности при этом не учитывается. Исходя из температурной зависимости ΔR пленок пермаллоя, это приводит к погрешности преобразования магниторезистора более 0,1% град.

Технический результат состоит в уменьшении погрешности преобразования путем термокомпенсации чувствительности магниторезистора.

Указанный результат достигается тем, что датчик магнитного поля, содержащий магниторезистивный элемент и постоянный магнит, отличается тем, что используется постоянный магнит, температурный коэффициент остаточной индукции α_в, которого и создаваемое им при фиксированной температуре T₀ смещающее поле H_b(T₀) удовлетворяет соотношению: где для магниторезистора α_т температурный коэффициент чувствительности при постоянном смещающем поле; α_н(T_o) коэффициент зависимости чувствительности от смещающего поля при фиксированной температуре.

Соотношение (1) основано на том, что чувствительность магниторезистора в рабочей области температур и смещающих полей рассматривается как линейная функция этих параметров где η(T_o, H_во) значение чувствительности при фиксированных температурах и смещающем поле. Кроме того, смещающее поле выбирается линейно зависящим от температуры H_в(T) = H_в(T_o)[1+α_в(T-T_o)] (3) где H_b(T₀) значение смещающего поля при фиксированной температуре. Совокупности (2) и (3) приводят к отсутствию температурной зависимости чувствительности, если выполняется (1). Таким образом изменение чувствительности из-за температурной зависимости МР эффекта компенсируется соответствующим температурным ходом смещающего поля.

Наличие в датчике постоянного магнита (ПМ" с определенной взаимосвязью между температурным коэффициентом остаточной продукции и создаваемым им смещающим полем является существенным признаком, отличающим заявляемое изобретение от прототипа и определяющим его соответствие критерию "новизна".

На фиг. 1 дано схематическое изображение датчика, включающего МР элемент 1 на подложке 2 и постоянный магнит 3 с намагниченностью На фиг. 2 представлены зависимости чувствительности магниторезистора от температуры для случаев создания смещающего поля катушками Гельмгольца (кривая 1) и магнитом из феррита бария (кривая 2).

Датчик включает магниторезистивный элемент 1 на подложке 2 и постоянный магнит 3 с намагниченностью.

Изготовлен датчик, содержащий пермаллоевый пленочный магниторезистивный (МР) элемент 1 и композиционный постоянный магнит 3 (ПМ) из феррита бария. Схематическое изображение его приведено на фиг. 1. МР элемент получен на кремниевой подложке методом проекционной фотолитографии. Он имеет структуру четырехплечего моста, каждое из плечей которого выполнено в форме наклонного меандра. Температурная зависимость чувствительности такого элемента показана на фиг. 2 (кривая 1). Она измерена при постоянном смещающем поле (6,5 мТл), которое создавалось катушками Гельмгольца (в отсутствии ПМ), и дает α_т-0,13% /град. Коэффициент α_н(T_o) был определен при комнатной температуре (T₀=20^oC) из экспериментальной зависимости Его величина составила 10% мТл.

Композиционный ПМ изготовлен по металлопластической технологии из порошка феррита бария, который имеет α_в-0,2%/град. Согласно формуле (1) для указанных значений коэффициентов термокомпенсация чувствительности реализуется, если ПМ будет создавать поле смещения с индукцией 6,5 мТл. В частности, такое поле смещения было получено от пластины с остаточной индукцией 0,01 Тл и размерами 6х5х0,6 мм, расположенной на расстоянии L=1,1 мм от МР элемента.

Зависимость η(T)( для термокомпенсированного магниторезистора показана на фиг. 2 (кривая 2). Величина температурного коэффициента чувствительности для него составляет 0,01%/град, что на порядок ниже, чем для магниторезистора без температурной компенсации. Соответственно в 10 раз уменьшилась погрешность преобразования, обусловленная температурной зависимостью чувствительности.

Формула изобретения

Датчик магнитного поля, содержащий магниторезистивный элемент и магнит, отличающийся тем, что используется постоянный магнит, температурный коэффициент остаточной индукции α_в которого и создаваемое им при фиксированной температуре T_o смещающее поле H_в(T_o) удовлетворяют соотношению
где для магниторезистора
α_т - температурный коэффициент чувствительности при постоянном смещающем поле;
α_н(T_o) -( коэффициент зависимости чувствительности от смещающего поля при фиксированной температуре.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2