МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК ТОКА
MAGNETORESISTIVE CURRENT SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах бесконтактного контроля и измерения электрического тока.
Известен магниторезистивный датчик тока, содержащий следующие, электрически изолированные друг от друга и от подложки функциональные элементы: замкнутую мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки магнитомягкого 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, проводники перемагничивания и управления, сформированные из пленки немагнитного металла в виде плоской прямоугольной петли или плоской прямоугольной катушки (Патент РФ №2533747 C1, МКИ G01R 33/09, H01L 43/08).
В известном датчике тока магниторезисторы расположены парами в два ряда, 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. В таком датчике векторы магнитной индукции поля, созданного током, проходящим по рабочим полоскам проводников управления и перемагничивания, в местах расположения магниторезисторов взаимно перпендикулярны и направлены в противоположные стороны, причем магнитное поле, возникающее вокруг рабочих полосок проводника перемагничивания, параллельно оси легкого намагничивания пленки, из которой изготовлены магниторезисторы. Благодаря такому техническому решению намагниченность магниторезисторов после прохождения импульса тока по проводнику перемагничивания устанавливается вдоль оси легкого намагничивания 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 магниторезисторов в противоположные стороны. В результате сопротивление магниторезисторов в соседних плечах моста также изменяется в противоположные стороны, что вызывает изменение выходного сигнала мостовой схемы пропорционально току в проводнике управления. При этом внешнее одноосное магнитное поле разворачивает одинаково направленную намагниченность соседних магниторезисторов в одну сторону и тем самым изменяет сопротивление магниторезисторов в одну сторону и практически не влияет на выходной сигнал мостовой схемы.
Недостатком известного датчика является наличие проводника перемагничивания и необходимость периодического пропускания по нему импульсов тока, что усложняет конструкцию и электрическую схему датчика, повышает его энергопотребление.
Прототипом предлагаемого технического решения является магниторезистивный датчик тока, содержащий мостовую измерительную схему из четырех тонкопленочных магниторезисторов, в виде полосок, имеющих ось легкого намагничивания, проводник управления, расположенный поверх магниторезисторов и изолированный от них слоем диэлектрика, и магнитную систему из нескольких постоянных микромагнитов, создающую однородное магнитное поле в плоскости расположения магниторезисторов перпендикулярно их оси легкого намагничивания (Патент РФ №2216823 С1, МКИ H01L 43/08).
В известном датчике магниторезисторы сформированы методами фотолитографии из пленки ферромагнитного металла в виде параллельных друг другу полосок, ориентированных вдоль оси легкого намагничивания исходной пленки и расположенных парами в два ряда. Однородное магнитное поле, созданное постоянными микромагнитами, ориентировано перпендикулярно длине полосок, благодаря чему в отсутствие тока в проводнике управления намагниченность всех магниторезисторов развернута на некоторый угол к длине полосок. Проводник управления изготовлен из пленки немагнитного металла, имеет форму петли, рабочие полоски которой расположены поверх магниторезисторов и соединены таким образом, что магнитное поле, возникающее при прохождении по ним тока, разворачивает намагниченность магниторезисторов в соседних плечах мостовой схемы в разные стороны, благодаря чему на выходе мостовой схемы появляется сигнал, пропорциональный значению тока в проводнике управления.
Недостатком известного датчика является значительный разброс от образца к образцу основных параметров его функции преобразования (начального сигнала и коэффициента преобразования). Указанный разброс вызван сильной зависимостью начального сигнала и коэффициента преобразования датчика от абсолютного значения магнитной индукции поля, созданного микромагнитами в месте расположения магниторезисторов. В отсутствие тока в проводнике управления магнитная индукции поля микромагнитов определяет угол поворота намагниченности ферромагнитных полосок магниторезисторов. Наиболее оптимальным углом между намагниченностью полосок в соседних плечах моста и направлением тока является угол 45°. В этом случае при появлении в проводнике управления тока изменение сопротивления магниторезисторов в противоположных плечах моста одинаково по абсолютной величине и различно по знаку, что обеспечивает максимальное значение коэффициента преобразования датчика. Незначительное изменение магнитной индукции поля микромагнитов в месте расположения магниторезисторов значительно изменяет угол между намагниченностью полосок в соседних плечах моста и направлением тока и тем самым изменяет начальный сигнал и коэффициент преобразования датчика. Наблюдаемый на практике значительный разброс начального сигнала и коэффициента преобразования различных образцов известных датчиков обусловлен разбросом намагниченности микромагнитов.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является уменьшение разброса начального сигнала и коэффициента преобразования датчиков от образца к образцу, вызванного разбросом магнитной индукции поля микромагнитов в месте расположения магниторезисторов. Дополнительной задачей, решаемой настоящим изобретением, является уменьшение габаритных размеров датчиков.
Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном датчике тока, содержащем мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла в виде параллельных друг другу полосок, имеющих ось легкого намагничивания, проводник управления из немагнитного металла, рабочие полоски которого расположены над или под магниторезисторами и изолированы от них слоем диэлектрика, магнитную систему из нескольких постоянных микромагнитов, создающих однородное магнитное поле в плоскости расположения магниторезисторов, ось легкого намагничивания полосок магниторезисторов ориентирована под углом 45° к их длине, а система микромагнитов создает однородное магнитное поле вдоль оси легкого намагничивания.
Кроме того, магниторезисторы расположены в один ряд, а проводник управления представляет собой меандр или плоскую катушку, рабочие полоски которой соединены между собой так, что магнитное поле, возникающее при прохождении тока по проводнику управления в местах расположения соседних магниторезисторов мостовой схемы, ориентировано в противоположные стороны.
Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве вектор магнитной индукции поля микромагнитов и вектор намагниченности полосок магниторезисторов параллельны друг другу и ориентированы в одном направлении. При этом в отсутствие тока в проводнике управления угол между намагниченностью полосок и их длиной составляет 45°. Благодаря такому техническому решению в отсутствие тока в проводнике управления разброс значений магнитной индукции поля подмагничивания микромагнитов не влияет на ориентацию намагниченности магниторезисторов и начальный сигнал датчика не зависит от индукции поля микромагнитов. Кроме того, значительно уменьшается зависимость коэффициента преобразования датчика от индукции поля микромагнитов.
На фиг. 1 представлен датчик с проводником управления в виде меандра, рабочие полоски которого накрывают все полоски каждого магниторезистора (вид сверху).
На фиг. 2 представлен датчик с проводником управления в виде плоской катушки, рабочие полоски которой проходят над каждой полоской магниторезистора.
Измерительная схема магниторезистивного датчика тока (фиг. 1) представляет собой замкнутый мост, содержащий четыре магниторезистора R1, R2, R3 и R4 и контактные площадки 1-4. Магниторезисторы выполнены в виде параллельных друг другу полосок из ферромагнитного металла, соединенных низкорезистивными перемычками из немагнитного металла и ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной ферромагнитной пленки. Как видно из фиг. 1 и фиг. 2, магниторезисторы расположены в один ряд, что обеспечивает уменьшение габаритных размеров датчика.
Проводник управления 5 датчика, показанного на фиг. 1, изготовлен в виде меандра, а показанного на фиг. 2 - в виде плоской катушки. Рабочие полоски проводника управления 6 расположены над полосками магниторезисторов и в обоих случаях соединены между собой так, что магнитное поле, возникающее при прохождении по ним тока, в месте расположения одного магниторезистора ориентировано в одну сторону, а в местах расположения соседних магниторезисторов - в противоположные стороны. С помощью контактных площадок 7 и 8 проводник управления подключается к контролируемой электрической цепи. Мостовая измерительная схема датчика размещена между северным N и южным S полюсами микромагнитов 9 и 10.
Предлагаемый магниторезистивный датчик тока работает следующим образом. Мостовая измерительная схема с помощью контактных площадок 1 и 3 подключается к источнику электрического питания (например, генератору напряжения), а с помощью контактных площадок 2 и 4 - к измерительному прибору (например, вольтметру). В отсутствие тока в проводнике управления векторы намагниченности полосок, из которых состоят магниторезисторы, ориентированы вдоль ОЛН, как показано на фиг. 1. При появлении электрического тока в проводнике управления возникающее вокруг его рабочих полосок магнитное поле разворачивает векторы намагниченности магниторезисторов в соседних плечах моста в противоположные стороны (фиг. 1). При этом сопротивление магниторезисторов R1 и R3 изменяется в одну сторону (например, уменьшается), магниторезисторов R2 и R4 - в другую сторону (например, увеличивается). В результате выходной сигнал магниторезистивного датчика изменяется пропорционально значению тока в проводнике управления. В то же время внешнее магнитное поле практически не влияет выходной сигнал датчика, поскольку оно разворачивает намагниченность всех четырех магниторезисторов в одну сторону и тем самым одинаково изменяет сопротивление всех четырех магниторезисторов.
Экспериментальное исследование зависимости начального сигнала и коэффициента преобразования предлагаемого датчика от магнитной индукции поля микромагнитов показало, что указанные параметры функции преобразования датчика практически не изменяются при значениях магнитной индукции поля подмагничивания в пределах от 0,8 до 2,0 мТл. Заявляемое техническое решение позволяет в 3-5 раз уменьшить разброс значений начального сигнала и коэффициента преобразования магниторезистивного датчика тока от образца к образцу.