СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ
METHOD FOR IMPROVEMENT OF SENSITIVITY PARAMETER OF MAGNETORESISTIVE SENSORS

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;
0
U - напряжение питания моста.
0
0
Из выражения (1) видно, что при увеличении напряжения питания моста U в силу прямопропорциональной зависимости увеличивается приращение напряжения U, что по определению увеличивает чувствительность магниторезистивного датчика. Одновременно с этим увеличение U 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.
0
где U - 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;
**
Umax - 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).
0
где R - сопротивление магниторезистивного элемента пленки вне действия магнитного поля;
I - электрический ток, протекающий через измерительную диагональ измерительного моста (моста Уинстона);
µ - подвижность носителей зарядов;
0
B - 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.
0_set
0_reset
После считывания и регистрации отклика магниторезистивного сенсорного модуля U 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 U, 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
C<sub>0</sub>
C<sub>подм</sub>
C<sub>пит</sub>
50
425×10<sup>-6</sup>α*
170×10<sup>-4</sup>α*
220×10<sup>-4</sup>α*
2
*α=µ, где: µ - подвижность носителей зарядов в материале магниторезистивного датчика.
-6
-4
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 425×10α*, а с применением 220×10α*. 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.