Устройство для измерения слабых магнитных полей

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СЛАБЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич Король Александр Васильевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство для измерения слабых магнитных полей, содержащее магниточувствительный элемент из тонкой пленки магнитомягкого материала на изолирующей подложке,использующий в своей работе планарный эффект Холла, и выполненный в форме круга с двумя парами токовых электродов, которые образуют между средними линиями, проходящими через каждую пару, угол в 45, и двумя парами холловских электродов, образующих угол 90 со средними линиями, проходящими через соответствующие пары токовых электродов, электронный блок питания, подключенный к токовым электродам, и регистратор эдс, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит микропроцессор,а магниточувствительная пленка выполнена магнитноанизотропной в плоскости подложки, а именно одноосно-анизотропной или однонаправленно-анизотропной, на подложке сформированы четыре линии отметок, соответствующие наиболее рациональному приложению внешнего магнитного поля, совпадающие со средними линиями, проходящими через каждую пару токовых и каждую пару холловских электродов соответственно, причем 26602006.04.30 подложку охватывает плоская шина, подсоединенная к формирователю импульсов с управлением от микропроцессора, зафиксированная относительно магниточувствительной пленки таким образом, что ось легкого намагничивания параллельна либо антипараллельна магнитному полю или направление легкого намагничивания антипараллельно магнитному полю, создаваемому в плоской шине при прохождении по ней импульса тока, а холловские электроды подключены к входному электронному блоку усилителя сигнала,входы которого подключены к микропроцессору, функционально связанному с регистратором сигнала и электронным блоком питания магниточувствительного элемента.(56) 1. А.с. СССР 1698854, МПК 01 33/05, 1991. 2. Патент РБ 3714 МПК 01 33/07, 2000. 3. А.с. СССР 1832233, МПК 01 33/06, 1993. 4. Технология тонких пленок Справочник / Под ред. Л. Майссела, Р. Гленга. - НьюЙорк, 1970 Пер. с англ. / Под. ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. Т. 2. - М. Сов. Радио,1977. - С. 768. Устройство относится к измерительной технике, а именно к измерению слабых магнитных полей с использованием планарного эффекта Холла, и может использоваться в системах измерений, сигнализации и автоматического контроля в ограниченных объемах пространства и узких зазорах, а также для магнитного считывания информации и в ЦМД микросхемах. Известен датчик слабых магнитных полей 1, содержащий полупроводниковый элемент Холла, расположенный в зазоре между двумя плоскими ферромагнитными концентраторами из магнитомягкого материала, которые усиливают внешнее магнитное поле. Такой датчик имеет слишком большие габариты за счет концентраторов магнитного поля и не может использоваться в ЦМД микросхемах и для считывания информации с магнитных носителей, которые имеют размеры на порядки меньшие концентраторов магнитного поля. Известно пороговое магниточувствительное устройство 2, в основу функционирования которого положен планарный эффект Холла. Устройство содержит гибридную интегральную схему, в которой магниточувствительный элемент выполнен в форме круга и изготовлен на основе тонкой пленки ферромагнетика. Причем рассмотрено три варианта изготовления магниточувствительного элемента. В первом варианте используется магнитно-изотропная в плоскости подложки пленка , во втором варианте использована одноосно-анизотропная в плоскости подложки пленка , и третий вариант предусматривает использование однонаправленно-анизотропной в плоскости подложки пленки состава (8119)1-. Все приведенные варианты использования магниточувствительных пленок в гибридной микросхеме имеют значительный гистерезис в зависимостях выходного сигнала планарного элемента Холла от приложенного внешнего поля. Это приводит к существенному недостатку. Устройство может использоваться только в пороговом режиме, причем схемное решение не предусматривает возможности измерения самой величины магнитного поля. Это значительно сужает область его применения в автоматике и магнитных измерениях. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому (прототип) является компонентный датчик магнитного поля на эффекте Холла 3. Датчик состоит из двух магниточувствительных элементов на эффекте Холла, разделенных диэлектрической пленкой, расположенных друг под другом соосно на изолирующей подложке. Один магниточувствительный элемент является пленочным полупроводниковым датчиком Холла, а второй пленочным датчиком, использующим планарный эффект Холла и изготовленным 2 26602006.04.30 из магнитомягкого материала с низким значением коэрцитивной силы. Второй магниточувствительный элемент имеет форму круга с двумя парами токовых электродов, которые образуют между средними линиями, проходящими через каждую пару, угол в 45, и двумя парами холловских (потенциальных) электродов, образующих угол 90 со средними линиями, проходящими через соответствующие пары токовых электродов. Такая конфигурация позволяет в аналоговом режиме измерять три компоненты магнитного поля перпендикулярную составляющую (полупроводниковым элементом Холла) и по двум значениям эдс планарного эффекта Холла вычислять величину магнитного поля в плоскости подложки и его направление (угол). Однако эта конструкция работоспособна на очень ограниченном участке величин магнитных полей. Элементы, функционирующие на планарном эффекте Холла, предназначены для измерения слабых магнитных полей в несколько мТл, так как затем эдс выходит в область насыщения и практически не зависит от величины магнитного поля в плоскости пленки. Полупроводниковые элементы Холла целесообразно использовать при магнитных полях выше 1 мТл, поскольку они имеют недостаточную чувствительность, порядка (0,20,5) мВ/мТл. Известно, что полупроводниковые элементы Холла не имеют гистерезиса эдс от величины магнитного поля, а магнитопленочные элементы имеют достаточный гистерезис, особенно, если они были подвержены воздействию магнитных полей (как измеряемых, так и помехи), приводящих в область насыщения ферромагнитную пленку(например, зависимости эдс от приложенного магнитного поля в плоскости подложки приведены в 2 для различных видов пленок). Величина этого гистерезиса является неустойчивой и зависит от предыстории намагничивания (если перемагничивание происходило не по предельной петле гистерезиса). Таким образом, точность определения индукции магнитного поля может значительно ухудшиться вследствие воздействий неконтролируемых магнитных полей. В предлагаемом устройстве возможно непрерывное получение достоверных и точных результатов определения составляющих индукции магнитного поля в миниатюрных устройствах автоматики и др., использующих фиксацию слабых магнитных полей до 10 мТл. Задачей предлагаемой полезной модели является - повышение точности измерений магнитопленочным элементом Холла за счет учета гистерезисных эффектов эдс и исключения влияния на измерения, ранее действующего магнитного поля (последействия). Решение указанной задачи и указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известное устройство, содержащее магниточувствительный элемент из тонкой пленки магнитомягкого материала на изолирующей подложке,использующий в своей работе планарный эффект Холла и выполненный в форме круга с двумя парами токовых электродов, которые образуют между средними линиями, проходящими через каждую пару, угол в 45, и двумя парами холловских электродов, образующих угол 90 со средними линиями, проходящими через соответствующие пары токовых электродов, электронный блок питания, подключенный к токовым электродам, и регистратор сигнала, введены отличающиеся элементы, устройство дополнительно содержит микропроцессор, а магниточувствительная пленка выполнена магнитноанизотропной в плоскости подложки, а именно одноосно-анизотропной или однонаправленноанизотропной, на подложке сформированы четыре линии отметок, соответствующие наиболее рациональному приложению внешнего магнитного поля, совпадающие со средними линиями, проходящими через каждую пару токовых и каждую пару холловских электродов соответственно, причем подложку охватывает плоская шина, подсоединенная к формирователю импульсов с управлением от микропроцессора, зафиксированная относительно магниточувствительной пленки, таким образом, что ось легкого намагничивания параллельна либо антипараллельна магнитному полю или направление легкого намагничивания антипараллельно магнитному полю, создаваемому в плоской шине при прохож 3 26602006.04.30 дении по ней импульса тока, а холловские электроды подключены к входному электронному блоку усилителя сигнала, выходы которого подключены к микропроцессору, функционально связанному с регистратором сигнала и электронным блоком питания магниточувствительного элемента. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемой полезной модели, показал, что заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Сущность заявляемого технического решения поясняется на фиг. 1-фиг. 5. На фиг. 1 представлен общий вид магниточуствительного элемента на планарном эффекте Холла на фиг. 2 представлена общая структурная схема функционирования устройства на фиг. 3 - нормированный выходной сигнал после усилителя от магниточувствительного элемента как функция индукции магнитного поля, при этом магниточувствительная пленка выполнена одноосно-анизотропной в плоскости подложки, а угол между током, протекающим в пленке и приложенным магнитным полем 45. На фиг. 4 изображено то же, что и на фиг. 3, только для случая, когда магниточувствительная пленка изготовлена однонаправленно-анизотропной в плоскости подложки на фиг. 5 - схема выходного каскада формирователя импульсов тока в шине (катушке) с управлением от микропроцессора. Устройство содержит магниточувствительный элемент 1 из тонкой пленки магнитомягкого материала на изолирующей подложке 2, выполненный в форме круга с двумя парами токовых электродов (3, 3) и (4, 4), которые образуют между средними линиями,проходящими через каждую пару, угол в 45. Две пары холловских (потенциальных) электродов (5, 5) и (6, 6) образуют угол 90 со средними линиями, проходящими через соответствующие пары токовых электродов. Магниточувствительная пленка выполнена магнитноанизотропной в плоскости подложки, а именно одноосно-анизотропной или однонаправленно-анизотропной. Ее толщина составляет 20-40 нм. Магнитная анизотропия в плоскости подложки формируется в процессе вакуумного осаждения ферромагнитного материала на подложку в присутствии внешнего магнитного поля с индукцией, превышающей 20 мТл, которая приложена в плоскости подложки в направлении вдоль отметки(6, 6). Получаемый вид анизотропии зависит от химического состава пленки и распределения компонент элементов по толщине. Например, пленки пермаллоя, состава ( - 81- 19 или- 80- 20 ), изготовленные однородными по толщине, всегда обладают одноосной анизотропией, что подтверждено, например в 4. Для изготовления пленок пермаллоев, однонаправленно-анизотропных в плоскости подложки, использовалось легирование этих составов добавками(до 8 ) или(до 3 ) с неоднородным распределением компонент по толщине. Токовые электроды (3, 3) и (4, 4) подключены к электронному блоку питания магниточувствительного элемента. На подложке 2 сформированы четыре линии отметок, соответствующие наиболее рациональному приложению внешнего магнитного поля и совпадающие со средними линиями, проходящими через каждую пару указанных электродов (3, 3), (4, 4) и (5, 5) (6, 6). Когда измеряемое магнитное поле приложено под углом 45 к протекающему току, то эдс планарного эффекта Холла максимальна, поскольку она пропорциональна (2). В устройстве имеется регистратор сигнала 8, микропроцессор 9. Подложку 2 охватывает плоская шина или планарная катушка 10, подсоединенная к формирователю импульсов 11 с управлением от микропроцессора 9. Она зафиксирована относительно магниточувствительной пленки 1, таким образом, что ось легкого намагничивания ЛО (либо направление легкого намагничивания),ЛН пленки параллельна (или антипараллельна) магнитному полю В 0, создаваемому в шине (катушке) при прохождении по ней импульса тока. Холловские электроды (5, 5) и (6,6) подключены к входу электронного блока усилителя сигнала 12, выходы которого подключены к микропроцессору 9, функционально связанному с регистратором сигнала 8,4 26602006.04.30 электронным блоком питания магниточувствительного элемента 7 и формирователем импульсов 11. Устройство работает следующим образом. Вначале оно калибруется, т.е. определяется закон изменения сигнала 1(0) после усиления усилителем 12 и его нормирования (устанавливается коэффициент усиления, необходимый для согласования с микропроцессором) как функция известного магнитного поля В 0 в плоскости подложки, когда магнитное поле направлено по оси ЛО (ЛН) при 45. Полученные данные записываются в память микропроцессора 9. При этом обеспечивается перемагничивание магниточувствительной пленки по предельной петле магнитного гистерезиса за счет выбора максимального значения В 0, при котором пленка обязательно попадает в зону магнитного насыщения. Эти зависимости 1,(В 0), 1(0) для пленок с различным видом анизотропии приведены на фиг. 3 (для одноосно-анизотропной пленки) и фиг. 4 для однонаправленно-анизотропной пленки). При этом нижний индексу кривой соответствует перемагничиванию пленки по восходящей петле магнитного гистерезиса, а нижний индекс- соответственно по нисходящей. Поскольку вид этих зависимостей для одноосно-анизотропной пленки и однонаправленно-анизотропной пленки одинаков, различие только проявляется в смещении функции относительно начала координат В 00, то достаточно рассмотреть функционирование устройства, в котором магниточувствительная пленка обладает одноосной анизотропией в плоскости подложки. Рассмотрим теоретические аспекты работы устройства в статике. Пусть измеряемое магнитное поле приложено под угломк току 1, протекающему через электроды 3 и 3. На потенциальных электродах 5 и 5 возникает эдс планарного эффекта Холла 1(0, ),которая может быть представлена, согласно 3, в виде Е 1(0, )1(В 0) (2). Для каждой ветви гистерезиса эти функции различны, следовательно можно записать соответственно(2) 1(0, )Е 1(В 0) (2). При умножении этих уравнений на коэффициент усиления усилителяполучаем разность потенциалов 1(0,), приходящую в микропроцессор, при прохождении по пленке тока 1, которую для разных ветвей магнитного гистерезиса, т.е. 1(0,), 1(0,), можно записать в виде(4) 1(0,)1(0)(2)1(0)(2)1(В 0,),где функции 1(0), 1(0) заложены в память микропроцессора при калибровке. Если пропускать ток 21 через вторую пару токовых электродов 4 и 4, а эдс Е 2 снимать со второй пары потенциальных электродов 6 и 6 (при этом электроды 3 и 3 отключены от блока питания микропроцессором), то сигнал приходящий на микропроцессор 2, в зависимости от ветви гистерезиса восходящей или нисходящей (2(В 0,),2(В 0, можно записать в аналогичном виде, но с учетом того, уголмежду током и магнитным полем увеличился на 45, т.е.(45) и (2)2(45)(2).(6) 2(В 0,)1(0) (2). Из уравнений (3) и (4) следует, что при токе 1 и пленке, находящейся на разных ветвях перемагничивания полусумма сигналов 1, 2 имеет вид однозначной функции, связанной с калибровочными сигналами 1(В 0) и 1(0), занесенными в память микропроцессора. 1(1,0)0,5(1(0,)1(0,0,51(0)1(0)(2) (7) Функция 0,51(0)1(0) является полусуммой сигналов калибровки и представлена на фиг. 3 для одноосно-анизотропной пленки и фиг. 4 однонаправленноанизотропной пленки пунктирной линией. Из уравнений (5) и (6) следует, что при токе 2 5 26602006.04.30 и пленке, находящейся на разных ветвях перемагничивания полусумма сигналов 1, 2 имеет вид однозначной функции, также связанной с калибровочными сигналами 1(0) и 1(0).(8) 2(2,0)0,5(2(0,)2(0,0,51(0)1(0)(2) Из уравнений (7) и (8) однозначно определяется угол .0,51(1,0)/2(2,0)0,5(1(0,)1(0,/(2(0,)2(0, (9) Из уравнений (7) и (8) следует, что(2)2(1)21/20,51(0)1(0) 2 2 1/2 Следовательно, при вычисленном значении (2)(1)по калибровочной кривой изображенной пунктиром на фиг. 3 микропроцессор определяет конкретное значение В 0. Таким образом по измеренным 4 сигналам 1(0,), 1(0,) и 2(0,), 2(0,), полученных при двух направлениях тока в пленке, смещенных на 45 (этим значениям соответствуют нижние индексы 1, 2) и при двух ветвях магнитного гистерезиса, которым соответствуют нижние индексыи , определяются однозначно с высокой точностью (без гистерезиса) модуль магнитного поля и угол относительно оси (направления) легкого намагничивания. По аналогии с классическим полупроводниковым датчиком Холла, где наиболее точные измерения проводятся при двух направлениях тока и двух направлениях магнитного поля, можно утверждать, что точность измерений в предложенном устройстве повышается не только за счета учета магнитного гистерезиса, но и из-за компенсации сопутствующих эдс, вызванных термомагнитными эффектами. Для реализации измерений магнитного поля по полученным выше формулам в устройстве предусмотрено микропроцессорное управление блоком питания 7 и формирователем импульсов тока 11. В динамике устройство функционирует следующим образом. Микропроцессор вырабатывает сигнал, подающийся на блок формирователя импульсов 11, по которому блок 11 формирует короткий импульс тока положительной полярности(наиболее рационально прямоугольной формы) в пределах плюс (2-5) А в катушке или шине 10. Этот импульс приводит к возникновению магнитного поля в катушке 10, которое намагничивает пленку 1 до состояния насыщения (режим сброса прежнего остаточного состояния намагниченности пленки). Блок питания 7, управляемый микропроцессором,осуществляет подключение к нему электродов 3 и 3, что эквивалентно протеканию через них тока 1. После окончания действия импульса тока в 10 в режиме установки измерений микропроцессор запоминает значение напряжения 1(,), для поля В 0, а после подключения по команде микропроцессора электродов 4 и 4 к блоку питания 7 - значение 2(,) (электроды 3 и 3 отключены от блока питания). При этом используется одна из ветвей гистерезиса, обозначенные ранее индексами ( или ). Затем микропроцессор вырабатывает сигнал, подающийся на блок формирователя импульсов 11, по которому блок 11 формирует короткий импульс тока противоположной полярности в пределах минус (25) А в катушке или шине 10. Этот импульс приводит к возникновению магнитного поля в катушке 10, которое намагничивает пленку 1 до состояния насыщения, но в противоположном направлении. После окончания действия импульса отрицательной полярности,микропроцессор запоминает, по вышеописанной методике значения напряжений 1(,) и 2(,), соответствующие другой ветви гистерезиса. В формулах эти четыре значения соответствуют данным 1(0,), 1,(0,), 2(0,), 2(0,) при условии В 0. Далее микропроцессор по формуле (8) вычисляет уголи, используя формулу (10),совместно с калибровочными данными, заложенными в память микропроцессора, определяет искомое значениев плоскости подложки. Результаты вычислений микропроцессора отображаются в регистраторе 8, или далее могут поступать на элементы автоматики,сопряженные с предложенным устройством. 26602006.04.30 Аналогично функционирует устройство, магниточувствительная пленка которого выполнена однонаправленно-анизотропной. Отличие только состоит в смещении калибровочных кривых по оси индукции от нуля на постоянную величину Всм, что представлено на фиг. 4. В данном случае при калибровке в память микропроцессора заносится известная величина см и микропроцессор приводит калибровочные кривые фиг. 4 к виду на фиг. 3 и учитывает напряжения смещения в формулах, посредством замены 0 на (0-см). Далее определение величины индукции магнитного поля и угла являются тождественными для обоих видов анизотропии пленки. Предложенное устройство позволяет измерять как квазистатические, так и переменные магнитные поля. Для измерения переменных магнитный полей одной из основных характеристик является быстродействие. Поэтому длительности импульсов в плоской катушке (шине) выбираются минимально возможными, поскольку время переключения магнитных структур весьма мало (20-50) нс. Реальный частотный диапазон устройства составляет (0-1) Мгц. Следует отметить, что ряд современных датчиков, выпускаемых фирмами и др. функционирующих наэффекте (анизотропном магниторезистивном, когда используется мостиковая схема подключения магниторезисторов) использует попеременную подачу импульсов тока противоположной полярности и процессорную обработку данных с целю учета магнитного гистерезиса. Однако использование планарного эффекта Холла в таких датчиках неизвестно. Кроме того, в таких датчиках считается направление магнитного поля заданным, т.е. известен угол , либо (когда он неопределен), требуется использование, по крайней мере, двух датчиков, содержащих по микропроцессору и дальнейшая обработка результатов. Например, прибор НМС 1512 фирмысодержит два мостовых датчика, расположенных под углом 45 друг к другу, функционирует наэффекте, и предназначен для измерения углового положения. Использование двух датчиков ухудшает точность измерений, т.к. их магниточувствительные элементы оказываются разнесенными в пространстве и могут оказаться в точках с разной величиной индукции магнитного поля (при существовании ее градиента), а также в составе устройства должно быть не менее двух микропроцессоров. Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий средство, воплощающее заявленную полезную модель, при ее осуществлении, предназначено для использования в измерительной технике и устройствах автоматики для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в ниже изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов средство, воплощающее заявленное, при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.