Магниторезистивный датчик поля
Магниторезистивный датчик 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. Техническим результатом изобретения является получение датчика магнитного поля, имеющего S-образную статическую вольт-эрстедную характеристику и пониженное энергопотребление. Сущность: датчик содержит тонкопленочные магниторезистивные полоски, соединенные в мостовую схему и имеющие оси легкого намагничивания. Вблизи полосок размещено четное число микромагнитов, оси намагниченности половины из которых направлены встречно осям намагниченности второй половины числа микромагнитов, и все они перпендикулярны осям легкого намагничивания полосок, которые направлены вдоль их длины. Микромагниты формируют магнитные поля в плоскости полосок. 3 ил.
Магниторезистивный датчик поля относится к средствам регистрации магнитных полей и может быть использован в контрольно-измерительной аппаратуре: 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 служит для выведения датчика в рабочую точку, но приводит к повышенному энергопотреблению и дополнительному нагреву датчика.
Техническим результатом изобретения является получение датчика магнитного поля, имеющего нечетную, S-образную статическую вольт-эрстедную характеристику и пониженное энергопотребление.
Указанный технический результат достигается тем, что четыре идентичные многослойные тонкопленочные магниторезистивные полоски, изготовленные из ферромагнитных материалов с анизотропным магниторезистивным эффектом, ориентированные в одном направлении и имеющие продольно ориентированные, вдоль длины полосок, оси легкого намагничивания (ОЛН), соединены в мостовую схему. Четное число микромагнитов формируют в мостовой схеме две пары магниторезисторов с разной знаковой чувствительностью каждой из пар к направлению регистрируемого магнитного поля.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что вблизи полосок размещено четное число микромагнитов, оси намагниченности половины из которых направлены антипараллельно (встречно) осям намагниченности второй половины числа микромагнитов, и все они перпендикулярны ОЛН полосок. Микромагниты формируют магнитные поля в плоскости полосок. При этом одна пара противолежащих полосок мостовой схемы получает магнитное смещение (поворот векторов остаточной намагниченности относительно ОЛН соответствующих полосок) одного знака, а вторая пара - другого знака.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 показаны два варианта взаимного расположения основных элементов заявляемого датчика, а на фиг.3 приведена электрическая схема, поясняющая работу датчика.
Магниторезистивный датчик поля (фиг.1) состоит из четырех многослойных тонкопленочных магниторезистивных резисторов (полосок) 1, 2, 3, 4, изготовленных из ферромагнитного материала с анизотропным магниторезистивным эффектом и соединенных в мостовую схему. Полоски ориентированы своими длинами в одном направлении, имеют ОЛН, ориентированные в том же направлении (пунктирные стрелки вдоль полосок). Одна пара противолежащих полосок 1 и 3 мостовой схемы расположена вблизи полюса, например северного, первого микромагнита 5. Ось намагниченности микромагнита 5 направлена в поперечном направлении к полоскам 1 и 3, т.е. перпендикулярно ОЛН этих полосок. (В отсутствие микромагнитов векторы остаточной намагниченности полосок 1, 2, 3, 4 совпадают с направлением ОЛН). Магнитное поле микромагнита 5 отклоняет векторы остаточной намагниченности в полосках 1 и 3, обозначенные на чертежах сплошными стрелками, от первоначального направления (направления ОЛН) на один и тот же угол - α.
Вторая пара противолежащих магниторезистивных полосок 2 и 4 расположена вдоль северного полюса микромагнита 6, ось намагниченности которого перпендикулярна ОЛН полосок 2 и 4. Векторы их остаточной намагниченности отклоняются от направления ОЛН под действием магнитного поля микромагнита 6 так же на один и тот же угол +α. Расстояние между парами полосок 1, 3 и 2, 4, а следовательно, и между северными полюсами микромагнитов 5 и 6, такое, что магнитное поле от микромагнита 5 практически не действует на полоски 2, 4, а от микромагнита 6 - на полоски 1, 3. Датчик, таким образом, находится в статическом состоянии и подготовлен к регистрации внешнего магнитного поля.
Из фиг.2 видно, что аналогичное состояние намагниченности магниторезистивных полосок мостовой схемы можно получить, используя по четыре микромагнита 11, 12, 13, 14 или 15, 16, 17, 18, или все восемь перечисленных микромагнитов. При этом половина микромагнитов во всех случаях имеет оси намагниченности, направленные антипараллельно (встречно) осям намагниченности другой половины микромагнитов.
Работа магниторезистивного датчика поля происходит следующим образом (фиг.3). При отсутствии внешнего магнитного поля 19, исходном равенстве номиналов резисторов 1, 2, 3, 4, равенстве величин напряженностей магнитных полей от микромагнитов 5 и 6 и подведении постоянного тока питания датчика 20 к контактам 7 и 9 разность потенциалов на контактах моста 8 и 10 будет равна нулю. Это обусловлено равным изменением номиналов всех четырех полосок, связанных с отклонением векторов остаточной намагниченности полосок 1, 2, 3, 4 (сплошные стрелки) на один и тот же угол |α|.
Вектор напряженности измеряемого магнитного поля 19 направлен перпендикулярно ОЛН, т.е. поперек всех магниторезистивных полосок 1, 2, 3, 4. Под действием этого поля все векторы остаточной намагниченности полосок развернутся в направлении его ориентации. При этом, в зависимости от направления измеряемого поля, у двух магниторезистивных полосок, например 1 и 3, модуль значения угла |α| уменьшится (значение сопротивления полосок увеличится), а у двух других 2 и 4 модуль значения угла |α| увеличится (значение сопротивления полосок уменьшится). Это приведет к разбалансу моста и появлению разности потенциалов (напряжения) на контактах 8 и 10 моста, полярность которого будет зависеть от направления измеряемого магнитного поля. Статическая вольт-эрстедная характеристика датчика в этом случае будет S-образной с линейным участком, проходящим через ноль.
Работа магниторезистивного датчика по схеме, изображенной на фиг.2, аналогична работе схемы (фиг.1), рассмотренной выше.
Магниторезистивный датчик поля, содержащий тонкопленочные магниторезистивные полоски, соединенные в мостовую схему и имеющие оси легкого намагничивания, отличающийся тем, что содержит магнитную систему, состоящую из четного числа микромагнитов, расположенных вблизи и в плоскости полосок и создающих магнитные поля, перпендикулярные осям легкого намагничивания, при этом одна половина числа микромагнитов создает магнитные поля одного знака в полосках одной пары противолежащих плечей мостовой схемы, а вторая половина числа микромагнитов - противоположного знака в полосках второй пары, причем магнитные поля обеих половин числа микромагнитов направлены антипараллельно.
