Магниторезистивный датчик перемещений



Магниторезистивный датчик перемещений
Магниторезистивный датчик перемещений
Магниторезистивный датчик перемещений
Магниторезистивный датчик перемещений
Магниторезистивный датчик перемещений

 


Владельцы патента RU 2528116:

Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") (RU)

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в интегральных линейных и угловых акселерометрах и гироскопах в качестве датчика перемещений. Технический результат: повышение точности нулевого сигнала преобразователя перемещений. Сущность: магниторезистивный датчик содержит пластину проводящего монокремния, в которой с помощью анизотропного травления выполнен подвижный объект. На разных сторонах конца подвижного объекта размещены дискретные источники магнитного поля, которые расположены напротив четырехслойных магниторезистивных структур, размещенных на разных сторонах пластины проводящего монокремния. Четырехслойные магниторезистивные структуры состоят из первого свободного ферромагнитного слоя, второго проводящего немагнитного слоя, третьего зафиксированного ферромагнитного слоя и четвертого антиферромагнитного слоя. Два свободных и два зафиксированных ферромагнитых слоя соединены в четырехплечий мост. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в интегральных линейных и угловых акселерометрах и гироскопах в качестве датчика перемещений.

Известен датчик перемещений [1], в котором применяются дифференциальные магниторезисторы, связанные с чувствительным элементом, синхронный детектор и запоминающая ячейка.

Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с тем, что при наличии двух движений подвижного узла вместе с подвижным электродом, например линейного или углового, эти движения взаимно влияют друг на друга, внося тем самым погрешность в измерения.

Наиболее близким в заявляемому изобретению является преобразователь перемещений [2], содержащий два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, которые размещены симметрично с зазорами относительно неподвижного электрода.

Недостатком данного устройства является то, что в нем отсутствует разделение составляющих перемещения, например линейного и углового, что в конечном итоге вносит погрешность в измерения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является усовершенствование конструкции преобразователя перемещений.

Технический результат заключается в повышении точности нулевого сигнала преобразователя перемещений.

Технический результат достигается за счет того, что в магниторезистивный датчик перемещений, выполненный на основе гигантского магниторезистивного эффекта, содержащий пластину проводящего монокремния, в которой с помощью анизотропного травления выполнен подвижный объект, на одном из концов которого размещен дискретный источник магнитного поля, четырехслойную магниторезистивную структуру, состоящую из первого свободного ферромагнитного слоя, второго проводящего немагнитного слоя, третьего зафиксированного ферромагнитного слоя и четвертого антиферромагнитного слоя, расположенную на одной из сторон пластины проводящего монокремния против дискретного источника магнитного поля через зазор, отделяющий подвижный объект от пластины проводящего монокремния, согласно изобретению дополнительно введены дискретный источник магнитного поля и четырехслойная магниторезистивная структура, дискретные источники магнитного поля расположены на разных сторонах конца подвижного объекта против четырехслойных магниторезистивных структур, размещенных на разных сторонах пластины проводящего монокремния, при этом два свободных и два зафиксированных ферромагнитных слоя соединены в четырехплечий мост.

К существенным отличиям заявленного изобретения по сравнению с прототипом является дополнительное введение в структуру МРДТ дискретного источника магнитного поля и четырехслойной магниторезистивной структуры, что позволяет более точно измерять нулевой сигнал преобразователя перемещений посредством усовершествования его конструкции.

Пример реализации заявленного изобретения.

Рассмотрим фиг.1, на которой изображена схема магниторезистивного датчика перемещений. Магниторезистивный датчик перемещений состоит из пластины 1 монокремния, на которой с разных сторон размещены две четырехслойные магниторезистивные структуры 2, подвижного объекта 4, на конце подвижного объекта 4 с разных сторон размещены два дискретных источника 3 магнитного поля против четырехслойных магниторезистивных структур 2. Упругий подвес 5 может быть выполнен как для работы на изгиб, так и на кручение. Ось 6 качания подвижного объекта также может быть выбрана произвольно. В любом случае подвижный объект совершает сложное линейное движение от прогибов и угловое от поворотов.

Рассмотрим фиг.2, на которой представлен увеличенный фрагмент заявляемого магниторезистивного датчика перемещений. Две четырехслойные магниторезистивные структуры 2 размещены сверху и снизу пластины 1 монокремния. Все слои наносятся вакуумным напылением на изоляционную подложку толщиной не менее 0,1 микрометра. Четырехслойная магниторезистивная структура 2 состоит из четырех слоев: первого слоя 7 - свободного ферромагнетика, изготовленного из материала Ni18Fe19, второго слоя 8 - тонкого разделительного слоя, изготовленного из немагнитного проводника, третьего слоя 9 - зафиксированного (жесткого) ферромагнетика, изготовленного из сплава кобальта и никеля CoNi, и четвертого слоя 10 - антиферромагнитного слоя, изготовленного из окиси никеля NiO, предназначенного для удержания намагниченности жесткого ферромагнетика. Намагничивание жесткого ферромагнетика осуществляется при его изготовлении. Дискретные источники 3 магнитного поля, расположенные на конце подвижного объекта 4, могут совершать угловые перемещения относительно оси 6 качания.

Рассмотрим работу магниторезистивного датчика перемещений, выполненного на основе гигантского магниторезистивного эффекта (ГМРЭ). Типичные изменения сопротивления анизотропных магниторезисторов составляют порядка 2…4%. Изменения более 10% были получены при использовании металлов с планарной структурой, а эффект был назван гигантским магниторезистивным эффектом (ГМРЭ). Устройства на базе ГМРЭ находят широкое применение в считывающих головках в компьютерной технике. В интегральных датчиках ГМРЭ используется в качестве преобразователя углового перемещения. Наиболее эффективно ГМРЭ реализуется в виде структуры из четырех слоев толщиной менее 0,1 микрометра.

На фиг.3 (а, б, в, г) показаны четыре возможных состояния структуры на основе ГМРЭ и ее реакция на внешнее поле. Одно из них, нейтральное положение подвижного электрода, изображено на фиг.3 (а). Такое же состояние имеет структура и при симметричном воздействии дискретных источников магнитного поля на свободные ферромагнетики. При этом сопротивления свободных ферромагнетиков на разных сторонах пластины монокремния одинаковы.

При несимметричном воздействии дискретных источников магнитного поля на свободные ферромагнетики, изображенные на фиг.3 (б) и фиг.3 (в), величины сопротивлений свободных ферромагнетиков становятся разными и зависят от угла поворота. При этом для верхнего и нижнего свободных ферромагнетиков полярность дискретных источников магнитного поля в одном и том же преобразователе должна быть одинаковой.

Состояние структуры, изображенной на фиг.3 (г), при котором магнитное поле дискретных источников имеет напряженность, превышающую полную напряженность поля анизотропии, в заявляемом устройстве не используется.

Рассмотрим фиг.4. В связи с тем что рабочие свободные магниторезисторы (16) и зафиксированные магниторезисторы (17), выполненные в виде свободных и зафиксированных ферромагнитных слоев соответственно, обладают сильной зависимостью от температуры, измерительные цепи их включают в противоположные плечи мостовой схемы. Плечи моста выполняют по аналогичной магниторезистивной четырехслойной структуре. Рабочие свободные магниторезисторы на схеме показаны косой штриховкой. Для изменения направления тока в свободных магниторезисторах они включены встречно. Зафиксированные магниторезисторы включены последовательно с одним направлением тока.

Контактная площадка 11 предназначена для подвода внешнего питания Uп мостовой схемы. Контактные площадки 12 и 13 являются выходными для измерительной диагонали моста. Поверх всех плеч моста проходит управляющая напыленная обмотка с контактными площадками 14 и 15. Ток в управляющей обмотке предназначен для компенсации внутренней напряженности магнитного поля материала. При слабом внешнем магнитном поле Ну<<Hk и при скомпенсированной внутренней напряженности Н0 магнитного поля материала зависимость выходного напряжения моста является линейной:

где Θ - угол между вектором Js намагничивания и осью х легкого намагничивания; Ну - напряженность магнитного поля точечного источника на подвижном объекте; Hk0+Jst/w - полная напряженность поля анизотропии, представляющая собой сумму внутренней напряженности примененного материала и геометрической составляющей; Н0 - внутренняя напряженность магнитного поля материала; t и w - толщина и ширина магниторезистивной полоски.

Анализируя оценочную формулу (1), можно заключить, что толщину магниторезистивной полоски можно выполнить на уровне наноразмеров. Следовательно, чувствительность магниторезистивного датчика перемещений, выполненного на основе гигантского магниторезистивного эффекта, превосходит чувствительность всех известных датчиков перемещений, например емкостных. В свою очередь, от чувствительности преобразователя перемещений зависит повышение точности нулевого сигнала.

Источники информации

1. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, 504 с.

2. Дитмауэр К. Магнитные датчики на базе анизотропного магниторезистивного эффекта. - М.: Экспресс-информация, «Контрольно-измерительная техника». №9, 2009, с.13-25.

Магниторезистивный датчик перемещений, выполненный на основе гигантского магниторезистивного эффекта, содержащий пластину проводящего монокремния, в которой с помощью анизотропного травления выполнен подвижный объект, на одном из концов которого размещен дискретный источник магнитного поля, четырехслойную магниторезистивную структуру, состоящую из первого свободного ферромагнитного слоя, второго проводящего немагнитного слоя, третьего зафиксированного ферромагнитного слоя и четвертого антиферромагнитного слоя, расположенную на пластине проводящего монокремния против дискретного источника магнитного поля через зазор, отделяющий подвижный объект от пластины проводящего монокремния, отличающийся тем, что в магниторезистивный датчик перемещений дополнительно введены дискретный источник магнитного поля и четырехслойная магниторезистивная структура, дискретные источники магнитного поля расположены на разных сторонах конца подвижного объекта против четырехслойных магниторезистивных структур, размещенных на разных сторонах пластины проводящего монокремния, при этом свободные и зафиксированные ферромагнитные слои соединены в четырехплечий дифференциальный мост.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, головках считывания с магнитных дисков и лент, устройствах диагностики печатных плат и микросхем, биообъектов (бактерий и вирусов), идентификации информации, записанной на магнитные ленты, считывания информации, записанной магнитными чернилами.

Изобретение относится к области магнитных датчиков на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным эффектом. Способ согласно изобретению включает окисление кремниевой подложки 1, формирование диэлектрического слоя 2, формирование магниторезистивной структуры, содержащей верхний 3 и нижний 4 защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка 5, формирование из трех рядов параллельных магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы и полоски рабочего плеча мостовой схемы путем жидкостного травления, причем ширина магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы в N раз меньше ширины полоски рабочего плеча, а длины магниторезистивных полосок балластных и рабочего плеча мостовой схемы равны, нанесение первого изолирующего слоя 6, вскрытие в нем контактных окон к полоскам, формирование перемычек между рядами магниторезистивных полосок балластных плеч мостовой схемы путем напыления слоя алюминия 7 и последующего плазмохимического травления, формирование второго изолирующего слоя 8, вскрытие в нем переходных окон к перемычкам, формирование планарного проводника, проходящего над рабочем плечом мостовой схемы, путем напыления слоя алюминия 9 последующего плазмохимического травления и пассивацию с образованием верхнего защитного слоя 10.

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов. В магниторезистивной головке-градиометре, содержащей подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую схему немагнитными низкорезистивными перемычками четыре ряда последовательно соединенных такими же перемычками в каждом плече мостовой схемы тонкопленочных магниторезистивных полосок, содержащих каждая верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная пленка, первый изолирующий слой поверх тонкопленочных магниторезистивных полосок, на котором сформирован первый планарный проводник с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными магниторезистивными полосками, и второй изолирующий слой, второй планарный проводник, проходящий над и вдоль рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски, и защитный слой, при этом все тонкопленочные магниторезистивные полоски расположены в один ряд, во всех тонкопленочных магниторезистивных полосках ОЛН ферромагнитной пленки направлена под углом 45° относительно продольной оси тонкопленочной магниторезистивной полоски, а рабочее плечо мостовой схемы, ближайшее к краю головки-градиометра, удалено от трех балластных плеч мостовой схемы, ширина балластной тонкопленочной магниторезистивной полоски в N раз меньше ширины рабочей тонкопленочной магниторезистивной полоски, а балластный ряд мостовой схемы состоит из набора N параллельно соединенных тонкопленочных магниторезистивных полосок.

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 относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к области магнитных датчиков и может быть использовано в тахометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока, биодатчиках.

Изобретение относится к области магнитных датчиков и может быть использовано в тахометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока.

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано для измерения магнитного поля в измерительных комплексах, научном и медицинском приборостроении, устройствах диагностики печатных плат и микросхем, биообъектов (бактерий, вирусов, токсинов и ДНК).
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для проведения ресурсных и метрологических испытаний внутритрубных инспекционных приборов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения многокоординатных смещений торцов лопаток в турбомашинах. Устройство для измерения многокоординатных смещений торцов лопаток, содержащее источник постоянного напряжения, ключ, рабочий и компенсационный одновитковые вихретоковые датчики, два резистора и первый усилитель.

Изобретение относится к области автоматизации в машиностроении и предназначено для контроля положения и идентификации изделий с учетом их вида материала и термического состояния в автоматизированных высокопроизводительных производствах по сборке изделий.

Изобретение относится к инвазивным медицинским устройствам. Медицинский зонд содержит вводимую трубку, имеющую продольную ось и дистальный конец, дистальный кончик, расположенный на дистальном конце вводимой трубки и сконфигурированный для введения в контакт с тканью тела, стык, который соединяет дистальный кончик с дистальным концом вводимой трубки, и датчик стыка, заключенный внутри зонда, для распознавания положения дистального кончика относительно дистального конца вводимой трубки, причем датчик стыка содержит первый и второй подузлы, которые расположены внутри зонда на противоположных соответствующих сторонах стыка, и каждый подузел содержит один или более магнитных измерительных преобразователей.

Изобретение предназначено для измерения размеров конструкций, в частности для определения протяженности и размеров здания или транспортного средства. Измерительное устройство 1 содержит два инерциальных измерительных блока 3 и 4, размещенных на расстоянии друг от друга, каждый из которых содержит по меньшей мере два акселерометра и по меньшей мере два гироскопа для восприятия вращений.

Изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности измерения.

Изобретение относится к области автоматизации в машиностроении и предназначено для контроля положения и идентификации изделий с учетом их вида материала и термического состояния в автоматизированных высокопроизводительных производствах по сборке изделий, а также для решения общих задач автоматизации различных производственных процессов.

Изобретение относится к области метрологии и предназначено для контроля положения и идентификации изделий. Адаптивный датчик содержит чувствительный элемент, образованный индуктивной катушкой, емкостной металлической пластиной и двумя инфракрасными фотоприемниками, логический элемент ИЛИ-НЕ, первый и второй блоки индикации, первый и второй диоды, точка соединения катодов которых и второго входа логического элемента ИЛИ-НЕ является первым выходом адаптивного датчика, счетный триггер, прямой и инверсный выходы которого являются соответственно вторым и третьим выходами адаптивного датчика.

Использование: для уменьшения температурной погрешности датчиков физических величин: микроперемещений, давлений, ускорений, сил, моментов. Сущность способа заключается в том, что в случае применения его для индуктивных и емкостных датчиков требуется преобразование изменения индуктивности при постоянной емкости или изменение емкости при постоянной индуктивности с применением повышающего LDC-моста в изменение потенциалов его выходной диагонали.

Изобретение относится к области автоматизации в машиностроении и предназначено для контроля положения и идентификации изделий с учетом их вида материала и термического состояния в автоматизированных высокопроизводительных производствах по сборке изделий.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов. Технический результат - повышение точности достигается тем, что устройство содержит генератор сверхвысокочастотных электромагнитных волн с частотой, управляемой модулирующим генератором линейно изменяющегося напряжения, подсоединенный через первый вывод делителя мощности и циркулятор к приемо-передающей антенне для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, смеситель, вычислительное устройство, являющееся выходным блоком, соединенное с выходом смесителя и с модулирующим генератором, вторую приемо-передающую антенну для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней, соединенную со вторым выводом делителя мощности через первый умножитель частоты в N раз и второй циркулятор, выход которого соединен со вторым входом смесителя, при этом первый вход смесителя соединен со вторым выходом первого циркулятора через второй умножитель частоты в N раз. 1 ил.
Наверх