Модульные и компонентные магниторезистивные датчики и компасы Honeywell
Магниторезистивный эффект в наши дни нашел широчайшее применение практически во всех электронных системах, так или иначе связанных с задачами магнитометрии, определения курса объекта по магнитному полю Земли, позиционировании и распознавании образа ферромагнитных объектов, измерении угла поворота и перемещения, а также бесконтактном измерении электрического тока.
В статье рассказано об основных принципах работы магниторе-зистивных датчиков и начато рассмотрение датчиков такого типа производства компании Honeywell. Тема будет продолжена в одном из следующих номеров журнала.
Функциональная организация и принцип действия компонентных (базовых) датчиков Honeywell
В основе принципа действия датчиков лежит анизотропный магниторезистивный эффект (AMP), который заключается в способности пермаллоевой пленки изменять свое сопротивление в зависимости от взаимной ориентации протекающего через нее тока и направления ее вектора намагниченности (рис. 1). Внешнее магнитное поле поворачивает вектор намагниченности пленки М на угол 8. Величина 8 зависит от направления и величины этого поля. При этом сопротивление пленки R ~ cos 28.
Для построения датчика четыре идентичных пермаллоевых пленки соединяются по мостовой схеме и образуют плечи моста (рис. 2). На практике, для увеличения чувствительности датчика каждое плечо моста формируют из нескольких пленок, параллельно ориентированных на подложке, последовательно между собой соединенных
при помощи алюминиевых перемычек и защищенных сверху слоем нитрида тантала (рис. 3).
После подачи питания (1,8...12 В) датчик начинает измерять внешнее магнитное поле, действующее вдоль его чувствительной оси. Это поле вызывает изменение сопротивления плеч моста, при этом выходное напряжение моста получает приращение. Типовая передаточная характеристика простейшего одноосевого магнито-резистивного датчика Honeywell приведена на рис. 4.
Мостовой магниторезистивный датичк имеет ось предпочтительного намагничивания или так называемую легкую ось, которая принудительно формируется специальной встроенной плоской катушкой SET/RESET (рис. 2 и 3). Направление легкой оси всегда указывается в технической документации на прибор (рис. 5). Датчик наиболее чувствителен к полям, направленным перпендикулярно к этой оси.
В исходном состоянии, сразу после включения питания или в результате воздействия «разрушающего» магнитного поля величиной более 15...20 Гаусс, магнитная структура пленок моста хаотична (рис. 6а). Такое состояние датчика не пригодно для измерения ввиду нулевой чувствительности. Подача же короткого импульса тока 2...5 А длительностью 1...2 мкс через катушку SET/RESET формирует поле, ориентирующее магнитные домены всех пленок в одном направлении, которое и называется легкой осью (рис. 66, 6в). Эта процедура возвращает прибор в режим максимальной чувствительности, восстанавливая все его характеристики, которые сохраняются до очередного попадания датчика в сильное магнитное поле.
Катушка SET/RESET выполняет еще одну важную функцию — это инвертирование передаточной характеристики датчика путем ее зеркального отображения относительно двух смещений (рис. 7).
Обратимся к рисунку 7. Смещение по оси Y порядка 25 мВ вызвано исключительно омическим рассогласованием магниторезис-тивных пленок моста в процессе изготовления и устраняется добавлением шунтирующего резистора к одному из плеч моста. Второе смещение создано извне вероятно из-за того, что вблизи сенсора находится крупный металлический
объект. Это поле компенсируется с помощью второй встроенной в сенсор катушки OFFSET (рис. 2 и 3), свойства которой мы рассмотрим позже.
|
