CC BY
42
!55Ы_1992-6502_(Рп^)_
2015. Т. 19, № 4 (70). С. 54-58
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 681.586.7
Подход к повышению показателя вольтовой чувствительности
магниторезистивных датчиков
А. В. Воробьев, Г. Р. Шакирова, Э. А. Кильметов, И. А. Высоцкий
1-4§1т$1аЬ@уа^ех.ш
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ) Поступила в редакцию 1 февраля 2015 года
Аннотация. Статья посвящена проблеме повышения чувствительности мостовых резистивных датчиков посредством организации импульсного характера питания резистивного моста. Предлагается теория подхода, приводятся экспериментальные данные, показывающие эффективность подхода.
Ключевые слова: магниторезистор; анизотропный магниторезистивный эффект; чувствительность мостового резистивного датчика
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день промышленность имеет достаточно широкий ряд магниторези-стивных датчиков, применяемых при построении информационно-измерительных систем (ИИС), вследствие чего с определенной точностью обеспечивается возможность регистрации параметров магнитных полей в некотором амплитудно-частотном диапазоне.
При этом, согласно [1], одним из наиболее перспективных на сегодняшний день являются датчики, основанные на анизотропном магнито-резистивном эффекте (АМР-эффект). В первую очередь это связано с тем, что они в наибольшей степени соответствуют метрологическим требованиям, предъявляемым устройствам и системам такого рода.
Как и у большинства подобных первичных измерительных преобразователей, параметр чувствительности является одним из важнейших и во многом определяет область применения сенсора, эффективность его эксплуатации и достоверность получаемых результатов. Таким образом, повышение показателя чувствительности мостовых резистивных сенсоров
Работа поддержана грантами РФФИ 14-07-00260-а,
14-07-31344-мол_а, 10-07-00167-а, 15-17-20002-д_с,
15-07-02731-а, Грантом Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук МК-5340.2015.9.
в целом и АМР-сенсоров в частности является актуальной научно-технической задачей.
На сегодняшний день эта задача решается посредством повышения входного сопротивления, уменьшения входной емкости измерительного преобразователя, что, безусловно, дает определенный положительный эффект, однако анализ известных вариантов повышения показателя чувствительности выявил, что для достижения поставленной цели не рассматривается вариант, основанный на повышении эффективности питания моста Уинстона.
Таким образом, целью исследований, результаты которых приведены в настоящей статье, является развитие теории способа, обеспечивающего повышение показателя чувствительности мостовых резистивных сенсоров за счет организации эффективного питания, а также проведение эксперимента, подтверждающего заявленные предположения.
ОБЗОР, АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ АНИЗОТРОПНЫХ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Из известных работ [1], [2] следует, что в случае отдельно взятого АМР-элемента приложенное к нему внешнее (исследуемое) магнитное поле Н поворачивает вектор намагниченности тонкой магнитной пленки на угол р. Значение в зависит от направления и величины Н, при этом сопротивление пермаллоевой плен-
ки (рабочего элемента сенсора) оценивается согласно выражению (1) при условии, что:
Н << Но,
где Н0 - напряженность подмагничевающего поля.
R = RB=0 + AR
1 -
f H >
V H 0 У
= RB=0 +AR • cos2 p, (1)
где RB=0 - сопротивление пермаллоевой пленки вне действия магнитного поля; AR - максимально возможное изменение сопротивления (R.b=0 = 3,8 - 4,2 %); sin p = H / Я0.
Из формулы (1) несложно заметить, что сопротивление АМР-элемента квадратично зависит от слагаемого (H/H0) при H0 = const. Такая квадратичная зависимость отдаляет выходную характеристику сенсора от желаемого линейного вида. В значительной мере лианеризовать выходную характеристику АМР-элемента возможно путем задания так называемой «зазубренной» (в оригинале от англ. barber-pole) структуры, схематически представленной на рис. 1.
Рис. 1. Структура типа «barber-pole» единичного АМР-элемента
В этом случае сопротивление АМР-сенсора определится соотношением:
R = Rb=0 + ARmaxCos2(p + 45°),
(2)
где угол 45° соответствует углу наклона пер-маллоевых и немагнитных полосок (см. рис. 1), относительно общей ориентации АМР-элемента в пространстве.
Таким образом, учитывая, что
cos(p +45°)= ^(cosp - sinp),
можем записать:
R=RH 0 + AR —л
H =0 max j-r 1
H 0 1
1 -
f H V
V H0 j
(3)
(4)
Знак «±» в выражении (4) соответствует одной из возможных ориентаций немагнитных перемычек, т. е. их наклон либо слева направо, либо справа налево (рис. 1) [3, 4].
В случае, когда Н << Н0, выражение (4) возможно переписать в виде:
H
R » R„ _ ± AR
H =0 max h
(5)
0
Очевидно, что функциональные зависимости (4) и (5) по сравнению с выражением (1) имеют более предпочтительный квазилинейный характер.
Рассмотрим традиционное соединение единичных АМР-элементов (рис. 2) по принципу полностью дифференциального измерительного моста (мост Уинстона). Конструкционно данная структура представляет собой четыре эквивалентных «barber-pole» АМР-элемента, сформированных путем осаждения тонкого слоя пермаллоя на подложку в форме квадрата, соединенных по схеме, представляющей из себя плечи измерительного моста.
Так напряжение, снимаемое с измерительной диагонали моста (рис. 2), определится выражением (6):
U =
R1
R 2
R1 + R4 R2 + R3
U
0'
(6)
где и - напряжение, снимаемое с измерительной диагонали моста; Ш, R2, R3, R4 - сопротивления плеч моста; и0 - напряжение питания моста.
При этом известно, что показатель чувствительности мостовой схемы рассчитывается согласно формуле:
V = _
^MV f
U 0
1+А
R2 У
1 + R
(7)
R
3 У
из которой следует его прямопропорциональная зависимость от питающего напряжения.
Рис. 2. Мостовая схема соединения АМР-элементов (а) и ее тесла-вольтная характеристика (б)
ТЕОРИЯ ПОДХОДА К ПОВЫШЕНИЮ ВОЛЬТОВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МАГНИТОРЕЗИСТИВНОГО СЕНСОРА
Из выражения (6) видно, что при увеличении напряжения питания моста и0 в силу прямо пропорциональной зависимости увеличивается приращение напряжения и, что, согласно (7), в свою очередь увеличивает чувствительность магниторезистивного датчика в частности и мостовых резистивных сенсоров в целом. С другой стороны, увеличение параметра и0, по закону Ома [5], приводит к повышению тока I, протекающего через измерительный мост, а следовательно, в соответствии с выражением (8), - к повышению выделяемой тепловой, мощности, что является крайне нежелательным. Сама же рассеиваемая тепловая мощность строго регламентирована фирмой-производителем и несоблюдение установленных критериев неизбежно ведет к некорректной работе как самого датчика, так и всей информационно-измерительной системы.
Р = и • /, (8)
где и0 - напряжение питания моста; Р - мощность выделяемая мостом; I - электрический ток, протекающий через плечи моста.
Преследуя цель повысить показатель вольтовой чувствительности, предлагается использовать импульсный характер питания измерительного моста повышенным (относительно ус-
тановленного фирмой-производителем) напряжением, но при этом в обязательном порядке удовлетворяющим выражению (9), физический смысл которого поясняется на рис. 3.
г 2 г 2'
* • г ) <|(( 1 • г ), (9)
Л Л'
где и* - повышенное напряжение питания мостового магниторезистивного датчика, действующее во временном интервале, ограниченном значениями г1 и г2; Ц**тах - регламентируемое производителем магниторезистивного датчика напряжение питания, действующее во временном интервале, ограниченном значениями г1' и г2'.
Кроме того известно, что вольтова чувствительность мостового преобразователя, входящего в состав магниторезистивного датчика, определяется выражением (10).
С = 2^0 • 1ц2 • Б0, (10)
где Д0 - активное сопротивление тонкопленочного магниторезистивного элемента вне действия магнитного поля (в размагниченном состоянии); I - электрический ток, протекающий через измерительную диагональ моста Уинстона; ц - подвижность носителей зарядов; Б0 - магнитная индукция, наводимая устройством подмагничивания.
Рис. 3. К пояснению выражения (9)
ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Для подтверждения эффективности рассматриваемого подхода предлагается эксперимент, суть которого заключалась в том, что изначально снимается выходная характеристика измерительного моста при номинальном напряжении питания, в последствии мост запитывает-ся повышенным напряжением импульсного характера, а также регистрируется выходной сигнал с измерительной диагонали моста (рис. 4).
Рис. 4. Экспериментальная схема
Ход эксперимента для полностью дифференциального моста: подается напряжение и0 на диагональ питания мостового резистивного сенсора и регистрируется напряжение и при изменении сопротивления R2, R4. Затем подаем повышенное напряжение и повторяем эксперимент. Получаем график на рис. 5.
Рис. 5. График зависимости выходного напряжения от сопротивления.
Полученные в результате проведения эксперимента данные приведены в табл. 1. Таким образом, очевидно, что выходное напряжение моста и2 (рис. 5) больше при использовании повышенного питания, при идентичном внешнем воздействии физической величины (в данном случае - напряженность магнитного поля).
Таблица 1 Результаты экспериментальных данных
№ В, мТл и1, В(при и0=12В) и2, В(при и0=25В)
1 100 0,108 0,225
2 125 0,132 0,275
3 150 0,156 0,325
4 175 0,180 0,375
5 200 0,204 0,425
Так, положительное приращение выходного напряжения, согласно выражению (7), повышает чувствительность измерительной схемы. Сравнение показателей чувствительности до и после применения описываемого подхода приведены в табл. 2
Таблица 2
_Результаты эксперимента_
В, мкТл
50
С0
220-10"6а
сп
425-10"6а
Результаты эксперимента (см. табл. 1, табл.
2, где а =ц2; ц - подвижность носителей зарядов в материале магниторезистивного датчика) показывают, что запитывание повышенным напряжением приводит к повышению показателя чувствительности магниторезистивных датчи-
ков, а организация импульсного характера такого питания обеспечивает нормальный режим работы относительно рассеиваемой устройством мощностью.
Так, например, чувствительность без под-магничивания и питания повышенным напряжением составляет 220-10-6а, а с применением 425-10-ба. Таким образом, показатель чувствительности мостового резистивного сенсора в лучшем случае может быть повышен до 2 раз.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренный способ повышения показателя чувствительности магниторезистивных датчиков за счет применения системы питания повышенным напряжением импульсного характера обеспечивает значительный технический эффект, что в результате существенно расширяет сферу применения мостовых измерительных преобразователей и улучшает их метрологические характеристики.
При этом следует понимать, что организация такого способа применительно к конкретному прибору несколько повышает его массога-баритные и стоимостные характеристики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воробьев А. В. Синтез и верификация математической модели анизотропного магниторезистивного мостового сенсора // Датчики и системы. 2012. № 5. С. 40-44 [[ A. V. Vorobev, "Synthesis and verification of mathematical model of anisotropic magnetoresistive bridge sensor," (in Russian), in Prybory, no. 1 (139), pp. 10-16. 2012.]]
2. Воробьев А. В. Вопросы проектирования цифровых геомагнитных обсерваторий. LAP Lambert Academic Publishing G mbh & Co. KG, Berlin, 2012. 120 с. [ A. V. Vorobev, Problems of digital geomagnetic observatories development (in Russian). LAP Lambert Academic Publishing G mbh & Co. KG, Berlin, 2012. ]
3. Воробьев А. В. О возможности применения анизотропных магниторезистивных сенсоров в геоинформационных магнитометрических системах // Приборы. 2012. № 1 (139). С. 10-16 [[ A. V. Vorobev, "About application of anisotropic magnetoresistive sensors in geoinformation magnetometric systems," (in Russian), in Prybory, no. 1 (139), pp. 10-16. 2012.]]
4. Средства измерений параметров магнитного поля / Ю. В. Афанасьев [и др.]. Л.: Энергия, 1968. 320 с. [ Yu. V. Afanasiev, Measurement tollos for geomagnetic field (in Russian). Leningrad, Energy, 1968.]
5. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: Высшая школа, 1996. 638 с. [ L. A. Bessonov, Theoretical basis of electrotechnics (in Russian). Moscow, Vyshaya Shkola, 1996. ]
ОБ АВТОРАХ
Воробьев Андрей Владимирович, доц., вед. науч. сотр. каф. автоматиз. систем управления. Дипл. магистр по электронике и микроэлектронике (УГАТУ, 2006). Канд. техн. наук по инф.-изм. и упр. системам (УГАТУ, 2009). Иссл. в обл. геоинформ. магнитометрич. систем.
Шакирова Гульнара Равилевна, доц. той же каф. Дипл. инж.-системотехник (УГАТУ, 2005). Канд. техн. наук по мат. и прогр. обеспечению выч. машин, комплексов и комп. сетей (УГАТУ, 2008). Иссл. в обл. иерархич. моделей, сит. управления, веб-технологий, геоинформ. магнитометрич. систем.
Кильметов Эрнест Айдарович, асп. каф. теоретических основ э/техн. Дипл. инженер по электронике и микроэлектронике (УГАТУ, 2013). Иссл. в обл. геоинформ. магнито-метрич. систем.
Высоцкий Игорь Александрович, магистрант каф. каф. автоматиз. систем управления. Иссл. в обл. геоинформ. магнитометрич. систем.
METADATA
Title: Approach to increased rates of voltage sensitivity
magnetoresistive sensor. Authors: A. V. Vorobev2, G. R. Shakirova, E. A. Kilmetov, I. A.
Vysocky Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia. Email: gimslab@yandex.ru. Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 19, no. 4 (70), pp. 54-58, 2014. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: The article is devoted to increase the sensitivity of bridge resistive sensors through the organization of the pulsed nature of the power of the resistive bridge. We propose a theory approach, we present experimental data showing the effectiveness of this approach. Key words: magnetoresistor; anisotropic magnetoresistive
effect; the sensitivity of the bridge resistive sensor. About authors:
Vorobev, Andrey Vladimirovich, Assoc. Prof., Dept. of Automated Systems. Master of Electronics & Microelectronics (UGATU, 2006). PhD (UGATU, 2009). Shakirova, Gulnara Ravilevna, Assoc. Prof., Dept. of Automated Systems. Dipl. Engineer on Automated Management Systems (UGATU, 2005). PhD (UGATU, 2008). Kilmetov Ernest Aidarovich, Postgrad. (PhD), Dept. of Theoretical Foundations of Electrical Engineering. Dipl. Engineer on Electronics & Microelectronics (UGATU, 2013). Vysocky, Igor Alexandrovich, stud., Dept. of Automated Systems.
