eng
Выпуск #3-4/2023
В.В.Полевиков, Э.О.Литвиненко
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Просмотры: 1399
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.220.230
Во многих сферах применения измерительных устройств на основе датчиков лидируют датчики магнитного поля. Поэтому задача измерения токов величин сводится к выбору между AMR-датчиком и датчиком Холла. В статье представлены основные преимущества и недостатки каждого из двух типов датчиков, методы оптимизации их основных характеристик, а также результаты, которых удалось достигнуть компании "Зеленоградский нанотехнологический центр" в освоении и производстве магнитных преобразователей.
Во многих сферах применения измерительных устройств на основе датчиков лидируют датчики магнитного поля. Поэтому задача измерения токов величин сводится к выбору между AMR-датчиком и датчиком Холла. В статье представлены основные преимущества и недостатки каждого из двух типов датчиков, методы оптимизации их основных характеристик, а также результаты, которых удалось достигнуть компании "Зеленоградский нанотехнологический центр" в освоении и производстве магнитных преобразователей.
Теги: current sensor detectors hall sensor magnetoresistors амr датчики датчики тока магниторезисторы холл
Получено: 17.04.2023 г. | Принято: 21.04.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.220.230
Научная статья
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В.В.Полевиков1, к. т. н., директор Дизайн-центра АО "ЗНТЦ",
ORCID: 0000-0002-3508-7906 / polevikov@zntc.ru
Э.О.Литвиненко1, магистр, инженер-конструктор, ORCID: 0000-0001-5313-6348
Аннотация. Во многих сферах применения измерительных устройств на основе датчиков лидируют датчики магнитного поля. Поэтому задача измерения токов величин сводится к выбору между AMR-датчиком и датчиком Холла. В статье представлены основные преимущества и недостатки каждого из двух типов датчиков, методы оптимизации их основных характеристик, а также результаты, которых удалось достигнуть компании "Зеленоградский нанотехнологический центр" в освоении и производстве магнитных преобразователей.
Ключевые слова: датчики, датчики тока, Холл, АМR, магниторезисторы
Для цитирования: В.В. Полевиков, Э.О. Литвиненко. Современные методы контроля электрических токов с помощью датчиков физических величин. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 3-4. С. 220–230. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.220.230
Received: 17.04.2023 | Accepted: 21.04.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.220.230
Original paper
MODERN METHODS FOR MONITORING ELECTRICAL CURRENTS USING PHYSICAL VALUES SENSORS
V.V.Polevikov1, Cand. of Sci. (Tech), Director of Design Centre JSC “Zelenograd Nanotechnology Center”, ORCID: 0000-0003-1113-0428 / polevikov@zntc.ru
E.O.Litvinenko1, Magister, Design Engineer, ORCID: 0000-0003-3638-7932
Abstract. Magnetic field sensors are very important for many sensor-based measurement applications. Therefore, measuring current values comes down to a choice between an AMR sensor and a Hall sensor. This paper presents the main advantages and disadvantages of each of the two types of sensors, methods for optimising their main characteristics, as well as the results achieved by Zelenograd Nanotechnology Centre in mastering and producing magnetic transducers.
Keywords: detectors, current sensor, Hall sensor, АМR, magnetoresistors
For citation: V.V. Polevikov, E.O. Litvinenko. Modern methods for monitoring electrical currents using physical values sensors. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 3-4. PP. 220–230. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.220.230.
ВВЕДЕНИЕ
Оптимальным решением для контроля электрических токов является использование малогабаритных, надежных устройств преобразования магнитного поля в электрический сигнал – датчиков. Основной инструмент для этого – классические датчики Холла и устройства на анизотропных магниторезистивных пленках – AMR-преобразователи.
Во всех областях применения датчиков физических величин при измерении сигналов существует набор параметров, который необходимо отслеживать для стабильной работы устройства, на который поступает сигнал с этого датчика. В данной работе представлены основные преимущества и недостатки каждого из двух типов представленных датчиков, методы оптимизации их характеристик, таких как напряжение смещение нуля и 1/f фликкер-шумы, а также результаты, которых удалось достигнуть компании “Зеленоградский нанотехнологический центр” в освоении и производстве магнитных преобразователей.
Контроль токов с помощью датчиков физических величин
Датчики магнитного поля широко используются во многих сферах применения, таких как промышленность, медицина, мобильные технологии и, в особенности, автоэлектроника, которая является ведущей (объем выпуска более 50% от общего объема рынка) областью их применения [1]. Они обеспечивают удобные, бесконтактные, прочные и надежные рабочие устройства по сравнению со многими другими датчиками. В этих отраслях с целью использования их в измерительных системах доминируют два вида датчиков – датчики, работающие на эффекте Холла, и так называемые AMR-датчики.
Эффект Холла в полупроводниках проявляется, когда он помещен в магнитное поле. Тогда напряжение Холла будет генерироваться перпендикулярно как току, так и полю. На рис.1 изображен тонкий лист полупроводникового материала (элемент Холла), через который пропускается ток. Выходные соединения расположены перпендикулярно направлению тока. При отсутствии магнитного поля (a) распределение тока равномерное и разность потенциалов на выходе не наблюдается.
При наличии перпендикулярного магнитного поля (b) действует сила Лоренца. Эта сила нарушает распределение тока, что приводит к возникновению разности потенциалов (напряжению) на обкладках. Это напряжение является напряжением Холла (VH) [2].
В основе принципа действия работы AMR-датчиков лежит эффект изменения магнитной пленки в магнитном поле, когда сопротивление материала имеет тенденцию изменяться под воздействием внешних магнитных полей. В анизотропной магниторезистивности (АМР) сопротивление (ΔR) изменяется в зависимости от угла θ между электрическим током и намагничиванием металла (рис.2). Как и в случае датчиков с эффектом Холла, основной причиной магниторезистивности является сила Лоренца, которая заставляет электроны двигаться по криволинейному пути между столкновениями [3].
Датчики с эффектом Холла реагируют на магнитные поля, перпендикулярные датчику. Датчики AMR же реагируют на планарные поля и реагируют на оба магнитных полюса. Поэтому датчик AMR имеет несколько доступных схем размещения для обнаружения планарных магнитных полей, и в результате он обладает широкой гибкостью конструкции. Датчики эффекта Холла, с другой стороны, обычно выполняют точное обнаружение магнитного поля в перпендикулярном направлении, и поскольку рекомендуется, чтобы магнит находился непосредственно над датчиком эффекта Холла и на близком расстоянии, он имеет ограниченную гибкость конструкции (рис.3) [4].
Датчики Холла характеризуются более высокой линейностью (ЭДС Холла линейно зависит от приложенного магнитного поля), в отличие от AMR-датчиков. Эта линейность проявляется в диапазоне до нескольких тысяч Гс. Природа AMR-датчиков проявляется иначе – линейный участок их передаточной характеристики короткий, а насыщение наступает при индукции в несколько десятков (максимум – сотен) Гс. Однако чувствительность AMR-датчиков намного выше, чем у датчиков на эффекте Холла, что позволяет им определять даже самые слабые магнитные поля (от 1мТл).
Еще одним отличием датчиков AMR от датчиков Холла является то, что они могут изготавливаться оптом на кремниевых пластинах и монтироваться в коммерческие пакеты интегральных схем. Это позволяет автоматически собирать магнитные датчики с другими компонентами схемы и систем. Датчики Холла зачастую же интегрированы прямо в пластину с необходимым усилительным каскадом для формирования сигналов.
Однако при работе и с датчиками Холла, и с AMR-датчиками нужно помнить о проблемах, которые могут возникнуть при их использовании. Напряжение смещения нуля в датчиках – это напряжение, которое может быть измерено на выходе датчика при отсутствии магнитного поля. Оно возникает из-за несовершенства конструкции датчика и точно так же, как и шумы, возникающие в структуре датчиков, может привести к ошибкам измерений. Поэтому для точного измерения электрических токов с помощью датчиков физических величин необходимо учитывать и компенсировать эти параметры.
Коррекция напряжения смещения и 1/f фликкер-шумов для датчиков Холла
Для того чтобы уменьшить смещение выходного сигнала, существует несколько методов. Первый метод подразумевает схему коррекции на входе усилительного каскада. На вход усилителя, помимо полезного сигнала, будет подаваться напряжение, равное по величине напряжению смещения, но обратное ему по знаку. Тем самым данный метод позволит скомпенсировать напряжения и минимизировать ошибку (рис.4). Изменяя количество входов подстройки и размеры резисторов, можно варьировать точность и размах коррекции смещения.
Второй метод предполагает использование четного числа элементов Холла, связанных ортогонально. Напряжение смещения зависит от геометрии датчика Холла, тогда как напряжение Холла и, следовательно, чувствительность являются независимыми функциями. В результате выходы устройств могут быть подключены таким образом, чтобы соответствующие напряжения Холла усреднялись, а напряжения смещения компенсировались [5]. Так, на рис.5 и 6 видно, что при использовании данного метода возможно уменьшить смещение практически в два раза.
При использовании третьего метода (метод чопперной стабилизации) низкочастотные ошибки, такие как шум 1/f и дрейф, будут модулироваться и отфильтровываться вместе со смещением [5]. Это можно видеть на рис.7, который изображает метод чопперной стабилизации в частотной области. Вначале сигнал модулируется, а шум и смещение накладываются на этот модулированный сигнал (рис.7b). После усиления и модулирования необходимо демодулировать сигнал обратно на постоянный ток, а низкочастотный шум и смещение модулируются на тактовой частоте, появляющиеся в виде пульсации на выходе усилителя (рис.7c). Затем для удаления модулированного смещения и шума 1/f используется фильтр низких частот, что приводит к чистому низкочастотному сигналу без смещения или шума 1/f (рис.7d) [6].
Чтобы полностью удалить шум 1/f, частота чоппера должна быть выше, чем угловая частота шума 1/f. Данный метод позволяет успешно устранить погрешность и шум усилителей, являющихся основой канала обработки. Однако этот метод позволяет устранить погрешность и низкочастотный шум только на усилителе, но не позволяет добиться этого же для выходного сигнала датчиков.
Четвертый метод предполагает использование схемы токового вращателя, который является альтернативным методом получения сигнала с датчика (режим работы с токами, а не с напряжениями). Во время каждой фазы Fs<1:4> ток смещения Ibias поступает в два последовательных плеча; для нулевого магнитного поля он делится на две равные части, предполагая, что напряжения на оставшихся двух выводах равны. Выходные и питающие клеммы каждой пластины Холла периодически меняются местами, так что полярность входного тока меняется в каждом состоянии, в то время как смещение появляется на выходных клеммах. В конце полной операции вращения среднее значение смещения становится равным нулю (рис.8) [7].
Так как реализация токового вращателя включает в себя только сами элементы Холла и КМОП-переключатели, данная схема не будет занимать много места на кристалле, а также она успешно борется с 1/f шумами и смещением сенсоров. Из недостатков можно выделить ослабление выходного сигнала, от которого можно избавиться при использовании усилителя с более высоким Ку.
Коррекция напряжения смещения и 1/f фликкер-шумов для AMR-датчиков
Эффективный способ снижения температурного дрейфа напряжения смещения посредством использования стабилизирующего переменного поля был предложен Туманским (1984). Для его реализации используется специальная планарная катушка, генерирующая стабилизирующее поле. На рис.9 представлен метод, использующий сигналы сброса (RESET) и установки (SET).
Передаточная характеристика датчика показывает инверсию наклона и точку пересечения при нулевом напряжении смещения. Для измерения приложенного поля H датчик сначала активируется сигналом установки SET (рис.10).
После установления напряжения Vset оно считывается и записывается. После этого подается сигнал сброса и считывается напряжение Vreset. Так мы получаем два значения:
VSET = SHx + VOFFSET (1)
VRESET = –SHx + VOFFSET. (2)
Разница двух значений пропорциональна только величине поля, а напряжение смещения не учитывается [8]:
VSET – VRESET = 2SHx. (3)
Кроме того, преимуществом выполнения методов модуляции с использованием переключающих импульсов является уменьшение 1/f шума в пределах желаемой полосы пропускания [9]. Помимо катушки SET/RESET, есть возможность использования катушки OFFSET, которая будет компенсировать при необходимости любое внешнее магнитное поле.
Продукция АО "ЗНТЦ"
В Зеленоградском нанотехнологическом центре освоена технология получения магниторезистивных чувствительных элементов (МЧЭ), включающая нанесение магниторезистивных пленок с магниторезистивным эффектом от 2 до 3,5%, формирование фотолитографией на их основе системы проводников из нескольких слоев и сборку их в корпуса.
Это позволило разработать и освоить в производстве такие схемы, как 5202HX01H4 и 1382HX065. Первая предназначена для навигации, наведения и ориентирования в пространстве, для определения движения объектов и обнаружения аномалий. МЧЭ первой схемы выполнен на пленке состава 80Ni20Fe с величиной магниторезистивного эффекта ~ 2,2%. МЧЭ данной микросхемы имеет характеристики, близкие к датчику HMC1022 Honeywell.
Вторая микросхема предназначена для следящих систем углов поворота управления рулями летательных аппаратов и контроля параметров приводов следящих систем. МЧЭ второй схемы выполнен на пленке состава 74Ni10Fe16Co с величиной магниторезистивного эффекта ~ 3,5%. В результате в этой схеме получена величина выходного сигнала 100 мВ при напряжении питания 5 В с высокой степенью синхронизации выходных сигналов между собой. Микросхема является по своим характеристикам аналогом микросхем ведущих мировых производителей.
Помимо этого, в АО "ЗНТЦ" создана конструкторско-технологическая база и освоено производство ряда микросхем на датчиках Холла и АМR-датчиках, включающих в себя не только микросхемы для контроля электрических токов больших величин, но и для измерения угла поворота, обработки нониусных сигналов, энкодеры, углового положения, а также для работы в устройствах специального назначения и т.д.
Микросхема К1382НУ01А5 (рис.12) предназначена для преобразования измеренного значения магнитного поля проводника с током в выходные сигналы стандартных интерфейсов бесконтактного датчика тока. В качестве чувствительного элемента бесконтактного датчика тока может использоваться внешний магниторезистивный или встроенный датчик на эффекте Холла. Датчик располагается над проводником печатной платы. Микросхема усиливает сигналы датчика, преобразует и выдает сигнал в виде стандартных интерфейсов. Микросхема содержит встроенную систему коррекции температурной зависимости магниточувствительного элемента.
ВЫВОДЫ
В заключении необходимо отметить, что устройства на AMR-датчиках и на датчиках Холла являются практически незаменимым инструментом при работе с магнитными полями за счет своей относительной технологической простоты, надежности и невысокой цены. Выбор между ними определяется только техническим заданием заказчика, практически все серьезные недостатки обоих датчиков можно убрать с помощью методов, описанных в статье.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Сысоева С. Датчики магнитного поля. Ключевые технологии и новые перспективы. Ч. 3. XMR (АМР/ГМР/ТМР) – конкуренты датчиков Холла // Компоненты и технологии. 2014. № 8. С. 49–62.
Hall Effect Sensing and Application [Электронный ресурс]. Доступно по ссылке: https://win.adrirobot.it/sensori/sensore_magnetico/Esempi_applicativi_sensore-magnetico.pdf (дата обращения: 11.04.2023).
Yang S., Zhang J. Current Progress of Magnetoresistance Sensors // Chemosensors. 2021. No. 9(8). PP. 1–23.
Научная статья
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ С ПОМОЩЬЮ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В.В.Полевиков1, к. т. н., директор Дизайн-центра АО "ЗНТЦ",
ORCID: 0000-0002-3508-7906 / polevikov@zntc.ru
Э.О.Литвиненко1, магистр, инженер-конструктор, ORCID: 0000-0001-5313-6348
Аннотация. Во многих сферах применения измерительных устройств на основе датчиков лидируют датчики магнитного поля. Поэтому задача измерения токов величин сводится к выбору между AMR-датчиком и датчиком Холла. В статье представлены основные преимущества и недостатки каждого из двух типов датчиков, методы оптимизации их основных характеристик, а также результаты, которых удалось достигнуть компании "Зеленоградский нанотехнологический центр" в освоении и производстве магнитных преобразователей.
Ключевые слова: датчики, датчики тока, Холл, АМR, магниторезисторы
Для цитирования: В.В. Полевиков, Э.О. Литвиненко. Современные методы контроля электрических токов с помощью датчиков физических величин. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 3-4. С. 220–230. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.220.230
Received: 17.04.2023 | Accepted: 21.04.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.220.230
Original paper
MODERN METHODS FOR MONITORING ELECTRICAL CURRENTS USING PHYSICAL VALUES SENSORS
V.V.Polevikov1, Cand. of Sci. (Tech), Director of Design Centre JSC “Zelenograd Nanotechnology Center”, ORCID: 0000-0003-1113-0428 / polevikov@zntc.ru
E.O.Litvinenko1, Magister, Design Engineer, ORCID: 0000-0003-3638-7932
Abstract. Magnetic field sensors are very important for many sensor-based measurement applications. Therefore, measuring current values comes down to a choice between an AMR sensor and a Hall sensor. This paper presents the main advantages and disadvantages of each of the two types of sensors, methods for optimising their main characteristics, as well as the results achieved by Zelenograd Nanotechnology Centre in mastering and producing magnetic transducers.
Keywords: detectors, current sensor, Hall sensor, АМR, magnetoresistors
For citation: V.V. Polevikov, E.O. Litvinenko. Modern methods for monitoring electrical currents using physical values sensors. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 3-4. PP. 220–230. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.3-4.220.230.
ВВЕДЕНИЕ
Оптимальным решением для контроля электрических токов является использование малогабаритных, надежных устройств преобразования магнитного поля в электрический сигнал – датчиков. Основной инструмент для этого – классические датчики Холла и устройства на анизотропных магниторезистивных пленках – AMR-преобразователи.
Во всех областях применения датчиков физических величин при измерении сигналов существует набор параметров, который необходимо отслеживать для стабильной работы устройства, на который поступает сигнал с этого датчика. В данной работе представлены основные преимущества и недостатки каждого из двух типов представленных датчиков, методы оптимизации их характеристик, таких как напряжение смещение нуля и 1/f фликкер-шумы, а также результаты, которых удалось достигнуть компании “Зеленоградский нанотехнологический центр” в освоении и производстве магнитных преобразователей.
Контроль токов с помощью датчиков физических величин
Датчики магнитного поля широко используются во многих сферах применения, таких как промышленность, медицина, мобильные технологии и, в особенности, автоэлектроника, которая является ведущей (объем выпуска более 50% от общего объема рынка) областью их применения [1]. Они обеспечивают удобные, бесконтактные, прочные и надежные рабочие устройства по сравнению со многими другими датчиками. В этих отраслях с целью использования их в измерительных системах доминируют два вида датчиков – датчики, работающие на эффекте Холла, и так называемые AMR-датчики.
Эффект Холла в полупроводниках проявляется, когда он помещен в магнитное поле. Тогда напряжение Холла будет генерироваться перпендикулярно как току, так и полю. На рис.1 изображен тонкий лист полупроводникового материала (элемент Холла), через который пропускается ток. Выходные соединения расположены перпендикулярно направлению тока. При отсутствии магнитного поля (a) распределение тока равномерное и разность потенциалов на выходе не наблюдается.
При наличии перпендикулярного магнитного поля (b) действует сила Лоренца. Эта сила нарушает распределение тока, что приводит к возникновению разности потенциалов (напряжению) на обкладках. Это напряжение является напряжением Холла (VH) [2].
В основе принципа действия работы AMR-датчиков лежит эффект изменения магнитной пленки в магнитном поле, когда сопротивление материала имеет тенденцию изменяться под воздействием внешних магнитных полей. В анизотропной магниторезистивности (АМР) сопротивление (ΔR) изменяется в зависимости от угла θ между электрическим током и намагничиванием металла (рис.2). Как и в случае датчиков с эффектом Холла, основной причиной магниторезистивности является сила Лоренца, которая заставляет электроны двигаться по криволинейному пути между столкновениями [3].
Датчики с эффектом Холла реагируют на магнитные поля, перпендикулярные датчику. Датчики AMR же реагируют на планарные поля и реагируют на оба магнитных полюса. Поэтому датчик AMR имеет несколько доступных схем размещения для обнаружения планарных магнитных полей, и в результате он обладает широкой гибкостью конструкции. Датчики эффекта Холла, с другой стороны, обычно выполняют точное обнаружение магнитного поля в перпендикулярном направлении, и поскольку рекомендуется, чтобы магнит находился непосредственно над датчиком эффекта Холла и на близком расстоянии, он имеет ограниченную гибкость конструкции (рис.3) [4].
Датчики Холла характеризуются более высокой линейностью (ЭДС Холла линейно зависит от приложенного магнитного поля), в отличие от AMR-датчиков. Эта линейность проявляется в диапазоне до нескольких тысяч Гс. Природа AMR-датчиков проявляется иначе – линейный участок их передаточной характеристики короткий, а насыщение наступает при индукции в несколько десятков (максимум – сотен) Гс. Однако чувствительность AMR-датчиков намного выше, чем у датчиков на эффекте Холла, что позволяет им определять даже самые слабые магнитные поля (от 1мТл).
Еще одним отличием датчиков AMR от датчиков Холла является то, что они могут изготавливаться оптом на кремниевых пластинах и монтироваться в коммерческие пакеты интегральных схем. Это позволяет автоматически собирать магнитные датчики с другими компонентами схемы и систем. Датчики Холла зачастую же интегрированы прямо в пластину с необходимым усилительным каскадом для формирования сигналов.
Однако при работе и с датчиками Холла, и с AMR-датчиками нужно помнить о проблемах, которые могут возникнуть при их использовании. Напряжение смещения нуля в датчиках – это напряжение, которое может быть измерено на выходе датчика при отсутствии магнитного поля. Оно возникает из-за несовершенства конструкции датчика и точно так же, как и шумы, возникающие в структуре датчиков, может привести к ошибкам измерений. Поэтому для точного измерения электрических токов с помощью датчиков физических величин необходимо учитывать и компенсировать эти параметры.
Коррекция напряжения смещения и 1/f фликкер-шумов для датчиков Холла
Для того чтобы уменьшить смещение выходного сигнала, существует несколько методов. Первый метод подразумевает схему коррекции на входе усилительного каскада. На вход усилителя, помимо полезного сигнала, будет подаваться напряжение, равное по величине напряжению смещения, но обратное ему по знаку. Тем самым данный метод позволит скомпенсировать напряжения и минимизировать ошибку (рис.4). Изменяя количество входов подстройки и размеры резисторов, можно варьировать точность и размах коррекции смещения.
Второй метод предполагает использование четного числа элементов Холла, связанных ортогонально. Напряжение смещения зависит от геометрии датчика Холла, тогда как напряжение Холла и, следовательно, чувствительность являются независимыми функциями. В результате выходы устройств могут быть подключены таким образом, чтобы соответствующие напряжения Холла усреднялись, а напряжения смещения компенсировались [5]. Так, на рис.5 и 6 видно, что при использовании данного метода возможно уменьшить смещение практически в два раза.
При использовании третьего метода (метод чопперной стабилизации) низкочастотные ошибки, такие как шум 1/f и дрейф, будут модулироваться и отфильтровываться вместе со смещением [5]. Это можно видеть на рис.7, который изображает метод чопперной стабилизации в частотной области. Вначале сигнал модулируется, а шум и смещение накладываются на этот модулированный сигнал (рис.7b). После усиления и модулирования необходимо демодулировать сигнал обратно на постоянный ток, а низкочастотный шум и смещение модулируются на тактовой частоте, появляющиеся в виде пульсации на выходе усилителя (рис.7c). Затем для удаления модулированного смещения и шума 1/f используется фильтр низких частот, что приводит к чистому низкочастотному сигналу без смещения или шума 1/f (рис.7d) [6].
Чтобы полностью удалить шум 1/f, частота чоппера должна быть выше, чем угловая частота шума 1/f. Данный метод позволяет успешно устранить погрешность и шум усилителей, являющихся основой канала обработки. Однако этот метод позволяет устранить погрешность и низкочастотный шум только на усилителе, но не позволяет добиться этого же для выходного сигнала датчиков.
Четвертый метод предполагает использование схемы токового вращателя, который является альтернативным методом получения сигнала с датчика (режим работы с токами, а не с напряжениями). Во время каждой фазы Fs<1:4> ток смещения Ibias поступает в два последовательных плеча; для нулевого магнитного поля он делится на две равные части, предполагая, что напряжения на оставшихся двух выводах равны. Выходные и питающие клеммы каждой пластины Холла периодически меняются местами, так что полярность входного тока меняется в каждом состоянии, в то время как смещение появляется на выходных клеммах. В конце полной операции вращения среднее значение смещения становится равным нулю (рис.8) [7].
Так как реализация токового вращателя включает в себя только сами элементы Холла и КМОП-переключатели, данная схема не будет занимать много места на кристалле, а также она успешно борется с 1/f шумами и смещением сенсоров. Из недостатков можно выделить ослабление выходного сигнала, от которого можно избавиться при использовании усилителя с более высоким Ку.
Коррекция напряжения смещения и 1/f фликкер-шумов для AMR-датчиков
Эффективный способ снижения температурного дрейфа напряжения смещения посредством использования стабилизирующего переменного поля был предложен Туманским (1984). Для его реализации используется специальная планарная катушка, генерирующая стабилизирующее поле. На рис.9 представлен метод, использующий сигналы сброса (RESET) и установки (SET).
Передаточная характеристика датчика показывает инверсию наклона и точку пересечения при нулевом напряжении смещения. Для измерения приложенного поля H датчик сначала активируется сигналом установки SET (рис.10).
После установления напряжения Vset оно считывается и записывается. После этого подается сигнал сброса и считывается напряжение Vreset. Так мы получаем два значения:
VSET = SHx + VOFFSET (1)
VRESET = –SHx + VOFFSET. (2)
Разница двух значений пропорциональна только величине поля, а напряжение смещения не учитывается [8]:
VSET – VRESET = 2SHx. (3)
Кроме того, преимуществом выполнения методов модуляции с использованием переключающих импульсов является уменьшение 1/f шума в пределах желаемой полосы пропускания [9]. Помимо катушки SET/RESET, есть возможность использования катушки OFFSET, которая будет компенсировать при необходимости любое внешнее магнитное поле.
Продукция АО "ЗНТЦ"
В Зеленоградском нанотехнологическом центре освоена технология получения магниторезистивных чувствительных элементов (МЧЭ), включающая нанесение магниторезистивных пленок с магниторезистивным эффектом от 2 до 3,5%, формирование фотолитографией на их основе системы проводников из нескольких слоев и сборку их в корпуса.
Это позволило разработать и освоить в производстве такие схемы, как 5202HX01H4 и 1382HX065. Первая предназначена для навигации, наведения и ориентирования в пространстве, для определения движения объектов и обнаружения аномалий. МЧЭ первой схемы выполнен на пленке состава 80Ni20Fe с величиной магниторезистивного эффекта ~ 2,2%. МЧЭ данной микросхемы имеет характеристики, близкие к датчику HMC1022 Honeywell.
Вторая микросхема предназначена для следящих систем углов поворота управления рулями летательных аппаратов и контроля параметров приводов следящих систем. МЧЭ второй схемы выполнен на пленке состава 74Ni10Fe16Co с величиной магниторезистивного эффекта ~ 3,5%. В результате в этой схеме получена величина выходного сигнала 100 мВ при напряжении питания 5 В с высокой степенью синхронизации выходных сигналов между собой. Микросхема является по своим характеристикам аналогом микросхем ведущих мировых производителей.
Помимо этого, в АО "ЗНТЦ" создана конструкторско-технологическая база и освоено производство ряда микросхем на датчиках Холла и АМR-датчиках, включающих в себя не только микросхемы для контроля электрических токов больших величин, но и для измерения угла поворота, обработки нониусных сигналов, энкодеры, углового положения, а также для работы в устройствах специального назначения и т.д.
Микросхема К1382НУ01А5 (рис.12) предназначена для преобразования измеренного значения магнитного поля проводника с током в выходные сигналы стандартных интерфейсов бесконтактного датчика тока. В качестве чувствительного элемента бесконтактного датчика тока может использоваться внешний магниторезистивный или встроенный датчик на эффекте Холла. Датчик располагается над проводником печатной платы. Микросхема усиливает сигналы датчика, преобразует и выдает сигнал в виде стандартных интерфейсов. Микросхема содержит встроенную систему коррекции температурной зависимости магниточувствительного элемента.
ВЫВОДЫ
В заключении необходимо отметить, что устройства на AMR-датчиках и на датчиках Холла являются практически незаменимым инструментом при работе с магнитными полями за счет своей относительной технологической простоты, надежности и невысокой цены. Выбор между ними определяется только техническим заданием заказчика, практически все серьезные недостатки обоих датчиков можно убрать с помощью методов, описанных в статье.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Сысоева С. Датчики магнитного поля. Ключевые технологии и новые перспективы. Ч. 3. XMR (АМР/ГМР/ТМР) – конкуренты датчиков Холла // Компоненты и технологии. 2014. № 8. С. 49–62.
Hall Effect Sensing and Application [Электронный ресурс]. Доступно по ссылке: https://win.adrirobot.it/sensori/sensore_magnetico/Esempi_applicativi_sensore-magnetico.pdf (дата обращения: 11.04.2023).
Yang S., Zhang J. Current Progress of Magnetoresistance Sensors // Chemosensors. 2021. No. 9(8). PP. 1–23.
Отзывы читателей
