МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК
MAGNETORESISTIVE SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к магниторезистивным датчикам, основанным на использовании анизотропного магниторезистивного эффекта, и может быть использовано в устройствах контроля напряженности магнитного поля и бесконтактного контроля электрического тока.
Известен магниторезистивный датчик напряженности 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 сплава, ориентированные вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки и соединенные последовательно низкорезистивными перемычками из немагнитного металла. 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 выходного сигнала (разбаланса) мостовой измерительной схемы.
Недостатком такого датчика является технологическая сложность создания полос Барбера.
Прототипом предлагаемого технического решения является магниторезистивный датчик напряженности магнитного поля с нечетной передаточной характеристикой содержащий следующие электрически изолированные друг от друга и от подложки функциональные элементы: замкнутую мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки магнитомягкого ферромагнитного сплава, проводник перемагничивания, сформированный в виде меандра из пленки немагнитного металла, и проводник управления, сформированный в виде плоской катушки из пленки немагнитного металла (Патент РФ №2561762 C1, МКИ Н01L 43/08).
В известном датчике магниторезисторы представляют собой четыре ряда параллельных друг другу магниторезистивных полосок, сформированных из тонкой пленки магнитомягкого ферромагнитного сплава, соединенных последовательно низкорезистивными перемычками из немагнитного металла. При этом в одной паре соседних магниторезисторов полоски ориентированы к оси легкого намагничивания исходной пленки под углом +45°, а в другой паре - под углом -45°. Проводник перемагничивания имеет форму меандра, четыре рабочие полоски которого расположены над магниторезисторами, а одна дополнительная полоска проходит между парами магниторезисторов. Благодаря такому решению ток в рабочих полосках проводника перемагничивания, симметричных относительно дополнительной полоски, направлен в одинаковую сторону. После прохождения импульса тока по такому проводнику намагниченность полосок магниторезисторов устанавливается вдоль ОЛН и ориентирована в резисторах, симметричных относительно дополнительной полоски, в противоположные стороны. При воздействии внешнего магнитного поля, направленного поперек ОЛН, все вектора намагниченности полосок поворачиваются в его направлении, причем в двух магниторезисторах угол между вектором намагниченности и направлением тока в полосках увеличивается, а в двух других уменьшается. Благодаря этому сопротивление магниторезисторов изменяется в разные стороны (у двух увеличивается, а у двух других уменьшается). Магниторезисторы соединены в мостовую измерительную схему полосками из немагнитного металла таким образом, чтобы сопротивление соседних плеч мостовой измерительной схемы изменялось в противоположные стороны. Такой датчик обладает нечетной, практически линейной передаточной характеристикой в диапазоне изменения напряженности магнитного поля ±6 Э.
Недостатком прототипа является низкая чувствительность его измерительной схемы к напряженности магнитного поля.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является повышение чувствительности к напряженности магнитного поля мостовой измерительной схемы датчика, магниторезисторы которого состоят из полосок, ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания.
Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном датчике, содержащем мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из тонкой пленки ферромагнитного сплава в виде четырех рядов, состоящих из параллельных друг другу магниторезистивных полосок, закороченных последовательно перемычками из низкорезистивного немагнитного металла и ориентированных к оси легкого намагничивания исходной пленки ферромагнитного сплава в одной паре соседних магниторезисторов под углом +45°, а в другой паре под углом -45°, установлены требования к соотношению между шириной и толщиной магниторезтстивных полосок, а именно в предлагаемом датчике отношение ширины магниторезистивных полосок b к их толщине h удовлетворяет соотношению b/h≥1500.
Сущность изобретения заключается в том, что увеличение отношения ширины магниторезистивных полосок b к их толщине h позволяет увеличить коэффициент передачи мостовой измерительной схемы датчика, магниторезисторы которого состоят из полосок, ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания. При выполнении соотношения b/h≥1500 коэффициент передачи мостовой схемы практически достигает максимального значения.
На фиг. 1 показан топологический рисунок датчика (вид сверху).
На фиг. 2 показана экспериментально полученная зависимость коэффициента передачи мостовой измерительной схемы датчика S от отношения b/h.
Измерительная схема магниторезистивного датчика представляет собой замкнутый мост, содержащий четыре магниторезистора R1, R2, R3 и R4 в виде параллельных друг другу полосок ферромагнитного сплава, соединенных низкорезистивными перемычками из немагнитного металла, и контактные площадки 1, 2, 3 и 4. Полоски имеют ширину 56 мкм и изготовлены из пленки магнитомягкого ферромагнитного сплава толщиной (20-30) нм. Таким образом, отношение ширины b магниторезистивных полосок к их толщине h может находиться в пределах от 1800 до 2800. Полоски ферромагнитного металла во всех магниторезисторах ориентированы под углом 45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной пленки, причем полоски в паре (R1, R2) перпендикулярны полоскам в паре (R3, R4). Проводник перемагничивания 5 содержит контактные площадки 6 и 7 и имеет форму меандра, рабочие полоски которого проходят над магниторезисторами R1, R2, R3 и R4, а дополнительная полоска расположена между парами магниторезисторов (R1, R2) и (R3, R4). Проводник управления сформирован в виде планарной катушки и содержит контактные площадки 8 и 9. Рабочие полоски проводника управления расположены над магниторезисторами и ориентированы вдоль ОЛН ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы. Нерабочие полоски проводника управления для уменьшения размеров датчика расположены по обе стороны магниторезисторов.
Предлагаемый магниторезистивный датчик работает следующим образом. Мостовая измерительная схема с помощью контактов 1 и 3 подключается к источнику электрического питания (например, генератору напряжения), а с помощью контактов 2 и 4 - к измерительному прибору (например, вольтметру). При отсутствии внешнего поля и тока в проводнике управления векторы намагниченности полосок, из которых состоят магниторезисторы, устанавливаются вдоль ОЛН. При подаче через контактные площадки 6 и 7 в проводник перемагничивания 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 R4 и установятся в одном направлении, а в магниторезисторах R2 и R3 в другом, как показано на фиг. 1. Установившийся после прохождения такого импульса выходной сигнал мостовой измерительной схемы является начальным сигналом (технологическим разбалансом мостовой схемы) магниторезистивного датчика. При появлении внешнего магнитного поля в направлении, перпендикулярном ОЛН, сопротивление магниторезисторов R1, R3 и R2, R4 начинает изменяться в противоположных направлениях, что ведет к изменению выходного сигнала мостовой схемы пропорционально значению напряженности магнитного поля. При пропускании тока по проводнику управления в области расположения магниторезисторов возникает однородное магнитное поле, которое может использоваться для уменьшения технологического разбаланса мостовой схемы или для компенсации паразитного магнитного поля (например, магнитного поля объекта, на котором закреплен датчик).
Из фиг. 2 видно, что при значениях b/h≥1500 коэффициент передачи датчика практически достигает своего максимального значения. Сравнительные испытания датчика с полосами Барбера и предлагаемого датчика показали, что в диапазоне измерения ±6 Э коэффициенты передачи обоих типов датчиков находятся в пределах (1,0-1,4) мВ/(В⋅Э).
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение чувствительности к напряженности магнитного поля мостовой измерительной схемы датчика, магниторезисторы которого состоят из полосок, ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания.