Магниторезистивный датчик
Владельцы патента RU 2495514:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах контроля и измерения перемещений, магнитного поля и электрического тока. Магниторезистивный датчик содержит замкнутую мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла, проводник перемагничивания, сформированный в виде меандра из пленки немагнитного металла, и двухслойный проводник управления, сформированный в виде плоской катушки и состоящий из слоя немагнитного металла и слоя ферромагнитного металла. Изобретение обеспечивает уменьшение энергопотребления магниторезистивного датчика. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к устройствам, а именно к магниторезистивным датчикам, основанным на использовании анизотропного магниторезистивного эффекта, и может быть использовано в измерительной технике в устройствах контроля и измерения магнитных полей, электрических токов и линейных перемещений.
Известен магниторезистивный датчик магнитного поля с нечетной передаточной характеристикой, содержащий мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла (Патент US №4847568, 1989).
Магниторезисторы в таком датчике представляют собой полоски, изготовленные методами литографии из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла, ориентированные вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки. С целью формирования нечетной передаточной характеристики на поверхности полосок нанесены, так называемые, полосы Барбера, представляющие собой низкорезистивные шунты из немагнитного металла, ориентированные под углом 45° к длине полоски. Благодаря наличию низкорезистивных шунтов электрический ток в полосках течет примерно под углом 45° к длине полоски и, соответственно, к ОЛН полоски. В соседних плечах мостовой схемы полосы Барбера в магниторезистивных полосках под углом ±45° к длине полоски. Благодаря этому в отсутствие магнитного поля угол между направлением тока и намагниченностью полосок в соседних плечах моста составляет примерно ±45°. При появлении магнитного поля в направлении перпендикулярном направлению ОЛН угол между направлением тока и намагниченностью полосок в соседних плечах моста изменяется в разные стороны (в одних уменьшается, а в других увеличивается), что, в свою очередь, ведет к уменьшению и увеличению сопротивления магниторезисторов в соседних плечах и, соответственно, к изменению разбаланса мостовой схемы.
Недостатком такого датчика является технологическая сложность создания полос Барбера. Кроме того, в таких датчиках принципиально невозможно использовать ферромагнитные сплавы с повышенным значением поля магнитной анизотропии, что сужает диапазон измеряемых магнитных полей.
Прототипом предлагаемого технического решения является магниторезистивный датчик магнитного поля, содержащий следующие электрически изолированные друг от друга и от подложки функциональные элементы: замкнутую мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла, проводник перемагничивания, сформированный виде меандра из пленки немагнитного металла и проводник управления, сформированный в виде плоской катушки из пленки немагнитного металла (Патент РФ №2279737 C1, МКИ H01L 43/08).
Магниторезисторы в таком датчике состоят из коротких полосок магнитомягкого ферромагнитного металла, соединенных последовательно низкорезистивными перемычками из немагнитного металла и ориентированных в соседних плечах моста под углом ±45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки. Благодаря такому решению угол между намагниченностью полосок и ОЛН в соседних плечах моста в отсутствие внешнего поля составляет примерно ±45°, а при появлении магнитного поля в направлении, перпендикулярном ОЛН, начинает изменяться в противоположных направлениях, что, в свою очередь, ведет к изменению разбаланса мостовой схемы пропорционально значению напряженности магнитного поля.
Проводники перемагничивания и управления в таком датчике изготовлены из немагнитного металла. При этом проводник управления формируется в виде планарной катушки и используется для уменьшения начального сигнала (технологического разбаланса) его мостовой измерительной схемы. Для этого по проводнику управления пропускают постоянный ток. При прохождении тока вокруг рабочих полосок проводника управления возникает магнитное поле, которое приводит к изменению разбаланса мостовой схемы. Значение и направление тока, пропускаемого по проводнику управления, определяют при калибровке датчика в зависимости от значения и знака технологического разбаланса мостовой схемы. Это значение, как правило, выбирают таким, чтобы начальный сигнал (разбаланс мостовой измерительной схемы) датчика был близким к нулю при заданном (обычно нулевом) значении внешнего магнитного поля.
Недостатком известного магниторезистивного датчика является его большое энергопотребление, обусловленное необходимостью задавать достаточно большой ток в проводнике управления для уменьшения начального сигнала датчика с большим по абсолютной величине значением технологического разбаланса. Указанный недостаток в свою очередь обусловлен низкой чувствительностью мостовой измерительной схемы датчика к току в его проводнике управления.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является: уменьшение энергопотребления магниторезистивного датчика.
Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивный датчик, содержащий мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла, проводники перемагничивания и управления, сформированные из пленки немагнитного металла введен дополнительный элемент, а именно на проводнике управления сформирован дополнительный слой из такого же ферромагнитного металла, что и магниторезисторы,
Кроме того, ось легкого намагничивания дополнительного слоя ферромагнитного металла ориентирована параллельно оси легкого намагничивания пленки, из которой сформированы магниторезисторы. Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве создан двухслойный проводник управления, состоящий из слоя немагнитного металла с высокой проводимостью и слоя ферромагнетика. При этом рабочие полоски проводника (планарной катушки) управления ориентированы вдоль ОЛН магниторезисторов. В отсутствие тока в проводнике управления намагниченность ферромагнитного слоя в рабочих полосках управляющей катушки ориентирована вдоль ОЛН, т.е. вдоль длины рабочих полосок проводника управления. При пропускании тока по проводнику управления под воздействием магнитного поля, возникающего вокруг рабочих полосок, вектор намагниченности ферромагнитного слоя разворачивается в направлении, перпендикулярном полоске и тем самым усиливает компоненту вектора магнитного поля, созданного током. Такое техническое решение обеспечивает увеличение магнитного поля вокруг проводника управления соответствующего одному и тому же значению тока в проводнике управления и тем самым, повышение чувствительности мостовой измерительной схемы к току в проводнике управления. При этом благодаря тому, что дополнительный слой изготавливается из того же магнитомягкого ферромагнитного металла, что и магниторезисторы, не происходит увеличение гистерезиса выходного сигнала датчика.
На фиг.1 представлена в разрезе структура датчика. На фиг.2 показан топологический рисунок датчика (вид сверху).
Магниторезистивный датчик содержит (фиг.1) подложку 1, на которой расположены следующие функциональные элементы магниторезистивного датчика: пленочные магниторезисторы, состоящие из слоя ферромагнитного металла 2 и защитных слоев 3 и 4, проводник перемагничивания 5, сформированный из пленки немагнитного металла и двухслойный проводник управления, состоящий из слоя немагнитного металла 6 и слоя ферромагнитного металла 7. Все функциональные элементы изолированы диэлектриком 8 друг от друга и подложки.
Измерительная схема магниторезистивного датчика (фиг.2) представляет собой замкнутый мост, содержащий четыре магниторезистора R1, R2, R3 и R4 в виде коротких полосок ферромагнитного металла, соединенных низкорезистивными перемычками из немагнитного металла и ориентированных под углом ±45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки и контактные площадки 9-12. Проводник перемагничивания 5, сформированный в виде меандра, рабочие полоски которого проходят над магниторезисторами, содержит контактные площадки 13 и 14. Проводник управления сформирован в виде планарной катушки и содержит контактные площадки 15 и 16. Рабочие полоски планарной катушки расположены над магниторезисторами и ориентированы вдоль ОЛН ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы. ОЛН ферромагнитной пленки, нанесенной на управляющую катушку, ориентирована вдоль рабочих полосок катушки, т.е. параллельно ОЛН ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы.
Предлагаемый магниторезистивный датчик работает следующим образом. Мостовая измерительная схема с помощью контактов 9 и 10 подключается к генератору напряжения, а с помощью контактов 10 и 12 к измерительному прибору (например, вольтметру). При отсутствии внешнего поля и тока в проводнике управления векторы намагниченности полосок, из которых состоят магниторезисторы устанавливаются вдоль ОЛН. (Магнитными полями вокруг магниторезисторов, вызванными измерительным током протекающим по плечам моста можно пренебречь, в силу их малости).
При подаче через контактные площадки 13 и 14 в проводник перемагничивания короткого импульса тока, создаваемое им магнитное поле будет действовать вдоль ОЛН на полоски магниторезисторов R1 и R3 в одном направлении, а на полоски магниторезисторов R2 и R4 в противоположном направлении. Под действием магнитного поля, созданного импульсом тока в проводнике перемагничивания, векторы намагниченности полосок в магниторезисторах R1 и R3 и магниторезисторах R2 и R4 установятся в противоположных направлениях.
Установившийся после прохождения такого импульса тока выходной сигнал мостовой измерительной схемы является начальным сигналом (технологическим разбалансом мостовой схемы) магниторезистивного датчика. Его значение может быть уменьшено практически до нуля с помощью подачи постоянного тока в катушку управления. Полярность и значение этого тока определяется знаком и значением начального сигнала мостовой схемы.
При появлении внешнего магнитного поля в направлении перпендикулярном ОЛН сопротивление магниторезисторов R1, R3 и R2, R4 начинает изменяться в противоположных направлениях, что ведет к изменению разбаланса мостовой схемы пропорционально значению напряженности магнитного поля.
Заявляемое техническое решение позволяет уменьшить абсолютное значение тока в проводнике управления необходимое для настройки начального сигнала датчика, и тем самим уменьшить на (50-80)% энергопотребление датчика.
1. Магниторезистивный датчик, содержащий мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла, проводники перемагничивания и управления, сформированные из пленки немагнитного металла, отличающийся тем, что на проводнике управления сформирован дополнительный слой из такого же ферромагнитного металла, что и магниторезисторы.
2. Магниторезистивный датчик по п.1, отличающийся тем, что ось легкого намагничивания дополнительного слоя ферромагнитного металла ориентирована параллельно оси легкого намагничивания пленки, из которой сформированы магниторезисторы.
