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 и расширенный диапазон линейного рабочего участка. Сущность: в плоскости магнитных полосок расположена магнитная система, состоящая из нескольких постоянных микромагнитов, создающих однородное магнитное поле в полосках в плоскости их расположения, перпендикулярное их оси легкого намагничивания. 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.кл⁶ 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 линейного рабочего участка и высокий гистерезис.

Эти недостатки устранены в магниторезистивном датчике магнитного поля, чувствительный элемент которого содержит мостовую схему из магниторезистивных полосок с продольной ОЛН, изготовленных из тонких 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 поля 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 и повышенное энергопотребление из-за необходимости использования дополнительного тока питания через управляющий проводник при работе в режиме датчика магнитного поля.

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

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.

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 ОЛН, изготовленные на основе двухслойных магниторезистивных пленок с анизотропным магниторезистивным эффектом из ферромагнитных сплавов FeNi или FeNiCo. Первая полоска со второй и третья с четвертой составляют противоположные плечи моста. Поверх мостовой схемы расположен изолирующий слой, а по нему проложен управляющий проводник, который последовательно идет над первой и второй полосками от начала к концу, а над третьей и четвертой - от конца к началу. 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 микромагнитов в магнитной системе выбирается из соображения создания в области расположения полосок однородного магнитного поля смещения. Измеряемый ток пропускается через 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 магнитной системы для смещения в рабочую точку и использование измеряемого тока в качестве управляющего тока позволяет непосредственно измерять датчиком электрический ток.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1, 2 приведены схемы включения датчика для измерения электрического тока и напряжения соответственно, а на фиг.3 - приведенная к началу координат экспериментальная зависимость выходного напряжения с датчика от величины измеряемого электрического тока через проводник управления.

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; проводника управления 5, проходящего над магниторезистивными полосками, с клеммами 11, 12; магнитной системы 6 с обозначенными полюсами S (юг), N (север). Резистор 13 (фиг.2) подключен к клемме 11 и шине 14; клемма 12 подключена к шине 15. I_изм и U_изм - измеряемый ток и измеряемое напряжение 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 Iизм в проводнике управления 5 однородное магнитное поле от магнитной системы 6 (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 ОЛН. При этом полезный сигнал, снимаемый с другой диагонали моста (клеммы 9, 10), отсутствует. При пропускании измеряемого тока через проводник управления 5 (клеммы 11, 12 и направление протекания тока от клеммы 11 к клемме 12) углы поворота векторов намагниченности в полосках 3 и 4 уменьшаются (сопротивления соответствующих магниторезисторов возрастают), а в полосках 1 и 2 углы поворота увеличиваются (сопротивления соответствующих магниторезисторов 1 и 2 уменьшаются). На измерительной диагонали моста (клеммы 9, 10) появляется напряжение, пропорциональное величине измеряемого тока. При изменении направления протекания измеряемого тока знак выходного напряжения изменяется на противоположный.

Работа датчика в режиме измерения напряжения отличается от описанной выше схемы измерения тока тем, что по проводнику управления пропускается электрический ток, проходящий через резистор 13, подключенный к источнику измеряемого напряжения. Сопротивление резистора 13 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 всех полосок через изолирующий слой проложен управляющий проводник, отличающийся тем, что в плоскости расположения 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