RU2784211C1

RU2784211C1 - Highly sensitive magnetoimpedance sensor of gradient magnetic fields

Info

Publication number: RU2784211C1
Application number: RU2022124973A
Authority: RU
Inventors: Николай Анатольевич Юданов; Марк Анатольевич Немирович; Лариса Владимировна Панина; Александр Тимофеевич Морченко; Владимир Григорьевич Костишин; Светлана Алексеевна Евстигнеева
Filing date: 2022-09-23
Publication date: 2022-11-23

Abstract

FIELD: sensors.

SUBSTANCE: invention relates to semiconductor electronics, namely, to the field of highly sensitive magnetic sensors based on the magnetoimpedance effect to be applied in medicine and geology. The technical result is achieved as follows. Highly sensitive magnetoimpedance sensor of gradient magnetic fields comprises a gradient sensing element, amplifiers, and a microcontroller. The sensor is characterised by additionally including a magnetising solenoid, a pulse-width modulator, and a temperature sensor are additionally introduced into it, while the gradient sensing element comprises at least two series-connected magnetoimpedance elements placed inside the homogeneous region of the magnetic field of the magnetising solenoid, consisting of amorphous ferromagnetic microwires in glass insulation and copper wire coils with back-to-back windings connected to the inputs of the modulator amplifiers. The inputs of the microcontroller are connected to the outputs of the modulator amplifiers, the temperature sensor, the magnetising solenoid, and the intermediate tap of the sensing element, and the outputs of the microcontroller are connected to the inputs of the magnetising solenoid and the modulator amplifiers, wherein the input of the sensing element is connected to the output of the pulse width modulator. Another characteristic feature of the sensor consists in the magnetoimpedance elements being arranged in a single line one after another, with the distance between the elements not less than 5 mm for segments of an amorphous ferromagnetic microwire in a glass shell with a diameter of 36 mcm and a length of 3 mm. Another characteristic feature of the sensor consists in the magnetoimpedance elements being parallel to each other, with the distance between the elements not less than 10 mm for segments of an amorphous ferromagnetic microwire in a glass shell with a diameter of 36 mcm and a length of 3 mm.

EFFECT: better operating capabilities of the sensor, higher accuracy of measurement, expanded range of measurement of gradient magnetic fields and temperature stabilisation of the apparatus.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а именно к области высокочувствительных магнитных сенсоров, основанных на магнитоимпедансном эффекте, для применения в медицине и геологии.The invention relates to semiconductor electronics, namely to the field of highly sensitive magnetic sensors based on the magnetic impedance effect, for use in medicine and geology.

Известно устройство измерения магнитных полей [ЕР 3193182 А1, опублик.17.03.2016], работающее по недиагональной схеме включения. Устройство измерения магнитного поля включает в себя датчик магнитоимпедансный (МИ) и средство вычисления чувствительности. Датчик МИ включает в себя магниточувствительный микропровод, детектирующую катушку и две катушки генерирования магнитного поля, которые создают магнитное поле при подаче питания. Средство вычисления чувствительности изменяет ток, протекающий в катушках генерации магнитного поля в состоянии, когда внешнее магнитное поле, действующее на датчик постоянно, а магнитное поле, действующее на магниточувствительный элемент варьируется для расчета чувствительности, путем изменения выходного напряжения детектирующей катушки, изменением магнитного поля, действующего на магниточувствительный элемент.A device for measuring magnetic fields is known [EP 3193182 A1, published on March 17, 2016], operating on an off-diagonal switching circuit. The device for measuring the magnetic field includes a magnetic impedance (MI) sensor and a means for calculating the sensitivity. The MI sensor includes a magnetically sensitive microwire, a detecting coil, and two magnetic field generating coils that create a magnetic field when power is applied. The sensitivity calculation means changes the current flowing in the magnetic field generation coils in a state where the external magnetic field acting on the sensor is constant and the magnetic field acting on the magnetic sensitive element is varied to calculate the sensitivity, by changing the output voltage of the detection coil, changing the magnetic field acting to the magnetic element.

Недостатком указанного устройства является измерение не градиентных, а простых постоянных магнитных полей.The disadvantage of this device is the measurement of non-gradient, and simple constant magnetic fields.

Наиболее близким является интегральный градиентный магнитотранзисторный датчик [RU 2453947, опубл. 20.06.2012 г], содержащий два чувствительных элемента, два усилителя, выполненные в виде двух токовых зеркал на МОП транзисторах и схему сравнения с двумя входами. Чувствительные элементы с усилителями выполнены в виде интегральных токомагнитных датчиков на основе биполярных магнитотранзисторов, расположенных на постоянном расстоянии друг от друга с возможностью определения градиента распределения магнитного поля по разности сигналов с датчиков. Каждый из указанных датчиков связан через токовое зеркало, выполняющее функцию нагрузки, и выход токового зеркала с входом соответствующего КМОП инвертора согласования уровня сигналов токомагнитных датчиков и входных напряжений на соответствующих входах схемы сравнения, содержащей RS-триггер и выходной каскад, один из выходов RS-триггера соединен с выходным КМОП каскадом. Стоит отметить, что применение магнитотранзисторов позволяет увеличить чувствительность, но только в несколько раз, а не на несколько порядков. Следовательно, с чувствительностью сенсоров основанных на магнитном импедансе они сравниться пока не могут.The closest is the integral gradient magnetotransistor sensor [EN 2453947, publ. 06/20/2012], containing two sensitive elements, two amplifiers made in the form of two current mirrors on MOS transistors and a comparison circuit with two inputs. Sensing elements with amplifiers are made in the form of integral current-magnetic sensors based on bipolar magnetotransistors located at a constant distance from each other with the possibility of determining the magnetic field distribution gradient by the difference of signals from the sensors. Each of these sensors is connected through a current mirror that performs the function of a load, and the output of the current mirror with the input of the corresponding CMOS inverter for matching the level of signals of current-magnetic sensors and input voltages at the corresponding inputs of a comparison circuit containing an RS flip-flop and an output stage, one of the outputs of the RS flip-flop connected to the CMOS output stage. It should be noted that the use of magnetotransistors makes it possible to increase the sensitivity, but only by several times, and not by several orders of magnitude. Therefore, they cannot yet be compared with the sensitivity of sensors based on magnetic impedance.

Недостатками описанной разработки являются ограниченная функциональность датчика и узкая область применения: в бесколлекторных двигателях, при этом датчик имеет только цифровой выход 1 бит. Кроме того, применение магнитотранзисторов, ограничивает работу датчика на взаимодействие с постоянными магнитами.The disadvantages of the described development are the limited functionality of the sensor and a narrow scope: in brushless motors, while the sensor has only a digital output of 1 bit. In addition, the use of magnetotransistors limits the operation of the sensor to interact with permanent magnets.

Техническим результатом является повышение функциональных возможностей датчика, увеличение точности измерений, расширение диапазона измерений градиентных магнитных полей и температурной стабилизации работы устройства.The technical result is to increase the functionality of the sensor, increase the accuracy of measurements, expand the range of measurements of gradient magnetic fields and temperature stabilization of the device.

Технический результат достигается следующим образом.The technical result is achieved as follows.

Высокочувствительный магнитоимпедансный датчик градиентных магнитных полей, содержит градиентный чувствительный элемент, усилители и микроконтроллер.Highly sensitive magnetic-impedance sensor of gradient magnetic fields, contains a gradient sensitive element, amplifiers and a microcontroller.

Отличие датчика в том, что в него дополнительно введены подмагничивающий соленоид, широтно-импульсный модулятор и температурный датчик, а градиентный чувствительный элемент содержит соединенные последовательно и размещенные внутри однородной области магнитного поля подмагничивающего соленоида, по крайней мере, два магнитоимпедансных элемента, состоящих из аморфных ферромагнитных микропроводов в стеклянной изоляции и встречно намотанных на него медных проводных катушек со встречно включенными обмотками, которые соединены со входами усилителей-модуляторов. Входы микроконтроллера соединены с выходами усилителей-модуляторов, температурного датчика, подмагничивающего соленоида и промежуточным отводом чувствительного элемента, а выходы микроконтроллера соединены со входами подмагничивающего соленоида и усилителей-модуляторов, причем вход чувствительного элемента соединен с выходом широтно-импульсного модулятора.The difference of the sensor is that a bias solenoid, a pulse-width modulator and a temperature sensor are additionally introduced into it, and the gradient sensitive element contains at least two magneto-impedance elements, connected in series and placed inside a homogeneous region of the magnetic field of the bias solenoid, consisting of amorphous ferromagnetic microwires in glass insulation and counter-wound copper wire coils on it with counter-turned windings, which are connected to the inputs of modulator amplifiers. The inputs of the microcontroller are connected to the outputs of the amplifier-modulators, the temperature sensor, the magnetizing solenoid and the intermediate tap of the sensitive element, and the outputs of the microcontroller are connected to the inputs of the biasing solenoid and the amplifier-modulators, and the input of the sensitive element is connected to the output of the pulse-width modulator.

Кроме того отличие датчика в том, что магнитоимпедансные элементы располагаются по одной линии друг за другом, а расстояние между ними не менее 5 мм для отрезков аморфного ферромагнитного микропровода в стеклянной оболочке диаметром 36 мкм и длиной по 3 мм.In addition, the difference of the sensor is that the magnetic impedance elements are located in one line one after another, and the distance between them is not less than 5 mm for segments of amorphous ferromagnetic microwire in a glass sheath with a diameter of 36 microns and a length of 3 mm.

Также отличие датчика в том, что магнитоимпедансные элементы располагаются параллельно друг другу, а расстояние между ними не менее 10 мм для отрезков аморфного ферромагнитного микропровода в стеклянной оболочке диаметром 36 мкм и длиной по 3 мм.Also, the difference of the sensor is that the magnetic impedance elements are arranged parallel to each other, and the distance between them is at least 10 mm for segments of amorphous ferromagnetic microwire in a glass sheath with a diameter of 36 microns and a length of 3 mm.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен фрагмент градиентного чувствительного элемента на этапе его изготовления, на фиг. 2 изображен график зависимости магнитного взаимодействия от расстояния между аморфными микропроводами магнитоимпедансных элементов, располагаемыми последовательно, на фиг. 3 изображена структурная схема датчика с градиентным чувствительным элементом, на фиг. 4 изображен градиентный чувствительный элемент с подмагничивающим соленоидом.The invention is illustrated by the drawing, where in Fig. 1 shows a fragment of a gradient sensitive element at the stage of its manufacture, in Fig. 2 shows a graph of the dependence of the magnetic interaction on the distance between the amorphous microwires of magnetic impedance elements arranged in series, in Fig. 3 shows a block diagram of a sensor with a gradient sensitive element, in Fig. 4 shows a gradient sensing element with a magnetizing solenoid.

На чертеже показаны аморфные ферромагнитные микропровода 1, катушки 2, подложка 3, крайние точки 4, 6, 7 и 5 аморфного микропровода и медного провода соответственно, графики 8, 9, 10 зависимости магнитного взаимодействия от расстояния для аморфных микропроводов магнитоимпедансных элементов диаметром 36 мкм и длинами 3 мм, 6 мм и 9 мм соответственно, усилители-демодуляторы 11 и 12, микроконтроллер 13, встроенный аналогово-цифровой преобразователь 14, подмагничивающий соленоид 15, аналогово-цифровой преобразователь 16, температурный датчик 17, широтно-импульсный модулятор 18, токоограничительный резистор 19.The drawing shows amorphous ferromagnetic microwires 1, coils 2, substrate 3, extreme points 4, 6, 7 and 5 of an amorphous microwire and copper wire, respectively, graphs 8, 9, 10 of the dependence of magnetic interaction on distance for amorphous microwires of magnetic impedance elements with a diameter of 36 μm and 3 mm, 6 mm and 9 mm long, respectively, demodulator amplifiers 11 and 12, microcontroller 13, built-in analog-to-digital converter 14, magnetizing solenoid 15, analog-to-digital converter 16, temperature sensor 17, pulse-width modulator 18, current-limiting resistor 19.

Работа датчика осуществляется следующим образом.The sensor works as follows.

Дифференциальный чувствительный элемент, состоит из двух магнитоимпедансных элементов, которые в свою очередь, состоят из аморфного ферромагнитного микропровода 1 в стеклянной изоляции и встречно намотанных на него медным проводом двух катушек 2. При установке на подложку 3 сначала привариваются крайние точки 4 аморфного микропровода и точки 5 медного провода, а после чего привариваются точки 6 и 7, далее участок микропровода между точками 6 и 7 удаляется. Расстояние между микропроводами и число витков влияют на чувствительность датчика, при этом минимальное расстояние между катушками зависит от диаметра и длины самого микропровода. Это связано с взаимным магнитным влиянием микропроводов друг на друга из-за их большой магнитной проницаемости (от 100 до 10000).The differential sensing element consists of two magnetic-impedance elements, which, in turn, consist of an amorphous ferromagnetic microwire 1 in glass insulation and two coils 2 wound on it with a copper wire. When installed on a substrate 3, the extreme points 4 of the amorphous microwire and points 5 are first welded copper wire, and then points 6 and 7 are welded, then the section of the microwire between points 6 and 7 is removed. The distance between the microwires and the number of turns affect the sensitivity of the sensor, while the minimum distance between the coils depends on the diameter and length of the microwire itself. This is due to the mutual magnetic influence of microwires on each other due to their high magnetic permeability (from 100 to 10,000).

ВЧ усилители-демодуляторы 11 и 12 обладают регулируемой шкалой усиления, они изменяют коэффициент усиления в зависимости от уровня входного сигнала, что позволяет фиксировать как единицы мкВ, так и сотни мВ. За счет применения в конструкции датчика микроконтроллера 13 становится возможным, без усложнения схемотехники, значительно повысить функциональность устройства, не увеличивая себестоимость его изготовления. Микроконтроллер 13 в рассматриваемой конструкции является интеллектуальным ядром датчика. Именно микроконтроллер 13 оценивает внешние факторы, воздействующие на датчик, и подстраивает под них его работу, а также позволяет проводить математическую обработку данных, самодиагностику и калибровку, передавать данные пользователю в удобном для него виде. Для микроконтроллера разрабатывается специальный пакет программного обеспечения, который программируется на этапе изготовления датчика.RF amplifiers-demodulators 11 and 12 have an adjustable gain scale, they change the gain depending on the input signal level, which allows you to fix both units of μV and hundreds of mV. Due to the use of the microcontroller 13 in the design of the sensor, it becomes possible, without complicating the circuitry, to significantly increase the functionality of the device without increasing the cost of its manufacture. The microcontroller 13 in the design under consideration is the intelligent core of the sensor. It is the microcontroller 13 that evaluates the external factors affecting the sensor and adjusts its operation to them, and also allows mathematical data processing, self-diagnosis and calibration, and transfer of data to the user in a form convenient for him. A special software package is developed for the microcontroller, which is programmed at the stage of sensor manufacturing.

Измерение градиента магнитного поля происходит за счет наведения различной ЭДС в парах идентичных детектирующих катушек 2, включенных встречно, в результате суммарная ЭДС соответствует разнице величин магнитных полей. В присутствии постоянного магнитного поля на обеих детектирующих катушках будут наводиться ЭДС, которые будут вычитаться, однако в магнитных полях более 0,1 мТл такое подмагничивание способно значительно снизить чувствительность. Для стабилизации характеристики чувствительности сенсора микроконтроллер 13 при помощи встроенного цифро-аналогового преобразователя 14 методом последовательных приближений по усредненным данным полученным от усилителя - демодулятора 11, подбирает ток в подмагничивающем соленоиде 15, соответствующий минимальному значению сигнала, таким образом компенсируя внешнее постоянное магнитное поле. В присутствии градиентного магнитного поля на концах детектирующих катушек 2 возникают ЭДС различной величины, при этом их разница соответствует величине градиента. Этот сигнал проходит через усилитель-демодулятор 12, который управляется микроконтроллером 13. Демодулированный и усиленный сигнал далее попадает во встроенный в микроконтроллер 13 модуль аналогово-цифрового преобразователя 16, где происходит преобразование в цифровой вид. При необходимости микроконтроллер 13 изменяет коэффициент усиления для получения более точных данных и изменения предела измерительной шкалы. Параллельно с этим происходит обработка данных с температурного датчика 17 и осуществляется возбуждение чувствительного элемента при помощи широтно-импульсного модулятора 18 через токоограничительный резистор 19. Перед выдачей результатов измерения на выход устройства происходит перерасчет данных по температуре (компенсируется температурная зависимость МИ элемента), обработанные данные могут быть дополнительно кодированы в необходимый формат и выданы пользователю.The magnetic field gradient is measured by inducing different EMF in pairs of identical detecting coils 2 connected in opposite directions, as a result, the total EMF corresponds to the difference in magnetic fields. In the presence of a constant magnetic field, EMF will be induced on both detecting coils, which will be subtracted, however, in magnetic fields of more than 0.1 mT, such bias can significantly reduce sensitivity. To stabilize the sensitivity characteristic of the sensor, the microcontroller 13, using the built-in digital-to-analog converter 14, selects the current in the biasing solenoid 15 corresponding to the minimum signal value, thus compensating the external constant magnetic field. In the presence of a gradient magnetic field at the ends of the detecting coils 2, emfs of various magnitudes arise, and their difference corresponds to the magnitude of the gradient. This signal passes through the amplifier-demodulator 12, which is controlled by the microcontroller 13. The demodulated and amplified signal then enters the analog-to-digital converter module 16 built into the microcontroller 13, where it is converted to digital form. If necessary, the microcontroller 13 changes the gain to obtain more accurate data and change the limit of the measuring scale. In parallel with this, data from the temperature sensor 17 is processed and the sensitive element is excited using a pulse-width modulator 18 through a current-limiting resistor 19. Before the measurement results are output to the output of the device, the temperature data is recalculated (the temperature dependence of the MI element is compensated), the processed data can be additionally encoded in the required format and issued to the user.

Пример 1Example 1

Конструкция датчика, градиентный чувствительный элемент которого содержит два магнитоимпедансных элемента, содержащих по 70 витков, соединенных и располагаемых последовательно по одной линии и с расстоянием между ними 5 мм, при диаметре микропроводов 36 мкм, позволила получить разрешающую способность до 10 нТл/бит⋅мм.The design of the sensor, the gradient sensitive element of which contains two magnetic impedance elements containing 70 turns each, connected and arranged in series along one line and with a distance of 5 mm between them, with a microwire diameter of 36 μm, made it possible to obtain a resolution of up to 10 nT/bit⋅mm.

Пример 2Example 2

Конструкция датчика, градиентный чувствительный элемент которого содержит два магнитоимпедансных элемента, содержащих по 70 витков, соединенных последовательно и располагаемых параллельно друг другу с расстоянием между ними 10 мм, при диаметре микропроводов 36 мкм, предполагает получить разрешающую не хуже 100 нТл/бит⋅мм.The design of the sensor, the gradient sensitive element of which contains two magneto-impedance elements, each containing 70 turns, connected in series and placed in parallel to each other with a distance of 10 mm between them, with a microwire diameter of 36 μm, suggests obtaining a resolution of at least 100 nT/bit⋅mm.

Claims

1. A highly sensitive magnetic-impedance sensor of gradient magnetic fields, containing a gradient sensing element, amplifiers and a microcontroller, characterized in that a bias solenoid, a pulse-width modulator and a temperature sensor are additionally introduced into the sensor, and the gradient sensing element contains connected in series and placed inside a homogeneous region of the magnetic fields of the magnetizing solenoid, at least two magnetic impedance elements, consisting of amorphous ferromagnetic microwires in glass insulation and copper wire coils with back-to-back windings, which are connected to the inputs of the modulator amplifiers, while the microcontroller inputs are connected to the outputs of the modulator amplifiers, temperature sensor , magnetizing solenoid and an intermediate tap of the sensitive element, and the outputs of the microcontroller are connected to the inputs of the biasing solenoid and amplifier-modulators, and the input of the sensitive element and is connected to the output of the pulse-width modulator.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that the magnetic impedance elements are located in one line one after another, and the distance between them is at least 5 mm for segments of amorphous ferromagnetic microwire in a glass sheath with a diameter of 36 microns and a length of 3 mm.

3. The sensor according to claim 1, characterized in that the magnetic impedance elements are arranged parallel to each other, and the distance between them is at least 10 mm for segments of amorphous ferromagnetic microwire in a glass shell with a diameter of 36 microns and a length of 3 mm.