МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ТОКА
MAGNETORESISTIVE CURRENT SENSOR

Изобретение относится к устройствам, а именно к магниторезистивным датчикам, основанным на использовании анизотропного магниторезистивного эффекта, и может быть использовано в измерительной технике в устройствах бесконтактного контроля и измерения электрических токов.
Известен магниторезистивный датчик магнитного поля с нечетной передаточной характеристикой, содержащий мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла (Патент US №4847584, МКИ H01L 43/00).
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 ориентированы 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.
Прототипом предлагаемого технического решения является магниторезистивный датчик, содержащий следующие, электрически изолированные друг от друга и от подложки, функциональные элементы: замкнутую мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла в виде параллельных друг другу полосок, ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания исходной пленки и закороченных последовательно перемычками из немагнитного металла, проводник перемагничивания, сформированный в виде меандра из пленки немагнитного металла, и проводник управления, сформированный в виде плоской катушки из пленки немагнитного металла (Патент РФ №2279737 С1, МКИ H01L 43/08). В этом датчике полоски ферромагнитного металла, образующие магниторезисторы, сгруппированы в четыре параллельных друг другу ряда, а четыре рабочие полоски меандра проводника перемагничивания расположены над четырьмя магниторезисторами. Благодаря такому решению после прохождения импульса тока по проводнику перемагничивания намагниченность полосок в соседних плечах моста устанавливается вдоль ОЛН и ориентирована в противоположные стороны. В отсутствие внешнего магнитного поля угол между направлением тока и намагниченностью полосок в соседних плечах моста составляет примерно ±45°, а при появлении внешнего 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.
Известный магниторезистивный датчик может использоваться не только для измерения внешнего магнитного поля, но и для бесконтактного измерения тока в проводнике (катушке) управления. При появлении в проводнике управления электрического тока, благодаря возникающему вокруг его рабочих полосок одноосному магнитному полю на выходной диагонали мостовой измерительной схемы появляется выходной сигнал (изменение разности потенциалов на диагонали мостовой схемы), пропорциональный значению тока в проводнике управления.
Недостатком такого датчика, при его использовании в качестве датчика тока, является большая погрешность, вызванная влиянием внешнего магнитного поля на результаты измерения тока.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является уменьшение погрешности измерения тока, вызванной влиянием внешнего магнитного поля.
Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном датчике тока, содержащем мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла в виде полосок, закороченных последовательно перемычками из низкорезистивного немагнитного металла и ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки, имеющем проводники перемагничивапия и управления, сформированные из пленки немагнитного металла, магниторезисторы мостовой измерительной схемы расположены парами в два ряда, а проводники перемагничивания и управления выполнены в виде плоской прямоугольной петли или плоской прямоугольной катушки, рабочие полоски которых перпендикулярны друг другу и расположены над парами магниторезисторов так, что векторы магнитной индукции поля, возникающего в месте расположения магниторезисторов при прохождении тока по проводникам перемагничивания и управления, направлены в противоположные стороны, причем рабочие полоски проводника управления параллельны оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы.
Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве при прохождении тока по рабочим полоскам проводников управления и перемагничивания векторы магнитной индукции поля, создаваемого им, в местах расположения магниторезисторов взаимно перпендикулярны и направлены в противоположные стороны, причем магнитное поле, возникающее вокруг рабочих полосок проводника перемагничивания, параллельно ОЛН пленки, из которой изготовлены магниторезисторы. Благодаря такому техническому решению намагниченность магниторезисторов после прохождения импульса тока по проводнику перемагничивания устанавливается вдоль ОЛН исходной ферромагнитной пленки, причем в соседних плечах мостовой схемы она ориентирована в противоположные стороны. При появлении тока в проводнике управления магнитное поле вокруг его рабочих полосок ориентировано в противоположные стороны, благодаря чему оно, в свою очередь, разворачивает одинаково направленную намагниченность соседних магниторезиторов в противоположные стороны. В результате сопротивление магниторезисторов в соседних плечах моста также изменяется в противоположные стороны, что вызывает изменение выходного сигнала мостовой схемы пропорционально измеряемому току в проводнике. При этом, внешнее одноосное магнитное поле разворачивает одинаково направленную намагниченность соседних магниторезиторов в одну сторону и тем самым изменяет сопротивление магниторезисторов в одну сторону и практически не влияет на выходной сигнал мостовой схемы.
На фиг.1 представлена в разрезе структура датчика. На фиг.2 показан топологический рисунок датчика (вид сверху).
Магниторезистивный датчик тока (фиг.1) содержит подложку 1, на которой расположены следующие функциональные элементы магниторезистивного датчика: пленочные магниторезисторы, состоящие из слоя ферромагнитного металла 2 и защитных слоев 3 и 4, проводники перемагничивания 5 и управления 6, сформированные из пленки немагнитного металла. Все функциональные элементы изолированы диэлектриком 7 друг от друга и подложки.
Измерительная схема магниторезистивного датчика тока (фиг.2) представляет собой замкнутый мост, содержащий четыре магниторезистора R1, R2, R3 и R4 и контактные площадки 8-11. Магниторезисторы выполнены в виде коротких полосок ферромагнитного металла, соединенных низкорезистивными перемычками из немагнитного металла и ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки. Проводник перемагничивания 5 имеет контактные площадки 12 и 13 и сформирован в виде прямоугольной петли, рабочие полоски которой расположены над магниторезисторами так, что ток, протекающий над разными парами магнитрезисторов направлен в противоположные стороны. Проводник управления 6 сформирован в виде прямоугольной планарной катушки и содержит контактные площадки 14 и 15. Рабочие полоски проводника управления расположены над магниторезисторами и ориентированы вдоль ОЛН ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы.
Предлагаемый магниторезистивный датчик тока работает следующим образом. Мостовая измерительная схема с помощью контактных площадок 8 и 10 подключается к генератору напряжения, а с помощью контактных площадок 9 и 11 к измерительному прибору (например, вольтметру). При отсутствии внешнего магнитного 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 12 и 13 в проводник перемагничивания 5 короткого импульса тока создаваемое им магнитное поле будет действовать вдоль ОЛН на полоски магниторезисторов R1 и R4 в одном направлении, а на полоски магниторезисторов R2 и R3 - в противоположном направлении. Под действием магнитного поля, созданного импульсом тока в проводнике перемагничивания, векторы намагниченности полосок в магниторезисторах R1 и R2 и магниторезисторах R3 и R4 установятся в противоположных направлениях. Установившийся после прохождения такого импульса тока выходной сигнал мостовой измерительной схемы является начальным выходным сигналом магниторезистивного датчика.
При появлении электрического тока в катушке управления, возникающее вокруг ее рабочих полосок магнитное поле разворачивает векторы намагниченности магниторезисторов в противоположные стороны. При этом сопротивление магниторезисторов R1 и R3 изменяется в одну сторону (например, увеличивается), магниторезисторов R2 и R4 - в другую сторону (например, уменьшается). В результате выходной сигнал магниторезистивного датчика изменяется пропорционально значению тока в проводнике управления.
Внешнее одноосное магнитное поле разворачивает намагниченность и, соответственно, изменяет сопротивление всех четырех магниторезисторов в одну сторону, благодаря чему практически не влияет на выходной сигнал магниторезистивного датчика. Заявляемое техническое решение позволяет на порядок уменьшить влияние внешнего магнитного поля на выходной сигнал магниторезистивного датчика.