МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК

Магниторезистивный датчик относится к технике магнитометрии и может быть использован при создании средств контроля и коммуникаций.

Известны многослойные тонкопленочные магниторезистивные датчики (МРД), чувствительные элементы которых изготовленны из ферромагнитных сплавов и обладают анизотропным магнитнорезистивным эффектом /1/. Чувствительные элементы такого рода МРД выполняются в виде отдельных напыленных на изоляционном материале МР полосок микронных размеров /2, 3/ и толщиной не более 1 мкм, а также в виде МР полосок, объединенных в мостовую схему /4/. Отдельная МР полоска имеет V-образную статическую вольт-эрстедную характеристику (СВЭХ), а мостовые МРД обладают либо V-образной СВЭХ /4/, либо S-образной (линейной вблизи нуля) /5/.

Практически, перечисленные типы МРД используются для преобразования напряженности Н магнитного поля (МП) малого уровня в электрический сигнал. Рабочими участками СВЭХ перечисленных МРД являются линейные и квазилинейные участки. Вследствие этого переменное МП (в общем случае это магнитная составляющая электромагнитного поля) частотой ω, преобразуется в напряжение той же частоты. Следовательно, при воздействии МП частотой ω, амплитудно-модулированного (AM) информационным сигналом низкой частоты Ω, на выходе МРД образуется AM напряжение той же частоты ω, с аналогичной модуляцией.

Целью предлагаемого изобретения является расширение преобразовательных возможностей МРД с V-образной СВЭХ за счет непосредственного преобразования АММП высокой частоты в электрическое напряжение низкой частоты, эквивалентное модулирующему сигналу.

Технический результат достигается посредством гальванического подключения параллельно выходу чувствительного элемента в виде МР полоски или в виде мостовой схемы, содержащей одну или несколько МР полосок, конденсатора емкость С.

Выходное сопротивление чувствительного элемента R и емкость С образуют зарядно-разрядную цепочку с постоянной времени τ=RC. Величина емкости конденсатора выбирается из следующего условия: 1/ωR<<C≤1/ΩR, где ω - циклическая частота несущего колебания магнитного поля, Ω - модулирующая частота колебаний магнитного поля.

Конечным результатом данного технического решения является упрощение схемы демодуляции АММП за счет исключения специального блока амплитудного детектирования. При этом упростилась и схема самого амплитудного детектора, так как разрядная цепь не содержит особого разрядного резистора. Его роль выполняет выходное сопротивление чувственного элемента.

На фиг. 1а представлена электрическая схема МРД с чувствительным элементом в виде одной МР полоски, а на фиг.1б - в виде мостовой схемы.

К магниторезистору (фиг.1а) или к мостовому чувствительному элементу R (фиг. 1б) подводится питающий постоянный ток I_п и воздействующее переменное МП Н_п, в общем случае, в сумме с постоянным МП Н_z, используемом как магнитное смещение, необходимое для выбора рабочей точки.

Из литературы /6/ известно, что ход кривой V-образной СВЭХ (начальный и средний участки) в аналитической записи может быть представлен как

где ΔR - величина анизотропного МР эффекта, соответствующего воздействующему МП;
ΔR₀ - максимальная величина анизотропного эффекта;
Н_н - значение напряженности МП насыщения, приблизительно равное полю анизотропии.

Подставим в (1) величину H = H_o+H_м(1+McosΩt)cosωt, где Н_м - амплитуда колебаний МП несущей частоты ω; М - коэффициент амплитудной модуляции; Ω - частота модулирующего сигнала.

В результате подстановки появляется HЧ(Ω<<ω), составляющая изменения сопротивления магниторезистора
Данное выражение представляет собой формулу квадратичного амплитудного детектирования" МП (демодуляции), аналогичную формуле квадратичного детектирования AM электрического сигнала диодом /7/.

При воздействии на МРД с V-образной СВЭХ АММП большой амплитуды (фиг.2) образуется AM циклоида выходного напряжения. Подключение фильтрующего элемента (например, конденсатора) к чувствительному элементу позволяет выделить НЧ составляющую. Такое "детектирование" МП аналогично двухполупериодному детектированию электрического AM сигнала посредством диодного моста с НЧ фильтром /7/.

На фиг.3 представлена электрическая схема предлагаемого МРД.

Чувствительный элемент 1, включающий в себя одну или несколько МР тонкопленочных многослойных ферромагнитных полосок (например, мостовая схема), с суммарной толщиной каждой не более 1 мкм, и имеющий V-образную СВЭХ, запитывается постоянным током I_п. К выходу чувствительного элемента 1 подключен фильтрующий элемент 2, например, конденсатор С. В общем случае фильтрующий элемент 2 может представлять собой законченный функциональный узел - пассивную или активную схему ФНЧ или ПЧ.

МРД (фиг. 3) работает следующим образом. На чувствительный элемент 1, содержащий магниторезистор R (МР полоску или мостовую схему) подается постоянный электрический ток питания I_п. При этом появляется напряжение, равное U_вых ⁼=I_пR. Воздействие АММП Н=Н_м(1+МcosΩt) cosωt на магниторезистор R чувствительного элемента 1 приводит к появлению переменного выходного напряжения U_вых ⁼, содержащего высокочастотные, с частотами, пропорциональными ω, составляющие и низкочастотную, частотой Ω. Фильтрующий элемент 2, в нашем случае конденсатор С, выбирается таким образом, что на частоте ω и выше его сопротивление 1/ωC<<R, а на частоте Ω - сравнимо или больше R. Вследствие этого на выходе фильтрующего элемента 2 остается только НЧ составляющая частотой Ω.
Эпюры напряжений, представленные на фиг.4, иллюстрируют процесс преобразования АММП в НЧ напряжение.

Фиг.4а - вид АММП.

Фиг.4б - AM циклоида на выходе чувствительного элемента 1.

Фиг.4в - эпюра напряжения на выходе фильтрующего элемента 2.

Экспериментально, преобразование АММП в НЧ напряжение на одиночной МР полоске из тонкопленочного многослойного ферромагнетика было получено в диапазоне частот от единиц герц до 600МГц.

Литература
1. С.И. Касаткин, А.М. Муравьев, Н.П. Васильева, В.В. Лопатин, Ф.Ф. Попадинец, А. В. Сватков /Тонкопленочные многослойные датчики магнитного поля на основе анизотропного магниторезистивного эффекта// Микроэлектроника, 2000, том 29, 2, с.149-160.

2. Патент США 5243316, 1993 г.

3. А.с. СССР 1807534. 1991 г.

4. Патент РФ 2066504, 1994 г.

5. Патент РФ 2139602, 1999 г.

6. N. Smith, F. Jeffers, J. Freeman /A high-sensitivity magnetoresistive magnetometer // J. Appl. Phys., 1991. v.69, n.8, p.5082-5084.

7. И. С. Гоноровский / Радиотехнические цепи и сигналы // М: Советское радио, 1977 г., с.304-311.