BG1196U1 - Magnetoresistive sensor for measuring the magnitude (absolute value) of magnetic field - Google Patents
Magnetoresistive sensor for measuring the magnitude (absolute value) of magnetic field Download PDFInfo
- Publication number
- BG1196U1 BG1196U1 BG1493U BG149308U BG1196U1 BG 1196 U1 BG1196 U1 BG 1196U1 BG 1493 U BG1493 U BG 1493U BG 149308 U BG149308 U BG 149308U BG 1196 U1 BG1196 U1 BG 1196U1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- magnetoresistive
- magnetic field
- degrees
- magnitude
- sensor
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Abstract
Description
Област на техникатаTechnical field
Полезният модел се отнася до магниторезистивен сензор, предназначен за позициониране на движещи се магнитни детайли и е с приложение в автоматизираното управление на технологични процеси, в уреди и системи за анализ на материали и дефектоскопия, в автомобилостроенето и транспорта, за измерване на неелектрични величини (поток, обем, разстояние, скорост), в охранителната и битовата техника и др.The utility model refers to a magnetoresistive sensor designed for the positioning of moving magnetic parts and is used in the automated control of technological processes, in devices and systems for material and flaw analysis, in automotive and transport, for measuring non-electrical quantities (flow , volume, distance, speed), in security and home appliances, etc.
Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION
Известни са магниторезистивни сензори [1,2,3] с приложение при позициониране на линейно движещи се магнитни детайли, чието действие се основава на т. нар. анизотропен магниторезистивен ефект (anisotropic magnetoresistance AMR), проявяващ се в тънки слоеве от някои феромагнитни материали (напр. пермалой NiFe). Базовият чувствителен елемент представлява тънкослойна ивица (шина) с правоъгълна форма с голямо отношение дължина/ширина. Такава шина се отличава с праволинейна ос на магнитната анизотропия, ориентирана паралелно на дължината на шината. С цел достигане на повисоко съпротивление и съответно намаляване на тока на консумация определен брой такива шини, разположени успоредно една на друга са свързани последователно и образуват магниторезистор с конфигурацията на меандър. Сензорът се състои от четири такива магниторезистори, свързани по схема на Уитстонов мост, като всяко от рамената на моста се състои от два магниторезистора с комплементарно (допълващо се) поведение. Комплементарността се постига чрез подходяща ориентация (завъртане) на меандровите структури (напр. на 45° една спрямо друга) или чрез използване на т.нар. barber pole шунтиращи контакти, които отклоняват протичащия през дадена шина ток на 45° от геометричната ос на шината. Свързването по схема на Уитстонов мост осигурява компенсация на температурната зависимост на съпротивлението на отделните резистори и съответно температурна независимост на изходния сигнал.Known magnetoresistive sensors [1,2,3] for use in the positioning of linearly moving magnetic parts whose action is based on the so-called anisotropic magnetoresistance AMR manifested in thin layers of some ferromagnetic materials e.g., NiFe perm.). The base sensing element is a rectilinear, long-width / rectangular thin-film strip. Such a bar is distinguished by a straight axis of magnetic anisotropy oriented parallel to the length of the bar. In order to achieve high resistance and consequently reduce the current consumption, a number of such bars arranged parallel to each other are connected in series and form a magnetoresistor with the meander configuration. The sensor consists of four such magnetoresistors connected by a Wheatstone bridge circuit, each of the bridge arms consisting of two magnetoresistors with complementary (complementary) behavior. Complementarity is achieved by the proper orientation (rotation) of the meander structures (eg at 45 ° to each other) or by using the so-called. barber pole shunt contacts that divert current through a bar 45 ° from the geometric axis of the bar. The connection by the Wheatstone bridge provides compensation for the temperature dependence of the resistance of the individual resistors and, accordingly, the temperature independence of the output signal.
Примерна постановка на проблема за позициониране на линейно движещ се магнитен детайл е представена на фиг. 1. Магнит 1 с магнетизация NS, показана на фигурата се движи линейно по оста х. На известно разстояние по оста у от магнита е разположен магнитен сензор 2. Задачата се състои в определяне на местоположението на магнита в даден момент чрез получения от сензора сигнал. Абсолютната стойност (големината) Н на вектора на магнитното поле в точката, в която е разположен сензора расте монотонно с приближаването на магнита към сензора и има максимална стойност при нулево разстояние между тях по оста на движение, както е показано на фиг. 2. Двете компоненти на вектора в равнината на сензора (Нх и Ну), които дефинират посоката на полето, имат значително по-сложен ход представен на фиг. 3. Физическите механизми, действащи в представените по-горе сензори предполагат чувствителност не само към величината на магнитното поле, но и към съотношението на отделните компоненти Нх и Ну. Оттук следва сложният и нееднозначен характер на получения сигнал, който налага по-сложна последваща обработка на сигнала и определени ограничения в приложението на сензорите. Примерен сигнал е представен на фиг. 4.An exemplary embodiment of the problem of positioning a linearly moving magnetic part is shown in FIG. 1. Magnet 1 with the magnetization NS shown in the figure moves linearly along the x-axis. At a certain distance along the y-axis of the magnet is a magnetic sensor 2. The task is to determine the location of the magnet at a given moment by the signal received from the sensor. The absolute value (magnitude) H of the magnetic field vector at the point where the sensor is located grows monotonically as the magnet approaches the sensor and has a maximum value at zero distance between them along the axis of motion, as shown in FIG. 2. The two components of the vector in the plane of the sensor (Hx and No), which define the direction of the field, have a much more complex move shown in Figs. 3. The physical mechanisms operating in the sensors presented above suggest sensitivity not only to the magnitude of the magnetic field but also to the ratio of the individual components Hx and Nu. Hence the complex and ambiguous nature of the received signal, which requires more sophisticated signal processing and certain limitations in the application of the sensors. An exemplary signal is presented in FIG. 4.
Техническа същност на полезния моделThe technical nature of the utility model
Магниторезистивният сензор за измерване на големината на магнитно поле, съгласно настоящия полезен модел включва базов чувствителен елемент, изпълнен като тънкослойна или дебелослойна структура от магниторезистивен материал с анизотропен магниторезистивен ефект. Базовият чувствителен елемент има формата на дъгообразна шина с дъгов ъгъл от 180°, с отношение дължина/ширина >10 и с ос на анизотропия следваща кривината на дъгата. Базовият елемент е снабден с контактни площадки, разположени на двата му края.The magnetoresistive sensor for measuring the magnitude of a magnetic field, according to the present utility model, includes a basic sensing element made of a thin-layer or thick-layer structure of magnetoresistive material with an anisotropic magnetoresistive effect. The basic sensing element is in the form of an arcuate bar with an arc angle of 180 °, with a length / width ratio> 10 and an anisotropy axis following the curvature of the arc. The base element is provided with contact pads located at both ends.
Като частен случай е представен магниторезистивен сензор, чийто базов елемент от 180° е разделен на два комплементарни сегмента: сегмент - дъга с дъгов ъгъл от 90° и сегмент дъга с дъгов ъгъл от 90° и завъртяна на 90° спрямо сегмент.As a special case, a magnetoresistive sensor is presented, the 180 ° base element of which is divided into two complementary segments: an arc segment with an arc angle of 90 ° and an arc segment with an arc angle of 90 ° and rotated 90 ° relative to the segment.
1196 Ш1196 Sh
Пояснение на приложените фигуриExplanation of the annexed figures
Фигура 1 представлява постановка на задачата за позициониране на линейно движещ се магнитен детайл;Figure 1 is a representation of the task of positioning a linearly moving magnetic workpiece;
фигура 2 - изменение на величината Н (абсолютната стойност) на магнитното поле в точката на разположение на сензора и в зависимост от разстоянието магнит-сензор;FIG. 2 is a variation of the magnitude H (absolute value) of the magnetic field at the location of the sensor and depending on the distance of the magnetic sensor; FIG.
фигура 3 - изменение на компонентите Нх и Ну на магнитното поле в точката на разположение на сензора и в зависимост от разстоянието магнит-сензор;Figure 3 is a variation of the magnetic field components Hx and Nu at the point of sensor location and depending on the distance of the magnetic sensor;
фигура 4 - примерен сигнал S на съществуващ сензор при позициониране на линейно движещ се магнитен детайл;4 is an exemplary signal S of an existing sensor when positioning a linearly moving magnetic part;
фигура 5 - базов чувствителен елемент от магниторезистивен материал с ъгъл на дъгата 180°;Figure 5 shows a base element of magnetoresistive material with an arc angle of 180 °;
фигура 6 - комплементарни магниторезистори с меандрова конфигурация;Figure 6 - complementary magnetoresistors with meander configuration;
фигура 7 - примерно изпълнение на магниторезистивен сензор, чувствителен към абсолютната стойност на магнитното поле.7 is an exemplary embodiment of a magnetoresistive sensor sensitive to the absolute value of the magnetic field.
Примери за изпълнение на полезния моделExamples of implementation of the utility model
На фигура 5 е представено едно примерно изпълнение на базов чувствителен елемент от 180°. Базовият чувствителен елемент има формата на дъгообразна шина 3 с дъгов ъгъл от 180°, с отношение дължина/ширина = 12 и с ос на анизотропия 4, следваща кривината на дъгата. Базовият елемент е снабден с контактни площадки 5, разположени на двата му края. Базовият чувствителен елемент от 180° се захранва от източник на постоянен ток и се измерва пада на напрежението върху елемента. Изменението на пада на напрежението под въздействие на приложено магнитно поле зависи само от големината (абсолютната стойност на интензитета на полето) и не зависи от неговата посока. Едно друго примерно изпълнение е основано на разделяне на базовия елемент на два сегмента от по 90°. На фиг. 6 са изобразени два комплементарни магниторезистори с меандрова конфигурация: магниторезистор 6, състоящ се от успоредно разположени сегменти 7 (с дъгов ъгъл 90°) и магниторезистор 9, състоящ се от успоредно разположени сегменти 10 (с дъгов ъгъл 90° и завъртени на 90° спрямо сегменти 7). Съставните сегменти на всеки от двата резистора са свър зани в последователна електрическа схема посредством съединителни контактни площадки 8, изпълнени от немагнитен материал. Съгласно това примерно изпълнение, показано на фиг. 7, сензорът представлява интегрална тънкослойна структура във вид на Уитстонов мост, който се състои от:Figure 5 shows an exemplary embodiment of a 180 ° base element. The basic sensing element is in the form of an arcuate bar 3 with an arc angle of 180 °, with a length / width ratio = 12 and with an anisotropy axis 4 following the arc curvature. The base element is provided with contact pads 5 located at its two ends. The 180 ° base element is fed from a DC source and the voltage drop measured on the element. The change in the voltage drop due to the applied magnetic field depends only on the magnitude (the absolute value of the field intensity) and does not depend on its direction. Another embodiment is based on the separation of the base element into two 90 ° segments. In FIG. 6 depicts two complementary magnetoresistors of meander configuration: a magnetoresistor 6 consisting of parallel segments 7 (90 ° arc angle) and a magnetoresistor 9 consisting of parallel segments 10 (90 ° angle and rotation 90 °). segments 7). The constituent segments of each of the two resistors are connected in series by a wiring harness 8 made of non-magnetic material. According to this exemplary embodiment shown in FIG. 7, the sensor is an integral thin-film structure in the form of a Wheatstone bridge, consisting of:
• магниторезистори 11 и 13 от типа на описания по-горе резистор 6 (фиг. 6) със съпротивления R11 и R13 съответно;• magnetoresistors 11 and 13 of the type of resistor 6 described above (Fig. 6) with resistors R11 and R13 respectively;
• магниторезистори 12 и 14 от типа на описания по-горе резистор 9 (фиг. 6) със съпротивления R12 и R14 съответно;• magnetoresistors 12 and 14 of the type of resistor 9 described above (Fig. 6) with resistors R12 and R14 respectively;
• два магнитни екрана 15, отложени върху магниторезистори 13 и 14;• two magnetic screens 15 deposited on magnetoresistors 13 and 14;
• съединителни шини 16 от немагнитен материал;• connecting strips 16 of non-magnetic material;
• контактни изводни площадки от немагнитен материал 17,18,19,20.• Non-magnetic contact pads 17,18,19,20.
Всички резистори, участващи в схемата са проектирани с оглед да имат еднакво съпротивление (Rll = R12 = R13 = R14) при отсъствие на магнитно поле. Магниторезисторите 11 и 13 съставят лявото рамо на моста, а магниторезисторите 12 и 14 - дясното рамо. Така резисторите от едно рамо имат идентична структура и са изпълнени от еднакъв материал, което осигурява температурната стабилност на изходния сигнал. Магниторезисторите 13 и 14 са покрити със слойни магнитни екрани 15, вследствие на което те са пасивни (нечувствителни към приложени магнитни полета). Така лявото рамо на моста се състои от един активен (чувствителен към магнитни полета) резистор 11 в долно положение и един пасивен резистор 13 - в горно. Дясното рамо се състои от активния резистор 12 в горно положение и пасивния резистор 14 - в долно. При подаване на захранващо напрежение Vs (напр. потенциал Vs на извод 17, потенциал 0 - на извод 19) и при отсъствие на магнитно поле в средните точки на двете рамена се получават еднакви потенциали (VL за ляво рамо, VR за дясно рамо, като VL= VR= Vs/2), които се подават съответно на извод 18 от лявото рамо и на извод 20 - от дясното. При наличие на магнитно поле изменението на VL следва хода на изменението на Rl 1 (съответстващ на поведението на описания по-горе Сегмент 1), като намаляването на Rl 1 води до намаляване на V,. Потенциалът Vn следва измененията на R12 (съответстващи на пове-All resistors involved in the circuit are designed to have the same resistance (R11 = R12 = R13 = R14) in the absence of a magnetic field. The magnetoresistors 11 and 13 make up the left arm of the bridge, and the magnetoresistors 12 and 14 the right arm. Thus, one-arm resistors have the same structure and are made of the same material, which ensures the temperature stability of the output signal. The magnetoresistors 13 and 14 are coated with layered magnetic screens 15 which make them passive (insensitive to applied magnetic fields). Thus, the left arm of the bridge consists of one active (magnetic-sensitive) resistor 11 in the lower position and one passive resistor 13 in the upper. The right arm consists of the active resistor 12 in the upper position and the passive resistor 14 in the lower position. When applying a supply voltage Vs (eg potential Vs at terminal 17, potential 0 to terminal 19) and in the absence of a magnetic field, the same potentials are obtained at the midpoints of the two arms (V L for left arm, V R for right arm , such as V L = V R = Vs / 2), which are fed respectively to pin 18 on the left arm and pin 20 - to the right. In the presence of a magnetic field, the change of V L follows the course of the change of Rl 1 (corresponding to the behavior of Segment 1 described above), with the decrease of Rl 1 leading to a decrease of V. The potential V n follows the changes of R12 (corresponding to the
1196 Ш дението на Сегмент 2), но в противофаза (намаляването на R12 води до нарастването VR). Така измереният изходен сигнал S=VL - VR е резултат от сумарното изменение на R11 и R12 и демонстрира поведението на целия базов елемент, описан по-горе, т.е. зависи от големината на приложеното магнитно поле и не зависи от неговата посока. При позициониране на линейно движещ се магнитен детайл сигналът S следва хода на Н, представен на фиг. 2.1196 Segment 2), but in counter-phase (decreasing R12 leads to an increase in V R ). The output signal S = V L - V R thus measured is the result of the total change of R11 and R12 and demonstrates the behavior of the entire base element described above, ie. depends on the magnitude of the applied magnetic field and does not depend on its direction. When positioning a linearly moving magnetic part, the signal S follows the course of H shown in FIG. 2.
Приложение на полезния моделApplication of utility model
Полезният модел ще намери приложение за ефективно позициониране на линейно движещи се магнитни детайли за целите на автоматичното управление, както и при решаването на други проблеми на автоматизацията и аналитичната техника, при които се изисква сигнал зависещ от големината и независещ от посоката на магнитното поле.The utility model will find application for the effective positioning of linearly moving magnetic parts for the purpose of automatic control, as well as for solving other problems of automation and analytical techniques that require a signal dependent on the magnitude and independent of the direction of the magnetic field.
Базовият чувствителен елемент представлява тънкослойна структура от материал, притежаващ анизотропен магниторезистивен ефект (напр. пермалой) и има формата на дъгообразна шина с ъгъл от 180° и отношение дължина/ширина >10. Оста на магнитната анизотропия е извита, следвайки геометрията на шината, както е показано на фиг. 5. Поради симетрията на анизотропния магниторезистивен ефект, магнитното изменение на съпротивление на базовия елемент зависи само от величината Н (модула Н на вектора на магнитното поле) и не зависи от посоката на полето. При условията на задачата за линейно позициониране на движещи се магнитни детайли ходът на магниторезистивния ефект (магнитното изменение на съпротивлението) има характера на хода на Н, представен на фиг. 2 (монотонно нарастване с приближаването на магнита към сензора), което осигурява еднозначно определяне на позицията на магнита и облекчена обработка на сигнала.The basic sensing element is a thin-film structure of material having an anisotropic magnetoresistive effect (eg permalloy) and having the form of an arcuate bar with an angle of 180 ° and a length / width ratio> 10. The axis of magnetic anisotropy is curved, following the geometry of the bar, as shown in FIG. 5. Due to the symmetry of the anisotropic magnetoresistive effect, the magnetic variation of the resistance of the base element depends only on the magnitude H (modulus H of the magnetic field vector) and does not depend on the direction of the field. Under the condition of the linear positioning of moving magnetic parts, the course of the magnetoresistive effect (the magnetic variation of the resistance) has the character of the stroke of H shown in FIG. 2 (monotonically increasing as the magnet approaches the sensor), which provides a single position determination of the magnet and facilitates signal processing.
С цел използване на преимуществата на меандровите структури (получаване оптимално съпротивление при оптимална площ на структурата) базовият елемент е разделен на два сегмента (Сегмент 1 - дъга с ъгъл от 90° и Сегмент 2 дъга с ъгъл от 90° и завъртян на 90° спрямо Сегмент 1), от които са изградени два комплементарни магниторезистора във вид на меандри, както е показано на фиг. 6. Броят на дъгите и размерите на всеки меандър се определят от зададените съпротивление и магнитна чувствителност на магниторезистора. Сумарният магниторезистивен ефект на двата магниторезистора е равен на магниторезистивния ефект, демонстриран от базовия елемент с ъгъл 180°. Двата комплементарни магниторезистора могат да бъдат разположени съответно в лявото и дясното рамо на Уитстонов мост за получаване на диференциален изходен сигнал, зависещ само от величината и независещ от посоката на приложеното магнитно поле.In order to take advantage of the meander structures (obtaining optimum resistance at optimum structure area), the base element is divided into two segments (Segment 1 - arc with 90 ° angle and Segment 2 arc with 90 ° and rotate 90 ° Segment 1) from which two complementary magnetoresistors are constructed in the form of meanders, as shown in FIG. 6. The number of arcs and dimensions of each meander is determined by the set resistance and magnetic sensitivity of the magnetoresistor. The total magnetoresistive effect of the two magnetoresistors is equal to the magnetoresistive effect demonstrated by the 180 ° base element. The two complementary magnetoresistors may be located respectively on the left and right arms of the Wheatstone Bridge to obtain a magnitude-dependent differential output signal independent of the direction of the applied magnetic field.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG1493U BG1196U1 (en) | 2008-09-11 | 2008-09-11 | Magnetoresistive sensor for measuring the magnitude (absolute value) of magnetic field |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG1493U BG1196U1 (en) | 2008-09-11 | 2008-09-11 | Magnetoresistive sensor for measuring the magnitude (absolute value) of magnetic field |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BG1196U1 true BG1196U1 (en) | 2009-07-31 |
Family
ID=41059445
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BG1493U BG1196U1 (en) | 2008-09-11 | 2008-09-11 | Magnetoresistive sensor for measuring the magnitude (absolute value) of magnetic field |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
BG (1) | BG1196U1 (en) |
-
2008
- 2008-09-11 BG BG1493U patent/BG1196U1/en unknown
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2801834B1 (en) | Current sensor | |
JP4411319B2 (en) | Magnetoresistive sensor for angle or position determination | |
RU2328015C2 (en) | Sensitive element with giant magnetic resistance and its application | |
JP5654455B2 (en) | Gear speed detection method and gear speed detection device | |
US9588134B2 (en) | Increased dynamic range sensor | |
CN105675026B (en) | The magnetized soft handover in magnetoresistive sensor | |
US20040017187A1 (en) | Magnetoresistive linear position sensor | |
US7772835B2 (en) | AMR array magnetic design for improved sensor flexibility and improved air gap performance | |
US7208940B2 (en) | 360-Degree magnetoresistive rotary position sensor | |
CN109212439A (en) | Magnetic field sensor | |
WO2009058290A1 (en) | Magnetic field angular sensor with a full angle detection | |
CN106154189B (en) | Tunneling magnetoresistance device for magnetic field sensing | |
US11313923B2 (en) | Method for measuring a magnetic field using a magnetic field sensor device having a second magnetic field sensor between parts of a first magnetic field sensor | |
CN109541280A (en) | Integrated current sensors | |
US6522132B1 (en) | Linear angular sensor with magnetoresistors | |
CN112083211A (en) | Current sensor | |
US11243275B2 (en) | Magnetic field sensing device | |
US20130214776A1 (en) | Tunneling magneto-resistive device with set/reset and offset straps | |
US8125217B2 (en) | Magnetoresistive array design for improved sensor-to-magnet carrier tolerances | |
CN214585084U (en) | Magnetic sensor and nondestructive testing device based on magnetic sensor | |
CN209707574U (en) | Integrated current sensors | |
BG1196U1 (en) | Magnetoresistive sensor for measuring the magnitude (absolute value) of magnetic field | |
JPH0755416A (en) | Position sensor using magnetoresistance body and complementary target | |
US20060028308A1 (en) | Precision non-contact digital switch | |
JP2007516437A (en) | Magnet sensor device |