МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК

Изобретение относится к области автоматики и магнитометрии, и может быть использовано в датчиках перемещений, устройствах измерения постоянного и переменного магнитных полей.

Известны магниторезистивные датчики (МРД), чувствительный элемент которых состоит из однослойных магнитных пленок, соединенных между собой золотыми перемычками - полюсами Барбера (Васильева Н.П. и др./ Тонкопленочные магниторезистивные датчики // Заруб, эл. техника 1994. - 4.- с.56-57). Организованные таким образом МРД имеют линейную статическую вольт-эрстедную характеристику (СВЭХ). Недостатками таких датчиков являются относительно небольшой динамический диапазон работы и высокий гистерезис, вызванный большими размагничивающими полями магнитной пленки, возникающими на ее краях.

Эти недостатки устранены в магниторезистивном датчике, чувствительный элемент которого содержит мостовую схему из магниторезистивных полосок (магниторезисторов), изготовленных из двухслойных тонких ферромагнитных пленок, и один управляющий проводник (патент РФ 2139602 МКИ Н OIL 43/08). Наличие двух магнитных пленок в магниторезистивных полосках, разделенных немагнитной прослойкой, приводит к замыканию магнитного потока и, таким образом, к уменьшению размагничивающих магнитных полей, т.е. уменьшению гистерезиса. Недостатками такого датчика являются, во-первых, наличие технологического разбаланса мостовой схемы, содержащей тонкопленочные магниторезисторы. Это обусловлено технологической неточностью напыления и травления пленок, которые приводят к неравенству сопротивлений плечей моста. Во-вторых, конструкция датчика не позволяет применять его для измерений электрического тока, протекающего в проводе. В-третьих, контроль основных рабочих параметров датчика возможен лишь после его разварки на испытательную плату или в корпус и помещение датчика в специальный стенд, с помощью которого создается калиброванное тестирующее магнитное поле. Техническим результатом изобретения является получение датчика, имеющего возможность компенсации технологического разбаланса; позволяющего включать его как в режиме регистратора магнитного поля, так и в режиме контроля электрического тока, и позволяющего проводить контроль его основных рабочих параметров в составе пластины без разделения ее на отдельные чипы (датчики).

Указанный технический результат достигается тем, что поверх первого управляющего проводника (УП1) через изолирующий слой проложен второй управляющий проводник (УП2), имеющий два основных и три дополнительных отвода с контактными площадками.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что второй управляющий проводник имеет участки, проходящие над и вдоль двухслойных тонкопленочных магниторезистивных полосок, объединенных в мостовую схему и имеющих продольно ориентированные оси легкого намагничивания. При этом каждый из дополнительных отводов сделан в промежутке между указанными участками УП2.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана топология предлагаемого магниторезистивного датчика (вид сверху), а на фиг.2 - его электрическая схема. Магниторезистивный датчик (фиг.1) состоит из четырех магниторези-сторов 1,2,3,4, изготовленных из двух слоев тонкопленочного ферромагнитного материала (FeNi или FeNiCo), разделенных слоем немагнитного материала (Ti или TiN), с общей толщиной не более 1мкм. Магниторезисторы 1-4 соединены в мостовую схему пленочными проводниками, имеющими контактные площадки 5,6,7,8. Магниторезисторы 1-4 имеют продольную ориентацию оси легкого намагничивания (ОЛН). Поверх магниторезисторов 1-4 через электроизолирующий слой проложен первый управляющий проводник 9, который проходит последовательно над 1,2,3 и 4 магниторезисторами, имеет две контактные площадки 10 и 11. Поверх первого управляющего проводника 9 через второй изолирующий слой (например, SiOl) проложен второй управляющий проводник 12, снабженный двумя основными контактными площадками 13,17 и тремя дополнительными 14,15,16, При этом УП2 12, как и УП1 9, имеют участки, лежащие над магниторезисторами 1-4. Три дополнительные контактные площадки 14,15,16 соединены отводами с УП2 12 в местах, находящихся между упомянутыми выше участками. Таким образом, участки УП2 12, соединяющие контактные площадки 13 и 14, 14 и 15, 15 и 16, 16 и 17, лежат над соответствующими магниторезисторами 1,2,3,4.

Второй управляющий проводник 12 работает в качестве компенсатора разбаланса моста следующим образом (фиг.2). В мостовой схеме, состоящей из магниторезисторов 1-4, под действием постоянного тока питания In, протекающего через контактные площадки 6 и 8, на контактах 5 и 7 возникает напряжение разбаланса. В качестве примера рассмотрим следующий случай. Пусть магниторезисторы 1 и 3 имеют максимальную плюсовую погрешность номинала +1%, магнитрезисторы 2 и 4 - максимальную отрицательную погрешность -1%, и, для определенности, магниторезистивный эффект - 2%. Воздействуя магнитным полем на соответствующие магниторезисторы, можно скомпенсировать разбаланс моста. В нашем примере, подав необходимые для компенсации постоянные электрические токи на контакты 13 и 14, 17 и 16, можно уменьшить электрическое сопротивление завышенных номиналов магниторезисторов 1 и 3 на 2%. В итоге все магниторезисторы 1,2,3,4 будут иметь равные значения сопротивлений, следовательно, разность потенциалов 5 и 7 будет равна нулю.

Второй управляющий проводник 12 позволяет так же включать магниторезистивный датчик в режиме контроля тока. Для этого через клеммы 13 и 15, 17 и 15 пропускаются электрические токи в одном направлении, например, (фиг.2). При этом создаваемые этими токами магнитные поля уменьшают значения сопротивлений магпиторезисторов 1÷4, поворачивая вектора намагниченности магнитрезисторов на некоторые углы к направлению тока питания (одинаковые в случае равенства ). Измеряемый ток li в этом случае пропускается через УП1 ^t) через клеммы 1U и 11. Ток li проходит над магниторезисторами 3 и 4 в одну сторону, а над магниторезисторами 1 и 2 - в другую. Это приводит к тому, что угол поворота векторов намагниченности в магниторезисторах 3 и 4 уменьшается, (сопротивления их возрастают), а в магниторезисторах 1 и 2 угол поворота увеличивается (сопротивления магниторезисторов 1 и 2 уменьшаются). В результате, согласно схеме фиг.2, на площадках 5,7, при подведении тока питания In к площадкам 6,8 возникает разность потенциалов, пропорциональная измеряемому току li.

Магниторезистивные датчики являются устройствами микронных размеров и изготавливаются методами напыления. Одновременно напыляется 12 тысячи штук МРД. Очевидно, что среди такого количества встречаются неисправные экземпляры, а также экземпляры, различающиеся по своим электрическим параметрам Отбор МРД с требуемыми параметрами производится на практике после скрабирования пластины на отдельные чипы и их дальнейшей разварки на платы-держатели или в корпуса. Введение УП2 12 (фиг.2) в схему МРД позволяет производить отбор МРД по их основным рабочим параметрам (чувствительность, гистерезис, линейность, разбаланс и т.д.) зондовым методом непосредственно на пластине, без их разварки на испытательные платы или в корпуса. Для этого зондами через площадки, например, 6,8 подается ток питания In; через контактные площадки 10,11 задается рабочий ток смещения li, а через пары площадок 13, 15 и 17,15 вводятся тестирующие, равные по величине токи создающие тестирующее значение магнитного поля. В этом случае МРД работают в режиме преобразователей напряженности тестирующего магнитного поля в напряжение, которое фиксируется зондами на контактных площадках 5,7.1