RU2601281C1 - Magnetoresistive current sensor - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used in devices for contactless control and measurement of electric current. Core: a magnetoresistive current sensor has a bridge measuring circuit of four magnetoresistors formed as parallel strips of film from a ferromagnetic metal with an easy magnetization axis oriented at the angle of 45° to the axis of easy magnetization of the initial film, a magnetic system of several permanent micromagnets creating a uniform magnetic field in the plane of the strips arrangement along the axis of easy magnetization of the initial film strips, a control conductor made from a nonmagnetic metal film in the form of a meander or a flat coil, working strips of which are interconnected in such a way, that magnetic field occurring when current passes through the control conductor in places of arrangement of adjacent magnetoresistors of the bridge circuit is oriented in opposite directions.

EFFECT: reduced spread of initial signal and conversion coefficient of the magnetoresistive current sensors from sample to sample.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах бесконтактного контроля и измерения электрического тока.The invention relates to measuring equipment and can be used in devices for contactless monitoring and measuring electric current.

Известен магниторезистивный датчик тока, содержащий следующие, электрически изолированные друг от друга и от подложки функциональные элементы: замкнутую мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки магнитомягкого ферромагнитного металла в виде параллельных друг другу полосок, ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания исходной пленки и закороченных последовательно перемычками из немагнитного металла, проводники перемагничивания и управления, сформированные из пленки немагнитного металла в виде плоской прямоугольной петли или плоской прямоугольной катушки (Патент РФ №2533747 C1, МКИ G01R 33/09, H01L 43/08).Known magnetoresistive current sensor containing the following, electrically isolated from each other and from the substrate, functional elements: a closed bridge measuring circuit of four magnetoresistors formed from a film of magnetically soft ferromagnetic metal in the form of strips parallel to each other, oriented at an angle of 45 ° to the axis of easy magnetization of the original film and sequentially shorted with jumpers made of non-magnetic metal, magnetizing and control conductors formed from a film non-magnet metal in the form of a flat rectangular loop or flat rectangular coil (RF Patent No. 2533747 C1, MKI G01R 33/09, H01L 43/08).

В известном датчике тока магниторезисторы расположены парами в два ряда, проводники перемагничивания и управления выполнены в виде плоской прямоугольной петли или плоской прямоугольной катушки, рабочие полоски которых перпендикулярны друг другу и расположены над парами магниторезисторов так, что векторы магнитной индукции поля, возникающего в месте расположения магниторезисторов при прохождении тока по проводникам перемагничивания и управления, направлены в противоположные стороны, причем рабочие полоски проводника управления параллельны оси легкого намагничивания ферромагнитной пленки, из которой изготовлены магниторезисторы. В таком датчике векторы магнитной индукции поля, созданного током, проходящим по рабочим полоскам проводников управления и перемагничивания, в местах расположения магниторезисторов взаимно перпендикулярны и направлены в противоположные стороны, причем магнитное поле, возникающее вокруг рабочих полосок проводника перемагничивания, параллельно оси легкого намагничивания пленки, из которой изготовлены магниторезисторы. Благодаря такому техническому решению намагниченность магниторезисторов после прохождения импульса тока по проводнику перемагничивания устанавливается вдоль оси легкого намагничивания исходной ферромагнитной пленки, причем в соседних плечах мостовой схемы она ориентирована в противоположные стороны. При появлении тока в проводнике управления магнитное поле вокруг его рабочих полосок ориентировано в противоположные стороны, благодаря чему оно в свою очередь разворачивает одинаково направленную намагниченность соседних магниторезисторов в противоположные стороны. В результате сопротивление магниторезисторов в соседних плечах моста также изменяется в противоположные стороны, что вызывает изменение выходного сигнала мостовой схемы пропорционально току в проводнике управления. При этом внешнее одноосное магнитное поле разворачивает одинаково направленную намагниченность соседних магниторезисторов в одну сторону и тем самым изменяет сопротивление магниторезисторов в одну сторону и практически не влияет на выходной сигнал мостовой схемы.In the known current sensor, the magnetoresistors are arranged in pairs in two rows, the magnetization reversal and control conductors are made in the form of a flat rectangular loop or a flat rectangular coil, the working strips of which are perpendicular to each other and are located above the pairs of magnetoresistors so that the magnetic induction vectors of the field arising at the location of the magnetoresistors when current flows through the magnetization reversal and control conductors, they are directed in opposite directions, and the working strips of the control conductor allelic axis of easy magnetization of the ferromagnetic film material of the magnetoresistors. In such a sensor, the magnetic induction vectors of the field created by the current passing through the working strips of the control and magnetization conductors at the locations of the magnetoresistors are mutually perpendicular and directed in opposite directions, with the magnetic field arising around the working strips of the magnetization reversal conductor parallel to the axis of the easy magnetization of the film, which made magnetoresistors. Due to this technical solution, the magnetization of the magnetoresistors after the current pulse passes through the magnetization reversal conductor is established along the easy magnetization axis of the initial ferromagnetic film, and it is oriented in opposite directions on the adjacent shoulders of the bridge circuit. When a current appears in the control conductor, the magnetic field around its working strips is oriented in opposite directions, so that it, in turn, deploys the equally directed magnetization of neighboring magnetoresistors in opposite directions. As a result, the resistance of the magnetoresistors in the adjacent shoulders of the bridge also changes in opposite directions, which causes a change in the output signal of the bridge circuit in proportion to the current in the control conductor. In this case, an external uniaxial magnetic field deploys the equally directed magnetization of adjacent magnetoresistors in one direction and thereby changes the resistance of the magnetoresistors in one direction and practically does not affect the output signal of the bridge circuit.

Недостатком известного датчика является наличие проводника перемагничивания и необходимость периодического пропускания по нему импульсов тока, что усложняет конструкцию и электрическую схему датчика, повышает его энергопотребление.A disadvantage of the known sensor is the presence of a magnetization reversal conductor and the need for periodic transmission of current pulses through it, which complicates the design and electrical circuit of the sensor, increases its energy consumption.

Прототипом предлагаемого технического решения является магниторезистивный датчик тока, содержащий мостовую измерительную схему из четырех тонкопленочных магниторезисторов, в виде полосок, имеющих ось легкого намагничивания, проводник управления, расположенный поверх магниторезисторов и изолированный от них слоем диэлектрика, и магнитную систему из нескольких постоянных микромагнитов, создающую однородное магнитное поле в плоскости расположения магниторезисторов перпендикулярно их оси легкого намагничивания (Патент РФ №2216823 С1, МКИ H01L 43/08).The prototype of the proposed technical solution is a magnetoresistive current sensor containing a bridge measuring circuit of four thin-film magnetoresistors in the form of strips having an easy magnetization axis, a control conductor located on top of the magnetoresistors and isolated from them by a dielectric layer, and a magnetic system of several permanent micromagnets that creates a uniform magnetic field in the plane of the magnetoresistors perpendicular to their axis of easy magnetization (RF Patent No. 2216823 C1, M KI H01L 43/08).

В известном датчике магниторезисторы сформированы методами фотолитографии из пленки ферромагнитного металла в виде параллельных друг другу полосок, ориентированных вдоль оси легкого намагничивания исходной пленки и расположенных парами в два ряда. Однородное магнитное поле, созданное постоянными микромагнитами, ориентировано перпендикулярно длине полосок, благодаря чему в отсутствие тока в проводнике управления намагниченность всех магниторезисторов развернута на некоторый угол к длине полосок. Проводник управления изготовлен из пленки немагнитного металла, имеет форму петли, рабочие полоски которой расположены поверх магниторезисторов и соединены таким образом, что магнитное поле, возникающее при прохождении по ним тока, разворачивает намагниченность магниторезисторов в соседних плечах мостовой схемы в разные стороны, благодаря чему на выходе мостовой схемы появляется сигнал, пропорциональный значению тока в проводнике управления.In the known sensor, the magnetoresistors are formed by photolithography methods from a ferromagnetic metal film in the form of strips parallel to each other, oriented along the axis of easy magnetization of the original film and arranged in pairs in two rows. A uniform magnetic field created by permanent micromagnets is oriented perpendicular to the length of the strips, so that in the absence of current in the control conductor, the magnetization of all the magnetoresistors is rotated at an angle to the length of the strips. The control conductor is made of a film of non-magnetic metal, has the shape of a loop, the working strips of which are located on top of the magnetoresistors and connected in such a way that the magnetic field arising from the passage of current reverses the magnetization of the magnetoresistors in the adjacent shoulders of the bridge circuit in different directions, so the output The bridge circuit displays a signal proportional to the current value in the control conductor.

Недостатком известного датчика является значительный разброс от образца к образцу основных параметров его функции преобразования (начального сигнала и коэффициента преобразования). Указанный разброс вызван сильной зависимостью начального сигнала и коэффициента преобразования датчика от абсолютного значения магнитной индукции поля, созданного микромагнитами в месте расположения магниторезисторов. В отсутствие тока в проводнике управления магнитная индукции поля микромагнитов определяет угол поворота намагниченности ферромагнитных полосок магниторезисторов. Наиболее оптимальным углом между намагниченностью полосок в соседних плечах моста и направлением тока является угол 45°. В этом случае при появлении в проводнике управления тока изменение сопротивления магниторезисторов в противоположных плечах моста одинаково по абсолютной величине и различно по знаку, что обеспечивает максимальное значение коэффициента преобразования датчика. Незначительное изменение магнитной индукции поля микромагнитов в месте расположения магниторезисторов значительно изменяет угол между намагниченностью полосок в соседних плечах моста и направлением тока и тем самым изменяет начальный сигнал и коэффициент преобразования датчика. Наблюдаемый на практике значительный разброс начального сигнала и коэффициента преобразования различных образцов известных датчиков обусловлен разбросом намагниченности микромагнитов.A disadvantage of the known sensor is a significant scatter from sample to sample of the main parameters of its conversion function (initial signal and conversion coefficient). The indicated scatter is caused by the strong dependence of the initial signal and the sensor conversion coefficient on the absolute value of the magnetic induction of the field created by the micromagnets at the location of the magnetoresistors. In the absence of current in the control conductor, the magnetic induction of the micromagnet field determines the angle of rotation of the magnetization of the ferromagnetic strips of the magnetoresistors. The most optimal angle between the magnetization of the strips in the adjacent shoulders of the bridge and the direction of the current is an angle of 45 °. In this case, when a current appears in the control conductor, the change in the resistance of the magnetoresistors in the opposite arms of the bridge is the same in absolute value and different in sign, which ensures the maximum value of the sensor conversion coefficient. A slight change in the magnetic induction of the micromagnet field at the location of the magnetoresistors significantly changes the angle between the magnetization of the strips in the adjacent shoulders of the bridge and the direction of the current and thereby changes the initial signal and the conversion coefficient of the sensor. The significant scatter of the initial signal and conversion coefficient of various samples of known sensors observed in practice is due to the scatter of the magnetization of the micromagnets.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является уменьшение разброса начального сигнала и коэффициента преобразования датчиков от образца к образцу, вызванного разбросом магнитной индукции поля микромагнитов в месте расположения магниторезисторов. Дополнительной задачей, решаемой настоящим изобретением, является уменьшение габаритных размеров датчиков.The problem solved by the present invention is to reduce the spread of the initial signal and the conversion coefficient of the sensors from sample to sample, caused by the spread of magnetic induction of the micromagnet field at the location of the magnetoresistors. An additional problem solved by the present invention is to reduce the overall dimensions of the sensors.

Указанный технический результат достигается тем, что в магниторезистивном датчике тока, содержащем мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла в виде параллельных друг другу полосок, имеющих ось легкого намагничивания, проводник управления из немагнитного металла, рабочие полоски которого расположены над или под магниторезисторами и изолированы от них слоем диэлектрика, магнитную систему из нескольких постоянных микромагнитов, создающих однородное магнитное поле в плоскости расположения магниторезисторов, ось легкого намагничивания полосок магниторезисторов ориентирована под углом 45° к их длине, а система микромагнитов создает однородное магнитное поле вдоль оси легкого намагничивания.The specified technical result is achieved by the fact that in a magnetoresistive current sensor containing a bridge measuring circuit of four magnetoresistors formed of a film of ferromagnetic metal in the form of strips parallel to each other having an easy magnetization axis, a non-magnetic metal control conductor, the working strips of which are located above or below magnetoresistors and insulated from them by a dielectric layer, a magnetic system of several permanent micromagnets that create a uniform magnetic field in the bores of the magnetoresistors, the axis of easy magnetization of the strips of magnetoresistors is oriented at an angle of 45 ° to their length, and the system of micromagnets creates a uniform magnetic field along the axis of easy magnetization.

Кроме того, магниторезисторы расположены в один ряд, а проводник управления представляет собой меандр или плоскую катушку, рабочие полоски которой соединены между собой так, что магнитное поле, возникающее при прохождении тока по проводнику управления в местах расположения соседних магниторезисторов мостовой схемы, ориентировано в противоположные стороны.In addition, the magnetoresistors are arranged in one row, and the control conductor is a meander or a flat coil, the working strips of which are interconnected so that the magnetic field arising from the passage of current through the control conductor at the locations of adjacent magnetoresistors of the bridge circuit is oriented in opposite directions .

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом устройстве вектор магнитной индукции поля микромагнитов и вектор намагниченности полосок магниторезисторов параллельны друг другу и ориентированы в одном направлении. При этом в отсутствие тока в проводнике управления угол между намагниченностью полосок и их длиной составляет 45°. Благодаря такому техническому решению в отсутствие тока в проводнике управления разброс значений магнитной индукции поля подмагничивания микромагнитов не влияет на ориентацию намагниченности магниторезисторов и начальный сигнал датчика не зависит от индукции поля микромагнитов. Кроме того, значительно уменьшается зависимость коэффициента преобразования датчика от индукции поля микромагнитов.The essence of the invention lies in the fact that in the proposed device, the vector of magnetic induction of the field of micromagnets and the magnetization vector of the strips of magnetoresistors are parallel to each other and oriented in the same direction. Moreover, in the absence of current in the control conductor, the angle between the magnetization of the strips and their length is 45 °. Due to this technical solution, in the absence of current in the control conductor, the spread in the values of the magnetic induction of the magnetization magnetization field does not affect the orientation of the magnetization of the magnetoresistors, and the initial sensor signal is independent of the induction of the micromagnet field. In addition, the dependence of the sensor conversion coefficient on the induction of the micromagnet field is significantly reduced.

На фиг. 1 представлен датчик с проводником управления в виде меандра, рабочие полоски которого накрывают все полоски каждого магниторезистора (вид сверху).In FIG. 1 shows a sensor with a control conductor in the form of a meander, the working strips of which cover all the strips of each magnetoresistor (top view).

На фиг. 2 представлен датчик с проводником управления в виде плоской катушки, рабочие полоски которой проходят над каждой полоской магниторезистора.In FIG. 2 shows a sensor with a control conductor in the form of a flat coil, the working strips of which pass over each strip of the magnetoresistor.

Измерительная схема магниторезистивного датчика тока (фиг. 1) представляет собой замкнутый мост, содержащий четыре магниторезистора R1, R2, R3 и R4 и контактные площадки 1-4. Магниторезисторы выполнены в виде параллельных друг другу полосок из ферромагнитного металла, соединенных низкорезистивными перемычками из немагнитного металла и ориентированных под углом 45° к оси легкого намагничивания (ОЛН) исходной ферромагнитной пленки. Как видно из фиг. 1 и фиг. 2, магниторезисторы расположены в один ряд, что обеспечивает уменьшение габаритных размеров датчика.The measuring circuit of the magnetoresistive current sensor (Fig. 1) is a closed bridge containing four magnetoresistors R1, R2, R3 and R4 and pads 1-4. Magnetoresistors are made in the form of strips of ferromagnetic metal parallel to each other, connected by low-resistance jumpers of non-magnetic metal and oriented at an angle of 45 ° to the axis of easy magnetization (OLS) of the original ferromagnetic film. As can be seen from FIG. 1 and FIG. 2, the magnetoresistors are arranged in one row, which ensures a decrease in the overall dimensions of the sensor.

Проводник управления 5 датчика, показанного на фиг. 1, изготовлен в виде меандра, а показанного на фиг. 2 - в виде плоской катушки. Рабочие полоски проводника управления 6 расположены над полосками магниторезисторов и в обоих случаях соединены между собой так, что магнитное поле, возникающее при прохождении по ним тока, в месте расположения одного магниторезистора ориентировано в одну сторону, а в местах расположения соседних магниторезисторов - в противоположные стороны. С помощью контактных площадок 7 и 8 проводник управления подключается к контролируемой электрической цепи. Мостовая измерительная схема датчика размещена между северным N и южным S полюсами микромагнитов 9 и 10.The control conductor 5 of the sensor shown in FIG. 1 is made in the form of a meander, and that shown in FIG. 2 - in the form of a flat coil. The working strips of the control conductor 6 are located above the strips of magnetoresistors and in both cases are interconnected so that the magnetic field arising from the passage of current through them is oriented in one direction at the location of one magnetoresistor and in opposite directions at the locations of adjacent magnetoresistors. Using pads 7 and 8, the control conductor is connected to a controlled electrical circuit. A bridge measuring circuit of the sensor is located between the north N and south S poles of the micromagnets 9 and 10.

Предлагаемый магниторезистивный датчик тока работает следующим образом. Мостовая измерительная схема с помощью контактных площадок 1 и 3 подключается к источнику электрического питания (например, генератору напряжения), а с помощью контактных площадок 2 и 4 - к измерительному прибору (например, вольтметру). В отсутствие тока в проводнике управления векторы намагниченности полосок, из которых состоят магниторезисторы, ориентированы вдоль ОЛН, как показано на фиг. 1. При появлении электрического тока в проводнике управления возникающее вокруг его рабочих полосок магнитное поле разворачивает векторы намагниченности магниторезисторов в соседних плечах моста в противоположные стороны (фиг. 1). При этом сопротивление магниторезисторов R1 и R3 изменяется в одну сторону (например, уменьшается), магниторезисторов R2 и R4 - в другую сторону (например, увеличивается). В результате выходной сигнал магниторезистивного датчика изменяется пропорционально значению тока в проводнике управления. В то же время внешнее магнитное поле практически не влияет выходной сигнал датчика, поскольку оно разворачивает намагниченность всех четырех магниторезисторов в одну сторону и тем самым одинаково изменяет сопротивление всех четырех магниторезисторов.The proposed magnetoresistive current sensor operates as follows. Using the pads 1 and 3, the bridge measuring circuit is connected to an electric power source (for example, a voltage generator), and with the help of pads 2 and 4, it is connected to a measuring device (for example, a voltmeter). In the absence of current in the control conductor, the magnetization vectors of the strips of which the magnetoresistors are composed are oriented along the OLS, as shown in FIG. 1. When an electric current appears in the control conductor, a magnetic field arising around its working strips rotates the magnetization vectors of the magnetoresistors in the adjacent shoulders of the bridge in opposite directions (Fig. 1). In this case, the resistance of magnetoresistors R1 and R3 changes in one direction (for example, decreases), magnetoresistors R2 and R4 in the other direction (for example, increases). As a result, the output signal of the magnetoresistive sensor changes in proportion to the current value in the control conductor. At the same time, the external magnetic field practically does not affect the output signal of the sensor, since it reverses the magnetization of all four magnetoresistors in one direction and thereby equally changes the resistance of all four magnetoresistors.

Экспериментальное исследование зависимости начального сигнала и коэффициента преобразования предлагаемого датчика от магнитной индукции поля микромагнитов показало, что указанные параметры функции преобразования датчика практически не изменяются при значениях магнитной индукции поля подмагничивания в пределах от 0,8 до 2,0 мТл. Заявляемое техническое решение позволяет в 3-5 раз уменьшить разброс значений начального сигнала и коэффициента преобразования магниторезистивного датчика тока от образца к образцу.An experimental study of the dependence of the initial signal and the conversion coefficient of the proposed sensor on the magnetic induction of the micromagnet field showed that the indicated parameters of the sensor conversion function practically do not change when the magnetic induction of the magnetization field is in the range from 0.8 to 2.0 mT. The claimed technical solution allows 3-5 times to reduce the spread in the values of the initial signal and the conversion coefficient of the magnetoresistive current sensor from sample to sample.

Claims (2)

1. Магниторезистивный датчик тока, содержащий мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных из пленки ферромагнитного металла в виде параллельных друг другу полосок, имеющих ось легкого намагничивания, проводник управления из немагнитного металла, рабочие полоски которого расположены над или под магниторезисторами и изолированы от них слоем диэлектрика, магнитную систему из нескольких постоянных микромагнитов, создающих однородное магнитное поле в плоскости расположения магниторезисторов, отличающийся тем, что ось легкого намагничивания полосок магниторезисторов ориентирована под углом 45° к их длине, а система микромагнитов создает однородное магнитное поле вдоль оси легкого намагничивания.1. Magnetoresistive current sensor containing a bridge measuring circuit of four magnetoresistors formed from a film of ferromagnetic metal in the form of strips parallel to each other having an axis of easy magnetization, a control conductor of non-magnetic metal, the working strips of which are located above or below the magnetoresistors and isolated from them by a layer dielectric, a magnetic system of several permanent micromagnets that create a uniform magnetic field in the plane of the magnetoresistors, characterized the fact that the axis of easy magnetization of the strips of magnetoresistors is oriented at an angle of 45 ° to their length, and the system of micromagnets creates a uniform magnetic field along the axis of easy magnetization. 2. Магниторезистивный датчик тока по п. 1, отличающийся тем, что магниторезисторы расположены в один ряд, а проводник управления представляет собой меандр или плоскую катушку, рабочие полоски которой соединены между собой так, что магнитное поле, возникающее при прохождении тока по проводнику управления в местах расположения соседних магниторезисторов мостовой схемы, ориентировано в противоположные стороны. 2. The magnetoresistive current sensor according to claim 1, characterized in that the magnetoresistors are arranged in a single row, and the control conductor is a meander or a flat coil, the working strips of which are interconnected so that the magnetic field that occurs when current flows through the control conductor in the locations of adjacent magnetoresistors of the bridge circuit are oriented in opposite directions.

Images