Датчик магнитного поля

Использование: в контрольно-измерительной аппаратуре - тахометрах, датчиках перемещений, устройствах измерения постоянного и переменного магнитных полей. Техническим результатом изобретения является получение датчика магнитного поля, имеющего S-образную статическую вольт-эрстедную характеристику и пониженное энергопотребление. Сущность: четыре идентичные магниторезистивные полоски, имеющие продольно ориентированные оси легкой намагниченности (ОЛН), соединены в мостовую схему. Мостовая схема охвачена двумя кольцеобразными пленочными магнитопроводами, формирующими с помощью микромагнитной системы две пары магниторезисторов с разной чувствительностью каждой из пар к величине и направлению регистрируемого магнитного поля. Две полоски одной ветви мостовой схемы и две полоски другой ветви размещены каждые в двух поперечных щелеобразных зазорах соответствующего кольцеобразного пленочного магнитопровода, лежащего в плоскости полосок. На поверхности кольцеобразных магнитопроводов расположена магнитная система, состоящая из одного общего и/или нескольких отдельных постоянных магнитов, имеющих оси намагниченности, параллельные ОЛН полосок. 2 ил.

 

Датчик магнитного поля относится к средствам регистрации магнитных полей и может быть использован в контрольно-измерительной аппаратуре: тахометрах, датчиках перемещений, устройствах измерения постоянного и переменного магнитных полей.

Известен магниторезистивный датчик магнитного поля (патент РФ №2139602, 1999 г.), состоящий из одинаково ориентированных магниторезистивных полосок, объединенных в мостовую схему и имеющих оси легкой намагниченности (ОЛН), ориентированные вдоль полосок в одном направлении. Датчик имеет S-образную (линейную) статическую вольт-эрстедную характеристику благодаря магнитному полю смещения, образуемому электрическим током, протекающим через проложенный над полосками управляющий проводник.

Недостатком такого датчика является потребность в дополнительном токе в управляющем проводнике, который приводит к повышенному энергопотреблению и дополнительному нагреву датчика.

Техническим результатом изобретения является получение датчика магнитного поля, имеющего S-образную статическую вольт-эрстедную характеристику и пониженное энергопотребление.

Указанный технический результат достигается тем, что четыре одинаковые многослойные тонкопленочные магниторезистивные полоски, изготовленные из ферромагнитных материалов с анизотропным магниторезистивным эффектом, имеющие продольно (вдоль длины полосок) ориентированные оси легкой намагниченности (ОЛН), соединены в мостовую схему. Мостовая схема охвачена двумя кольцеобразными пленочными магнитопроводами, формирующими с помощью микромагнитной системы две пары магниторезисторов с разной чувствительностью каждой из пар к величине и направлению регистрируемого магнитного поля.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что две полоски одной ветви мостовой схемы и две полоски другой ветви размещены каждые в двух поперечных щелеобразных зазорах соответствующего кольцеобразного пленочного магнитопровода, лежащего в плоскости полосок. На поверхности кольцеобразных магнитопроводов расположена магнитная система, состоящая из одного общего и/или нескольких отдельных постоянных магнитов, имеющих оси намагниченности, параллельные ОЛН полосок.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана топологическая схема заявляемого датчика (вид сверху), на фиг.2 приведена электрическая схема, поясняющая работу датчика.

Датчик магнитного поля состоит из четырех магниторезистивных полосок R1÷R4 (фиг.1), ориентированных своими длинами в одном направлении и объединенных в мостовую схему. Полоски имеют ОЛН, ориентированные вдоль длин полосок R1÷R4. В этом же направлении первоначально ориентированы и вектора остаточной намагниченности М1÷М4 полосок. В плоскости полосок R1÷R4 расположены два кольцеобразных пленочных магнитопровода МПр1 и МПр2, каждый из которых имеет по два поперечных щелевых зазора. Внутри двух зазоров магнитопровода МПр1 размещены полоски R1, R2, а внутри двух зазоров магнитопровода МПр2 - соответственно R3, R4. Полоски R1÷R4 расположены своей длиной вдоль зазоров, поперек магнитопроводов МПр1 и МПр2. Постоянный микромагнит NS1, размещенный одновременно на поверхности обоих кольцеобразных магнитопроводов МПр1 и МПр2 и имеющий ось намагниченности N1, ориентированную параллельно ОЛН полосок, создает в обоих магнитопроводах МПр1 и МПр2 магнитные поля H_NS. При одинаковых конструктивных параметрах магнитопроводов МПр1 и МПр2 и симметричном расположении на их поверхности микромагнита NS1 напряженности магнитных полей Н_NS в обоих магнитопроводах будут равными по величине. В зазорах магнитопроводов МПр1 и МПр2 вектора напряженности H_NS ориентированы перпендикулярно полоскам и, соответственно, ОЛН. Это приводит к тому, что в статике вектора намагниченности М1, М3 полосок R1, R3 отклонятся на некоторый одинаковый угол -α от первоначального положения, а вектора намагниченности М2, М4 полосок R2, R4 - на угол +α от того же направления.

Магнитопроводы МПр1 и МПр2 изготовлены многослойными из магнитомягких ферромагнетиков.

Из схемы фиг.1 следует, что один общий микромагнит NS1 может быть заменен на два отдельных микромагнита NS1-1 и NS1-2 с осями намагниченности, направленными параллельно ОЛН полосок. Кроме того, NS1 может быть заменен или дополнен двумя микромагнитами NS2, NS3, расположенными на внешних полукольцах магнитопроводов МПр1 и МПр2 и имеющими оси намагниченности, параллельные N1, но развернутые на 180°. При этом статическое состояние датчика не изменится.

Работа датчика магнитного поля происходит следующим образом. При отсутствии внешнего магнитного поля и постоянного тока питания в датчике магнитного поля векторы намагниченности М1÷М4 в полосках R1÷R4 устанавливаются под равными по модулю углами ±α к направлению ОЛН ввиду действия магнитных полей ±Н_NS (фиг.2). На схеме это положение векторов М1÷М4 зафиксировано сплошными стрелками. Поскольку исходные значения сопротивлений полосок R1÷R4 равны, а равноугольное (по величине) отклонение векторов намагниченности М1÷М4 от ОЛН это соотношение не изменяет, то при подаче тока питания мостовой схемы, равном 2·I, через контакты 1-3 значения потенциалов Ψ2 и Ψ4 на контактах 2 и 4 будут равны, а их разность равна нулю.

Вектор напряженности измеряемого магнитного поля Н_МП ориентируется перпендикулярно ОЛН, т.е. поперек магниторезистивных полосок R1÷R4. Под действием этого поля все векторы намагниченности полосок развернутся в направлении его ориентации, причем в зависимости от направления измеряемого поля у двух магниторезистивных полосок R1, R3 значение угла α уменьшится, а у двух других увеличится (на фиг.2 предельные положения векторов М1÷М4 в полосках R1÷R4 под действием Н_МП указаны пунктирными стрелками). Это означает, что сопротивления двух противоположно расположенных плеч моста увеличатся, а двух других уменьшатся, что приведет к разбалансу моста и появлению выходного сигнала, полярность которого будет зависеть от направления измеряемого магнитного поля. Статическая вольт-эрстедная характеристика в этом случае будет S-образной с линейным участком, проходящим через ноль.

Многослойная замкнутая структура двух кольцеобразных магнитопроводов, изготовленных из магнитомягких ферромагнетиков, имеющих значение магнитной проницаемости много больше единицы и не находящихся в состоянии магнитного насыщения, выполняет, кроме того, роль концентратора измеряемого магнитного поля (Касаткин С.И. и др. / Многослойные тонкопленочные магниторезистивные элементы // Тула. - 2001. - С.112-113). Для улучшения этого свойства полукольца магнитопроводов МПр1 и МПр2, расположенные внутри мостовой схемы, сопряжены своими внешними образующими, а внешние полукольца выполнены с поперечными выступами K (фиг.1) в плоскости магнитопроводов, имеющими размеры, равные или большие внешних диаметров внутренних полуколец магнитопроводов.

Датчик магнитного поля, состоящий из магниторезистивных полосок, имеющих оси легкого намагничивания и объединенных в две ветви мостовой схемы, отличающийся тем, что снабжен расположенными в плоскости полосок двумя пленочными кольцеобразными магнитопроводами, в поперечных щелевых зазорах каждого из которых размещены магниторезистивные полоски соответствующей ветви мостовой схемы, а с магнитопроводами магнитно связана магнитная система, состоящая из одного общего и/или нескольких отдельных микромагнитов, создающих в зазорах магнитопроводов магнитные поля, вектора напряженности которых перпендикулярны осям легкой намагниченности.