датчик магнитного поля
| Классы МПК: | G01R33/06 с помощью гальваномагнитных приборов |
| Автор(ы): | Антропов О.В., Васьковский В.О., Гогин В.П., Мухаметов В.Г., Савин П.А., Сорокин А.Н., Станина Е.К. |
| Патентообладатель(и): | Научно-производственное предприятие "МАГТИП" |
| Приоритеты: |
подача заявки:
1993-01-12 публикация патента:
20.07.1997 |
Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой измерительный преобразователь, который может быть использован в устройстве для измерения магнитного поля, электрического тока, линейных и угловых перемещений. Техническим результатом является уменьшение погрешности преобразования за счет термокомпенсации магниторезистора. Он содержит магниторезистивный элемент, выполненный из магнитной пленки по мостовой схеме и постоянный магнит. Магнит создает изменяющиеся с температурой смещающее поле, величина которого и температурный коэффициент остаточной индукции магнита связаны определенным соотношением, включающим температурный коэффициент чувствительности магниторезистора при постоянном смещающем поле и коэффициент зависимости чувствительности от смещающего поля при фиксированной температуре. Наличие такого магнита при использовании пермаллоевого магниторезистивного элемента позволяет уменьшить погрешность преобразования за счет термокомпенсации чувствительности в 10 раз до величины 0,01%/град. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
Датчик магнитного поля, содержащий магниторезистивный элемент и магнит, отличающийся тем, что используется постоянный магнит, температурный коэффициент остаточной индукции
в которого и создаваемое им при фиксированной температуре To смещающее поле Hв(To) удовлетворяют соотношению
где для магниторезистора
т - температурный коэффициент чувствительности при постоянном смещающем поле;н(To) -( коэффициент зависимости чувствительности от смещающего поля при фиксированной температуре.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области измерительных преобразователей и может быть использовано в устройствах преобразования электрического тока, измерения величины и мощности электрического тока, измерения напряженности и ориентации вектора магнитного поля, измерения линейных и угловых перемещений. Известны тонкопленочные магниторезисторы, выполненные по мостовой схеме. Такая схема необходима для компенсации температурного дрейфа "нуля", который происходит за счет изменения номинального электросопротивления R с температурой. Как правило, магниторезисторы, кроме магниторезистивного (МР) элемента, содержат дополнительные электрические или магнитные элементы для линеаризации полезного сигнала (Ленц Д. Э. Обзор магнитных датчиков. ТИИЭР, 1990-Т. 78, N 6, с. 87-102). Однако наряду с учтенными имеется еще один источник погрешности преобразователя, который обусловлен зависимостью анизотропии магнитосопротивления
R от температуры. Он приводит к изменению чувствительности магниторезистора с температурой. В известных конструкциях магниторезисторов температурная компенсация чувствительности не производится. Наиболее близким по конструктивным особенностям к заявляемому является магниторезистор, содержащий пермаллоевый пленочный МР элемент в виде четырехплечего моста и систему пленочных постоянных магнитов. Hill E.W. Britwistle J.K. Spattered permanent magnet arrays for MR sensor bias. IEEE Tr. Magn 1987. V. 23, N 5, P. 2419-2421. Магниты PtCo предназначены для создания смещающего магнитного поля (магнитного смещения) и тем самым для обеспечения двуполярного и линейного полезного сигнала. Параметры и расположение магнитов выбраны из расчета получения оптимальной чувствительности магниторезистора при комнатной температуре. Температурная зависимость чувствительности при этом не учитывается. Исходя из температурной зависимости R пленок пермаллоя, это приводит к погрешности преобразования магниторезистора более 0,1% град. Технический результат состоит в уменьшении погрешности преобразования путем термокомпенсации чувствительности магниторезистора. Указанный результат достигается тем, что датчик магнитного поля, содержащий магниторезистивный элемент и постоянный магнит, отличается тем, что используется постоянный магнит, температурный коэффициент остаточной индукции в, которого и создаваемое им при фиксированной температуре T0 смещающее поле Hb(T0) удовлетворяет соотношению:
где для магниторезистора
т температурный коэффициент чувствительности при постоянном смещающем поле;н(To) коэффициент зависимости чувствительности от смещающего поля при фиксированной температуре. Соотношение (1) основано на том, что чувствительность магниторезистора в рабочей области температур и смещающих полей рассматривается как линейная функция этих параметров
где
(To, Hво) значение чувствительности при фиксированных температурах и смещающем поле. Кроме того, смещающее поле выбирается линейно зависящим от температурыHв(T) = Hв(To)[1+
в(T-To)] (3)где Hb(T0) значение смещающего поля при фиксированной температуре. Совокупности (2) и (3) приводят к отсутствию температурной зависимости чувствительности, если выполняется (1). Таким образом изменение чувствительности из-за температурной зависимости МР эффекта компенсируется соответствующим температурным ходом смещающего поля. Наличие в датчике постоянного магнита (ПМ" с определенной взаимосвязью между температурным коэффициентом остаточной продукции и создаваемым им смещающим полем является существенным признаком, отличающим заявляемое изобретение от прототипа и определяющим его соответствие критерию "новизна". На фиг. 1 дано схематическое изображение датчика, включающего МР элемент 1 на подложке 2 и постоянный магнит 3 с намагниченностью
На фиг. 2 представлены зависимости чувствительности магниторезистора от температуры для случаев создания смещающего поля катушками Гельмгольца (кривая 1) и магнитом из феррита бария (кривая 2). Датчик включает магниторезистивный элемент 1 на подложке 2 и постоянный магнит 3 с намагниченностью. Изготовлен датчик, содержащий пермаллоевый пленочный магниторезистивный (МР) элемент 1 и композиционный постоянный магнит 3 (ПМ) из феррита бария. Схематическое изображение его приведено на фиг. 1. МР элемент получен на кремниевой подложке методом проекционной фотолитографии. Он имеет структуру четырехплечего моста, каждое из плечей которого выполнено в форме наклонного меандра. Температурная зависимость чувствительности такого элемента показана на фиг. 2 (кривая 1). Она измерена при постоянном смещающем поле (6,5 мТл), которое создавалось катушками Гельмгольца (в отсутствии ПМ), и дает т-0,13% /град. Коэффициент н(To) был определен при комнатной температуре (T0=20oC) из экспериментальной зависимости 
Его величина составила 10% мТл. Композиционный ПМ изготовлен по металлопластической технологии из порошка феррита бария, который имеет в-0,2%/град. Согласно формуле (1) для указанных значений коэффициентов термокомпенсация чувствительности реализуется, если ПМ будет создавать поле смещения с индукцией 6,5 мТл. В частности, такое поле смещения было получено от пластины с остаточной индукцией 0,01 Тл и размерами 6х5х0,6 мм, расположенной на расстоянии L=1,1 мм от МР элемента. Зависимость (T)( для термокомпенсированного магниторезистора показана на фиг. 2 (кривая 2). Величина температурного коэффициента чувствительности для него составляет 0,01%/град, что на порядок ниже, чем для магниторезистора без температурной компенсации. Соответственно в 10 раз уменьшилась погрешность преобразования, обусловленная температурной зависимостью чувствительности.
Класс G01R33/06 с помощью гальваномагнитных приборов
