Способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков



Способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков
Способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков
Способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков
Способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков
Способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков
Способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков
Способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков
Способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков

 


Владельцы патента RU 2553740:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков и предназначено для использования в магнитометрических информационно-измерительных системах. При реализации способа измерительный мост запитывают повышенным питающим напряжением импульсного характера и подмагничивают внешним магнитным полем. Регистрируют напряжение на измерительной диагонали моста магниторезистивного датчика, а напряжение диагонали питания измерительного моста устанавливают в ноль, при этом управление осуществляют посредством управляющих импульсов цифровой системы. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области электронной измерительной техники и предназначено для использования в составе магнитометрических информационно-измерительных систем в качестве датчика, регистрирующего индукцию и/или напряженность магнитного поля.

Известен магниторезистивный датчик с нечетной статической вольт-эрстедной характеристикой (патент РФ №2185691, кл. H01L 43/08, 16.02.2001), содержащий четыре тонкопленочные магниторезистивные полоски из ферромагнитных сплавов, объединенные в мостовую схему, и проложенный над ними через изолирующий слой управляющий проводник, магниторезистивные полоски имеют поперечно ориентированные оси легкого намагничивания, сориентированы в одном направлении своей длиной от начала к концу, электрическими проводниками соединены начало первой полоски и конец четвертой, начало второй и конец третьей, начало третьей и конец первой, начало четвертой и конец второй, а управляющий проводник проложен поперек полосок: по направлению ориентации осей легкого намагничивания в первой и второй полосках, и противоположно - в третьей и четвертой полосках.

Основным недостатком аналога является отсутствие возможности управления подмагничивающим полем и питающим напряжением датчика.

Известно также устройство для контроля положения (патент РФ №2016373, кл. G01B 7/00, 15.07.1994), содержащее установленный с возможностью перемещения источник постоянного магнитного поля, магниторезистивный датчик, выполненный в виде четырех магниторезисторов, имеющих форму плоских меандров и размещенных на общей диэлектрической подложке, измерительный мост, в плечи которого включены магниторезисторы, присоединенный к одной диагонали моста источник питания постоянного тока и подключенный к другой его диагонали блок обработки сигналов, магниторезисторы выполнены из пермаллоевой пленки, источник магнитного поля размещен в общей плоскости с подложкой, магниторезисторы хотя бы в одной из ветвей моста размещены на расстоянии один от другого, выбранном в зависимости от их габаритных размеров, магнитных параметров пленки и источника магнитного поля, а блок обработки сигналов выполнен в виде пороговой схемы.

Основным недостатком аналога также является отсутствие возможности управления подмагничивающим полем и питающим напряжением датчика.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ, реализованный магниторезистивным датчиком (патент РФ №2495514, кл. H01L 43/08, 03.05.2012), содержащим мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла. Согласно способу проводниками перемагничивания, сформированными из пленки немагнитного металла, создают подмагничивающее поле и подают питающее напряжение магниторезистивному датчику. На проводнике управления сформирован дополнительный слой из такого же ферромагнитного металла, что и магниторезисторы.

Основным недостатком аналога также является отсутствие возможности управления подмагничивающим полем и питающим напряжением датчика.

Задача изобретения - повышение точностных характеристик магниторезистивных датчиков и расширение сферы их применения.

Технический результат - повышение показателя чувствительности магниторезистивных датчиков за счет применения системы питания повышенным напряжением и устройства подмагничивания.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что создают подмагничивающее поле и подают питающее напряжение на магниторезистивный датчик, представляющий собой измерительный мост, согласно изобретению измерительный мост запитывают повышенным, относительно установленного значения, питающим напряжением импульсного характера и подмагничивают внешним магнитным полем, которое генерируют плоской катушкой индуктивности, расположенной в непосредственной близости от магниторезистивного датчика и связанной с ним магнитной связью, далее регистрируют напряжение на измерительной диагонали моста магниторезистивного датчика, а напряжение диагонали питания измерительного моста устанавливают в ноль, при этом управление осуществляют посредством управляющих импульсов цифровой системы управления и увеличивают показатель чувствительности за счет увеличения приращения выходного напряжения магниторезистивного датчика.

Сущность способа повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков поясняется чертежами. На фиг.1 изображена блок-схема способа. На фиг.2 изображен график функции напряжения питания магниторезистивного моста от времени. На фиг.3 изображены временные диаграммы управляющих и коммутируемых через устройство подмагничивания токовых импульсов.

Пример конкретной реализации способа.

Способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков осуществляется посредством устройств цифровой системы управления 1, соединенной с устройством подмагничивания 2 и устройством управления питанием 3, которые связаны с магниторезистивным датчиком 4.

В начальный момент времени посредством цифровой системы управления 1 подают электрический сигнал в устройство управления питанием 3. На диагональ питания моста (магниторезистивный датчик 4) подают повышенное напряжение, после этого подают сигнал в устройство подмагничивания 2, которое создает магнитное поле в плоской катушке индуктивности, связанной с магниторезистивным датчиком 4 магнитной связью, после чего регистрируют выходное напряжение магниторезистивного датчика 4 и выключают напряжение питания измерительного моста (магниторезистивного датчика 4).

Напряжение, снимаемое с измерительной диагонали моста, определяется выражением (1).

где U - напряжение, снимаемое с измерительной диагонали моста;

R1, R2, R3, R4 - сопротивления плеч моста;

U0 - напряжение питания моста.

Из выражения (1) видно, что при увеличении напряжения питания моста U0 в силу прямопропорциональной зависимости увеличивается приращение напряжения U, что по определению увеличивает чувствительность магниторезистивного датчика. Одновременно с этим увеличение U0 согласно закону Ома приводит к повышению тока I, протекающего через измерительный мост, а следовательно согласно выражению (2) - к повышению выделяемой тепловой мощности, которая строго регламентирована.

где U0 - напряжение питания моста;

P - мощность, выделяемая мостом;

I - электрический ток, протекающий через плечи моста.

Таким образом, с целью повышения показателя чувствительности применяется импульсный характер питания повышенным относительно установленного напряжением, удовлетворяющего выражению (3), как показано на (фиг.2).

где U* - повышенное напряжение питания мостового магниторезистивного датчика, действующее во временном интервале, ограниченном значениями t1 и t2;

U**max - регламентируемое производителем магниторезистивного датчика напряжение питания, действующее во временном интервале, ограниченном значениями t1' и t2'.

Одновременно с этим известно, что чувствительность мостового преобразователя, входящего в состав магниторезистивного датчика, определяется выражением (4).

где R0 - сопротивление магниторезистивного элемента пленки вне действия магнитного поля;

I - электрический ток, протекающий через измерительную диагональ измерительного моста (моста Уинстона);

µ - подвижность носителей зарядов;

B0 - магнитная индукция, наводимая устройством подмагничивания.

Так, в исходном состоянии при условии отсутствия внешнего магнитного поля ориентация магнитных моментов доменов магниторезистивного элемента хаотична, а его суммарный магнитный момент равен нулю. При воздействии на магниторезистивный элемент внешнего магнитного поля, параметры которого стремятся изменить направление магнитных доменов тонкой пермаллоевой пленки, в результате чего домены рабочего тела приобретают преимущественную ориентацию, в целом совпадающую с направлением индукции внешнего поля.

При протекания через подмагничивающую катушку токового импульса генерируется импульсное поле B0>>B.

После считывания и регистрации отклика магниторезистивного сенсорного модуля U0_set следует генерация токового импульса противоположной полярности (Фиг.3.), в результате чего магнитные домены принимают соответствующую ориентацию. И далее, по аналогии с предыдущим воздействием регистрируют отклик измерительной диагонали моста U0_reset, после чего производится расчет среднего значения отклика моста в соответствии с выражением:

Согласно выражению (5) определяется значение напряжения, пропорциональное в конечном итоге индукции исследуемого магнитно поля.

Составим таблицу, наглядно отражающую повышение показателя чувствительности магниторезистивных датчиков.

В, мкТл C0 Cподм Cпит
50 425×10-6α* 170×10-4α* 220×10-4α*

*α=µ2, где: µ - подвижность носителей зарядов в материале магниторезистивного датчика.

По таблице видно, что применение внешнего подмагничивающего поля и запитывание повышенным питающим напряжением приводит к повышению показателя чувствительности магниторезистивных датчиков, так, например, чувствительность без подмагничивания и питания повышенным напряжением составляет 425×10-6α*, а с применением 220×10-4α*. Таким образом показатель чувствительность повышается в 52 раза.

Итак способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков за счет применения системы питания повышенным напряжением и устройства подмагничивания приводит к повышению точностных характеристик и расширению сферы их применения.

Способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков, по которому создают подмагничивающее поле и подают питающее напряжение на магниторезистивный датчик, представляющий собой измерительный мост, отличающийся тем, что измерительный мост запитывают повышенным относительно установленного значения питающим напряжением импульсного характера и подмагничивают внешним магнитным полем, которое генерируют плоской катушкой индуктивности, расположенной в непосредственной близости от магниторезистивного датчика и связанной с ним магнитной связью, далее регистрируют напряжение на измерительной диагонали моста магниторезистивного датчика, а напряжение диагонали питания измерительного моста устанавливают в ноль, при этом управление осуществляют посредством управляющих импульсов цифровой системы управления и увеличивают показатель чувствительности за счет увеличения приращения выходного напряжения магниторезистивного датчика.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магниторезистивный датчик тока и может быть использовано в устройствах бесконтактного контроля и измерения электрического тока.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и представляет собой устройство автономной регистрации амплитуды напряженности однократного импульсного магнитного поля.

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

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 измерительной технике, представляет собой магниторезистивный преобразователь магнитного поля и может быть использовано в приборах контроля и измерения вектора магнитного поля. Преобразователь содержит тонкопленочные магниторезистивные элементы с гигантским магниторезистивным эффектом и с однонаправленным изменением сопротивления под действием магнитного поля, соединенные по мостовой схеме. В каждом плече мостовой схемы параллельно соединено либо по меньшей мере два магниторезистивных элемента, либо по меньшей мере два ряда последовательно соединенных магниторезистивных элементов. Техническим результатом является повышение отношения сигнал/шум в широком частотном диапазоне. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магниторезистивный датчик и может быть использовано в устройствах контроля напряженности магнитного поля и бесконтактного контроля электрического тока. Датчик содержит мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного сплава в виде параллельных друг другу полосок, закороченных последовательно перемычками из низкорезистивного немагнитного металла и ориентированных под углом +45° и -45° к оси легкого намагничивания исходной ферромагнитной пленки так, что полоски двух симметричных по отношению друг к другу пар магниторезисторов мостовой схемы взаимно перпендикулярны. Проводник перемагничивания сформирован из пяти полосок пленки немагнитного металла, соединенных в виде меандра, четыре рабочие полоски которого проходят над магниторезисторами, а пятая полоска проходит между двумя парами рабочих полосок. Техническим результатом является повышение надежности и упрощение технологии изготовления датчика. 1 ил.
Наверх