ВИБРОДАТЧИК
VIBRATION DETECTOR

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для регистрации вибрации и измерения параметров вибрации, в том числе вибрации с субмикронной амплитудой.
Известны датчики вибрации, содержащие постоянный магнит, закрепленный на упругой пластине вблизи электромагнитной катушки, в которой при вибрациях и вызываемых ими колебаниях магнита возникает э.д.с. [US 4338823]. Известны также вибродатчики, в которых от вибрации меняется разрыв магнитопровода [US 4290301], в том числе с помощью упругих консолей [US 4379404]. Недостатком их являются большие габариты низкая чувствительность к вибрациям с субмикронными амплитудами.
Известны вибродатчики в микроэлектромеханическом исполнении, которые чувствительны к вибрации с малой амплитудой, благодаря собственным малым размерам (В.И. Ваганов. Интегральные тензопреобразователи. Акселерометр; S. Gonseth, P. Zwahlen, О. Dietrich, G. Perregaux, R. Frosio, F. Rudolf, B. Dutoit. Breakthrough in High-end MEMS Accelerometers Symposium Gyro Technology Karlsruhe, Germany 2010). Недостатком их является ограниченная возможность регулировки чувствительности, а при использовании тензо- или пеьзодатчиков еще и деградация.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются вибродатчики, содержащие источник магнитного поля, упругий элемент и датчик магнитного поля в виде магниторезистивного элемента [ЕР 0675669, US 5450372].
Недостатком их является то, что они чувствительны к внешним электромагнитным полям, а также низкая чувствительность при малых амплитудах вибрации, связанная с малым изменением магнитного поля в пределах области колебаний магниторезистивного элемента.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности вибродатчика, особенно при малых амплитудах вибрации, а также уменьшение влияния внешних электромагнитных полей.
Требуемый технический результат - повышение чувствительности и уменьшение влияния электромагнитных помех - в предлагаемом изобретении достигается тем, что вибродатчик выполнен в микроэлектромеханическом исполнении (МЭМС-исполнении) и содержит:
- электро-, постоянный или комбинированный магнит с хотя бы одной плоской полюсной областью (с плоским полюсом или с плоскими параллельными друг другу полюсами) толщиной d<10A, где A - минимальная амплитуда контролируемой вибрации, позволяющей создать в вблизи полюса магнитное поле, симметричное плоскости, параллельной плоскости полюса;
- расположенный (в положении равновесия) в той же плоскости (в плоскости симметрии магнитного поля, параллельной плоскому полюсу магнита) в разрыве магнитопровода плоский упругий элемент, выполненный с возможностью колебаний, при вибрациях, с амплитудой B<2d относительно магнита и имеющий толщину от 0,1d до 5d;
- одинаковые магниторезистивные элементы, выполненные на противоположных поверхностях упругого элемента или несколько подобных пар, которые могут отличаться друг от друга или быть одинаковыми.
- средства управления и регистрации.
При воздействии вибрации упругий элемент колеблется относительно плоскости симметрии магнитного поля, и магниторезистивные элементы при этом проходят области с разными величинами электромагнитной индукции, т.к. магнитное поле плоского магнита резко неоднородно в направлении по нормали к его плоскости. Причем, когда один из магниторезистивных элементов перемещается в область с меньшей индукцией магнитного поля, другой перемещается в область с большей индукцией.
При амплитудах колебаний магниторезистивных элементов порядка В (В<2d) изменение величин их электрического сопротивления будет происходить в противоположных направлениях. Влияние же внешних магнитных полей на оба магниторезистивных элемента одинаково. Эти два последних обстоятельства позволяют, в вариантах исполнения, легко выделить полезный сигнал известными способами (например, включением этих элементов в разные плечи измерительного моста, включением их в виде делителя напряжения и т.п.).
Благодаря МЭМС-исполнению толщина полюса магнита d и размеры (в направлении колебаний) упругого и магниторезистивных элементов могут иметь субмикронные размеры, что позволяет регистрировать вибрацию с субмикронной амплитудой.
Магниторезистивные элементы могут быть выполнены разной конструкции, разной геометрии, из разных материалов и на основе разных физических эффектов, приводящих к изменению сопротивления материала или структуры при изменении величины или направления магнитного поля.
В варианте изобретения с постоянным магнитом последний может находиться с одной стороны от упругого элемента, или состоять из отдельных частей, расположенных с двух сторон упругого элемента, или быть подковообразным, или иметь иную форму, а также может быть снабжен катушкой намагничивания или выполнен с возможностью намагничивания внешним магнитным полем.
В варианте с комбинированным магнитом вибродатчик содержит либо раздельные электро- и постоянный магниты, либо электро- и постоянный магниты с общим магнитопроводом (с последовательно или параллельно соединенными частями, например), и магнитное поле в области магниторезисторов является суперпозицией полей, создаваемых электро- и постоянным магнитами.
Вариант вибродатчика с комбинированным магнитом позволяет уменьшить расход энергии в случае, когда для измерений достаточно поля постоянного магнита, и включать питание магнита для увеличения чувствительности (переключения пределов измерений) или для модулирования сигнала. Этот вариант позволяет также менять направление намагничивания постоянного магнита или размагничивать его.
На фиг.1 схематически (без средств управления и регистрации, без изолирующих и вспомогательных слоев и т.п.) изображен вариант предлагаемого микроэлектромеханического магниторезистивного вибродатчика в разрезе, а на фиг.2 - в плане. Цифрами обозначены:
1 - подложка,
2 - магнит,
3 - упругий элемент,
4 - магниторезистивные элементы,
5 - обмотка магнита.
Примером конкретного исполнения может служить вибродатчик для контроля высокочастотных (>30 кГц) колебаний, выполненный в кремнии по планарной технологии, у которого:
2
- упругий элемент выполнен в виде кремниевой консоли длиной 1 мм, толщиной 2 мкм, шириной 40 мкм, с диэлектрическим покрытием из SiO толщиной 0,3 мкм,
- магниторезистивные элементы выполнены в виде тонкопленочных дорожек шириной 10 мкм в виде вытянутого в направлении полюсов магнита меандра из пермаллоя толщиной 0,3 мкм и длиной 200 мкм каждая на противоположных поверхностях консоли,
- магнит выполнен подковообразным из слоя пермаллоя толщиной 3 мкм, шириной 100 мкм, общей длиной (подковы) 400 мкм,
2
3
- обмотка выполнена по планарной технологии [например, Стефанус Бутгенбах и Волкер Сейдман. Катушки индуктивности для МЭМС. Институт микротехнологий, Технический университет Брауншвейга, Германия] из 20 витков алюминия, изолированного от пермаллоя слоем AlO толщиной 0,2 мкм, толщина витков 1 мкм, ширина - 2 мкм.
Использованный в данном примере материал, пермаллой, характеризуется анизотропностью магнетосопротивления, и магниторезистор имеет максимальное сопротивление в положении, близком к оси магнита, уменьшающееся при смещении в область расходящихся линий магнитного поля. Второй магниторезистор работает практически в противофазе первому. Поле описанного тонкопленочного магнита существенно неоднородно, что повышает чувствительность вибродатчика.
Частота собственных колебаний консоли такого вибродатчика - порядка 1 кГц, что обеспечивает проведение количественных измерений при указанных выше высоких частотах.
Магниторезисторы с двух сторон упругого элемента подключены в виде делителя приложенного к ним постоянного напряжения: при колебаниях упругого элемента сопротивления магниторезисторов на разных его сторонах меняются в противофазе, поэтому колебание потенциала в средней точке делителя имеет амплитуду большую, чем при использовании только одного колеблющегося магниторезистора. Так как внешние поля (помехи) действуют на магниторезисторы одинаково, их влияние на потенциал средней точки компенсируется синфазным изменением сопротивлений магниторезисторов.
Похожим примером исполнения является вибродатчик, в котором - при таких же прочих параметрах - магниторезистивные элементы выполнены из материала, сопротивление которого чувствительно к величине поперечного току магнитного поля. В нем дорожки магниторезистивных элементов выполнены в виде меандра, вытянутого не в направлении полюсов магнита, а перпендикулярно этому направлению, чтобы большая протяженность дорожек подвергалась действию поперечного поля.
В случае использования в качестве магниторезистивных элементов многослойных спинтронных структур (слои могут быть параллельны или перпендикулярны поверхности упругого элемента) они могут быть выполнены сплошными (не в виде дорожек) с контактами к крайним слоям.
Технология изготовления предлагаемого вибродатчика не выходит за пределы хорошо освоенной планарной технологии, используемые материалы хорошо исследованы и доступны, чувствительность и помехоустойчивость вибродатчика высоки, в т.ч. и при малых амплитудах вибрации, а вес, размеры и стоимость малы, что расширяет возможности применения.