Высокочувствительный магнитоимпедансный датчик градиентных магнитных полей
HIGHLY SENSITIVE MAGNETOIMPEDANCE SENSOR OF GRADIENT MAGNETIC FIELDS

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а именно к области высокочувствительных магнитных сенсоров, основанных на магнитоимпедансном эффекте, для применения в медицине и геологии.
Известно устройство измерения магнитных полей [ЕР 3193182 А1, опублик.17.03.2016], работающее по недиагональной схеме включения. Устройство измерения магнитного поля включает в себя датчик магнитоимпедансный (МИ) и средство вычисления чувствительности. Датчик МИ включает в себя магниточувствительный микропровод, детектирующую катушку и две катушки генерирования магнитного поля, которые создают магнитное поле при подаче питания. Средство вычисления чувствительности изменяет ток, протекающий в катушках генерации магнитного поля в состоянии, когда внешнее магнитное поле, действующее на датчик постоянно, а магнитное поле, действующее на магниточувствительный элемент варьируется для расчета чувствительности, путем изменения выходного напряжения детектирующей катушки, изменением магнитного поля, действующего на магниточувствительный элемент.
Недостатком указанного устройства является измерение не градиентных, а простых постоянных магнитных полей.
Наиболее близким является интегральный градиентный магнитотранзисторный датчик [RU 2453947, опубл. 20.06.2012 г], содержащий два чувствительных элемента, два усилителя, выполненные в виде двух токовых зеркал на МОП транзисторах и схему сравнения с двумя входами. Чувствительные элементы с усилителями выполнены в виде интегральных токомагнитных датчиков на основе биполярных магнитотранзисторов, расположенных на постоянном расстоянии друг от друга с возможностью определения градиента распределения магнитного поля по разности сигналов с датчиков. Каждый из указанных датчиков связан через токовое зеркало, выполняющее функцию нагрузки, и выход токового зеркала с входом соответствующего КМОП инвертора согласования уровня сигналов токомагнитных датчиков и входных напряжений на соответствующих входах схемы сравнения, содержащей RS-триггер и выходной каскад, один из выходов RS-триггера соединен с выходным КМОП каскадом. Стоит отметить, что применение магнитотранзисторов позволяет увеличить чувствительность, но только в несколько раз, а не на несколько порядков. Следовательно, с чувствительностью сенсоров основанных на магнитном импедансе они сравниться пока не могут.
Недостатками описанной разработки являются ограниченная функциональность датчика и узкая область применения: в бесколлекторных двигателях, при этом датчик имеет только цифровой выход 1 бит. Кроме того, применение магнитотранзисторов, ограничивает работу датчика на взаимодействие с постоянными магнитами.
Техническим результатом является повышение функциональных возможностей датчика, увеличение точности измерений, расширение диапазона измерений градиентных магнитных полей и температурной стабилизации работы устройства.
Технический результат достигается следующим образом.
Высокочувствительный магнитоимпедансный датчик градиентных магнитных полей, содержит градиентный чувствительный элемент, усилители и микроконтроллер.
Отличие датчика в том, что в него дополнительно введены подмагничивающий соленоид, широтно-импульсный модулятор и температурный датчик, а градиентный чувствительный элемент содержит соединенные последовательно и размещенные внутри однородной области магнитного поля подмагничивающего соленоида, по крайней мере, два магнитоимпедансных элемента, состоящих из аморфных ферромагнитных микропроводов в стеклянной изоляции и встречно намотанных на него медных проводных катушек со встречно включенными обмотками, которые соединены со входами усилителей-модуляторов. Входы микроконтроллера соединены с выходами усилителей-модуляторов, температурного датчика, подмагничивающего соленоида и промежуточным отводом чувствительного элемента, а выходы микроконтроллера соединены со входами подмагничивающего соленоида и усилителей-модуляторов, причем вход чувствительного элемента соединен с выходом широтно-импульсного модулятора.
Кроме того отличие датчика в том, что магнитоимпедансные элементы располагаются по одной линии друг за другом, а расстояние между ними не менее 5 мм для отрезков аморфного ферромагнитного микропровода в стеклянной оболочке диаметром 36 мкм и длиной по 3 мм.
Также отличие датчика в том, что магнитоимпедансные элементы располагаются параллельно друг другу, а расстояние между ними не менее 10 мм для отрезков аморфного ферромагнитного микропровода в стеклянной оболочке диаметром 36 мкм и длиной по 3 мм.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен фрагмент градиентного чувствительного элемента на этапе его изготовления, на фиг. 2 изображен график зависимости магнитного взаимодействия от расстояния между аморфными микропроводами магнитоимпедансных элементов, располагаемыми последовательно, на фиг. 3 изображена структурная схема датчика с градиентным чувствительным элементом, на фиг. 4 изображен градиентный чувствительный элемент с подмагничивающим соленоидом.
На чертеже показаны аморфные ферромагнитные микропровода 1, катушки 2, подложка 3, крайние точки 4, 6, 7 и 5 аморфного микропровода и медного провода соответственно, графики 8, 9, 10 зависимости магнитного взаимодействия от расстояния для аморфных микропроводов магнитоимпедансных элементов диаметром 36 мкм и длинами 3 мм, 6 мм и 9 мм соответственно, усилители-демодуляторы 11 и 12, микроконтроллер 13, встроенный аналогово-цифровой преобразователь 14, подмагничивающий соленоид 15, аналогово-цифровой преобразователь 16, температурный датчик 17, широтно-импульсный модулятор 18, токоограничительный резистор 19.
Работа датчика осуществляется следующим образом.
Дифференциальный чувствительный элемент, состоит из двух магнитоимпедансных элементов, которые в свою очередь, состоят из аморфного ферромагнитного микропровода 1 в стеклянной изоляции и встречно намотанных на него медным проводом двух катушек 2. При установке на подложку 3 сначала привариваются крайние точки 4 аморфного микропровода и точки 5 медного провода, а после чего привариваются точки 6 и 7, далее участок микропровода между точками 6 и 7 удаляется. Расстояние между микропроводами и число витков влияют на чувствительность датчика, при этом минимальное расстояние между катушками зависит от диаметра и длины самого микропровода. Это связано с взаимным магнитным влиянием микропроводов друг на друга из-за их большой магнитной проницаемости (от 100 до 10000).
ВЧ усилители-демодуляторы 11 и 12 обладают регулируемой шкалой усиления, они изменяют коэффициент усиления в зависимости от уровня входного сигнала, что позволяет фиксировать как единицы мкВ, так и сотни мВ. За счет применения в конструкции датчика микроконтроллера 13 становится возможным, без усложнения схемотехники, значительно повысить функциональность устройства, не увеличивая себестоимость его изготовления. Микроконтроллер 13 в рассматриваемой конструкции является интеллектуальным ядром датчика. Именно микроконтроллер 13 оценивает внешние факторы, воздействующие на датчик, и подстраивает под них его работу, а также позволяет проводить математическую обработку данных, самодиагностику и калибровку, передавать данные пользователю в удобном для него виде. Для микроконтроллера разрабатывается специальный пакет программного обеспечения, который программируется на этапе изготовления датчика.
Измерение градиента магнитного поля происходит за счет наведения различной ЭДС в парах идентичных детектирующих катушек 2, включенных встречно, в результате суммарная ЭДС соответствует разнице величин магнитных полей. В присутствии постоянного магнитного поля на обеих детектирующих катушках будут наводиться ЭДС, которые будут вычитаться, однако в магнитных полях более 0,1 мТл такое подмагничивание способно значительно снизить чувствительность. Для стабилизации характеристики чувствительности сенсора микроконтроллер 13 при помощи встроенного цифро-аналогового преобразователя 14 методом последовательных приближений по усредненным данным полученным от усилителя - демодулятора 11, подбирает ток в подмагничивающем соленоиде 15, соответствующий минимальному значению сигнала, таким образом компенсируя внешнее постоянное магнитное поле. В присутствии градиентного магнитного поля на концах детектирующих катушек 2 возникают ЭДС различной величины, при этом их разница соответствует величине градиента. Этот сигнал проходит через усилитель-демодулятор 12, который управляется микроконтроллером 13. Демодулированный и усиленный сигнал далее попадает во встроенный в микроконтроллер 13 модуль аналогово-цифрового преобразователя 16, где происходит преобразование в цифровой вид. При необходимости микроконтроллер 13 изменяет коэффициент усиления для получения более точных данных и изменения предела измерительной шкалы. Параллельно с этим происходит обработка данных с температурного датчика 17 и осуществляется возбуждение чувствительного элемента при помощи широтно-импульсного модулятора 18 через токоограничительный резистор 19. Перед выдачей результатов измерения на выход устройства происходит перерасчет данных по температуре (компенсируется температурная зависимость МИ элемента), обработанные данные могут быть дополнительно кодированы в необходимый формат и выданы пользователю.
Пример 1
Конструкция датчика, градиентный чувствительный элемент которого содержит два магнитоимпедансных элемента, содержащих по 70 витков, соединенных и располагаемых последовательно по одной линии и с расстоянием между ними 5 мм, при диаметре микропроводов 36 мкм, позволила получить разрешающую способность до 10 нТл/бит⋅мм.
Пример 2
Конструкция датчика, градиентный чувствительный элемент которого содержит два магнитоимпедансных элемента, содержащих по 70 витков, соединенных последовательно и располагаемых параллельно друг другу с расстоянием между ними 10 мм, при диаметре микропроводов 36 мкм, предполагает получить разрешающую не хуже 100 нТл/бит⋅мм.