RU2630716C2 - Combined magnetoresistive sensor - Google Patents
Combined magnetoresistive sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2630716C2 RU2630716C2 RU2015133734A RU2015133734A RU2630716C2 RU 2630716 C2 RU2630716 C2 RU 2630716C2 RU 2015133734 A RU2015133734 A RU 2015133734A RU 2015133734 A RU2015133734 A RU 2015133734A RU 2630716 C2 RU2630716 C2 RU 2630716C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- magnetoresistive
- bridge
- magnetoresistive bridge
- concentrator
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 129
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 18
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 16
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims 1
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 2
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 229910000889 permalloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000002595 magnetic resonance imaging Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000615 nonconductor Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Комбинированный магниторезистивный датчик относится к устройствам регистрации переменных, в том числе, импульсных магнитных полей звукового и более низких частотных диапазонов, и может быть использован в средствах магнитной телеметрии и интроскопии.The combined magnetoresistive sensor relates to devices for recording variables, including pulsed magnetic fields of sound and lower frequency ranges, and can be used in magnetic telemetry and introscopy.
В последние годы в области магнитной интроскопии ставится задача не только регистрации откликов от объектов поиска, но и получения их образов на основании многоканального приема электромагнитных откликов от этих объектов, полученных при воздействии на них переменных электромагнитных полей.In recent years, in the field of magnetic introscopy, the task has been set not only to register responses from search objects, but also to obtain their images based on multichannel reception of electromagnetic responses from these objects obtained by exposure to alternating electromagnetic fields.
Известны металлоискатели индуктивного типа, использующие в качестве регистраторов переменного магнитного поля, в том числе импульсного, звукового диапазона, генерируемого катушкой индуктивности с током и откликов от объектов поиска, тонкопленочные магниторезистивные мостовые датчики, использующие анизотропный или гигантский магниторезистивные эффекты (US 2004/0021461 А1, 2004, г.; US 20130207648 А1, 2013 г.). Работа подобных устройств предпочтительна при отсутствии значительных помех, вызванных движением магниторезистивных датчиков в пространстве, заполненном постоянными или медленно меняющимися паразитными магнитными полями, например, от окружающих намагниченных объектов, не являющихся целью поиска, или магнитного поля Земли. При движении металлоискателя в этих условиях паразитные магнитные поля смещают рабочие точки магниторезистивных датчиков, вплоть до введения их в режим отсечки или насыщения, что приводит к получению на выходе магниторезистивных датчиков ложных сигналов или пропуска истинных.Inductive type metal detectors using thin-film magnetoresistive bridge sensors using anisotropic or gigantic magnetoresistive effects (US 2004/0021461 A1, 2004, U.S. 20130207648 A1, 2013). The operation of such devices is preferable in the absence of significant interference caused by the movement of magnetoresistive sensors in a space filled with constant or slowly changing spurious magnetic fields, for example, from surrounding magnetized objects that are not the purpose of the search, or the Earth’s magnetic field. When the metal detector moves under these conditions, the parasitic magnetic fields shift the operating points of the magnetoresistive sensors, up to their introduction into the cut-off or saturation mode, which leads to the receipt of false signals or skipping true signals at the output of the magnetoresistive sensors.
Многоканальные приемные элементы в виде катушек индуктивности используются, например, в магнитной резонансной томографии (US 6977502 В1). Однако полезные сигналы в данном устройстве лежат в радиодиапазоне.Multichannel receiving elements in the form of inductors are used, for example, in magnetic resonance imaging (US 6977502 B1). However, the useful signals in this device are in the radio range.
Применение катушек индуктивности для приема сигналов прямоугольной формы в диапазоне звуковых и более низких частот приводит к сильному искажению принимаемых сигналов, в частности, их дифференцированию, что может являться существенным недостатком.The use of inductors for receiving square-wave signals in the range of sound and lower frequencies leads to a strong distortion of the received signals, in particular, their differentiation, which can be a significant drawback.
В качестве прототипа по уровню техники может быть взят патент (RU 2533347, 2014 г.), в котором описано устройство, регистрирующее одиночные импульсы магнитного поля. Устройство содержит тонкопленочный магниторезистивный мост Уитстона, у которого на поверхности двух магниторезисторов противоположных плечей моста размещены витки первой секции короткозамкнутой катушки индуктивности. Вторая секция той же катушки намотана поверх концентратора магнитного поля из ферромагнитного материала. Концы первой и второй секций соединены гальванически так, что образуют короткозамкнутую катушку. Геометрические и электрофизические параметры концентратора магнитного поля, короткозамкнутой катушки и магниторезистивного моста выбраны таким образом, что появление магнитного импульса в контролируемом пространстве приводит к возникновению в короткозамкнутой катушке импульса тока, который размагничивает, благодаря виткам первой секции, исходно намагниченные определенным образом, соответствующие плечи моста Уитстона. Это приводит к разбалансировке магниторезистивного моста, величина которой регистрируется. Материал магниторезисторов плечей моста имеет прямоугольную петлю гистерезиса, т.е. работает как ячейка магнитной памяти (Суху Р. Магнитные тонкие пленки. - Москва: Мир. - 1967 г. - С. 192-196), и сохраняет зафиксированное значение разбалансировки в течение длительного времени.As a prior art prototype, a patent can be taken (RU 2533347, 2014), which describes a device that registers single pulses of a magnetic field. The device comprises a thin-film Wheatstone magnetoresistive bridge, on which coils of the first section of a short-circuited inductance coil are placed on the surface of two magnetoresistors of opposite shoulders of the bridge. A second section of the same coil is wound over a magnetic field concentrator of ferromagnetic material. The ends of the first and second sections are galvanically connected so that they form a short-circuited coil. The geometric and electrophysical parameters of the magnetic field concentrator, short-circuited coil and magnetoresistive bridge are chosen so that the appearance of a magnetic pulse in the controlled space leads to the appearance of a current pulse in the short-circuited coil, which demagnetizes, thanks to the turns of the first section, initially magnetized in a certain way, corresponding to the shoulders of the Wheatstone bridge . This leads to an imbalance of the magnetoresistive bridge, the value of which is recorded. The material of the magnetoresistors of the shoulders of the bridge has a rectangular hysteresis loop, i.e. works like a magnetic memory cell (Sukhu R. Magnetic thin films. - Moscow: Mir. - 1967 - S. 192-196), and retains a fixed value of unbalance for a long time.
Недостатками данного устройства можно считать, во-первых, невозможность регистрации непрерывно следующих импульсов магнитного поля, т.к. после прохождения каждого нового магнитного импульса требуется повторное исходное намагничивание плечей магниторезистивного моста. Во-вторых, недостаточную чувствительность устройства в целом к магнитному полю. И, в-третьих, возможную подверженность случайному перемагничиванию плечей магниторезистивного моста при появлении вблизи моста источника относительно сильного магнитного поля (постоянного магнита с высокой напряженностью магнитного поля и т.п.), вносящего тем самым ошибку в измерения.The disadvantages of this device can be considered, firstly, the impossibility of recording continuously the following pulses of the magnetic field, because after passing through each new magnetic pulse, re-initial magnetization of the shoulders of the magnetoresistive bridge is required. Secondly, the lack of sensitivity of the device as a whole to the magnetic field. And, thirdly, a possible susceptibility to the magnetization reversal of the shoulders of the magnetoresistive bridge when a source of a relatively strong magnetic field (a permanent magnet with a high magnetic field strength, etc.) appears near the bridge, thereby introducing an error in the measurements.
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются:The technical result of the invention are:
- возможность регистрации непрерывных потоков магнитных прямоугольных импульсов звукового и низкочастотного диапазонов с минимально возможным внесением искажений в их форму;- the ability to register continuous flows of magnetic rectangular pulses of sound and low frequency ranges with the minimum possible distortion in their shape;
- обеспечение магнитной экранировки магниторезистивного моста от влияния паразитных постоянного и инфранизкочастотных магнитных полей;- providing magnetic shielding of the magnetoresistive bridge from the influence of parasitic constant and low-frequency magnetic fields;
- повышение магнитной чувствительности к полезным сигналам.- increase the magnetic sensitivity to useful signals.
Данный технический результат достигается в предполагаемом изобретении закреплением магниторезистивного моста на поверхности концентратора, имеющего цилиндрическую, прямоугольную и т.п. форму и линейные размеры по всем координатам существенно превышающие размеры моста. При этом ось чувствительности магниторезистивного моста ориентируется вдоль поверхности концентратора, в направлении продольной оси последнего, на расстоянии много меньшем габаритных размеров концентратора, особенно его толщины (диаметра). В этом случае применяется, в отличие от прототипа, тонкопленочный магниторезистивный мост Уитстона, функционирующий в роли датчика магнитного поля с анизотропным или гигантским магниторезистивным эффектом. Такие датчики имеют объем в доли кубических миллиметров (при отсутствии изолирующего корпуса), нечетную (S-образную) или четную (V-образную) вольт-эрстедную характеристику и обеспечивают прием магнитных сигналов любой формы в диапазоне частот от постоянного поля до единиц мегагерц (Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника Т. 1, МКД Пресс - М: 2001. - 540 с). Кроме того, место крепления магниторезистивного моста находится примерно в центральной части длины и ширины (диаметра) концентратора магнитного поля.This technical result is achieved in the alleged invention by fixing the magnetoresistive bridge on the surface of the hub having a cylindrical, rectangular, etc. the shape and linear dimensions in all coordinates significantly exceed the dimensions of the bridge. In this case, the sensitivity axis of the magnetoresistive bridge is oriented along the surface of the concentrator, in the direction of the longitudinal axis of the latter, at a distance much smaller than the overall dimensions of the concentrator, especially its thickness (diameter). In this case, in contrast to the prototype, a thin-film Wheatstone magnetoresistive bridge is used, which functions as a magnetic field sensor with an anisotropic or giant magnetoresistive effect. Such sensors have a volume of a fraction of cubic millimeters (in the absence of an insulating body), an odd (S-shaped) or even (V-shaped) volt-oersted characteristic and provide reception of magnetic signals of any shape in the frequency range from a constant field to units of megahertz (Baranochnikov M.L. Micromagnetoelectronics T. 1, MKD Press - M: 2001 .-- 540 s). In addition, the attachment point of the magnetoresistive bridge is located approximately in the central part of the length and width (diameter) of the magnetic field concentrator.
На концентратор магнитного поля намотан провод первой секции коротко-замкнутой катушки, причем витки данной секции проложены вдоль поперечных размеров концентратора, т.е. центральные оси витков параллельны продольной оси симметрии концентратора, а, следовательно, и оси чувствительности магниторезистивного моста. Кроме того, витки первой секции покрывают собой магниторезистивный мост, и при этом обеспечивается минимально возможный зазор между проводом витков и указанным мостом, а центральные оси витков параллельны его оси чувствительности. Витки второй секции намотаны на концентратор параллельно виткам первой секции и в том же направлении, но не пересекают поверхность магниторезистивного моста. Первая и вторая секции катушки, таким образом, намотаны последовательно друг за другом, а концы и начала проводов первой и второй секций гальванически соединены, образуя в целом короткозамкнутую катушку, имеющую общую индуктивность, равную сумме индуктивностей первой и второй секций. Очевидно, что вторая секция может отсутствовать. Вблизи магниторезистивного моста устанавливается источник постоянного магнитного поля, определяющий рабочую точку указанного моста.A wire of the first section of the short-circuit coil is wound around the magnetic field concentrator, and the turns of this section are laid along the transverse dimensions of the concentrator, i.e. the central axis of the turns are parallel to the longitudinal axis of symmetry of the hub, and, consequently, the sensitivity axis of the magnetoresistive bridge. In addition, the turns of the first section cover a magnetoresistive bridge, and this ensures the smallest possible gap between the wire of the turns and the specified bridge, and the central axis of the turns are parallel to its sensitivity axis. The turns of the second section are wound on the hub parallel to the turns of the first section and in the same direction, but do not cross the surface of the magnetoresistive bridge. The first and second sections of the coil are thus wound sequentially one after another, and the ends and beginnings of the wires of the first and second sections are galvanically connected, forming a generally short-circuited coil having a common inductance equal to the sum of the inductances of the first and second sections. Obviously, the second section may be absent. Near the magnetoresistive bridge, a constant magnetic field source is installed, which determines the working point of the specified bridge.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что магнитное поле, регистрируемое комбинированным магниторезистивным датчиком, концентрируется в материале концентратора магнитного поля (ферромагнитном металле или сплаве, феррите и т.п.). Плечи магниторезистивного моста, расположенного на близком расстоянии от поверхности концентратора магнитного поля, в центральной его части, магнитно шунтируются материалом указанного концентратора. Это обусловлено тем, что ось чувствительности магниторезистивного моста лежит в плоскости тонкопленочных магниторезисторов, из которых изготовлен магниторезистивный мост, т.е. параллельно поверхности концентратора магнитного поля. Зазор же между магниторезисторами и поверхностью концентратора магнитного поля минимально возможный для выбранной конкретной конструкции комбинированного магниторезистивного датчика. При этом размеры концентратора магнитного поля, в том числе, и площадь его поверхности, на которой закреплен магниторезистивный мост, и особенно толщина (диаметр), на много превосходят размеры указанного моста. Такая конструкция значительно снижает магнитное сопротивление зазора, вследствие чего магнитные силовые линии вблизи магниторезистивного моста отклоняются от его плоскости и уходят в концентратор. Таким образом, напряженность и полезного, и паразитного магнитных полей, воздействующих на магниторезистивный мост, существенно падает, и это дает эффект магнитного экранирования магниторезистивного моста. Такая экранировка действует во всем частотном диапазоне магнитных колебаний, начиная с постоянного значения. С ростом частоты колебаний качество экранировки усиливается.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the magnetic field detected by the combined magnetoresistive sensor is concentrated in the material of the magnetic field concentrator (ferromagnetic metal or alloy, ferrite, etc.). The shoulders of the magnetoresistive bridge located at a close distance from the surface of the magnetic field concentrator in its central part are magnetically shunted by the material of the specified concentrator. This is due to the fact that the sensitivity axis of the magnetoresistive bridge lies in the plane of the thin-film magnetoresistors of which the magnetoresistive bridge is made, i.e. parallel to the surface of the magnetic field concentrator. The gap between the magnetoresistors and the surface of the magnetic field concentrator is the smallest possible for the selected specific design of the combined magnetoresistive sensor. In this case, the dimensions of the magnetic field concentrator, including its surface area on which the magnetoresistive bridge is fixed, and especially the thickness (diameter), are much larger than the dimensions of this bridge. This design significantly reduces the magnetic resistance of the gap, as a result of which the magnetic lines of force near the magnetoresistive bridge deviate from its plane and go into the hub. Thus, the strength of both useful and spurious magnetic fields acting on the magnetoresistive bridge decreases significantly, and this gives the effect of magnetic shielding of the magnetoresistive bridge. Such a screening is valid in the entire frequency range of magnetic oscillations, starting from a constant value. With an increase in the oscillation frequency, the screening quality increases.
Витки первой секции вместе с витками второй секции охватывают концентратор магнитного поля, что при воздействии переменного магнитного поля приводит к возбуждению в указанных секциях (в короткозамкнутой катушке) наведенного переменного тока. Вторичное магнитное поле, возбужденное наведенным в витках первой секции переменным током, воздействует на магниторезистивный мост, т.к. он находится ближе к данным виткам, чем поверхность концентратора магнитного поля. Постоянное магнитное поле вообще не возбуждает ток в первой и второй секциях короткозамкнутой катушки, а инфранизкочастотные колебания магнитного поля, вызванные перемещением комбинированного магниторезистивного датчика в области действия окружающих постоянных магнитных полей, возбуждают существенно меньшие значения тока в витках, чем частоты рабочего (звукового) диапазона. Таким образом, происходит отфильтровывание постоянных и инфранизкочастотных сигналов на входе магниторезистивного моста.The turns of the first section together with the turns of the second section cover the magnetic field concentrator, which, when exposed to an alternating magnetic field, leads to the excitation of the induced alternating current in the indicated sections (in a short-circuited coil). The secondary magnetic field excited by the alternating current induced in the turns of the first section acts on the magnetoresistive bridge, because it is closer to these turns than the surface of a magnetic field concentrator. The constant magnetic field does not excite current at all in the first and second sections of the short-circuited coil, and the infra-low-frequency oscillations of the magnetic field caused by the movement of the combined magnetoresistive sensor in the field of action of the surrounding constant magnetic fields excite significantly lower current values in the turns than the frequencies of the working (sound) range. Thus, the filtering of constant and infra-low-frequency signals at the input of the magnetoresistive bridge.
Количество витков первой и второй секций короткозамкнутой катушки, намотанных на концентратор магнитного поля, их электрофизические характеристики в совокупности с геометрическими размерами, формой и материалом указанного концентратора являются параметрами, определяющими выбор частотного диапазона работы и общего значения магнитной чувствительности комбинированного магниторезистивного датчика.The number of turns of the first and second sections of the short-circuited coil wound around a magnetic field concentrator, their electrophysical characteristics, together with the geometric dimensions, shape and material of the specified concentrator, are parameters that determine the choice of the frequency range of operation and the total magnetic sensitivity of the combined magnetoresistive sensor.
Реальная работа магниторезистивного моста (датчика) сопровождается, в случае S-образной (нечетной, линейной, но, в идеале, симметричной относительно нуля) вольт-эрстедной характеристики, смещением уровня выходного напряжения относительно нулевой отметки, обусловленного технологическими погрешностями при изготовлении тонких пленок. Посредством источника постоянного магнитного поля, располагающегося вблизи магниторезистивного моста, осуществляется симметрирование S-образной вольт-эрстедной характеристики относительно нуля, т.е. рабочая точка устанавливается в нуль. В случае четной (V-образной) вольт-эрстедной характеристики - смещение на выходе магниторезистивного моста образуется вследствие необходимости установления рабочей точки на линейном участке выбранной ветви указанной характеристики, что также достигается воздействием источника постоянного магнитного поля. В обоих случаях коррекции положения рабочей точки осуществляется преодолением источником постоянного магнитного поля экранирующего эффекта близости концентратора магнитного поля. Таким источником постоянного магнитного поля могут быть: провод или катушка с постоянным током, расположенными вблизи магниторезистивного моста; сильный магнит, размещенный вне объема, занимаемого комбинированным магниторезистивным датчиком, или микромагнит, установленный на поверхности концентратора магнитного поля в непосредственной близости от магниторезистивного моста.The real work of the magnetoresistive bridge (sensor) is accompanied, in the case of an S-shaped (odd, linear, but ideally symmetrical about zero) volt-oersted characteristic, a shift in the output voltage level relative to the zero mark, due to technological errors in the manufacture of thin films. By means of a constant magnetic field source located near the magnetoresistive bridge, the S-shaped volt-oersted characteristic is balanced with respect to zero, i.e. the operating point is set to zero. In the case of an even (V-shaped) volt-oersted characteristic, an offset at the output of the magnetoresistive bridge is formed due to the need to establish an operating point on the linear section of the selected branch of the specified characteristic, which is also achieved by exposure to a constant magnetic field source. In both cases, the correction of the position of the operating point is carried out by overcoming the source of the constant magnetic field of the screening effect of the proximity of the concentrator of the magnetic field. Such a source of a constant magnetic field can be: a wire or a coil with a direct current located near the magnetoresistive bridge; a strong magnet located outside the volume occupied by the combined magnetoresistive sensor, or a micromagnet mounted on the surface of the magnetic field concentrator in the immediate vicinity of the magnetoresistive bridge.
Учитывая, что тонкопленочный магниторезистивный мост (магниторезистивный датчик) имеет малые размеры (площадь граней, обеспечивающих магнитную чувствительность такого моста, составляет величину порядка сотен и тысяч квадратных нанометров), можно говорить, что он регистрирует величину напряженности магнитного поля в точке. Площадь же витков первой и второй секций короткозамкнутой катушки может составлять единицы квадратных миллиметров, сантиметров и более, т.е. ими регистрируется совокупная напряженность переменного магнитного поля, преобразуемая в электрический ток, с площади в сотни и тысячи раз большей, чем у магниторезистивного моста. Тем более что это превышение возрастает при использовании концентратора магнитного поля, за счет большой величины магнитной проницаемости материала, из которого он изготовлен. Расположение провода витков первой секции от тонкопленочного магниторезистивного моста на минимальном расстоянии позволяет максимально обеспечить регистрацию вторичного магнитного поля, обусловленного наведенным в витках первой и второй секций током. В итоге можно говорить о возможном повышении магнитной чувствительности комбинированного магниторезистивного датчика в сравнении с одиночным магниторезистивным мостом (тонкопленочным магниторезистивным датчиком).Considering that the thin-film magnetoresistive bridge (magnetoresistive sensor) is small (the area of the faces providing the magnetic sensitivity of such a bridge is of the order of hundreds and thousands of square nanometers), we can say that it registers the magnitude of the magnetic field strength at a point. The area of the turns of the first and second sections of the short-circuited coil can be units of square millimeters, centimeters or more, i.e. they record the total intensity of an alternating magnetic field, converted into an electric current, with an area hundreds or thousands of times greater than that of a magnetoresistive bridge. Moreover, this excess increases when using a magnetic field concentrator, due to the large magnetic permeability of the material from which it is made. The location of the wire of the turns of the first section from the thin-film magnetoresistive bridge at a minimum distance allows you to maximize the registration of the secondary magnetic field due to the induced current in the turns of the first and second sections. As a result, we can talk about a possible increase in the magnetic sensitivity of the combined magnetoresistive sensor in comparison with a single magnetoresistive bridge (thin-film magnetoresistive sensor).
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами. На фиг. 1 показан один из возможных вариантов построения комбинированного магниторезистивного датчика. На поверхности концентратора магнитного поля 1, вблизи центральной части его широкой грани закреплен тонкопленочный магниторезистивный мост 2 (магниторезистивный датчик). В поперечном направлении на концентратор 1 изолированным проводом намотаны витки первой секции 3 короткозамкнутой катушки, причем эти витки проходят над электроизолированной поверхностью магниторезистивного моста 2, пересекая ее и соприкасаясь с нею. Параллельно виткам первой секции 3 в том же направлении намотаны витки второй секций 4. Первая секция 3 и вторая секция 4 соединены гальванически в последовательную короткозамкнутую цепь таким образом, что их общая индуктивность (индуктивность короткозамкнутой катушки) равна их сумме. Обе секции 3 и 4 могут быть многослойными. Вблизи магниторезистивного моста 2 на поверхности концентратора магнитного поля 1 закреплен источник постоянного магнитного поля (микромагнит) 5. Вдоль продольной оси концентратора магнитного поля 1 действует регистрируемое переменное магнитное поле 6.The proposed technical solution is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows one of the possible options for building a combined magnetoresistive sensor. On the surface of the
На фиг. 2 показан разрез всей конструкции в плоскости А-А. Показано, что магниторезистивный мост 2 размещен на поверхности концентратора магнитного поля 1 через первый диэлектрический слой 7, толщина которого много меньше, чем толщина концентратора магнитного поля 1. По поверхности магниторезистивного моста 2, покрытой внешним диэлектрическим слоем 8, проложены витки первой секции 3, первый слой которых непосредственно соприкасается с поверхностью диэлектрического слоя 8. Поверх первого слоя витков первой секции 3 могут находиться последующие слои витков данной секции 3.In FIG. 2 shows a section through the entire structure in plane AA. It is shown that the
Работа комбинированного магниторезистивного датчика осуществляется следующим образом.The combined magnetoresistive sensor is as follows.
Под воздействием регистрируемого переменного магнитного поля 6, колеблющегося с частотой, лежащей в рабочем диапазоне, в концентраторе магнитного поля 1 происходят колебания магнитной напряженности той же частоты, усиленные материалом указанного концентратора 1. Данные колебания напряженности магнитного поля 6, в согласии с законом электромагнитной индукции, возбуждают в витках первой 3 и второй 4 секций напряжение суммарной эдс:Under the influence of a registered alternating
μ - магнитная проницаемость материала концентратора магнитного поля 1; w - суммарное число витков первой 3 и второй секций 4; S - средняя площадь окна витка первой 3 и второй 4 секций; ω - циклическая частота колебаний переменного магнитного поля 6; Hm - амплитудное значение переменного магнитного поля 6, имеющего вид Н=Hmcosωt. Тип колебания взят для примера (прямоугольный импульс является суммой многих подобных гармонических составляющих разной частоты). Из выражения (1) видно, что с уменьшением значения частоты ω величина е уменьшается и при ω=0 е=0, т.е., при достаточном магнитном экранировании концентратором магнитного поля 1, магниторезистивный мост 2 не будет регистрировать постоянное и инфранизкочастотное магнитное поле. Установка и стабилизация выбранного значения рабочей точки на вольт-эрстедной характеристике магниторезистивного моста 2 обеспечивается закрепленным на концентраторе магнитного поля 1 источником постоянного магнитного поля 5 (микромагнитом).μ is the magnetic permeability of the material of the
Поскольку поверхность магниторезистивного моста 2, обращенная к виткам первой секции 3 ограничена по площади, то количество витков первой секции 3 не может превышать определенного данным ограничением значения. В то же время, от количества витков первой секции 3 в совокупности с магнитными и геометрическими параметрами концентратора магнитного поля 1 (μ и S) зависит значение их общей индуктивности, что в свою очередь определяет рабочую полосу частот регистрируемых колебаний переменного магнитного поля 6. Для уменьшения значения нижней частоты рабочей полосы частот использовано увеличение значения общей индуктивности за счет включения витков второй секции 4, а так же применения в концентраторе магнитного поля 1 материала с большим значением μ (феррита, пермаллоя). Аналогичный результат может быть получен также за счет увеличения габаритов концентратора магнитного поля 1, или использования всех перечисленных факторов.Since the surface of the
Так как первая 3 и вторая 4 секции последовательно короткозамкнуты, то, после возникновения колебаний магнитного поля в материале концентратора магнитного поля 1, в них потечет наведенный переменный ток, силой, пропорциональной величине наведенной эдс и обратно пропорциональный общему резистивному (активному) сопротивлению провода, которым намотаны первая 3 и вторая 4 секции. Электрический ток в витках первой секции 3 индуцирует вокруг себя вторичное магнитное поле, пропорциональное количеству витков первой секции 3. Очевидно, что величина вторичного магнитного поля в области магниторезистивного моста 2 будет зависеть от степени удаленности каждого слоя витков первой секции 3 от поверхности магниторезистивного моста 2, т.е. от толщины внешнего диэлектрического слоя 8. Наиболее эффективно воздействовать на магниторезистивный мост 2 будут витки первого слоя первой секции 3. С удалением слоев первой секции 3 от поверхности магниторезистивного моста 2, их влияние уменьшается обратно пропорционально данному удалению. Таким образом, после преобразования магнитной напряженности вторичного магнитного поля на выходе магниторезистивного моста 2 будет сформировано переменное выходное напряжение, пропорциональное регистрируемому переменному магнитному полю 6.Since the first 3 and second 4 sections are sequentially short-circuited, then, after the occurrence of magnetic field oscillations in the material of the
Из сказанного выше следует, что максимальное сближение провода витков первой секции с магниторезистивным мостом обеспечивает максимальную эффективность преобразования вторичного магнитного поля в напряжение. Техническим решением, позволяющим осуществить еще более эффективное влияние наведенного в первой секции тока на магниторезистивный мост можно получить, включив в разрыв одного из двух проводников, соединяющих первую и вторую секции в единую короткозамкнутую катушку, управляющего магниторезистивным мостом проводника. Для чего управляющий проводник выполнен по тонкопленочной технологии, как и магниторезистивный мост, и проложен на минимальном расстоянии от указанного моста, которое определяется возможностями использованной планарной технологии. Гальваническое включение управляющего проводника проведено таким образом, что наведенный ток в витках первой секции и в управляющем проводнике обеспечивают суммарное влияние на магниторезистивный мост.From the foregoing, it follows that the maximum approximation of the wire of the turns of the first section to the magnetoresistive bridge provides the maximum conversion efficiency of the secondary magnetic field into voltage. A technical solution that allows for even more effective influence of the current induced in the first section on the magnetoresistive bridge can be obtained by including one of the two conductors connecting the first and second sections into a single short-circuit coil, which controls the magnetoresistive bridge of the conductor, in the gap. For this, the control conductor is made using thin-film technology, like a magnetoresistive bridge, and laid at a minimum distance from the specified bridge, which is determined by the capabilities of the used planar technology. The galvanic inclusion of the control conductor is carried out in such a way that the induced current in the turns of the first section and in the control conductor provide a total effect on the magnetoresistive bridge.
Данное техническое решение иллюстрируется чертежами фиг. 3 и фиг. 4. На фиг. 3 представлен второй вариант построения комбинированного магниторезистивного датчика, отличающийся от варианта фиг. 1 тем, что тонкопленочный магниторезистивный мост 2 (магниторезистивный датчик) выполнен вместе с управляющим проводником 10 как единое целое, по одной технологии. При этом расстояние между управляющим проводником 10 и магниторезистивным мостом 2, определяемое вторым диэлектрическим слоем 9, минимальное, допустимое примененными технологическими нормами. Управляющий проводник 10 гальванически подключен своим входным контактом 10а к выходному концу 3б первой секции 3 и своим выходным контактом 10б к входному концу 4а второй секции 4.This technical solution is illustrated by the drawings of FIG. 3 and FIG. 4. In FIG. 3 shows a second embodiment of a combined magnetoresistive sensor, different from the embodiment of FIG. 1 in that the thin-film magnetoresistive bridge 2 (magnetoresistive sensor) is made together with the
Рисунок фиг. 4 показывает сечение конструкции комбинированного магниторезистивного датчика по плоскости Б-Б. На поверхность концентратора магнитного поля 1 нанесен первый диэлектрический слой 7 (электроизолятор). Далее, на первом диэлектрическом слое 7 сформирован тонкопленочный магниторезистивный мост 2, поверх которого проложен второй диэлектрический слой 9 (минимально допустимой толщины), а за ним - управляющий проводник 10 и внешний диэлектрический слой 8. Ось чувствительности 11 магниторезистивного моста 2 направлена вдоль поверхности и вдоль продольной оси симметрии концентратора магнитного поля 1. При выбранном направлении тока 12 в витках первой секции 3 вокруг витков возникает вторичное магнитное поле 13, а вокруг управляющего проводника 10 - вторичное магнитной поле 14.The drawing of FIG. 4 shows a structural section of a combined magnetoresistive sensor along the BB plane. The first dielectric layer 7 (electrical insulator) is applied to the surface of the
Представленное на фиг. 3 включение управляющего проводника 9 в общую последовательную цепь с первой 3 и второй 4 секциями обеспечивает совпадение направления и фазы колебаний тока, протекающего в витках первой секции 3 и в управляющем проводнике 10. Это, в свою очередь, приводит к сложению вторичных магнитных полей 13 и 14 управляющего проводника 10 и первой секции 3.Presented in FIG. 3, the inclusion of the
Очевидно, что близость магниторезистивного моста 2 к поверхности концентратора магнитного поля 1 может создать магнитное шунтирование магниторезистивного моста 2, особенно уменьшив величину вторичного поля 14. Поэтому толщина первого диэлектрического слоя 7 сделана большей, чем толщина второго диэлектрического слоя 9, по крайней мере, в пять-десять раз, оставаясь при этом много меньше толщины концентратора магнитного поля 1.Obviously, the proximity of the
На фиг. 5 представлены эпюры напряжений, полученных с разных магнитных преобразователей при одном уровне напряженности магнитных импульсов (меандр частотой 2 кГц) 15 и одинаковой дальности от источника магнитного поля до указанных преобразователей. Фиг. 5а иллюстрирует вид импульсов напряжения 16 (меандра, аналогичного по форме магнитным импульсам 15) на выходе магниторезистивного моста (тонкопленочного магниторезистивного датчика). На фиг. 5б представлен вид выходного напряжения 17 с входного и выходного концов катушки, которая состоит из первой и второй секций, последовательно соединенных между собой, а концентратор магнитного поля выполнен из ферритового стержня 3×20×110 мм. Вид выходного напряжения 17 - дифференцированные импульсы. На фиг. 5в показан результат преобразования магнитных импульсов 15 в импульсы выходного напряжения 18 комбинированным магниторезистивным датчиком. Последний состоит из упомянутых выше ферритовой двухсекционной катушки с соотношением числа витков первой секции ко второй как 1/2, и магниторезистивного моста (тонкопленочного магниторезистивного датчика). Управляющий проводник магниторезистивного моста включен в короткозамкнутую последовательную цепь из первой и второй секций. Магниторезистивный мост размером 2×2×3⋅10-6 мм закреплен под витками первой секции на поверхности широкой грани ферритового стержня. Первый диэлектрический слой составил величину 0,9 мм. Толщина второго диэлектрического слоя 10-6 м.In FIG. 5 shows diagrams of voltages obtained from different magnetic converters at the same level of magnetic pulse intensity (
Источник постоянного магнитного поля в виде микромагнита, использованный для установки рабочей точки магниторезистивного моста, был размещен на поверхности ферритового концентратора между первой и второй секциями.A source of a constant magnetic field in the form of a micromagnet, used to set the working point of the magnetoresistive bridge, was placed on the surface of the ferrite concentrator between the first and second sections.
Сравнительные результаты преобразовательных свойств комбинированных магниторезистивных датчиков, у которых концентраторы были выполнены из феррита и ферромагнитного сплава - пермаллоя, при примерно равных габаритных размерах, показали, что во втором случае значение нижней частоты работы комбинированного датчика снижается примерно на порядок величины.Comparative results of the conversion properties of combined magnetoresistive sensors, in which the concentrators were made of ferrite and a ferromagnetic alloy - permalloy, with approximately equal overall dimensions, showed that in the second case the value of the lower frequency of the combined sensor decreases by about an order of magnitude.
Магниторезистивный мост с анизотропным магниторезистивным эффектом, использованный в экспериментальных проверках, описанных выше, имел значение относительной магнитной чувствительности S=0,5 мВ/(В⋅Э) и S-образного вида статическую вольт-эрстедную характеристику. Использование магниторезистивного моста с гигантским магниторезистивным эффектом (магниторезистивного датчика фирмы NVE, США), имеющимThe magnetoresistive bridge with an anisotropic magnetoresistive effect used in the experimental tests described above had a relative magnetic sensitivity of S = 0.5 mV / (VE) and an S-shaped static volt-oersted characteristic. The use of a magnetoresistive bridge with a giant magnetoresistive effect (magnetoresistive sensor company NVE, USA), having
S=13 мВ/(В⋅Э) и V-образную статическую вольт-эрстедную характеристику, показал сходные результаты, но без включения в цепь первой и второй секций управляющего проводника.S = 13 mV / (VE) and a V-shaped static volt-oersted characteristic showed similar results, but without including the first and second sections of the control conductor in the circuit.
Оценка магнитного экранирования в комбинированном магниторезистивном датчике проводилась перемещением под горизонтально расположенным ферритовым концентратором магнитного поля указанного датчика сомарий-кобальтового магнита в виде диска диаметром 32 мм и толщиной 7 мм, на расстоянии 30 мм от нижней грани концентратора магнитного поля. В этом случае магниторезистивный мост находился на противоположной (верхней) грани ферритового концентратора. На уровне последовательности импульсов напряжения, идущих с частотой колебаний 2 кГц с выхода магниторезистивного моста, видимых искажений формы сигнала и смещения рабочей точки магниторезистивного моста не наблюдалось. При работе магниторезистивного моста в режиме собственно тонкопленочного магниторезистивного датчика, приближение к нему сомарий-кобальтового магнита на расстояние 100-200 мм приводит к искажениям формы сигналов и смещению рабочей точки на участок насыщения статической вольт-эрстедной характеристики.The magnetic shielding in the combined magnetoresistive sensor was evaluated by moving a somarium-cobalt magnet in the form of a disk with a diameter of 32 mm and a thickness of 7 mm at a distance of 30 mm from the lower face of the magnetic field concentrator under a horizontal ferrite concentrator of the magnetic field. In this case, the magnetoresistive bridge was on the opposite (upper) face of the ferrite concentrator. At the level of the sequence of voltage pulses traveling with an oscillation frequency of 2 kHz from the output of the magnetoresistive bridge, no visible distortion of the signal shape and displacement of the working point of the magnetoresistive bridge were observed. When the magnetoresistive bridge is operating in the mode of the thin-film magnetoresistive sensor itself, approaching the somarium-cobalt magnet to a distance of 100-200 mm leads to distortion of the waveform and shifting the operating point to the saturation section of the static volt-oersted characteristic.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015133734A RU2630716C2 (en) | 2015-08-11 | 2015-08-11 | Combined magnetoresistive sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015133734A RU2630716C2 (en) | 2015-08-11 | 2015-08-11 | Combined magnetoresistive sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015133734A RU2015133734A (en) | 2017-02-14 |
| RU2630716C2 true RU2630716C2 (en) | 2017-09-12 |
Family
ID=59798756
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015133734A RU2630716C2 (en) | 2015-08-11 | 2015-08-11 | Combined magnetoresistive sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2630716C2 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112023271B (en) * | 2020-09-22 | 2023-11-28 | 天津工业大学 | Sub-millimeter size living body implantable multichannel micro-magnetic stimulator |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2300827C2 (en) * | 2005-06-16 | 2007-06-10 | Войсковая часть 35533 | Magnetic field sensor |
| JP2009250931A (en) * | 2008-04-10 | 2009-10-29 | Rohm Co Ltd | Magnetic sensor, operation method thereof, and magnetic sensor system |
| RU2533347C1 (en) * | 2013-06-28 | 2014-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Device for independent recording of pulse magnetic field |
| RU150181U1 (en) * | 2014-08-12 | 2015-02-10 | федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" МИЭТ | MAGNETIC CONVERTER |
| RU2564383C1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-09-27 | федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" МИЭТ | Variable magnetic field sensor |
-
2015
- 2015-08-11 RU RU2015133734A patent/RU2630716C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2300827C2 (en) * | 2005-06-16 | 2007-06-10 | Войсковая часть 35533 | Magnetic field sensor |
| JP2009250931A (en) * | 2008-04-10 | 2009-10-29 | Rohm Co Ltd | Magnetic sensor, operation method thereof, and magnetic sensor system |
| RU2533347C1 (en) * | 2013-06-28 | 2014-11-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Device for independent recording of pulse magnetic field |
| RU2564383C1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-09-27 | федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" МИЭТ | Variable magnetic field sensor |
| RU150181U1 (en) * | 2014-08-12 | 2015-02-10 | федеральное государственное бюджетное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" МИЭТ | MAGNETIC CONVERTER |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015133734A (en) | 2017-02-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7489134B2 (en) | Magnetic sensing assembly for measuring time varying magnetic fields of geological formations | |
| KR102016192B1 (en) | Current detection device | |
| CN106291414B (en) | Large-scale integrated AMR magnetic resistor | |
| KR20160145664A (en) | Inductive position sensing in linear actuators | |
| US6989666B2 (en) | Current sensor and current detection unit using the same | |
| KR20010020798A (en) | Magnetic sensor and manufacturing method thereof | |
| CN105190323A (en) | Magnetic current sensor and current measurement method | |
| JP4505338B2 (en) | Elements for sensing radio frequency magnetic fields | |
| CN104849679A (en) | Magnetic probe and magnetic field sensor having same | |
| US9995715B2 (en) | Electromagnetic transducer for exciting and sensing vibrations of resonant structures | |
| US10989768B2 (en) | Ultra high-sensitivity micro magnetic sensor | |
| US2856581A (en) | Magnetometer | |
| CN110441718B (en) | Broadband induction type magnetic field sensor | |
| RU2630716C2 (en) | Combined magnetoresistive sensor | |
| CN110412331B (en) | Current sensing method and current sensor | |
| US20100109818A1 (en) | Wireless Electrical Device Using Open-Circuit Elements Having No Electrical Connections | |
| Vincueria et al. | Flux-gate sensor based on planar technology | |
| JP6934740B2 (en) | Magnetization measurement method | |
| US20140055131A1 (en) | Magnetic field sensor | |
| US3919630A (en) | Flux detection device using a parametrically excited second harmonic oscillator | |
| CN110456419A (en) | A kind of electromagnetic excitation response signal mutual-inductance apparatus and detection device and detection method | |
| Choi | Metal Detection Sensor Utilizing Magneto‐Impedance Magnetometer | |
| JP7531889B2 (en) | Magnetic Oscillation Sensor | |
| RU2564383C1 (en) | Variable magnetic field sensor | |
| JP3093532B2 (en) | DC current sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200812 |