Магниторезистивный датчик

 

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в устройствах измерения постоянных и переменных электрических токов и напряжений, где требуется гальваническая развязка источника сигнала и измерительного прибора. Техническим результатом изобретения является получение датчика для измерения постоянного и переменного электрических токов, имеющего малое значение гистерезиса, расширенный диапазон линейного рабочего участка и возможность компенсации исходного разбаланса мостовой схемы. Сущность: в плоскости расположения магниторезистивных полосок размещают магнитную систему, состоящую из нескольких постоянных микромагнитов, создающую однородное магнитное поле в полосках в плоскости их расположения, перпендикулярное их оси легкого намагничивания. Поверх полосок через изолирующий слой размещают два проводника управления. 3 ил.

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в устройствах измерения постоянных и переменных электрических токов и напряжений, где требуется гальваническая развязка источника сигнала и измерительного прибора.

Известны тонкопленочные магниторезистивные датчики магнитного поля и электрического тока, чувствительный элемент которых содержит мостовую схему из магниторезистивных полосок с продольной и поперечной осью легкого намагничивания (ОЛН), изготовленных на основе однослойных или двухслойных магнитных пленок из сплавов FeNi или FeNiCo (патент РФ 2066504, М.кл.⁶ Н 01 L 43/08, Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. - М.: ДМК Пресс, 2001 г - с.326). Такие датчики имеют четную вольт-эрстедную характеристику и для ее смещения на линейный рабочий участок используется постоянный магнит. Измеряемый ток при этом пропускается через жестко встроенный в корпус датчика проводник, проложенный вблизи датчика. Недостатками таких датчиков являются относительно небольшой диапазон линейною рабочего участка, высокий гистерезис и большой исходный технологический разбаланс мостовой схемы.

Эти недостатки частично устранены в магниторезистивном датчике магнитного поля, чувствительный элемент которого содержит мостовую схему из магниторезистивных полосок с продольной ОЛН, изготовленных из тонких двухслойных ферромагнитных пленок, и управляющий проводник (патент РФ 2139602, МКИ Н 01 L 43/08). Наличие только продольно ориентированных полосок приводит к уменьшению гистерезиса, а заданный ток питания через управляющий проводник формирует необходимую для измерения внешнего магнитного ноля нечетную вольт-эрстедную характеристику с увеличенным в два раза линейным рабочим участком.

Недостатками такого датчика являются невозможность прямого использования его в качестве датчика электрического тока, повышенное энергопотребление из-за необходимости использования дополнительного тока питания через управляющий проводник при работе в режиме датчика магнитного поля и наличие большого исходного технологического разбаланса мостовой схемы.

Техническим результатом изобретения является получение датчика для измерения постоянного и переменного электрических токов, имеющего малое значение гистерезиса, расширенный диапазон линейного рабочего участка и возможность компенсации исходного разбаланса мостовой схемы.

Указанный технический результат достигается размещением в плоскости расположения полосок магнитной системы, состоящей из нескольких постоянных микромагнитов, создающей однородное магнитное поле в полосках в плоскости их расположения, перпендикулярное их оси легкого намагничивания, и размещением через изолирующий слой над полосками двух проводников управления.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что датчик, выполненный по мостовой схеме, содержит четыре однонаправлено от начала к концу ориентированные тонкопленочные магниторезистивные полоски с продольной OЛH, изготовленные из двухслойных магниторезистивных пленок с анизотропным магниторезистивным эффектом. Первая полоска с четвертой и вторая с третьей составляют смежные плечи моста. Поверх мостовой схемы расположен изолирующий слой, а по нему проложены два управляющих проводника, один из которых последовательно идет над первой полоской от начала к концу и над четвертой полоской от конца к началу, другой - над второй полоской от конца к началу и над третьей полоской от начала к концу. В плоскости расположения полосок размещена магнитная система, состоящая из нескольких постоянных микромагнитов, создающая однородное магнитное поле в полосках в плоскости их расположения, перпендикулярное их оси легкого намагничивания. Количество магнитов в магнитной системе выбирается из соображения создания в области расположения полосок однородного магнитного поля смещения. Измеряемый ток пропускается через один из управляющих проводников. Ток, необходимый для компенсации исходного разбаланса, пропускается через другой управляющий проводник. Сохранение при этом в конструкции датчика продольно ориентированных полосок и проводника управления обеспечивает сохранение таких свойств прототипа, как низкое значение гистерезиса и увеличенный в два раза линейный рабочий участок характеристики. Применение в конструкции датчика магнитной системы для смешения в рабочую точку и использование измеряемого тока в качестве управляющего тока позволяет непосредственно измерять датчиком электрический ток. Наличие другого проводника позволяет компенсировать исходный разбаланс мостовой схемы путем пропускания через него заданного тока питания.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 приведены схемы включения датчика для измерения электрического тока и напряжения, соответственно, а на фиг.3 - экспериментальные зависимости выходного напряжения с датчика от величины измеряемого электрического тока через проводник управления без компенсации исходного разбаланса и после его компенсации согласно изобретению, кривые 1 и 2, соответственно.

Датчик состоит (фиг. 1) из четырех тонкопленочных магниторезистивных полосок (магниторезисторов) 1-4, объединенных проводниками в мостовую схему; четырех клемм 7-10 в вершинах мостовой схемы; двух проводников управления 5, 6, проходящих над магниторезистивными полосками, с клеммами 11, 12 и 13, 14, соответственно; магнитной системы 15 с обозначенными полюсами S (юг), N (север). Резистор 16 (фиг. 2) подключен к клемме 11 и шине 17, клемма 12 подключена к шине 18. I_изм, U_изм и I_п - измеряемый ток, измеряемое напряжение и ток компенсации разбаланса мостовой схемы, соответственно.

Работа датчика при измерении электрического тока осуществляется следующим образом. При подаче постоянного напряжения питания в диагональ моста на клеммы 7, 8 и отсутствии измеряемого тока I_изм в проводнике управления 5 однородное магнитное поле от магнитной системы 15 (при указанном на фиг.1 расположении магнитных полюсов постоянных микромагнитов магнитной системы) уменьшает значения сопротивлений магниторезисторов 1-4 на одинаковую величину, поворачивая векторы намагниченности полосок на одинаковый угол против часовой стрелки относительно ОЛМ. При этом полезный сигнал, снимаемый с другой диагонали моста (клеммы 9, 10), отсутствует, а регистрируется напряжение исходного разбаланса моста, связанное с технологическими отклонениями в номиналах магниторезисторов 1-4. При пропускании измеряемого тока через проводник управления 5 (клеммы 11, 12 и направление протекания тока от клеммы 11 к клемме 12) угол поворота вектора намагниченности в полоске 1 увеличивается (сопротивление соответствующего магниторезистора уменьшается), а в полоске 4 угол поворота уменьшается (сопротивление соответствующего магниторезистора возрастает). На измерительной диагонали моста (клеммы 9, 10) появляется напряжение, которое является суммой двух напряжений; полезного пропорционального величине измеряемого тока, и постоянного напряжения исходного разбаланса. При изменении направления протекания измеряемого тока знак выходного полезного направления изменяется на противоположный, а напряжение исходного разбаланса остается неизменным.

Напряжение исходного технологического разбаланса мостовой схемы датчика может значительно превышать полезный сигнал (технологический разброс номиналов магниторезисторов 1-4 может доходить до 1%) и значительно усложняет схемотехнику устройств на основе магниторезистивных датчиков. Пропуская через второй управляющий проводник 6 постоянный ток питания нужного направления, в зависимости от знака напряжения разбаланса, можно в пределах величины анизотропного магниторезистивного эффекта в рассматриваемых пленках (2-3% от номинала сопротивления магниторезисторов) компенсировать разбаланс. В качестве примера рассмотрим следующий случай. Пусть магниторезисторы 1 и 3 имеют отрицательную погрешность номинала, а магниторезисторы 2 и 4 - положительную погрешность, что приводит к исходному разбалансу мостовой схемы датчика, составляющему 5 мВ. При подаче необходимого для компенсации разбаланса, постоянного электрического тока I_п через проводник 6 (клеммы 13, 14 и направление протекания тока от клеммы 14 к клемме 13) угол поворота вектора намагниченности в полоске 3 уменьшается (сопротивление соответствующего магниторезистора увеличивается), а в полоске 2 угол поворота увеличивается (сопротивление соответствующего магниторезистора уменьшается). Очевидно, что таким образом можно добиться балансировки моста, В итоге с измерительной диагонали моста (клеммы 9, 10) снимается только полезный сигнал (фиг.3, кривая 2). Значение тока I_п, необходимого для компенсации разбаланса, как легко видеть, соответствует значению измеряемого тока в точке пересечения кривой 1 фиг.3 с осью абсцисс и равно -25 мА.

Работа датчика в режиме измерения напряжения отличается от описанной выше схемы измерения тока тем, что по проводнику управления пропускается электрический ток, проходящий через резистор 16, подключенный к источнику измеряемого напряжения. Сопротивление резистора 16 должно, при этом, быть много больше внутреннего сопротивления источника напряжения.

Формула изобретения

Магниторезистивный датчик с тонкопленочными магниторезистивными полосками, соединенными в мостовую схему, в которой все полоски имеют ось легкого намагничивания, ориентированную вдоль каждой из полосок, а поверх полосок через изолирующий слой проложен управляющий проводник, отличающийся тем, что над полосками проложены два управляющих проводника, один над одной парой полосок, составляющих смежные плечи моста, второй над другой парой, а в плоскости полосок размещена магнитная система, состоящая из нескольких постоянных микромагнитов, создающая однородное магнитное поле в полосках, перпендикулярное их оси легкого намагничивания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3