[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2084912C1 - Magnetic field sensor - Google Patents

Magnetic field sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2084912C1
RU2084912C1 RU93003023A RU93003023A RU2084912C1 RU 2084912 C1 RU2084912 C1 RU 2084912C1 RU 93003023 A RU93003023 A RU 93003023A RU 93003023 A RU93003023 A RU 93003023A RU 2084912 C1 RU2084912 C1 RU 2084912C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
sensitivity
field
bias
coefficient
Prior art date
Application number
RU93003023A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93003023A (en
Inventor
О.В. Антропов
В.О. Васьковский
В.П. Гогин
В.Г. Мухаметов
П.А. Савин
А.Н. Сорокин
Е.К. Станина
Original Assignee
Научно-производственное предприятие "МАГТИП"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-производственное предприятие "МАГТИП" filed Critical Научно-производственное предприятие "МАГТИП"
Priority to RU93003023A priority Critical patent/RU2084912C1/en
Publication of RU93003023A publication Critical patent/RU93003023A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2084912C1 publication Critical patent/RU2084912C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

FIELD: instruments, in particular, devices which measure magnetic field, electric current, linear and angular movements. SUBSTANCE: device has magnetoresistive member which is made from magnetic film using bridge circuit and permanent magnet, which generate bias field which level depends on temperature. Bias magnetic field level and temperature coefficient of rest inductance of magnet conform to equation which include temperature coefficient of magnetic resistor sensitivity for constant bias field and coefficient of dependency of sensitivity on bias field for constant temperature. Presence of magnet and use of Permalloy magnetoresistive element results in temperature compensation of sensitivity by factor of 10 to level of 0.01 % for grad. EFFECT: increased precision. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительных преобразователей и может быть использовано в устройствах преобразования электрического тока, измерения величины и мощности электрического тока, измерения напряженности и ориентации вектора магнитного поля, измерения линейных и угловых перемещений. The invention relates to the field of measuring transducers and can be used in devices for converting electric current, measuring the magnitude and power of electric current, measuring the strength and orientation of the magnetic field vector, measuring linear and angular displacements.

Известны тонкопленочные магниторезисторы, выполненные по мостовой схеме. Такая схема необходима для компенсации температурного дрейфа "нуля", который происходит за счет изменения номинального электросопротивления R с температурой. Как правило, магниторезисторы, кроме магниторезистивного (МР) элемента, содержат дополнительные электрические или магнитные элементы для линеаризации полезного сигнала (Ленц Д. Э. Обзор магнитных датчиков. ТИИЭР, 1990-Т. 78, N 6, с. 87-102). Однако наряду с учтенными имеется еще один источник погрешности преобразователя, который обусловлен зависимостью анизотропии магнитосопротивления ΔR от температуры. Он приводит к изменению чувствительности магниторезистора с температурой. В известных конструкциях магниторезисторов температурная компенсация чувствительности не производится. Thin-film magnetoresistors made according to a bridge circuit are known. Such a scheme is necessary to compensate for the temperature drift of "zero", which occurs due to a change in the nominal electrical resistance R with temperature. As a rule, magnetoresistors, in addition to the magnetoresistive (MR) element, contain additional electric or magnetic elements for linearizing the useful signal (Lenz D. E. Review of magnetic sensors. TIIER, 1990-T. 78, No. 6, pp. 87-102). However, along with those taken into account, there is another source of converter error, which is caused by the temperature dependence of the anisotropy of the magnetoresistance ΔR. It leads to a change in the sensitivity of the magnetoresistor with temperature. In known designs of magnetoresistors, temperature compensation of sensitivity is not performed.

Наиболее близким по конструктивным особенностям к заявляемому является магниторезистор, содержащий пермаллоевый пленочный МР элемент в виде четырехплечего моста и систему пленочных постоянных магнитов. Hill E.W. Britwistle J.K. Spattered permanent magnet arrays for MR sensor bias. IEEE Tr. Magn 1987. V. 23, N 5, P. 2419-2421. The closest in design features to the claimed one is a magnetoresistor containing a permalloy film MR element in the form of a four-armed bridge and a system of film permanent magnets. Hill E.W. Britwistle J.K. Spattered permanent magnet arrays for MR sensor bias. IEEE Tr. Magn 1987. V. 23, No. 5, P. 2419-2421.

Магниты PtCo предназначены для создания смещающего магнитного поля (магнитного смещения) и тем самым для обеспечения двуполярного и линейного полезного сигнала. Параметры и расположение магнитов выбраны из расчета получения оптимальной чувствительности магниторезистора при комнатной температуре. Температурная зависимость чувствительности при этом не учитывается. Исходя из температурной зависимости ΔR пленок пермаллоя, это приводит к погрешности преобразования магниторезистора более 0,1% град. PtCo magnets are designed to create a bias magnetic field (magnetic bias) and thereby to provide a bipolar and linear useful signal. The parameters and arrangement of the magnets are selected from the calculation of obtaining the optimal sensitivity of the magnetoresistor at room temperature. The temperature dependence of sensitivity is not taken into account. Based on the temperature dependence ΔR of permalloy films, this leads to an error in the conversion of the magnetoresistor of more than 0.1% deg.

Технический результат состоит в уменьшении погрешности преобразования путем термокомпенсации чувствительности магниторезистора. The technical result consists in reducing the conversion error by thermal compensation of the sensitivity of the magnetoresistor.

Указанный результат достигается тем, что датчик магнитного поля, содержащий магниторезистивный элемент и постоянный магнит, отличается тем, что используется постоянный магнит, температурный коэффициент остаточной индукции αв, которого и создаваемое им при фиксированной температуре T0 смещающее поле Hb(T0) удовлетворяет соотношению:

Figure 00000002

где для магниторезистора αт температурный коэффициент чувствительности при постоянном смещающем поле;
αн(To) коэффициент зависимости чувствительности от смещающего поля при фиксированной температуре.This result is achieved in that the magnetic field sensor containing a magnetoresistive element and a permanent magnet is characterized in that a permanent magnet is used, the temperature coefficient of residual induction α in , and which the biasing field H b (T 0 ) created by it at a fixed temperature T 0 satisfies the ratio:
Figure 00000002

where for the magnetoresistor α t the temperature coefficient of sensitivity at a constant bias field;
α n (T o ) is the coefficient of the dependence of sensitivity on the biasing field at a fixed temperature.

Соотношение (1) основано на том, что чувствительность магниторезистора в рабочей области температур и смещающих полей рассматривается как линейная функция этих параметров

Figure 00000003

где η(To, Hво) значение чувствительности при фиксированных температурах и смещающем поле. Кроме того, смещающее поле выбирается линейно зависящим от температуры
Hв(T) = Hв(To)[1+αв(T-To)] (3)
где Hb(T0) значение смещающего поля при фиксированной температуре. Совокупности (2) и (3) приводят к отсутствию температурной зависимости чувствительности, если выполняется (1). Таким образом изменение чувствительности из-за температурной зависимости МР эффекта компенсируется соответствующим температурным ходом смещающего поля.Relation (1) is based on the fact that the sensitivity of the magnetoresistor in the working range of temperatures and bias fields is considered as a linear function of these parameters
Figure 00000003

where η (T o , H in ) is the sensitivity value at fixed temperatures and biasing field. In addition, the bias field is linearly dependent on temperature.
H a (T) = H a (T o) [1 + α in (TT o)] (3)
where H b (T 0 ) is the value of the bias field at a fixed temperature. Combinations (2) and (3) lead to the absence of a temperature dependence of sensitivity if (1) is satisfied. Thus, a change in sensitivity due to the temperature dependence of the MR effect is compensated by the corresponding temperature behavior of the biasing field.

Наличие в датчике постоянного магнита (ПМ" с определенной взаимосвязью между температурным коэффициентом остаточной продукции и создаваемым им смещающим полем является существенным признаком, отличающим заявляемое изобретение от прототипа и определяющим его соответствие критерию "новизна". The presence in the sensor of a permanent magnet (PM "with a certain relationship between the temperature coefficient of the residual product and the bias field created by it is an essential feature that distinguishes the claimed invention from the prototype and determines its compliance with the criterion of" novelty ".

На фиг. 1 дано схематическое изображение датчика, включающего МР элемент 1 на подложке 2 и постоянный магнит 3 с намагниченностью

Figure 00000004
На фиг. 2 представлены зависимости чувствительности магниторезистора от температуры для случаев создания смещающего поля катушками Гельмгольца (кривая 1) и магнитом из феррита бария (кривая 2).In FIG. 1 is a schematic representation of a sensor including an MR element 1 on a substrate 2 and a permanent magnet 3 with magnetization
Figure 00000004
In FIG. Figure 2 shows the temperature dependence of the magnetoresistor sensitivity for cases of creating a biasing field by Helmholtz coils (curve 1) and a barium ferrite magnet (curve 2).

Датчик включает магниторезистивный элемент 1 на подложке 2 и постоянный магнит 3 с намагниченностью. The sensor includes a magnetoresistive element 1 on the substrate 2 and a permanent magnet 3 with magnetization.

Изготовлен датчик, содержащий пермаллоевый пленочный магниторезистивный (МР) элемент 1 и композиционный постоянный магнит 3 (ПМ) из феррита бария. Схематическое изображение его приведено на фиг. 1. МР элемент получен на кремниевой подложке методом проекционной фотолитографии. Он имеет структуру четырехплечего моста, каждое из плечей которого выполнено в форме наклонного меандра. Температурная зависимость чувствительности такого элемента показана на фиг. 2 (кривая 1). Она измерена при постоянном смещающем поле (6,5 мТл), которое создавалось катушками Гельмгольца (в отсутствии ПМ), и дает αт-0,13% /град. Коэффициент αн(To) был определен при комнатной температуре (T0=20oC) из экспериментальной зависимости

Figure 00000005
Его величина составила 10% мТл.A sensor is made containing a permalloy film magnetoresistive (MR) element 1 and a composite permanent magnet 3 (PM) from barium ferrite. A schematic representation thereof is shown in FIG. 1. The MR element was obtained on a silicon substrate by projection photolithography. It has the structure of a four-armed bridge, each of the shoulders of which is made in the form of an inclined meander. The temperature dependence of the sensitivity of such an element is shown in FIG. 2 (curve 1). It is measured at a constant bias field (6.5 mT), which was created by Helmholtz coils (in the absence of PM), and gives α t -0.13% / deg. The coefficient α n (T o ) was determined at room temperature (T 0 = 20 o C) from the experimental dependence
Figure 00000005
Its value was 10% mT.

Композиционный ПМ изготовлен по металлопластической технологии из порошка феррита бария, который имеет αв-0,2%/град. Согласно формуле (1) для указанных значений коэффициентов термокомпенсация чувствительности реализуется, если ПМ будет создавать поле смещения с индукцией 6,5 мТл. В частности, такое поле смещения было получено от пластины с остаточной индукцией 0,01 Тл и размерами 6х5х0,6 мм, расположенной на расстоянии L=1,1 мм от МР элемента.Composite PM is made by metal-plastic technology from barium ferrite powder, which has an α of -0.2% / deg. According to formula (1), for the indicated values of the coefficients, thermal compensation of sensitivity is realized if the PM creates a bias field with an induction of 6.5 mT. In particular, such a bias field was obtained from a plate with a residual induction of 0.01 T and dimensions 6x5x0.6 mm, located at a distance L = 1.1 mm from the MR element.

Зависимость η(T)( для термокомпенсированного магниторезистора показана на фиг. 2 (кривая 2). Величина температурного коэффициента чувствительности для него составляет 0,01%/град, что на порядок ниже, чем для магниторезистора без температурной компенсации. Соответственно в 10 раз уменьшилась погрешность преобразования, обусловленная температурной зависимостью чувствительности. The dependence η (T) (for a thermally compensated magnetoresistor is shown in Fig. 2 (curve 2). The value of the temperature coefficient of sensitivity for it is 0.01% / deg, which is an order of magnitude lower than for a magnetoresistor without temperature compensation. Accordingly, it decreased 10 times conversion error due to temperature dependence of sensitivity.

Claims (1)

Датчик магнитного поля, содержащий магниторезистивный элемент и магнит, отличающийся тем, что используется постоянный магнит, температурный коэффициент остаточной индукции αв которого и создаваемое им при фиксированной температуре To смещающее поле Hв(To) удовлетворяют соотношению
Figure 00000006

где для магниторезистора
αт - температурный коэффициент чувствительности при постоянном смещающем поле;
αн(To) -( коэффициент зависимости чувствительности от смещающего поля при фиксированной температуре.
Magnetic field sensor comprising a magnetoresistive element and a magnet, wherein the permanent magnet is used, the temperature coefficient α remanence and in which generated them at a fixed temperature T o biasing field H (T o) satisfy the relation
Figure 00000006

where for the magnetoresistor
α t is the temperature coefficient of sensitivity at a constant bias field;
α n (T o ) - (coefficient of the dependence of sensitivity on the biasing field at a fixed temperature.
RU93003023A 1993-01-12 1993-01-12 Magnetic field sensor RU2084912C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93003023A RU2084912C1 (en) 1993-01-12 1993-01-12 Magnetic field sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93003023A RU2084912C1 (en) 1993-01-12 1993-01-12 Magnetic field sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93003023A RU93003023A (en) 1995-12-27
RU2084912C1 true RU2084912C1 (en) 1997-07-20

Family

ID=20135898

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93003023A RU2084912C1 (en) 1993-01-12 1993-01-12 Magnetic field sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2084912C1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MD2270C2 (en) * 2002-11-28 2004-09-30 Международная Лаборатория Сверхпроводимости И Электроники Твёрдого Тела Академии Наук Республики Молдова Apparatus for measurement of strong magnetic fields

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hill E.W., Britwistle J.K. Spattered permanent magnet arrays for MR sensor bias // IEEE Tr.Magn. - 1987, v. 23, N 5, p. 2419 - 2421. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8373410B2 (en) Rotary or linear position sensor having a variable magnet profile
JP4513804B2 (en) Magnetic field detector, current detection device using the same, position detection device, and rotation detection device
Ripka Sensors based on bulk soft magnetic materials: Advances and challenges
US20030117254A1 (en) System and method for using magneto-resistive sensors as dual purpose sensors
US20040017187A1 (en) Magnetoresistive linear position sensor
JPS62237301A (en) Magnetic displacement sensor
EP1709456B1 (en) Magnetic-field-sensitive sensor arrangement
JP2005195481A (en) Magnetic linear position sensor
US4849696A (en) Apparatus for determinig the strength and direction of a magnetic field, particularly the geomagnetic field
Ripka Contactless measurement of electric current using magnetic sensors
EP2438391A2 (en) Temperature tolerant magnetic linear displacement sensor
KR20070087628A (en) Bridge type sensor with tunable characteristic
Zhenhong et al. Development of the highly precise magnetic current sensor module of+/− 300 a utilizing AMR element with bias-magnet
US7521923B2 (en) Magnetic displacement transducer
Schurig et al. 0.2 mT residual offset of CMOS integrated vertical Hall sensors
JP6132085B2 (en) Magnetic detector
Olson et al. Integrating giant magnetoresistive current and thermal sensors in power electronic modules
Borole et al. Design, development, and performance evaluation of GMR-based current sensor for industrial and aerospace applications
Lopez-Martin et al. Performance tradeoffs of three novel GMR contactless angle detectors
JP2000055997A (en) Magnetic sensor device and current sensor device
RU2084912C1 (en) Magnetic field sensor
CN108469594B (en) High-precision closed-loop gradient magnetic resistance sensor
JP6555421B2 (en) Magnetic sensor and current sensor including the same
JPH06180242A (en) Area flow meter equipped with sensor and flow-rate measuring method
CN108872887B (en) Magnetic field compensation device