RU2216822C1

RU2216822C1 - Magnetoresistive pickup

Info

Publication number: RU2216822C1
Application number: RU2002108882/28A
Authority: RU
Inventors: Л.Ю. Бородинов; В.В. Лопатин; А.В. Остроглядов; Ф.Ф. Попадинец; А.А. Резнев; А.В. Сватков
Original assignee: Войсковая часть 35533
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2003-11-20
Also published as: RU2002108882A

Abstract

FIELD: automatics, equipment measuring direct and alternating currents and voltages where resistive decoupling of signal source and measuring instrument is required. SUBSTANCE: magnetic system comprising several magnetoresistive strips and forming homogeneous magnetic field in strips in plane of their arrangement, perpendicular to their axis of light magnetization is positioned in plane of arrangement of magnetoresistive strips. Two control conductors are put through insulation layer above strips. EFFECT: development of pickup measuring direct and alternating currents displaying low value of hysteresis. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в устройствах измерения постоянных и переменных электрических токов и напряжений, где требуется гальваническая развязка источника сигнала и измерительного прибора. The invention relates to the field of automation and can be used in devices for measuring constant and alternating electric currents and voltages, where galvanic isolation of the signal source and the measuring device is required.

Известны тонкопленочные магниторезистивные датчики магнитного поля и электрического тока, чувствительный элемент которых содержит мостовую схему из магниторезистивных полосок с продольной и поперечной осью легкого намагничивания (ОЛН), изготовленных на основе однослойных или двухслойных магнитных пленок из сплавов FeNi или FeNiCo (патент РФ 2066504, М.кл.⁶ Н 01 L 43/08, Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. - М.: ДМК Пресс, 2001 г - с.326). Такие датчики имеют четную вольт-эрстедную характеристику и для ее смещения на линейный рабочий участок используется постоянный магнит. Измеряемый ток при этом пропускается через жестко встроенный в корпус датчика проводник, проложенный вблизи датчика. Недостатками таких датчиков являются относительно небольшой диапазон линейною рабочего участка, высокий гистерезис и большой исходный технологический разбаланс мостовой схемы.Thin-film magnetoresistive magnetic field and electric current sensors are known, the sensitive element of which contains a bridge circuit of magnetoresistive strips with a longitudinal and transverse axis of easy magnetization (OLN), made on the basis of single-layer or double-layer magnetic films of FeNi or FeNiCo alloys (RF patent 2066504, M. class ⁶ N 01 L 43/08, Baranochnikov M.L. Micromagnetoelectronics. - M.: DMK Press, 2001 - p. 326). Such sensors have an even volt-oersted characteristic and a permanent magnet is used to shift it to the linear working section. In this case, the measured current is passed through a conductor rigidly built into the sensor housing, which is laid near the sensor. The disadvantages of such sensors are a relatively small range of linear work area, high hysteresis and a large initial technological imbalance of the bridge circuit.

Эти недостатки частично устранены в магниторезистивном датчике магнитного поля, чувствительный элемент которого содержит мостовую схему из магниторезистивных полосок с продольной ОЛН, изготовленных из тонких двухслойных ферромагнитных пленок, и управляющий проводник (патент РФ 2139602, МКИ Н 01 L 43/08). Наличие только продольно ориентированных полосок приводит к уменьшению гистерезиса, а заданный ток питания через управляющий проводник формирует необходимую для измерения внешнего магнитного ноля нечетную вольт-эрстедную характеристику с увеличенным в два раза линейным рабочим участком. These shortcomings are partially eliminated in the magnetoresistive magnetic field sensor, the sensitive element of which contains a bridge circuit of magnetoresistive strips with longitudinal OLN made of thin two-layer ferromagnetic films, and a control conductor (RF patent 2139602, MKI N 01 L 43/08). The presence of only longitudinally oriented strips leads to a decrease in hysteresis, and the given supply current through the control conductor forms the odd volt-oersted characteristic necessary for measuring the external magnetic zero with the linear working area doubled.

Недостатками такого датчика являются невозможность прямого использования его в качестве датчика электрического тока, повышенное энергопотребление из-за необходимости использования дополнительного тока питания через управляющий проводник при работе в режиме датчика магнитного поля и наличие большого исходного технологического разбаланса мостовой схемы. The disadvantages of such a sensor are the impossibility of using it directly as an electric current sensor, increased energy consumption due to the need to use an additional supply current through the control conductor when operating in the magnetic field sensor mode, and the presence of a large initial technological imbalance of the bridge circuit.

Техническим результатом изобретения является получение датчика для измерения постоянного и переменного электрических токов, имеющего малое значение гистерезиса, расширенный диапазон линейного рабочего участка и возможность компенсации исходного разбаланса мостовой схемы. The technical result of the invention is to obtain a sensor for measuring direct and alternating electric currents having a small hysteresis value, an extended range of a linear working section and the ability to compensate for the initial unbalance of the bridge circuit.

Указанный технический результат достигается размещением в плоскости расположения полосок магнитной системы, состоящей из нескольких постоянных микромагнитов, создающей однородное магнитное поле в полосках в плоскости их расположения, перпендикулярное их оси легкого намагничивания, и размещением через изолирующий слой над полосками двух проводников управления. The specified technical result is achieved by placing in the plane of arrangement of the strips of the magnetic system, consisting of several permanent micromagnets, creating a uniform magnetic field in the strips in the plane of their location, perpendicular to their axis of easy magnetization, and placing through the insulating layer above the strips of two control wires.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что датчик, выполненный по мостовой схеме, содержит четыре однонаправлено от начала к концу ориентированные тонкопленочные магниторезистивные полоски с продольной OЛH, изготовленные из двухслойных магниторезистивных пленок с анизотропным магниторезистивным эффектом. Первая полоска с четвертой и вторая с третьей составляют смежные плечи моста. Поверх мостовой схемы расположен изолирующий слой, а по нему проложены два управляющих проводника, один из которых последовательно идет над первой полоской от начала к концу и над четвертой полоской от конца к началу, другой - над второй полоской от конца к началу и над третьей полоской от начала к концу. В плоскости расположения полосок размещена магнитная система, состоящая из нескольких постоянных микромагнитов, создающая однородное магнитное поле в полосках в плоскости их расположения, перпендикулярное их оси легкого намагничивания. Количество магнитов в магнитной системе выбирается из соображения создания в области расположения полосок однородного магнитного поля смещения. Измеряемый ток пропускается через один из управляющих проводников. Ток, необходимый для компенсации исходного разбаланса, пропускается через другой управляющий проводник. Сохранение при этом в конструкции датчика продольно ориентированных полосок и проводника управления обеспечивает сохранение таких свойств прототипа, как низкое значение гистерезиса и увеличенный в два раза линейный рабочий участок характеристики. Применение в конструкции датчика магнитной системы для смешения в рабочую точку и использование измеряемого тока в качестве управляющего тока позволяет непосредственно измерять датчиком электрический ток. Наличие другого проводника позволяет компенсировать исходный разбаланс мостовой схемы путем пропускания через него заданного тока питания. The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the sensor, made according to the bridge circuit, contains four unidirectionally oriented thin-film magnetoresistive strips with longitudinal OLH, made of two-layer magnetoresistive films with an anisotropic magnetoresistive effect. The first strip from the fourth and second from the third are adjacent shoulders of the bridge. An insulating layer is located on top of the bridge circuit, and two control conductors are laid along it, one of which is sequentially above the first strip from beginning to end and above the fourth strip from end to beginning, the other above the second strip from end to beginning and above the third strip from beginning to end. A magnetic system consisting of several permanent micromagnets is placed in the plane of the arrangement of the strips, creating a uniform magnetic field in the strips in the plane of their location, perpendicular to their axis of easy magnetization. The number of magnets in the magnetic system is selected for reasons of creating a uniform bias magnetic field in the region of the location of the strips. The measured current is passed through one of the control conductors. The current required to compensate for the initial imbalance is passed through another control conductor. At the same time, preservation of longitudinally oriented strips and a control conductor in the sensor design ensures the preservation of such properties of the prototype as a low hysteresis value and a doubled linear working section of the characteristic. The use in the design of the sensor of a magnetic system for mixing at the operating point and the use of the measured current as a control current allows the sensor to directly measure electric current. The presence of another conductor allows you to compensate for the initial imbalance of the bridge circuit by passing a predetermined supply current through it.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 приведены схемы включения датчика для измерения электрического тока и напряжения, соответственно, а на фиг.3 - экспериментальные зависимости выходного напряжения с датчика от величины измеряемого электрического тока через проводник управления без компенсации исходного разбаланса и после его компенсации согласно изобретению, кривые 1 и 2, соответственно. The invention is illustrated by drawings, where Figs. 1, 2 show the sensor switching circuits for measuring electric current and voltage, respectively, and Fig. 3 shows the experimental dependences of the output voltage from the sensor on the measured electric current through the control conductor without compensation for the initial unbalance and after its compensation according to the invention, curves 1 and 2, respectively.

Датчик состоит (фиг. 1) из четырех тонкопленочных магниторезистивных полосок (магниторезисторов) 1-4, объединенных проводниками в мостовую схему; четырех клемм 7-10 в вершинах мостовой схемы; двух проводников управления 5, 6, проходящих над магниторезистивными полосками, с клеммами 11, 12 и 13, 14, соответственно; магнитной системы 15 с обозначенными полюсами S (юг), N (север). Резистор 16 (фиг. 2) подключен к клемме 11 и шине 17, клемма 12 подключена к шине 18. I_изм, U_изм и I_п - измеряемый ток, измеряемое напряжение и ток компенсации разбаланса мостовой схемы, соответственно.The sensor consists (Fig. 1) of four thin-film magnetoresistive strips (magnetoresistors) 1-4, connected by conductors in a bridge circuit; four terminals 7-10 at the tops of the bridge circuit; two control conductors 5, 6, passing over the magnetoresistive strips, with terminals 11, 12 and 13, 14, respectively; magnetic system 15 with marked poles S (south), N (north). Resistor 16 (Fig. 2) is connected to terminal 11 and bus 17, terminal 12 is connected to bus 18. I _ISM , U _ISM and I _p are the measured current, the measured voltage and the unbalance compensation current of the bridge circuit, respectively.

Работа датчика при измерении электрического тока осуществляется следующим образом. При подаче постоянного напряжения питания в диагональ моста на клеммы 7, 8 и отсутствии измеряемого тока I_изм в проводнике управления 5 однородное магнитное поле от магнитной системы 15 (при указанном на фиг.1 расположении магнитных полюсов постоянных микромагнитов магнитной системы) уменьшает значения сопротивлений магниторезисторов 1-4 на одинаковую величину, поворачивая векторы намагниченности

полосок на одинаковый угол против часовой стрелки относительно ОЛМ. При этом полезный сигнал, снимаемый с другой диагонали моста (клеммы 9, 10), отсутствует, а регистрируется напряжение исходного разбаланса моста, связанное с технологическими отклонениями в номиналах магниторезисторов 1-4. При пропускании измеряемого тока через проводник управления 5 (клеммы 11, 12 и направление протекания тока от клеммы 11 к клемме 12) угол поворота вектора намагниченности в полоске 1 увеличивается (сопротивление соответствующего магниторезистора уменьшается), а в полоске 4 угол поворота уменьшается (сопротивление соответствующего магниторезистора возрастает). На измерительной диагонали моста (клеммы 9, 10) появляется напряжение, которое является суммой двух напряжений; полезного пропорционального величине измеряемого тока, и постоянного напряжения исходного разбаланса. При изменении направления протекания измеряемого тока знак выходного полезного направления изменяется на противоположный, а напряжение исходного разбаланса остается неизменным.The sensor when measuring electric current is as follows. When a constant supply voltage is applied to the bridge diagonal at

terminals

7, 8 and there is no measured current I _ISM in the control conductor 5, a uniform magnetic field from the magnetic system 15 (with the arrangement of the magnetic poles of the permanent micromagnets of the magnetic system shown in Fig. 1) reduces the resistance values of the magnetoresistors 1 -4 by the same amount by rotating the magnetization vectors

strips at the same angle counterclockwise relative to the OLM. At the same time, a useful signal recorded from another diagonal of the bridge (terminals 9, 10) is absent, and the voltage of the initial unbalance of the bridge, associated with technological deviations in the values of the magnetoresistors 1-4, is recorded. When the measured current is passed through the control conductor 5 (

terminals

11, 12 and the direction of current flow from terminal 11 to terminal 12), the rotation angle of the magnetization vector in strip 1 increases (the resistance of the corresponding magnetoresistor decreases), and in strip 4 the rotation angle decreases (resistance of the corresponding magnetoresistor increasing). A voltage appears on the measuring diagonal of the bridge (terminals 9, 10), which is the sum of two voltages; useful proportional to the measured current, and the constant voltage of the initial unbalance. When the direction of flow of the measured current changes, the sign of the output useful direction changes to the opposite, and the voltage of the initial unbalance remains unchanged.

Напряжение исходного технологического разбаланса мостовой схемы датчика может значительно превышать полезный сигнал (технологический разброс номиналов магниторезисторов 1-4 может доходить до 1%) и значительно усложняет схемотехнику устройств на основе магниторезистивных датчиков. Пропуская через второй управляющий проводник 6 постоянный ток питания нужного направления, в зависимости от знака напряжения разбаланса, можно в пределах величины анизотропного магниторезистивного эффекта в рассматриваемых пленках (2-3% от номинала сопротивления магниторезисторов) компенсировать разбаланс. В качестве примера рассмотрим следующий случай. Пусть магниторезисторы 1 и 3 имеют отрицательную погрешность номинала, а магниторезисторы 2 и 4 - положительную погрешность, что приводит к исходному разбалансу мостовой схемы датчика, составляющему 5 мВ. При подаче необходимого для компенсации разбаланса, постоянного электрического тока I_п через проводник 6 (клеммы 13, 14 и направление протекания тока от клеммы 14 к клемме 13) угол поворота вектора намагниченности в полоске 3 уменьшается (сопротивление соответствующего магниторезистора увеличивается), а в полоске 2 угол поворота увеличивается (сопротивление соответствующего магниторезистора уменьшается). Очевидно, что таким образом можно добиться балансировки моста, В итоге с измерительной диагонали моста (клеммы 9, 10) снимается только полезный сигнал (фиг.3, кривая 2). Значение тока I_п, необходимого для компенсации разбаланса, как легко видеть, соответствует значению измеряемого тока в точке пересечения кривой 1 фиг.3 с осью абсцисс и равно -25 мА.The voltage of the initial technological imbalance of the bridge circuit of the sensor can significantly exceed the useful signal (the technological spread of the values of the magnetoresistors 1-4 can reach 1%) and significantly complicates the circuitry of devices based on magnetoresistive sensors. By passing a constant current supply of the desired direction through the second control conductor 6, depending on the sign of the unbalance voltage, it is possible to compensate for the imbalance within the anisotropic magnetoresistive effect in the films under consideration (2-3% of the resistance value of the magnetoresistors). As an example, consider the following case. Let magnetoresistors 1 and 3 have a negative nominal error, and magnetoresistors 2 and 4 have a positive error, which leads to an initial imbalance of the sensor bridge circuit of 5 mV. When applying the necessary for compensation of the imbalance, direct current I _p through the conductor 6 (terminals 13, 14 and the direction of current flow from terminal 14 to terminal 13) the rotation angle of the magnetization vector in strip 3 decreases (the resistance of the corresponding magnetoresistor increases), and in strip 2 the angle of rotation increases (the resistance of the corresponding magnetoresistor decreases). Obviously, in this way, balancing of the bridge can be achieved. As a result, only the useful signal is removed from the measuring diagonal of the bridge (terminals 9, 10) (Fig. 3, curve 2). The value of current I _p necessary to compensate for the imbalance, as is easy to see, corresponds to the value of the measured current at the intersection of curve 1 of figure 3 with the abscissa axis and is equal to -25 mA.

Работа датчика в режиме измерения напряжения отличается от описанной выше схемы измерения тока тем, что по проводнику управления пропускается электрический ток, проходящий через резистор 16, подключенный к источнику измеряемого напряжения. Сопротивление резистора 16 должно, при этом, быть много больше внутреннего сопротивления источника напряжения. The operation of the sensor in the voltage measurement mode differs from the current measurement circuit described above in that an electric current is passed through the control conductor through a resistor 16 connected to a measured voltage source. The resistance of the resistor 16 should, in this case, be much greater than the internal resistance of the voltage source.

Claims

Magnetoresistive sensor with thin-film magnetoresistive strips connected to a bridge circuit in which all the strips have an easy magnetization axis oriented along each of the strips, and a control conductor is laid over the strips through the insulating layer, characterized in that two control conductors are laid over the strips, one above one pair of strips that make up the adjacent shoulders of the bridge, the second over the other pair, and in the plane of the strips there is a magnetic system consisting of several permanent micromagnets, creating a uniform magnetic field in the strips perpendicular to their axis of easy magnetization.