RU2528116C2 - Magnetoresistive sensor of movements - Google Patents

Magnetoresistive sensor of movements Download PDF

Info

Publication number
RU2528116C2
RU2528116C2 RU2012155386/28A RU2012155386A RU2528116C2 RU 2528116 C2 RU2528116 C2 RU 2528116C2 RU 2012155386/28 A RU2012155386/28 A RU 2012155386/28A RU 2012155386 A RU2012155386 A RU 2012155386A RU 2528116 C2 RU2528116 C2 RU 2528116C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
magnetoresistive
monosilicon
magnetic field
plate
Prior art date
Application number
RU2012155386/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012155386A (en
Inventor
Александр Александрович Гаврилов
Андрей Николаевич Шипунов
Владимир Дмитриевич Вавилов
Original Assignee
Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") filed Critical Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА")
Priority to RU2012155386/28A priority Critical patent/RU2528116C2/en
Publication of RU2012155386A publication Critical patent/RU2012155386A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2528116C2 publication Critical patent/RU2528116C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement devices and may be used in integral linear and angular accelerometers and gyroscopes as a motion sensor. Substance: the magnetoresistive sensor comprises a plate of conducting monosilicon, in which a movable object is made with the help of anisotropic etching. At different sides of the end of the movable object there are discrete sources of magnetic field, which are located opposite to the four-layer magnetoresistive structures placed at different sides of the conducting monosilicon plate. Four-layer magnetoresistive structures are made of the first free ferromagnetic layer, the second conducting non-magnetic layer, the third fixed ferromagnetic layer and the fourth anti-ferromagnetic layer. Two free and two fixed ferromagnetic layers are combined into a four-arm bridge.
EFFECT: increased accuracy of a zero signal of a motion converter.
4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в интегральных линейных и угловых акселерометрах и гироскопах в качестве датчика перемещений.The invention relates to measuring devices and can be used in integrated linear and angular accelerometers and gyroscopes as a displacement sensor.

Известен датчик перемещений [1], в котором применяются дифференциальные магниторезисторы, связанные с чувствительным элементом, синхронный детектор и запоминающая ячейка.A known displacement sensor [1], in which differential magnetoresistors associated with a sensitive element, a synchronous detector and a storage cell are used.

Недостатком известного устройства является низкая точность, связанная с тем, что при наличии двух движений подвижного узла вместе с подвижным электродом, например линейного или углового, эти движения взаимно влияют друг на друга, внося тем самым погрешность в измерения.A disadvantage of the known device is the low accuracy associated with the fact that in the presence of two movements of the movable assembly together with the movable electrode, for example linear or angular, these movements mutually influence each other, thereby introducing an error in the measurements.

Наиболее близким в заявляемому изобретению является преобразователь перемещений [2], содержащий два неподвижных проводящих электрода, выполненных на изоляционных обкладках, которые размещены симметрично с зазорами относительно неподвижного электрода.The closest in the claimed invention is a displacement transducer [2], containing two fixed conductive electrodes made on insulating plates that are placed symmetrically with gaps relative to the fixed electrode.

Недостатком данного устройства является то, что в нем отсутствует разделение составляющих перемещения, например линейного и углового, что в конечном итоге вносит погрешность в измерения.The disadvantage of this device is that there is no separation of the components of the movement, for example linear and angular, which ultimately introduces an error in the measurement.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является усовершенствование конструкции преобразователя перемещений.The problem to which the invention is directed is to improve the design of the displacement transducer.

Технический результат заключается в повышении точности нулевого сигнала преобразователя перемещений.The technical result consists in increasing the accuracy of the zero signal of the displacement transducer.

Технический результат достигается за счет того, что в магниторезистивный датчик перемещений, выполненный на основе гигантского магниторезистивного эффекта, содержащий пластину проводящего монокремния, в которой с помощью анизотропного травления выполнен подвижный объект, на одном из концов которого размещен дискретный источник магнитного поля, четырехслойную магниторезистивную структуру, состоящую из первого свободного ферромагнитного слоя, второго проводящего немагнитного слоя, третьего зафиксированного ферромагнитного слоя и четвертого антиферромагнитного слоя, расположенную на одной из сторон пластины проводящего монокремния против дискретного источника магнитного поля через зазор, отделяющий подвижный объект от пластины проводящего монокремния, согласно изобретению дополнительно введены дискретный источник магнитного поля и четырехслойная магниторезистивная структура, дискретные источники магнитного поля расположены на разных сторонах конца подвижного объекта против четырехслойных магниторезистивных структур, размещенных на разных сторонах пластины проводящего монокремния, при этом два свободных и два зафиксированных ферромагнитных слоя соединены в четырехплечий мост.The technical result is achieved due to the fact that the magnetoresistive displacement sensor, made on the basis of a giant magnetoresistive effect, contains a conductive monosilicon plate in which an anisotropic etching is made moving object, at one end of which is placed a discrete source of magnetic field, a four-layer magnetoresistive structure, consisting of a first free ferromagnetic layer, a second conductive non-magnetic layer, a third fixed ferromagnetic layer and fourth antiferromagnetic layer located on one side of the plate of the conductive monosilicon against a discrete source of magnetic field through the gap separating the movable object from the plate of the conductive monosilicon, according to the invention, a discrete source of the magnetic field and a four-layer magnetoresistive structure are additionally introduced, discrete sources of the magnetic field are located on opposite sides of the end a moving object against four-layer magnetoresistive structures placed on opposite sides of the square tin conductive monosilicon, while two free and two fixed ferromagnetic layers are connected in a four-arm bridge.

К существенным отличиям заявленного изобретения по сравнению с прототипом является дополнительное введение в структуру МРДТ дискретного источника магнитного поля и четырехслойной магниторезистивной структуры, что позволяет более точно измерять нулевой сигнал преобразователя перемещений посредством усовершествования его конструкции.Significant differences between the claimed invention and the prototype are the additional introduction of a discrete magnetic field source and a four-layer magnetoresistive structure into the MRI structure, which makes it possible to more accurately measure the zero signal of the displacement transducer by improving its design.

Пример реализации заявленного изобретения.An example implementation of the claimed invention.

Рассмотрим фиг.1, на которой изображена схема магниторезистивного датчика перемещений. Магниторезистивный датчик перемещений состоит из пластины 1 монокремния, на которой с разных сторон размещены две четырехслойные магниторезистивные структуры 2, подвижного объекта 4, на конце подвижного объекта 4 с разных сторон размещены два дискретных источника 3 магнитного поля против четырехслойных магниторезистивных структур 2. Упругий подвес 5 может быть выполнен как для работы на изгиб, так и на кручение. Ось 6 качания подвижного объекта также может быть выбрана произвольно. В любом случае подвижный объект совершает сложное линейное движение от прогибов и угловое от поворотов.Consider figure 1, which shows a diagram of a magnetoresistive displacement sensor. The magnetoresistive displacement transducer consists of a monosilicon plate 1, on which two four-layer magnetoresistive structures 2 are placed on different sides, a movable object 4, two discrete sources of magnetic field 3 are placed on different ends of the movable object 4 against four-layer magnetoresistive structures 2. An elastic suspension 5 can to be performed both for bending and torsion. The swing axis 6 of the moving object can also be arbitrarily selected. In any case, the moving object makes a complex linear motion from the deflection and angular from the turns.

Рассмотрим фиг.2, на которой представлен увеличенный фрагмент заявляемого магниторезистивного датчика перемещений. Две четырехслойные магниторезистивные структуры 2 размещены сверху и снизу пластины 1 монокремния. Все слои наносятся вакуумным напылением на изоляционную подложку толщиной не менее 0,1 микрометра. Четырехслойная магниторезистивная структура 2 состоит из четырех слоев: первого слоя 7 - свободного ферромагнетика, изготовленного из материала Ni18Fe19, второго слоя 8 - тонкого разделительного слоя, изготовленного из немагнитного проводника, третьего слоя 9 - зафиксированного (жесткого) ферромагнетика, изготовленного из сплава кобальта и никеля CoNi, и четвертого слоя 10 - антиферромагнитного слоя, изготовленного из окиси никеля NiO, предназначенного для удержания намагниченности жесткого ферромагнетика. Намагничивание жесткого ферромагнетика осуществляется при его изготовлении. Дискретные источники 3 магнитного поля, расположенные на конце подвижного объекта 4, могут совершать угловые перемещения относительно оси 6 качания.Consider figure 2, which shows an enlarged fragment of the inventive magnetoresistive displacement sensor. Two four-layer magnetoresistive structures 2 are placed on top and bottom of the plate 1 of monosilicon. All layers are applied by vacuum deposition on an insulating substrate with a thickness of at least 0.1 micrometers. The four-layer magnetoresistive structure 2 consists of four layers: the first layer 7 is a free ferromagnet made of Ni 18 Fe 19 material, the second layer 8 is a thin separation layer made of a non-magnetic conductor, and the third layer 9 is a fixed (rigid) ferromagnet made of an alloy cobalt and nickel CoNi, and the fourth layer 10 is an antiferromagnetic layer made of nickel oxide NiO, designed to retain the magnetization of a hard ferromagnet. The magnetization of a rigid ferromagnet is carried out during its manufacture. Discrete sources of magnetic field 3, located at the end of the movable object 4, can make angular movements relative to the axis 6 of the swing.

Рассмотрим работу магниторезистивного датчика перемещений, выполненного на основе гигантского магниторезистивного эффекта (ГМРЭ). Типичные изменения сопротивления анизотропных магниторезисторов составляют порядка 2…4%. Изменения более 10% были получены при использовании металлов с планарной структурой, а эффект был назван гигантским магниторезистивным эффектом (ГМРЭ). Устройства на базе ГМРЭ находят широкое применение в считывающих головках в компьютерной технике. В интегральных датчиках ГМРЭ используется в качестве преобразователя углового перемещения. Наиболее эффективно ГМРЭ реализуется в виде структуры из четырех слоев толщиной менее 0,1 микрометра.Consider the operation of a magnetoresistive displacement sensor based on the giant magnetoresistive effect (GMRE). Typical changes in the resistance of anisotropic magnetoresistors are about 2 ... 4%. Changes of more than 10% were obtained using metals with a planar structure, and the effect was called the giant magnetoresistive effect (GMRE). GMRE devices are widely used in read heads in computer technology. In integrated sensors, GMRE is used as an angular displacement transducer. The most effective GMRE is implemented in the form of a structure of four layers with a thickness of less than 0.1 micrometer.

На фиг.3 (а, б, в, г) показаны четыре возможных состояния структуры на основе ГМРЭ и ее реакция на внешнее поле. Одно из них, нейтральное положение подвижного электрода, изображено на фиг.3 (а). Такое же состояние имеет структура и при симметричном воздействии дискретных источников магнитного поля на свободные ферромагнетики. При этом сопротивления свободных ферромагнетиков на разных сторонах пластины монокремния одинаковы.Figure 3 (a, b, c, d) shows four possible states of the structure based on HMRE and its response to an external field. One of them, the neutral position of the movable electrode, is shown in figure 3 (a). The structure also has the same state under the symmetric action of discrete sources of a magnetic field on free ferromagnets. In this case, the resistances of free ferromagnets on the opposite sides of the monosilicon plate are the same.

При несимметричном воздействии дискретных источников магнитного поля на свободные ферромагнетики, изображенные на фиг.3 (б) и фиг.3 (в), величины сопротивлений свободных ферромагнетиков становятся разными и зависят от угла поворота. При этом для верхнего и нижнего свободных ферромагнетиков полярность дискретных источников магнитного поля в одном и том же преобразователе должна быть одинаковой.With an asymmetric effect of discrete sources of a magnetic field on free ferromagnets, depicted in Fig. 3 (b) and Fig. 3 (c), the resistance values of free ferromagnets become different and depend on the angle of rotation. Moreover, for the upper and lower free ferromagnets, the polarity of the discrete sources of the magnetic field in the same transducer should be the same.

Состояние структуры, изображенной на фиг.3 (г), при котором магнитное поле дискретных источников имеет напряженность, превышающую полную напряженность поля анизотропии, в заявляемом устройстве не используется.The state of the structure depicted in figure 3 (g), in which the magnetic field of discrete sources has a strength exceeding the total field strength of the anisotropy, in the inventive device is not used.

Рассмотрим фиг.4. В связи с тем что рабочие свободные магниторезисторы (16) и зафиксированные магниторезисторы (17), выполненные в виде свободных и зафиксированных ферромагнитных слоев соответственно, обладают сильной зависимостью от температуры, измерительные цепи их включают в противоположные плечи мостовой схемы. Плечи моста выполняют по аналогичной магниторезистивной четырехслойной структуре. Рабочие свободные магниторезисторы на схеме показаны косой штриховкой. Для изменения направления тока в свободных магниторезисторах они включены встречно. Зафиксированные магниторезисторы включены последовательно с одним направлением тока.Consider figure 4. Due to the fact that working free magnetoresistors (16) and fixed magnetoresistors (17), made in the form of free and fixed ferromagnetic layers, respectively, have a strong temperature dependence, their measuring circuits are included in the opposite shoulders of the bridge circuit. The shoulders of the bridge carry out a similar magnetoresistive four-layer structure. Working free magnetoresistors in the diagram are shown by oblique hatching. To change the direction of the current in free magnetoresistors, they are included in the opposite direction. Fixed magnetoresistors are connected in series with one direction of current.

Контактная площадка 11 предназначена для подвода внешнего питания Uп мостовой схемы. Контактные площадки 12 и 13 являются выходными для измерительной диагонали моста. Поверх всех плеч моста проходит управляющая напыленная обмотка с контактными площадками 14 и 15. Ток в управляющей обмотке предназначен для компенсации внутренней напряженности магнитного поля материала. При слабом внешнем магнитном поле Ну<<Hk и при скомпенсированной внутренней напряженности Н0 магнитного поля материала зависимость выходного напряжения моста является линейной:Contact pad 11 is designed to supply external power U p the bridge circuit. Contact pads 12 and 13 are the output for the measuring diagonal of the bridge. A control sprayed winding with contact pads 14 and 15 passes over all shoulders of the bridge. The current in the control winding is designed to compensate for the internal magnetic field of the material. With a weak external magnetic field H y << H k and with compensated internal intensity H 0 of the magnetic field of the material, the dependence of the output voltage of the bridge is linear:

Figure 00000001
Figure 00000001

где Θ - угол между вектором Js намагничивания и осью х легкого намагничивания; Ну - напряженность магнитного поля точечного источника на подвижном объекте; Hk=Н0+Jst/w - полная напряженность поля анизотропии, представляющая собой сумму внутренней напряженности примененного материала и геометрической составляющей; Н0 - внутренняя напряженность магнитного поля материала; t и w - толщина и ширина магниторезистивной полоски.where Θ is the angle between the magnetization vector J s and the axis x of easy magnetization; H y - magnetic field strength of a point source on a moving object; H k = H 0 + J s t / w is the total anisotropy field strength, which is the sum of the internal tension of the applied material and the geometric component; H 0 is the internal magnetic field strength of the material; t and w are the thickness and width of the magnetoresistive strip.

Анализируя оценочную формулу (1), можно заключить, что толщину магниторезистивной полоски можно выполнить на уровне наноразмеров. Следовательно, чувствительность магниторезистивного датчика перемещений, выполненного на основе гигантского магниторезистивного эффекта, превосходит чувствительность всех известных датчиков перемещений, например емкостных. В свою очередь, от чувствительности преобразователя перемещений зависит повышение точности нулевого сигнала.Analyzing the evaluation formula (1), we can conclude that the thickness of the magnetoresistive strip can be performed at the nanoscale level. Therefore, the sensitivity of the magnetoresistive displacement sensor, based on the giant magnetoresistive effect, exceeds the sensitivity of all known displacement sensors, for example, capacitive ones. In turn, increasing the accuracy of the zero signal depends on the sensitivity of the displacement transducer.

Источники информацииInformation sources

1. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, 2003, 504 с.1. Vavilov V.D. Integrated Sensors. NSTU Publishing House, 2003, 504 pp.

2. Дитмауэр К. Магнитные датчики на базе анизотропного магниторезистивного эффекта. - М.: Экспресс-информация, «Контрольно-измерительная техника». №9, 2009, с.13-25.2. Dietmauer K. Magnetic sensors based on anisotropic magnetoresistive effect. - M .: Express information, "Control and measuring equipment." No. 9, 2009, pp. 13-25.

Claims (1)

Магниторезистивный датчик перемещений, выполненный на основе гигантского магниторезистивного эффекта, содержащий пластину проводящего монокремния, в которой с помощью анизотропного травления выполнен подвижный объект, на одном из концов которого размещен дискретный источник магнитного поля, четырехслойную магниторезистивную структуру, состоящую из первого свободного ферромагнитного слоя, второго проводящего немагнитного слоя, третьего зафиксированного ферромагнитного слоя и четвертого антиферромагнитного слоя, расположенную на пластине проводящего монокремния против дискретного источника магнитного поля через зазор, отделяющий подвижный объект от пластины проводящего монокремния, отличающийся тем, что в магниторезистивный датчик перемещений дополнительно введены дискретный источник магнитного поля и четырехслойная магниторезистивная структура, дискретные источники магнитного поля расположены на разных сторонах конца подвижного объекта против четырехслойных магниторезистивных структур, размещенных на разных сторонах пластины проводящего монокремния, при этом свободные и зафиксированные ферромагнитные слои соединены в четырехплечий дифференциальный мост. A magnetoresistive displacement sensor based on a giant magnetoresistive effect, containing a conductive monosilicon plate, in which a movable object is made using anisotropic etching, at one end of which there is a discrete source of magnetic field, a four-layer magnetoresistive structure consisting of the first free ferromagnetic layer, the second conductive a non-magnetic layer, a third fixed ferromagnetic layer and a fourth antiferromagnetic layer located at a plate of conductive monosilicon against a discrete source of magnetic field through a gap separating the movable object from the plate of conductive monosilicon, characterized in that a discrete source of magnetic field and a four-layer magnetoresistive structure are additionally introduced into the magnetoresistive displacement sensor, discrete sources of magnetic field are located on opposite sides of the end of the movable object against four-layer magnetoresistive structures placed on opposite sides of a conductive monosilicon plate I, while the free and fixed ferromagnetic layers are connected into a four-arm differential bridge.
RU2012155386/28A 2012-12-19 2012-12-19 Magnetoresistive sensor of movements RU2528116C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012155386/28A RU2528116C2 (en) 2012-12-19 2012-12-19 Magnetoresistive sensor of movements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012155386/28A RU2528116C2 (en) 2012-12-19 2012-12-19 Magnetoresistive sensor of movements

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012155386A RU2012155386A (en) 2014-06-27
RU2528116C2 true RU2528116C2 (en) 2014-09-10

Family

ID=51215892

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012155386/28A RU2528116C2 (en) 2012-12-19 2012-12-19 Magnetoresistive sensor of movements

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2528116C2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4403187A (en) * 1979-12-19 1983-09-06 Hitachi, Ltd. Magnetic head for sensing the position of a moving member
RU2110045C1 (en) * 1996-08-06 1998-04-27 Евгений Петрович Абрамцев Angle-data transmitter
US6507187B1 (en) * 1999-08-24 2003-01-14 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Ultra-sensitive magnetoresistive displacement sensing device
EP1918678A2 (en) * 2006-10-30 2008-05-07 Hitachi, Ltd. Displacement sensor using gmr elements, angle sensor using gmr elements, and semiconductor device used for them
RU2436200C1 (en) * 2010-11-08 2011-12-10 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Magnetoresistive sensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4403187A (en) * 1979-12-19 1983-09-06 Hitachi, Ltd. Magnetic head for sensing the position of a moving member
RU2110045C1 (en) * 1996-08-06 1998-04-27 Евгений Петрович Абрамцев Angle-data transmitter
US6507187B1 (en) * 1999-08-24 2003-01-14 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Ultra-sensitive magnetoresistive displacement sensing device
EP1918678A2 (en) * 2006-10-30 2008-05-07 Hitachi, Ltd. Displacement sensor using gmr elements, angle sensor using gmr elements, and semiconductor device used for them
RU2436200C1 (en) * 2010-11-08 2011-12-10 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Magnetoresistive sensor

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012155386A (en) 2014-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10353020B2 (en) Manufacturing method for integrated multilayer magnetoresistive sensor
US9599681B2 (en) Magnetic sensor and magnetic detecting method of the same
JP6220971B2 (en) Multi-component magnetic field sensor
KR100687513B1 (en) Thin-film magnetic field sensor
US9465056B2 (en) Current sensor with temperature-compensated magnetic tunnel junction bridge
US20120217961A1 (en) Magnetic sensor
JP2018004618A (en) Magnetic sensor
CN109212439A (en) Magnetic field sensor
CN107615079B (en) Current sensor
US9207264B2 (en) Current sensor
US11656301B2 (en) Magnetic sensor including magnetoresistive effect element and sealed chip
JP2017072375A (en) Magnetic sensor
TW201634948A (en) Tunneling magneto-resistor device for sensing magnetic field
JP2019516094A (en) Anisotropic magnetoresistance (AMR) sensor without set / reset device
JPWO2013129276A1 (en) Magnetic sensor element
JP2015219227A (en) Magnetic sensor
RU2436200C1 (en) Magnetoresistive sensor
WO2015156260A1 (en) Current detection device
JP6064656B2 (en) Magnetoresistive element for sensor and sensor circuit
US11009569B2 (en) Magnetic field sensing device
RU2528116C2 (en) Magnetoresistive sensor of movements
CN111693911A (en) Magnetic sensor device
RU2279737C1 (en) Variable-resistance transducer
CN109752678B (en) Simple anisotropic film magnetoresistive sensor
JP2014081318A (en) Magnetic sensor and magnetic detection method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151220