RU2656237C2 - Magnetic current sensor with a film concentrator - Google Patents
Magnetic current sensor with a film concentrator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2656237C2 RU2656237C2 RU2016128641A RU2016128641A RU2656237C2 RU 2656237 C2 RU2656237 C2 RU 2656237C2 RU 2016128641 A RU2016128641 A RU 2016128641A RU 2016128641 A RU2016128641 A RU 2016128641A RU 2656237 C2 RU2656237 C2 RU 2656237C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- magnetic field
- current
- conductor
- concentrator
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 134
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 31
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910000889 permalloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 abstract description 27
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 5
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 30
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 8
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 2
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000001364 causal effect Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000007779 soft material Substances 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
- H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
- H01F10/12—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковой электронике, полупроводниковым приборам, обладающим чувствительностью к воздействию магнитного поля.The present invention relates to semiconductor electronics, semiconductor devices having a sensitivity to a magnetic field.
Полупроводниковые датчики величины и направления магнитного поля находят все более широкое распространение в интегрированных микросистемах благодаря возможности их объединения с остальными компонентами микросистем методами микроэлектроники и создания микроминиатюрных приборов для контроля и управления в автоматизированных комплексах различного назначения.Semiconductor sensors of magnitude and direction of the magnetic field are becoming more widespread in integrated microsystems due to the possibility of combining them with other components of microsystems using microelectronics methods and the creation of microminiature devices for monitoring and control in automated complexes for various purposes.
В датчиках магнитного поля используются концентраторы магнитного поля, позволяющие повысить величину индукции внешнего магнитного поля в месте расположения чувствительного элемента за счет намагничивания магнитомягкого материала концентратора с высокой магнитной проницаемостью. Форма и расположение концентраторов относительно элемента, чувствительного к магнитному полю, определяют величину и направление магнитного потока, проходящего в чувствительной зоне датчика. Система формирования магнитного потока, включающая пленочные концентраторы и датчики, позволяет повысить чувствительность преобразования магнитного поля в электрический сигнал.Magnetic field sensors use magnetic field concentrators to increase the magnitude of the external magnetic field induction at the location of the sensitive element due to magnetization of the soft magnetic material of the concentrator with high magnetic permeability. The shape and arrangement of the concentrators with respect to the element sensitive to the magnetic field determines the magnitude and direction of the magnetic flux passing in the sensitive zone of the sensor. The system of magnetic flux formation, including film concentrators and sensors, improves the sensitivity of the conversion of the magnetic field into an electrical signal.
Концентраторы используются в составе интегральных микросистем измерения магнитного поля, в частности, для создания магнитных датчиков тока. Чувствительными элементами служат преобразователи магнитного поля на основе магниторезисторов /1/, датчиков Холла /2/, магнитотранзисторов /3/.Hubs are used as part of integrated microsystems for measuring the magnetic field, in particular, for creating magnetic current sensors. Sensitive elements are magnetic field converters based on magnetoresistors / 1 /, Hall sensors / 2 /, magnetotransistors / 3 /.
Улучшение электромагнитных характеристик и повышение точности трансформаторных датчиков тока достигается применением в качестве материала магнитопровода аморфного железа /4/. Датчик тока трансформаторного типа имеет кольцевой магнитопровод, измерительную обмотку, медное короткозамкнутое кольцо и шины с измеряемым током. Главным отличием датчика является электропроводящее неферромагнитное кольцо, охватывающее магнитопровод. Конструкция датчика выполняется в виде объемной структуры, занимающей большое пространство.Improving the electromagnetic characteristics and increasing the accuracy of transformer current sensors is achieved by using amorphous iron / 4 / as the magnetic core material. The transformer type current sensor has an annular magnetic circuit, a measuring winding, a short-circuited copper ring and busbars with a measured current. The main difference of the sensor is an electrically conductive non-ferromagnetic ring covering the magnetic circuit. The sensor design is performed in the form of a three-dimensional structure, which occupies a large space.
В патенте /5/ предлагается создание магниторезистивного датчика с оптимальным направлением вектора намагниченности ферромагнитной пленки в тонкопленочной магниторезистивной полоске, что увеличивает чувствительность датчика и линейность его ВЭХ. Технология изготовления датчика не предусматривает изготовление магнитопровода.The patent / 5 / proposes the creation of a magnetoresistive sensor with the optimal direction of the magnetization vector of the ferromagnetic film in a thin-film magnetoresistive strip, which increases the sensitivity of the sensor and the linearity of its SEC. The manufacturing technology of the sensor does not provide for the manufacture of a magnetic circuit.
В патенте /6/ предлагается создание магниторезистивного датчика с магнитожесткими полосками на поверхности проводника управления, уменьшающими величину тока в проводнике управления. Технология изготовления датчика не предусматривает изготовление магнитопровода.In the patent / 6 / it is proposed to create a magnetoresistive sensor with magnetically rigid strips on the surface of the control conductor, reducing the amount of current in the control conductor. The manufacturing technology of the sensor does not provide for the manufacture of a magnetic circuit.
В патенте /7/ предлагается использовать мостовую схему на магниторезисторах, проводники перемагничивания в виде плоской прямоугольной петли и управления в виде плоской прямоугольной катушки, которые уменьшают погрешности измерения тока, вызванные влиянием внешнего магнитного поля. В патенте не рассматриваются магнитопроводы, увеличивающие чувствительность датчика тока.In the patent / 7 / it is proposed to use a bridge circuit with magnetoresistors, magnetization reversal conductors in the form of a flat rectangular loop and control in the form of a flat rectangular coil, which reduce the errors of current measurement caused by the influence of an external magnetic field. The patent does not consider magnetic circuits that increase the sensitivity of the current sensor.
В патенте /8/ предлагается с целью расширения функциональных возможностей как датчика скорости нарастания тока и уменьшения потребляемой мощности ввести в зазор кольцевого магнитопровода второй магнитопровод. Первый магнитопровод охватывает проводник с током и имеет зазор, а другой кольцевой магнитопровод расположен в зазоре первого и имеет обмотки, формирующие выходной сигнал. Этот патент является наиболее близким аналогом, принятым нами за прототип.In the patent / 8 / it is proposed to introduce a second magnetic circuit into the gap of the annular magnetic circuit in order to expand the functionality of a sensor of current slew rate and reduce power consumption. The first magnetic circuit covers the conductor with current and has a gap, and the other annular magnetic circuit is located in the gap of the first and has windings that form the output signal. This patent is the closest analogue adopted by us as a prototype.
Описанный в патенте /8/ магнитный датчик тока имеет следующие основные недостатки. Дополнительный магнитопровод в зазоре первого магнитопровода уменьшает измеряемый магнитный поток, что соответственно уменьшает чувствительность датчика тока. Конструкция датчика выполняется в виде объемной структуры, не поддающейся микроминиатюризации.The magnetic current sensor described in the patent / 8 / has the following main disadvantages. An additional magnetic circuit in the gap of the first magnetic circuit reduces the measured magnetic flux, which accordingly reduces the sensitivity of the current sensor. The sensor design is performed in the form of a volumetric structure that is not amenable to microminiaturization.
Задача изобретения - создание пленочного концентратора магнитного поля для магнитного датчика тока с высокой чувствительностью в микроминиатюрном исполнении.The objective of the invention is the creation of a film magnetic field concentrator for a magnetic current sensor with high sensitivity in microminiature design.
Поставленная задача решается за счет того, что магнитный датчик тока с пленочным концентратором содержит два кольцевых пленочных магнитопровода, расположенных параллельно токовому проводнику с минимальным зазором; кольца магнитопроводов пересекаются и происходит сложение магнитных потоков и магнитное поле усиливается в области расположения магниточувствительных элементов.The problem is solved due to the fact that the magnetic current sensor with a film concentrator contains two annular film magnetic cores located parallel to the current conductor with a minimum gap; the rings of the magnetic circuits intersect and the addition of magnetic fluxes occurs and the magnetic field is amplified in the area of the arrangement of magnetically sensitive elements.
Магнитный датчик тока с пленочным концентратором, содержащий подложку; элемент, чувствительный к магнитному полю; диэлектрический слой; концентратор магнитного поля с двух сторон от элемента, чувствительного к магнитному полю, расположенного около проводника с током, отличающийся тем, что концентратор магнитного поля выполнен из пленки магнитомягкого материала, например, пермаллоя, на диэлектрическом слое в форме частично пересекающихся двух колец переменной ширины с зазором, около элемента, чувствительного к магнитному полю. Плоская структура концентраторов позволяет минимизировать расстояние от проводника с током и использовать сильное магнитное поле вблизи проводника с током, что повышает чувствительность и уменьшает габариты датчика. Индукция магнитного поля вблизи проводника с током усиливается в области расположения магниточувствительных элементов за счет изменения ширины колец и сложения магнитных потоков от двух колец. Техническим результатом является микроминиатюризация магнитного датчика тока и повышение его чувствительности.A magnetic current sensor with a film concentrator comprising a substrate; magnetic field sensitive element; dielectric layer; a magnetic field concentrator on both sides of the magnetic field sensitive element located near the current conductor, characterized in that the magnetic field concentrator is made of a film of magnetically soft material, for example permalloy, on a dielectric layer in the form of partially intersecting two rings of variable width with a gap , near a magnetic field sensitive element. The flat structure of the concentrators allows you to minimize the distance from the current conductor and use a strong magnetic field near the current conductor, which increases the sensitivity and reduces the size of the sensor. Induction of a magnetic field near a current conductor is amplified in the region of magnetically sensitive elements due to a change in the width of the rings and the addition of magnetic fluxes from two rings. The technical result is microminiaturization of a magnetic current sensor and an increase in its sensitivity.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь. Магнитный датчик тока с пленочным концентратором располагается на минимальном расстоянии от проводника с током в области с максимальной магнитной индукцией, создаваемой током. Магнитная индукция создает намагничивание пленочного концентратора, соответственно с магнитной проницаемостью материала пленки, например пермаллоя, и формирует магнитный поток в кольцевых магнитопроводах двух концентраторов. Магнитный поток проходит по сужающимся магнитопроводам, что повышает магнитную индукцию и доходит до стыка концентраторов, где происходит суммирование магнитной индукции. В области зазора в магнитопроводах формируется усиленное значение магнитной индукции, создаваемое проводником с током. Расположенный в зазоре магнитопроводов чувствительный элемент датчика тока воспринимает усиленную магнитную индукцию и преобразует магнитное поле тока в электрический сигнал.Between the set of essential features of the claimed object and the achieved technical result, there is a causal relationship. A magnetic current sensor with a film concentrator is located at a minimum distance from the conductor with current in the region with maximum magnetic induction created by the current. Magnetic induction creates the magnetization of the film concentrator, respectively, with the magnetic permeability of the film material, for example permalloy, and forms a magnetic flux in the ring magnetic circuits of two concentrators. The magnetic flux passes through the narrowing magnetic cores, which increases the magnetic induction and reaches the junction of the concentrators, where the summation of the magnetic induction takes place. In the region of the gap in the magnetic circuits, an enhanced value of the magnetic induction is generated, which is created by the current conductor. The sensitive element of the current sensor located in the gap of the magnetic cores senses enhanced magnetic induction and converts the magnetic field of the current into an electrical signal.
Изобретение позволяет создавать малогабаритные датчики магнитного поля с преобразованием величины напряженности магнитного поля около проводника с током в электрический сигнал в расширенном диапазоне изменения напряженности магнитного поля.The invention allows the creation of small-sized magnetic field sensors with the conversion of the magnitude of the magnetic field near the conductor with the current into an electrical signal in an extended range of changes in the magnetic field.
На фиг. 1 представлено поперечное сечение и план магнитного датчика тока с пленочным концентратором. На фиг. 2 дано распределение магнитной индукции вокруг проводника с током. На фиг. 3 представлена конфигурация концентратора. На фиг. 4 показана чувствительность магнитного датчика тока с пленочным концентратором и с магниточувствительным элементом на основе преобразователя с анизотропным магниторезистивным эффектом.In FIG. 1 shows a cross section and a plan of a magnetic current sensor with a film concentrator. In FIG. Figure 2 shows the distribution of magnetic induction around a current conductor. In FIG. 3 shows the configuration of the hub. In FIG. 4 shows the sensitivity of a magnetic current sensor with a film concentrator and with a magnetically sensitive element based on a transducer with an anisotropic magnetoresistive effect.
На фиг. 1 показано поперечное сечение и план магнитного датчика тока с пленочным концентратором, где датчик состоит из (1) подложки; (2) диэлектрического слоя; (3) элемента, чувствительного к магнитному полю; (4) магниточувствительной области элемента; (5) пленочных концентраторов магнитного поля с двух сторон от чувствительного элемента. Проводник с током обозначен (6). Буквенными обозначениями на фиг. 1 указаны: h1 - зазор между проводником с током (6) и пленочным концентратором (5), h2 - толщина пленки концентратора, D1 - размер части концентраторов около проводника с током, D2 - размер части концентраторов около магниточувствительной области элемента, чувствительного к магнитному полю; L - зазор между частями концентратора около магниточувствительной области элемента, чувствительного к магнитному полю.In FIG. 1 shows a cross-section and a plan of a magnetic current sensor with a film concentrator, where the sensor consists of (1) a substrate; (2) a dielectric layer; (3) a magnetic field sensitive element; (4) the magnetically sensitive region of the element; (5) film magnetic field concentrators on both sides of the sensing element. The current conductor is marked (6). The letters in FIG. 1 indicate: h 1 is the gap between the current conductor (6) and the film concentrator (5), h 2 is the thickness of the concentrator film, D 1 is the size of the part of the concentrators near the current conductor, D 2 is the size of the part of the concentrators near the magnetically sensitive region of the element, sensitive to magnetic field; L is the gap between the parts of the concentrator near the magnetically sensitive region of the element sensitive to the magnetic field.
На фиг. 2 представлено распределение магнитной индукции B вокруг проводника 6 с током I в зависимости от радиуса R по формуле B=I/2πR. Пленочные магнитные концентраторы 5 располагаются на минимальном расстоянии h1 от проводника с током в области с максимальным значением магнитной индукции Bmax. В концентраторах возникает индукция намагничивания максимальной величины Bнамагн.In FIG. 2 shows the distribution of magnetic induction B around the
На фиг. 3 представлена конфигурация концентратора, имеющего форму частично пересекающихся двух колец переменной ширины с зазором, около элемента, чувствительного к магнитному полю, в котором за счет изменения ширины колец и сложения магнитных потоков от двух колец магнитный поток, создаваемый током Bнамагн, усиливается в области расположения магниточувствительных элементов Bизм, как показано линиями индукции и стрелками.In FIG. Figure 3 shows the configuration of a hub having the form of partially intersecting two rings of variable width with a gap, near an element sensitive to a magnetic field, in which, due to a change in the width of the rings and the addition of magnetic fluxes from two rings, the magnetic flux generated by the magnetization current B is amplified in the location region magnetically sensitive elements B ISM , as shown by induction lines and arrows.
На фиг. 4 представлены экспериментальные зависимости от величины тока в проводнике I величины чувствительности S магнитного датчика тока с пленочным концентратором и с магниточувствительным элементом на анизотропном магниторезистивном эффекте 1) магнитного датчика тока с пленочным концентратором и 2) магнитного датчика тока с объемным магнитопроводом.In FIG. Figure 4 shows the experimental dependences on the magnitude of the current in the conductor I of the sensitivity value S of a magnetic current sensor with a film concentrator and with a magnetically sensitive element using an anisotropic magnetoresistive effect 1) a magnetic current sensor with a film concentrator and 2) a magnetic current sensor with a volume magnetic circuit.
Представленное на фиг. 1 поперечное сечение структуры и план магнитного датчика тока с пленочным концентратором показывает, что пленочный концентратор магнитного поля (5) с толщиной h2 расположен на диэлектрическом слое (2) и подложке (1) над элементом, чувствительным к магнитному полю (3), и магниточувствительной области элемента (4). Кольцевые концентраторы магнитного поля соприкасаются с проводником с током (6), т.е. расположены на минимальном расстоянии h1 от проводника с током, где действует максимальная величина магнитного поля тока с индукцией Bmax. Магнитомягкий материал с магнитной проницаемостью μ в соответствующее количество раз увеличивает магнитную индукцию в концентраторе. Для пермаллоя магнитная проницаемость μ достигает 100000. Размер кольца концентратора в области размером D2, удаленной от магниточувствительной области элемента, чувствительного к магнитному полю, существенно больше, чем в области размером D1, граничащей с чувствительной областью магниточувствительного элемента, и с зазором в кольцевом концентраторе с размером L. Магнитный поток в области D2 имеет величину W=μBmax⋅D2⋅h2 и после прохождения по магнитопроводу концентратора равен магнитному потоку в области D1 с W=μB1⋅D2⋅h2. Отношение D2/D1 обеспечивает увеличение отношения магнитной индукции B1/Bmax. Кроме того, перекрытие двух колец увеличивает вдвое магнитный поток и магнитную индукцию в зазоре концентратора L и в чувствительной области (4) магниточувствительного элемента (3). В общей сложности на чувствительную область (4) магниточувствительного элемента (3) воздействует сильное магнитное поле с индукцией Bизм.Presented in FIG. 1, a cross-sectional view of a structure and a plan of a magnetic current sensor with a film concentrator shows that a film magnetic field concentrator (5) with a thickness h 2 is located on the dielectric layer (2) and the substrate (1) above the element sensitive to the magnetic field (3), and magnetically sensitive region of the element (4). Ring magnetic field concentrators are in contact with a current conductor (6), i.e. located at a minimum distance h 1 from the conductor with current, where the maximum magnitude of the magnetic field of the current with induction B max . Soft magnetic material with magnetic permeability μ increases the magnetic induction in the concentrator by an appropriate number of times. For Permalloy magnetic permeability μ reaches 100000. hub ring size to the size of the area D 2 remote from the magnetosensitive region of the element sensitive to the magnetic field is substantially larger than the area size of D 1, bordering the sensitive area magnetosensitive element and with a gap in the annular a concentrator with size L. The magnetic flux in the region D 2 has the value W = μB max ⋅ D 2 ⋅h 2 and, after passing through the magnetic circuit of the concentrator, is equal to the magnetic flux in the region D 1 with W = μB 1 ⋅ D 2 ⋅h 2 . The ratio D 2 / D 1 provides an increase in the magnetic induction ratio B 1 / B max . In addition, the overlap of the two rings doubles the magnetic flux and magnetic induction in the gap of the concentrator L and in the sensitive region (4) of the magnetically sensitive element (3). In total, the sensitive region (4) of the magnetosensitive element (3) is affected by a strong magnetic field with induction B meas .
Магнитная индукция B вокруг проводника (6) с током I уменьшается при увеличении радиуса R по формуле B=I/2πR, как показано на фиг. 2. Пленочные магнитные концентраторы (5) располагаются на минимальном расстоянии h1 от проводника с током 6 в области с максимальным значением магнитной индукции Bmax. В концентраторах в виде тонкой пленки возникает индукция намагничивания максимальной величины Bнамагн.The magnetic induction B around the conductor (6) with current I decreases with increasing radius R according to the formula B = I / 2πR, as shown in FIG. 2. Film magnetic concentrators (5) are located at a minimum distance h 1 from the conductor with current 6 in the region with a maximum value of magnetic induction B max . In concentrators in the form of a thin film, the induction of magnetization of the maximum magnitude B of the magnet occurs .
Конфигурация концентратора имеет форму частично пересекающихся двух колец переменной ширины с зазором, около элемента, чувствительного к магнитному полю, как показано на фиг. 3. За счет сужения ширины колец и сложения магнитных потоков от двух колец создаваемый током магнитный поток Bнамагн усиливается в области расположения магниточувствительных элементов Bизм, как показано линиями индукции и стрелками.The hub configuration is in the form of partially intersecting two rings of variable width with a gap, near the magnetic field sensitive element, as shown in FIG. 3. By narrowing the width of the rings and adding the magnetic fluxes of the two rings of magnetic flux generated by current magnetization B is amplified in location magnetosensitive elements B edited as indicated by the lines and arrows induction.
Экспериментальное исследование чувствительности S магнитного датчика тока с пленочным концентратором и с магниточувствительным элементом на анизотропном магниторезистивном эффекте показало, как видно на фиг. 4, что пленочный концентратор в 5 раз повышает чувствительность магнитного датчика тока и в 4 раза расширяет диапазон чувствительности.An experimental study of the sensitivity S of a magnetic current sensor with a film concentrator and with a magnetically sensitive element based on the anisotropic magnetoresistive effect showed, as can be seen in FIG. 4, that the film concentrator increases the sensitivity of the magnetic current sensor by a factor of 5 and expands the sensitivity range by 4 times.
Функционирование магнитного датчика тока с пленочным концентратором происходит следующим образом. В отсутствие внешнего магнитного поля проводника с током (6) начальная магнитная индукция кольцевых концентраторов (5) создает нулевой уровень электрического сигнала элемента, чувствительного к магнитному полю (3). При протекании тока в проводнике с током возникает магнитном поле, которое формируется и усиливается до величины магнитной индукции Bизм. Магнитная индукция создает рабочий уровень электрического сигнала элемента, чувствительного к магнитному полю (3). Разность напряжений в нулевом и рабочем уровнях определяет величину магнитного поля, действующего параллельно поверхности кристалла.The functioning of the magnetic current sensor with a film concentrator is as follows. In the absence of an external magnetic field of the current conductor (6), the initial magnetic induction of the ring concentrators (5) creates a zero level of the electric signal of the element sensitive to the magnetic field (3). When current flows in a conductor with a current, a magnetic field arises, which is formed and amplified to a magnitude of magnetic induction B ISM . Magnetic induction creates a working level of an electric signal of an element sensitive to a magnetic field (3). The voltage difference at the zero and working levels determines the magnitude of the magnetic field acting parallel to the surface of the crystal.
Изготавливаются пленки концентраторов методами микроэлектроники, например локальным электрохимическим осаждением магнитомягкого сплава пермаллоя /9/. Перечисленные на фиг. 1 конструктивные элементы пленочной системы формирования магнитного поля концентраторы (5) выполнены по микроэлектронной технологии следующим образом. На поверхности диэлектрического слоя (2) и подложки (1) с элементом, чувствительным к магнитному полю (3), и магниточувствительной области элемента (4) наносится металлический слой, например, никеля с помощью термического напыления. На металлическом слое формируется фотолитографией маска из фоторезиста. Топология выбирается таким образом, чтобы окна в маске соответствовали концентраторам (5). В электрохимической ячейке с электролитом, содержащим соли никеля и железа, катодный потенциал подается на металлический слой, а на никелевую пластину анода подается постоянное напряжение. При выбранной величине плотности тока проводится локальное осаждение пермаллоя и формирование концентраторов (5). Фоторезист смывается, а пленка никеля удаляется ионным травлением. Такой технологический процесс позволяет разместить концентраторы относительно магниточувствительного элемента с микроэлектронной точностью, что обеспечивает воспроизводимость.Concentrator films are made by microelectronics methods, for example, by local electrochemical deposition of a soft magnetic permalloy alloy / 9 /. Listed in FIG. 1 structural elements of a film system for the formation of a magnetic field, the concentrators (5) are made according to microelectronic technology as follows. On the surface of the dielectric layer (2) and the substrate (1) with the element sensitive to the magnetic field (3) and the magnetically sensitive region of the element (4), a metal layer, for example, nickel, is deposited by thermal spraying. A photoresist mask is formed on the metal layer by photolithography. The topology is chosen so that the windows in the mask correspond to the concentrators (5). In an electrochemical cell with an electrolyte containing salts of nickel and iron, the cathode potential is supplied to the metal layer, and a constant voltage is applied to the nickel plate of the anode. At the selected value of the current density, local permalloy deposition and the formation of concentrators are carried out (5). The photoresist is washed off, and the nickel film is removed by ion etching. Such a technological process allows the placement of concentrators with respect to the magnetically sensitive element with microelectronic accuracy, which ensures reproducibility.
Датчик с концентраторами прикладывается поверхностью концентраторов к проводнику с током на минимально близком расстоянии. Описанный выше магнитный датчик тока с пленочным концентратором используются для создания микросистем контроля величины и изменения тока на основе магниторезисторов, датчиков Холла, магнитотранзисторов.A sensor with concentrators is applied by the surface of the concentrators to a conductor with current at a minimum close distance. The magnetic current sensor with a film hub described above is used to create microsystems for controlling the magnitude and current change based on magnetoresistors, Hall sensors, magnetotransistors.
Магнитный датчик тока с пленочным концентратором обладает новым качеством - повышенной чувствительностью к магнитной индукции вблизи с проводником с током и микроминиатюрным исполнением.The magnetic current sensor with a film concentrator has a new quality - increased sensitivity to magnetic induction near with a current conductor and microminiature design.
Источники информацииInformation sources
1. Амеличев В.В., Аравин В.В., Белов А.Н., Красюков А.Ю., Резнев А.А., Сауров А.Н. Создание интегральных компонентов усиления магнитного сигнала в беспроводной МЭМС на основе магниторезистивных элементов // Нано- и микросистемная техника, 2013, №3, С. 29-33.1. Amelichev VV, Aravin VV, Belov A.N., Krasyukov A.Yu., Reznev A.A., Saurov A.N. Creation of integral components of magnetic signal amplification in a wireless MEMS based on magnetoresistive elements // Nano- and Microsystem Technology, 2013, No. 3, P. 29-33.
2. 
3. Schneider M., R. Castagnetti, M.G. Allen, H. Baltes Integrated flux concentrator improves CMOS magnetotransistors // Micro Electro Mechanical Systems, 1995, MEMS '95, Proceedings. IEEE.3. Schneider M., R. Castagnetti, M.G. Allen, H. Baltes Integrated flux concentrator improves CMOS magnetotransistors // Micro Electro Mechanical Systems, 1995, MEMS '95, Proceedings. IEEE
4. Клименко К.А. Применение аморфного железа для улучшения электромагнитных характеристик трансформаторного датчика тока // Инновации в науке: сб. ст. по матер. VI междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск: СибАК, 2012.4. Klimenko K.A. The use of amorphous iron to improve the electromagnetic characteristics of a transformer current sensor // Innovations in science: Sat. Art. by mater. VI int. scientific-practical conf. - Novosibirsk: SibAK, 2012.
5. Касаткин С.И., Муравьев A.M., Амеличев В.В., Гамарц И.А., Поломошнов С.А. Магниторезистивный датчик // Патент РФ №2433507. 2011.5. Kasatkin S. I., Muravyov A. M., Amelichev V. V., Gamarts I. A., Polomoshnov S. A. Magnetoresistive sensor // RF patent №2433507. 2011.
6. Касаткин С.И., Муравьев A.M., Амеличев В.В., Решетников И.А., Гаврилов P.O. Магниторезистивный датчик // Патент РФ №2436200. 2011.6. Kasatkin S. I., Muravyov A. M., Amelichev V. V., Reshetnikov I. A., Gavrilov P. O. Magnetoresistive sensor // RF Patent No. 2436200. 2011.
7. Ажаева Л.А., Веселов А.В., Грабов А.Б.. Сергеева Л.В., Суханов В.И., Суханова Н.Н. Магниторезистивный датчик тока // Патент РФ №2495514. 2014.7. Azhayeva L.A., Veselov A.V., Grabov A.B. Sergeeva L.V., Sukhanov V.I., Sukhanova N.N. Magnetoresistive current sensor // RF Patent No. 2495514. 2014.
8. Могилевский Г.В., Лифар А.В., Петров Б.М., Нехитров А.С. Магнитный датчик тока // Патент РФ №1181036. 1985. - прототип.8. Mogilevsky G.V., Lifar A.V., Petrov B.M., Nekhitrov A.S. Magnetic current sensor // RF Patent No. 1181036. 1985. - prototype.
9. Тихонов Р.Д., Черемисинов А.А. Генералов С.С., Горелов Д.В., Поломошнов С.А., Казаков Ю.В. Получение концентраторов магнитного поля с помощью электрохимического осаждения пермаллоя // Нано- и микросистемная техника, 2015, №3, С. 51-57.9. Tikhonov R.D., Cheremisinov A.A. Generalov S.S., Gorelov D.V., Polomoshnov S.A., Kazakov Yu.V. Obtaining magnetic field concentrators using electrochemical deposition of permalloy // Nano- and Microsystem Technology, 2015, No. 3, P. 51-57.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016128641A RU2656237C2 (en) | 2016-07-14 | 2016-07-14 | Magnetic current sensor with a film concentrator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016128641A RU2656237C2 (en) | 2016-07-14 | 2016-07-14 | Magnetic current sensor with a film concentrator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2656237C2 true RU2656237C2 (en) | 2018-06-04 |
Family
ID=62560804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016128641A RU2656237C2 (en) | 2016-07-14 | 2016-07-14 | Magnetic current sensor with a film concentrator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2656237C2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112051522A (en) * | 2019-06-05 | 2020-12-08 | 苏州矩阵光电有限公司 | Magnetic sensing component, magnetic sensor and preparation method of magnetic sensing component |
| WO2021050406A1 (en) * | 2019-09-09 | 2021-03-18 | Texas Instruments Incorporated | Magnetic flux concentrator for out-of-plane direction magnetic field concentration |
| CN113884956A (en) * | 2020-07-02 | 2022-01-04 | 华润微电子控股有限公司 | Antimony-indium compound semiconductor magnetoresistive continuous current sensor and method for manufacturing the same |
| WO2022015685A1 (en) * | 2020-07-17 | 2022-01-20 | Texas Instruments Incorporated | Integrated current sensor with magnetic flux concentrators |
| US11237223B2 (en) | 2019-07-24 | 2022-02-01 | Texas Instruments Incorporated | Magnetic flux concentrator for in-plane direction magnetic field concentration |
| RU2797350C1 (en) * | 2022-09-07 | 2023-06-02 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский университет) (ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Се | Film sensor for non-invasive registration of magnetic field in a biological object |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1181036A1 (en) * | 1984-03-16 | 1985-09-23 | Всесоюзный Научно-Исследовательский,Проектно-Конструкторский И Технологический Институт Низковольтного Аппаратостроения | Magnetic current sensor |
| WO1995028649A1 (en) * | 1994-04-15 | 1995-10-26 | Philips Electronics N.V. | A magnetic field sensor, an instrument comprising such a sensor and a method of manufacturing such a sensor |
| RU2433507C1 (en) * | 2010-06-25 | 2011-11-10 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Magnetoresistive sensor |
| RU2495514C1 (en) * | 2012-05-03 | 2013-10-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Magnetoresistive sensor |
-
2016
- 2016-07-14 RU RU2016128641A patent/RU2656237C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1181036A1 (en) * | 1984-03-16 | 1985-09-23 | Всесоюзный Научно-Исследовательский,Проектно-Конструкторский И Технологический Институт Низковольтного Аппаратостроения | Magnetic current sensor |
| WO1995028649A1 (en) * | 1994-04-15 | 1995-10-26 | Philips Electronics N.V. | A magnetic field sensor, an instrument comprising such a sensor and a method of manufacturing such a sensor |
| RU2433507C1 (en) * | 2010-06-25 | 2011-11-10 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Magnetoresistive sensor |
| RU2495514C1 (en) * | 2012-05-03 | 2013-10-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Magnetoresistive sensor |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112051522A (en) * | 2019-06-05 | 2020-12-08 | 苏州矩阵光电有限公司 | Magnetic sensing component, magnetic sensor and preparation method of magnetic sensing component |
| US11237223B2 (en) | 2019-07-24 | 2022-02-01 | Texas Instruments Incorporated | Magnetic flux concentrator for in-plane direction magnetic field concentration |
| WO2021050406A1 (en) * | 2019-09-09 | 2021-03-18 | Texas Instruments Incorporated | Magnetic flux concentrator for out-of-plane direction magnetic field concentration |
| CN113884956A (en) * | 2020-07-02 | 2022-01-04 | 华润微电子控股有限公司 | Antimony-indium compound semiconductor magnetoresistive continuous current sensor and method for manufacturing the same |
| CN113884956B (en) * | 2020-07-02 | 2024-01-19 | 华润微电子控股有限公司 | Antimony-indium compound semiconductor magneto-resistive continuous current sensor and method for manufacturing same |
| WO2022015685A1 (en) * | 2020-07-17 | 2022-01-20 | Texas Instruments Incorporated | Integrated current sensor with magnetic flux concentrators |
| RU2797350C1 (en) * | 2022-09-07 | 2023-06-02 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский университет) (ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Се | Film sensor for non-invasive registration of magnetic field in a biological object |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2656237C2 (en) | Magnetic current sensor with a film concentrator | |
| US8519704B2 (en) | Magnetic-balance-system current sensor | |
| US10184959B2 (en) | Magnetic current sensor and current measurement method | |
| US8269492B2 (en) | Magnetic balance type current sensor | |
| US20220155105A1 (en) | Magnetoresistive inertial sensor chip | |
| US8587300B2 (en) | Magneto-impedance sensor element and method for producing the same | |
| JP6116061B2 (en) | Current sensor | |
| CN104395766A (en) | Coaxial dual-loop magnetic core structure assembly for high-precision cross-core open-loop hall current sensor | |
| US20160274196A1 (en) | Magnetic sensor | |
| JP4853807B2 (en) | Current sensing device | |
| JP2010101871A (en) | Current sensor | |
| JP6132085B2 (en) | Magnetic detector | |
| CN113917215A (en) | Current sensor | |
| JPH1026639A (en) | Current sensor and electric device housing current sensor | |
| RU2636141C1 (en) | Film system for forming magnetic field | |
| JP6228663B2 (en) | Current detector | |
| US11009569B2 (en) | Magnetic field sensing device | |
| JP2009204415A (en) | Current sensor and watt-hour meter | |
| JP2013016630A (en) | Magnetoresistance effect element and magnetic sensor using the same | |
| CN115166334A (en) | Current sensor and method for manufacturing current sensor | |
| Liakopoulos et al. | A micro fluxgate magnetic sensor using micromachined 3-dimensional planar coils | |
| Kim et al. | Planar Hall resistance sensor for monitoring current | |
| KR101300028B1 (en) | Othogonal Type Thin Film Flux Gate Sensor Unit | |
| TW434598B (en) | Enhancement Hall sensor | |
| WO2017126397A1 (en) | Magnetic sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180715 |