Комбинированный магниторезистивный датчик
COMBINED MAGNETORESISTIVE SENSOR

Комбинированный магниторезистивный датчик относится к устройствам регистрации переменных, в том числе, импульсных магнитных полей звукового и более низких частотных диапазонов, и может быть использован в средствах магнитной телеметрии и интроскопии.
В последние годы в области магнитной интроскопии ставится задача не только регистрации откликов от объектов поиска, но и получения их образов на основании многоканального приема электромагнитных откликов от этих объектов, полученных при воздействии на них переменных электромагнитных полей.
Известны металлоискатели индуктивного типа, использующие в качестве регистраторов переменного магнитного поля, в том числе импульсного, звукового диапазона, генерируемого катушкой индуктивности с током и откликов от объектов поиска, тонкопленочные магниторезистивные мостовые датчики, использующие анизотропный или гигантский магниторезистивные эффекты (US 2004/0021461 А1, 2004, г.; US 20130207648 А1, 2013 г.). Работа подобных устройств предпочтительна при отсутствии значительных помех, вызванных движением магниторезистивных датчиков в пространстве, заполненном постоянными или медленно меняющимися паразитными магнитными полями, например, от окружающих намагниченных объектов, не являющихся целью поиска, или магнитного поля Земли. При движении металлоискателя в этих условиях паразитные магнитные поля смещают рабочие точки магниторезистивных датчиков, вплоть до введения их в режим отсечки или насыщения, что приводит к получению на выходе магниторезистивных датчиков ложных сигналов или пропуска истинных.
Многоканальные приемные элементы в виде катушек индуктивности используются, например, в магнитной резонансной томографии (US 6977502 В1). Однако полезные сигналы в данном устройстве лежат в радиодиапазоне.
Применение катушек индуктивности для приема сигналов прямоугольной формы в диапазоне звуковых и более низких частот приводит к сильному искажению принимаемых сигналов, в частности, их дифференцированию, что может являться существенным недостатком.
В качестве прототипа по уровню техники может быть взят патент (RU 2533347, 2014 г.), в котором описано устройство, регистрирующее одиночные импульсы магнитного поля. Устройство содержит тонкопленочный магниторезистивный мост Уитстона, у которого на поверхности двух магниторезисторов противоположных плечей моста размещены витки первой секции короткозамкнутой катушки индуктивности. Вторая секция той же катушки намотана поверх концентратора магнитного поля из ферромагнитного материала. Концы первой и второй секций соединены гальванически так, что образуют короткозамкнутую катушку. Геометрические и электрофизические параметры концентратора магнитного поля, короткозамкнутой катушки и магниторезистивного моста выбраны таким образом, что появление магнитного импульса в контролируемом пространстве приводит к возникновению в короткозамкнутой катушке импульса тока, который размагничивает, благодаря виткам первой секции, исходно намагниченные определенным образом, соответствующие плечи моста Уитстона. Это приводит к разбалансировке магниторезистивного моста, величина которой регистрируется. Материал магниторезисторов плечей моста имеет прямоугольную петлю гистерезиса, т.е. работает как ячейка магнитной памяти (Суху Р. Магнитные тонкие пленки. - Москва: Мир. - 1967 г. - С. 192-196), и сохраняет зафиксированное значение разбалансировки в течение длительного времени.
Недостатками данного устройства можно считать, во-первых, невозможность регистрации непрерывно следующих импульсов магнитного поля, т.к. после прохождения каждого нового магнитного импульса требуется повторное исходное намагничивание плечей магниторезистивного моста. Во-вторых, недостаточную чувствительность устройства в целом к магнитному полю. И, в-третьих, возможную подверженность случайному перемагничиванию плечей магниторезистивного моста при появлении вблизи моста источника относительно сильного магнитного поля (постоянного магнита с высокой напряженностью магнитного поля и т.п.), вносящего тем самым ошибку в измерения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются:
- возможность регистрации непрерывных потоков магнитных прямоугольных импульсов звукового и низкочастотного диапазонов с минимально возможным внесением искажений в их форму;
- обеспечение магнитной экранировки магниторезистивного моста от влияния паразитных постоянного и инфранизкочастотных магнитных полей;
- повышение магнитной чувствительности к полезным сигналам.
Данный технический результат достигается в предполагаемом изобретении закреплением магниторезистивного моста на поверхности концентратора, имеющего цилиндрическую, прямоугольную и т.п. форму и линейные размеры по всем координатам существенно превышающие размеры моста. При этом ось чувствительности магниторезистивного моста ориентируется вдоль поверхности концентратора, в направлении продольной оси последнего, на расстоянии много меньшем габаритных размеров концентратора, особенно его толщины (диаметра). В этом случае применяется, в отличие от прототипа, тонкопленочный магниторезистивный мост Уитстона, функционирующий в роли датчика магнитного поля с анизотропным или гигантским магниторезистивным эффектом. Такие датчики имеют объем в доли кубических миллиметров (при отсутствии изолирующего корпуса), нечетную (S-образную) или четную (V-образную) вольт-эрстедную характеристику и обеспечивают прием магнитных сигналов любой формы в диапазоне частот от постоянного поля до единиц мегагерц (Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника Т. 1, МКД Пресс - М: 2001. - 540 с). Кроме того, место крепления магниторезистивного моста находится примерно в центральной части длины и ширины (диаметра) концентратора магнитного поля.
На концентратор магнитного поля намотан провод первой секции коротко-замкнутой катушки, причем витки данной секции проложены вдоль поперечных размеров концентратора, т.е. центральные оси витков параллельны продольной оси симметрии концентратора, а, следовательно, и оси чувствительности магниторезистивного моста. Кроме того, витки первой секции покрывают собой магниторезистивный мост, и при этом обеспечивается минимально возможный зазор между проводом витков и указанным мостом, а центральные оси витков параллельны его оси чувствительности. Витки второй секции намотаны на концентратор параллельно виткам первой секции и в том же направлении, но не пересекают поверхность магниторезистивного моста. Первая и вторая секции катушки, таким образом, намотаны последовательно друг за другом, а концы и начала проводов первой и второй секций гальванически соединены, образуя в целом короткозамкнутую катушку, имеющую общую индуктивность, равную сумме индуктивностей первой и второй секций. Очевидно, что вторая секция может отсутствовать. Вблизи магниторезистивного моста устанавливается источник постоянного магнитного поля, определяющий рабочую точку указанного моста.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что магнитное поле, регистрируемое комбинированным магниторезистивным датчиком, концентрируется в материале концентратора магнитного поля (ферромагнитном металле или сплаве, феррите и т.п.). Плечи магниторезистивного моста, расположенного на близком расстоянии от поверхности концентратора магнитного поля, в центральной его части, магнитно шунтируются материалом указанного концентратора. Это обусловлено тем, что ось чувствительности магниторезистивного моста лежит в плоскости тонкопленочных магниторезисторов, из которых изготовлен магниторезистивный мост, т.е. параллельно поверхности концентратора магнитного поля. Зазор же между магниторезисторами и поверхностью концентратора магнитного поля минимально возможный для выбранной конкретной конструкции комбинированного магниторезистивного датчика. При этом размеры концентратора магнитного поля, в том числе, и площадь его поверхности, на которой закреплен магниторезистивный мост, и особенно толщина (диаметр), на много превосходят размеры указанного моста. Такая конструкция значительно снижает магнитное сопротивление зазора, вследствие чего магнитные силовые линии вблизи магниторезистивного моста отклоняются от его плоскости и уходят в концентратор. Таким образом, напряженность и полезного, и паразитного магнитных полей, воздействующих на магниторезистивный мост, существенно падает, и это дает эффект магнитного экранирования магниторезистивного моста. Такая экранировка действует во всем частотном диапазоне магнитных колебаний, начиная с постоянного значения. С ростом частоты колебаний качество экранировки усиливается.
Витки первой секции вместе с витками второй секции охватывают концентратор магнитного поля, что при воздействии переменного магнитного поля приводит к возбуждению в указанных секциях (в короткозамкнутой катушке) наведенного переменного тока. Вторичное магнитное поле, возбужденное наведенным в витках первой секции переменным током, воздействует на магниторезистивный мост, т.к. он находится ближе к данным виткам, чем поверхность концентратора магнитного поля. Постоянное магнитное поле вообще не возбуждает ток в первой и второй секциях короткозамкнутой катушки, а инфранизкочастотные колебания магнитного поля, вызванные перемещением комбинированного магниторезистивного датчика в области действия окружающих постоянных магнитных полей, возбуждают существенно меньшие значения тока в витках, чем частоты рабочего (звукового) диапазона. Таким образом, происходит отфильтровывание постоянных и инфранизкочастотных сигналов на входе магниторезистивного моста.
Количество витков первой и второй секций короткозамкнутой катушки, намотанных на концентратор магнитного поля, их электрофизические характеристики в совокупности с геометрическими размерами, формой и материалом указанного концентратора являются параметрами, определяющими выбор частотного диапазона работы и общего значения магнитной чувствительности комбинированного магниторезистивного датчика.
Реальная работа магниторезистивного моста (датчика) сопровождается, в случае S-образной (нечетной, линейной, но, в идеале, симметричной относительно нуля) вольт-эрстедной характеристики, смещением уровня выходного напряжения относительно нулевой отметки, обусловленного технологическими погрешностями при изготовлении тонких пленок. Посредством источника постоянного магнитного поля, располагающегося вблизи магниторезистивного моста, осуществляется симметрирование S-образной вольт-эрстедной характеристики относительно нуля, т.е. рабочая точка устанавливается в нуль. В случае четной (V-образной) вольт-эрстедной характеристики - смещение на выходе магниторезистивного моста образуется вследствие необходимости установления рабочей точки на линейном участке выбранной ветви указанной характеристики, что также достигается воздействием источника постоянного магнитного поля. В обоих случаях коррекции положения рабочей точки осуществляется преодолением источником постоянного магнитного поля экранирующего эффекта близости концентратора магнитного поля. Таким источником постоянного магнитного поля могут быть: провод или катушка с постоянным током, расположенными вблизи магниторезистивного моста; сильный магнит, размещенный вне объема, занимаемого комбинированным магниторезистивным датчиком, или микромагнит, установленный на поверхности концентратора магнитного поля в непосредственной близости от магниторезистивного моста.
Учитывая, что тонкопленочный магниторезистивный мост (магниторезистивный датчик) имеет малые размеры (площадь граней, обеспечивающих магнитную чувствительность такого моста, составляет величину порядка сотен и тысяч квадратных нанометров), можно говорить, что он регистрирует величину напряженности магнитного поля в точке. Площадь же витков первой и второй секций короткозамкнутой катушки может составлять единицы квадратных миллиметров, сантиметров и более, т.е. ими регистрируется совокупная напряженность переменного магнитного поля, преобразуемая в электрический ток, с площади в сотни и тысячи раз большей, чем у магниторезистивного моста. Тем более что это превышение возрастает при использовании концентратора магнитного поля, за счет большой величины магнитной проницаемости материала, из которого он изготовлен. Расположение провода витков первой секции от тонкопленочного магниторезистивного моста на минимальном расстоянии позволяет максимально обеспечить регистрацию вторичного магнитного поля, обусловленного наведенным в витках первой и второй секций током. В итоге можно говорить о возможном повышении магнитной чувствительности комбинированного магниторезистивного датчика в сравнении с одиночным магниторезистивным мостом (тонкопленочным магниторезистивным датчиком).
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг. 1 показан один из возможных вариантов построения комбинированного магниторезистивного датчика. На поверхности концентратора магнитного поля 1, вблизи центральной части его широкой грани закреплен тонкопленочный магниторезистивный мост 2 (магниторезистивный датчик). В поперечном направлении на концентратор 1 изолированным проводом намотаны витки первой секции 3 короткозамкнутой катушки, причем эти витки проходят над электроизолированной поверхностью магниторезистивного моста 2, пересекая ее и соприкасаясь с нею. Параллельно виткам первой секции 3 в том же направлении намотаны витки второй секций 4. Первая секция 3 и вторая секция 4 соединены гальванически в последовательную короткозамкнутую цепь таким образом, что их общая индуктивность (индуктивность короткозамкнутой катушки) равна их сумме. Обе секции 3 и 4 могут быть многослойными. Вблизи магниторезистивного моста 2 на поверхности концентратора магнитного поля 1 закреплен источник постоянного магнитного поля (микромагнит) 5. Вдоль продольной оси концентратора магнитного поля 1 действует регистрируемое переменное магнитное поле 6.
На фиг. 2 показан разрез всей конструкции в плоскости А-А. Показано, что магниторезистивный мост 2 размещен на поверхности концентратора магнитного поля 1 через первый диэлектрический слой 7, толщина которого много меньше, чем толщина концентратора магнитного поля 1. По поверхности магниторезистивного моста 2, покрытой внешним диэлектрическим слоем 8, проложены витки первой секции 3, первый слой которых непосредственно соприкасается с поверхностью диэлектрического слоя 8. Поверх первого слоя витков первой секции 3 могут находиться последующие слои витков данной секции 3.
Работа комбинированного магниторезистивного датчика осуществляется следующим образом.
Под воздействием регистрируемого переменного магнитного поля 6, колеблющегося с частотой, лежащей в рабочем диапазоне, в концентраторе магнитного поля 1 происходят колебания магнитной напряженности той же частоты, усиленные материалом указанного концентратора 1. Данные колебания напряженности магнитного поля 6, в согласии с законом электромагнитной индукции, возбуждают в витках первой 3 и второй 4 секций напряжение суммарной эдс:
m
m
μ - магнитная проницаемость материала концентратора магнитного поля 1; w - суммарное число витков первой 3 и второй секций 4; S - средняя площадь окна витка первой 3 и второй 4 секций; ω - циклическая частота колебаний переменного магнитного поля 6; H - амплитудное значение переменного магнитного поля 6, имеющего вид Н=Hcosωt. Тип колебания взят для примера (прямоугольный импульс является суммой многих подобных гармонических составляющих разной частоты). Из выражения (1) видно, что с уменьшением значения частоты ω величина е уменьшается и при ω=0 е=0, т.е., при достаточном магнитном экранировании концентратором магнитного поля 1, магниторезистивный мост 2 не будет регистрировать постоянное и инфранизкочастотное магнитное поле. Установка и стабилизация выбранного значения рабочей точки на вольт-эрстедной характеристике магниторезистивного моста 2 обеспечивается закрепленным на концентраторе магнитного поля 1 источником постоянного магнитного поля 5 (микромагнитом).
Поскольку поверхность магниторезистивного моста 2, обращенная к виткам первой секции 3 ограничена по площади, то количество витков первой секции 3 не может превышать определенного данным ограничением значения. В то же время, от количества витков первой секции 3 в совокупности с магнитными и геометрическими параметрами концентратора магнитного поля 1 (μ и S) зависит значение их общей индуктивности, что в свою очередь определяет рабочую полосу частот регистрируемых колебаний переменного магнитного поля 6. Для уменьшения значения нижней частоты рабочей полосы частот использовано увеличение значения общей индуктивности за счет включения витков второй секции 4, а так же применения в концентраторе магнитного поля 1 материала с большим значением μ (феррита, пермаллоя). Аналогичный результат может быть получен также за счет увеличения габаритов концентратора магнитного поля 1, или использования всех перечисленных факторов.
Так как первая 3 и вторая 4 секции последовательно короткозамкнуты, то, после возникновения колебаний магнитного поля в материале концентратора магнитного поля 1, в них потечет наведенный переменный ток, силой, пропорциональной величине наведенной эдс и обратно пропорциональный общему резистивному (активному) сопротивлению провода, которым намотаны первая 3 и вторая 4 секции. Электрический ток в витках первой секции 3 индуцирует вокруг себя вторичное магнитное поле, пропорциональное количеству витков первой секции 3. Очевидно, что величина вторичного магнитного поля в области магниторезистивного моста 2 будет зависеть от степени удаленности каждого слоя витков первой секции 3 от поверхности магниторезистивного моста 2, т.е. от толщины внешнего диэлектрического слоя 8. Наиболее эффективно воздействовать на магниторезистивный мост 2 будут витки первого слоя первой секции 3. С удалением слоев первой секции 3 от поверхности магниторезистивного моста 2, их влияние уменьшается обратно пропорционально данному удалению. Таким образом, после преобразования магнитной напряженности вторичного магнитного поля на выходе магниторезистивного моста 2 будет сформировано переменное выходное напряжение, пропорциональное регистрируемому переменному магнитному полю 6.
Из сказанного выше следует, что максимальное сближение провода витков первой секции с магниторезистивным мостом обеспечивает максимальную эффективность преобразования вторичного магнитного поля в напряжение. Техническим решением, позволяющим осуществить еще более эффективное влияние наведенного в первой секции тока на магниторезистивный мост можно получить, включив в разрыв одного из двух проводников, соединяющих первую и вторую секции в единую короткозамкнутую катушку, управляющего магниторезистивным мостом проводника. Для чего управляющий проводник выполнен по тонкопленочной технологии, как и магниторезистивный мост, и проложен на минимальном расстоянии от указанного моста, которое определяется возможностями использованной планарной технологии. Гальваническое включение управляющего проводника проведено таким образом, что наведенный ток в витках первой секции и в управляющем проводнике обеспечивают суммарное влияние на магниторезистивный мост.
Данное техническое решение иллюстрируется чертежами фиг. 3 и фиг. 4. На фиг. 3 представлен второй вариант построения комбинированного магниторезистивного датчика, отличающийся от варианта фиг. 1 тем, что тонкопленочный магниторезистивный мост 2 (магниторезистивный датчик) выполнен вместе с управляющим проводником 10 как единое целое, по одной технологии. При этом расстояние между управляющим проводником 10 и магниторезистивным мостом 2, определяемое вторым диэлектрическим слоем 9, минимальное, допустимое примененными технологическими нормами. Управляющий проводник 10 гальванически подключен своим входным контактом 10а к выходному концу 3б первой секции 3 и своим выходным контактом 10б к входному концу 4а второй секции 4.
Рисунок фиг. 4 показывает сечение конструкции комбинированного магниторезистивного датчика по плоскости Б-Б. На поверхность концентратора магнитного поля 1 нанесен первый диэлектрический слой 7 (электроизолятор). Далее, на первом диэлектрическом слое 7 сформирован тонкопленочный магниторезистивный мост 2, поверх которого проложен второй диэлектрический слой 9 (минимально допустимой толщины), а за ним - управляющий проводник 10 и внешний диэлектрический слой 8. Ось чувствительности 11 магниторезистивного моста 2 направлена вдоль поверхности и вдоль продольной оси симметрии концентратора магнитного поля 1. При выбранном направлении тока 12 в витках первой секции 3 вокруг витков возникает вторичное магнитное поле 13, а вокруг управляющего проводника 10 - вторичное магнитной поле 14.
Представленное на фиг. 3 включение управляющего проводника 9 в общую последовательную цепь с первой 3 и второй 4 секциями обеспечивает совпадение направления и фазы колебаний тока, протекающего в витках первой секции 3 и в управляющем проводнике 10. Это, в свою очередь, приводит к сложению вторичных магнитных полей 13 и 14 управляющего проводника 10 и первой секции 3.
Очевидно, что близость магниторезистивного моста 2 к поверхности концентратора магнитного поля 1 может создать магнитное шунтирование магниторезистивного моста 2, особенно уменьшив величину вторичного поля 14. Поэтому толщина первого диэлектрического слоя 7 сделана большей, чем толщина второго диэлектрического слоя 9, по крайней мере, в пять-десять раз, оставаясь при этом много меньше толщины концентратора магнитного поля 1.
-6
-6
На фиг. 5 представлены эпюры напряжений, полученных с разных магнитных преобразователей при одном уровне напряженности магнитных импульсов (меандр частотой 2 кГц) 15 и одинаковой дальности от источника магнитного поля до указанных преобразователей. Фиг. 5а иллюстрирует вид импульсов напряжения 16 (меандра, аналогичного по форме магнитным импульсам 15) на выходе магниторезистивного моста (тонкопленочного магниторезистивного датчика). На фиг. 5б представлен вид выходного напряжения 17 с входного и выходного концов катушки, которая состоит из первой и второй секций, последовательно соединенных между собой, а концентратор магнитного поля выполнен из ферритового стержня 3×20×110 мм. Вид выходного напряжения 17 - дифференцированные импульсы. На фиг. 5в показан результат преобразования магнитных импульсов 15 в импульсы выходного напряжения 18 комбинированным магниторезистивным датчиком. Последний состоит из упомянутых выше ферритовой двухсекционной катушки с соотношением числа витков первой секции ко второй как 1/2, и магниторезистивного моста (тонкопленочного магниторезистивного датчика). Управляющий проводник магниторезистивного моста включен в короткозамкнутую последовательную цепь из первой и второй секций. Магниторезистивный мост размером 2×2×3⋅10 мм закреплен под витками первой секции на поверхности широкой грани ферритового стержня. Первый диэлектрический слой составил величину 0,9 мм. Толщина второго диэлектрического слоя 10 м.
Источник постоянного магнитного поля в виде микромагнита, использованный для установки рабочей точки магниторезистивного моста, был размещен на поверхности ферритового концентратора между первой и второй секциями.
Сравнительные результаты преобразовательных свойств комбинированных магниторезистивных датчиков, у которых концентраторы были выполнены из феррита и ферромагнитного сплава - пермаллоя, при примерно равных габаритных размерах, показали, что во втором случае значение нижней частоты работы комбинированного датчика снижается примерно на порядок величины.
Магниторезистивный мост с анизотропным магниторезистивным эффектом, использованный в экспериментальных проверках, описанных выше, имел значение относительной магнитной чувствительности S=0,5 мВ/(В⋅Э) и S-образного вида статическую вольт-эрстедную характеристику. Использование магниторезистивного моста с гигантским магниторезистивным эффектом (магниторезистивного датчика фирмы NVE, США), имеющим
S=13 мВ/(В⋅Э) и V-образную статическую вольт-эрстедную характеристику, показал сходные результаты, но без включения в цепь первой и второй секций управляющего проводника.
Оценка магнитного экранирования в комбинированном магниторезистивном датчике проводилась перемещением под горизонтально расположенным ферритовым концентратором магнитного поля указанного датчика сомарий-кобальтового магнита в виде диска диаметром 32 мм и толщиной 7 мм, на расстоянии 30 мм от нижней грани концентратора магнитного поля. В этом случае магниторезистивный мост находился на противоположной (верхней) грани ферритового концентратора. На уровне последовательности импульсов напряжения, идущих с частотой колебаний 2 кГц с выхода магниторезистивного моста, видимых искажений формы сигнала и смещения рабочей точки магниторезистивного моста не наблюдалось. При работе магниторезистивного моста в режиме собственно тонкопленочного магниторезистивного датчика, приближение к нему сомарий-кобальтового магнита на расстояние 100-200 мм приводит к искажениям формы сигналов и смещению рабочей точки на участок насыщения статической вольт-эрстедной характеристики.