eng
Выпуск #3/2024
А. Чеплаков, Э. Литвиненко
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ AMR-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ В САПР
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ AMR-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ В САПР
Просмотры: 563
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.234.3.180.187
Рассмотрены принцип работы и основные характеристики AMR-преобразователя, представлены результаты разработки его математической модели и ее внедрения в САПР Cadence Virtuoso.
Рассмотрены принцип работы и основные характеристики AMR-преобразователя, представлены результаты разработки его математической модели и ее внедрения в САПР Cadence Virtuoso.
Разработка математической
модели AMR-преобразователя
для внедрения в САПР
А. Чеплаков, Э. Литвиненко
Датчики на анизотропных магниторезистивных пленках – AMR-преобразователи – представляют собой передовое решение для измерения электрических токов ввиду ряда уникальных преимуществ, которые выводят их на следующий уровень по сравнению с классическими датчиками тока на эффекте Холла. В данной статье рассмотрены принцип работы и основные характеристики AMR-преобразователя, представлены результаты разработки его математической модели и ее внедрения в САПР Cadence Virtuoso.
Цель создания модели датчика тока заключается в отражении происходящих в нем физических процессов, а также получении выходных величин для дальнейшей обработки в системе считывания и преобразования сигналов с датчиков. Разработанная имитационная модель позволяет анализировать электрические характеристики AMR-преобразователя, учитывая все особенности конструкции, тем самым повышая эффективность и безопасность изделий. Токовые датчики могут помочь в обнаружении и предотвращении перегрузок и коротких замыканий, а также позволяют контролировать потребляемую энергию, продлевая срок службы автономных роботов, работающих на батарейном питании. Главным преимуществом является точный контроль токов обмотки электродвигателей для обеспечения стабильной и плавной работы роботов. Это особенно важно в случае выполнения сложных задач, требующих высокой точности и координации движений, например, в манипуляторах или промышленных роботах.
Теоретическое описание
Анизотропный магниторезистивный (anisotropic magnetoresistance, AMR) эффект – физический феномен, проявляющийся в изменении электрического сопротивления ферромагнитного (ФМ) материала при приложении к нему внешнего магнитного поля [1]. Данный эффект обусловлен анизотропным рассеянием проводящих электронов в объеме ФМ-материала, возникающим вследствие спин-орбитального взаимодействия [2]. При этом степень рассеяния в некоторой точке зависит от локального угла между векторами намагниченности M и электрического тока j. Качественно данная зависимость может быть описана законом Фойгта – Томпсона [3]:
ρ(α) = ρ0∙(1+λ∙cos2α), (1)
где ρ – удельное сопротивление ферромагнетика в некоторой его точке, ρ0 – удельное сопротивление в отсутствие внешних воздействий, λ – магниторезистивный коэф-
фициент материала, α – угол между векторами намагниченности и электрического тока.
При приложении к ФМ-образцу внешнего магнитного поля происходит перераспределение магнитных моментов в его объеме. В свою очередь, это приводит к изменению удельного сопротивления образца в каждой его точке в соответствие с (1).
Тонкопленочные магнитные материалы представляют особый интерес, поскольку характерное для их формы высокое значение магнитостатического поля препятствует выходу вектора намагниченности из плоскости пленки [4]. Иначе говоря, магнитная конфигурация тонких пленок незначительным образом меняется при вариации нормальной к их плоскости компоненты внешнего магнитного поля, что ограничивает чувствительность к приложенному в данном направлении полю.
Как правило, величина угла α между намагниченностью M и направлением тока j будет изменяться в объеме ФМ-образца – это может быть объяснено неоднородностью распределения вектора намагниченности (рис. 1а, б). Однако, в случае достаточно высокого значения амплитуды внешнего магнитного поля (сравнимого с величиной намагниченности насыщения Ms) будет наблюдаться полное перемагничивание пленки, и распределение вектора намагниченности в объеме будет иметь однородный характер (рис. 1в, г). В последнем случае можно рассматривать ферромагнитную пленку как однодоменную структуру.
Поскольку стандартный подход с применением микромагнитного анализа требует значительных вычислительных ресурсов, было принято решение использовать макроспиновую модель для нахождения магнитностатической конфигурации. В макроспиновом приближении намагниченность имеет однородное распределение
во всем объеме образца, и для ее описания используется модель Стонера – Вольфарта (СВ) (рис. 2). В рамках модели СВ свободная магнитная энергия W системы задается следующим выражением [5]:
W = –μ0 Ms Hx sinφ – μ0 Ms Hy cosφ + 1/2 μ0 Ms Hk sin2 φ, (2)
где Ms – намагниченность насыщения; H – внешнее магнитное поле; Hk – поле анизотропии; φ – угол между вектором намагниченности и легкой осью анизотропии.
Направление намагниченности в таком случае может быть найдено путем минимизации (2) по углу φ:
∂W / ∂φ = –μ0 Ms Hx cosφ + μ0 Ms Hy sinφ +
+ μ0 Ms Hk sinφ cosφ = 0. (3)
Для решения (3) был применен алгоритм градиентного спуска. В общем случае, данный метод может быть описан следующим выражением:
f(x1, x2, …, xn)i+1 = f(x1, x2, …, xn)i – γgrad(f(x1, x2, …, xn)i ), (4)
где f – минимизируемая функция; i – номер итерации; γ – скорость обучения.
Полученный таким образом угол ориентации φ вектора M относительно легкой оси намагничивания (рис. 2, ось L) позволяет рассчитать величину угла между направлениями вектора намагниченности и электрического тока для заданного поля анизотропии, что важно учесть, поскольку при отжиге кристалла со взаимно повернутыми AMR-пленками направление поля анизотропии в системе координат каждой пленки может различаться:
α = ε – φ. (5)
Магниточувствительная основа типичного AMR-сенсора представляет собой мост Уитстона (рис. 3а). Подобная структура используется для повышения чувствительности устройства, а также его устойчивости к тепловому шуму. Для линеаризации передаточной характеристики выходного сигнала Vout при варьировании амплитуды или направления приложенного магнитного поля, на ФМ-пленки могут быть нанесены шунтирующие полоски высокопроводящего материала, которые отклоняют протекающий по пленке ток на 45⁰ от продольного направления (рис. 3б).
Найденные из (3) – (5) углы α в каждой из последовательных областей ФМ-пленки используются для определения абсолютного значения их удельного сопротивления в соответствии с (1). Рассчитанные с учетом заданных геометрических размеров значения электрического сопротивления R 1-4 каждой ФМ-пленки в составе моста позволяют вычислить выходное напряжение Vout [6]:
Vout = Vin∙(R2∙R3 – R1∙R4)/((R1 + R2)∙(R3 + R4)) (6)
Принцип работы датчика тока основан на детектировании амплитуды циркулярного поля Эрстеда, возбуждаемого протекающим по расположенной под AMR-сенсором шине электрическим током (рис. 4). Амплитуда лежащей в плоскости моста компоненты циркулярного поля линейным образом зависит от значения тока в шине, и может быть рассчитана в соответствие с интегральным выражением, полученным путем разбиения шины на множество малых проводников (рис. 5):
Hpx = (μ0 j / 2π) ∫S . (7)
Следует также сказать, что в реальных AMR-сенсорах предусмотрена система двух вспомогательных катушек, возбуждающих однородные магнитные поля в плоскости ФМ-пленок. Компенсирующая (OFFSET) катушка создает магнитное поле, направленное вдоль чувствительной оси устройства – поперек ФМ-пленок. Данное поле позволяет сдвигать передаточную характеристику сенсора [7]. Подмагничивающая (RESET) катушка необходима для периодического восстановления однородности магнитного распределения в ФМ-пленках. В силу эффектов гистерезиса при многократном перемагничивании изначально однородно намагниченных пленок происходит разориентация магнитных моментов в их объемах [8], вследствие чего ухудшаются сенсорные свойства магниточувствительного устройства на их основе. Наведение подмагничивающего поля, ориентированного вдоль продольного направления пленок, возвращает их магнитную конфигурацию к однородному состоянию, стабилизируя работу устройства.
Реализация расчетной модели
На основе изложенной теории в САПР Cadence Virtuoso были написаны расчетные блоки на языке программирования Verilog-A. Разработанная имитационная модель, блок-схема которой приведена на рис. 6, состоит из следующих блоков:
Модель предусматривает возможность определения геометрических размеров ФМ-пленок и шунтирующих полосок, токонесущей шины и системы катушек. Также предусмотрена возможность задания материальных параметров элементов сенсорного устройства: магниторезистивной постоянной ФМ-материала λ и его намагниченности насыщения Ms, удельных сопротивлений ФМ-пленок при отсутствии внешнего магнитного поля ρ0, шунтирующих полосок ρbarber, токонесущей шины ρbusbar и системы катушек ρcoil RESET, OFFSET. Магниторезистивный (МР) мост, токонесущая шина и катушки выполнены в виде элементов схемы, имеющих входные, выходные контакты и сопротивления, определяемые из предустановленных параметров. Это позволяет готовым образом использовать Cadence-символ на основе модели (рис. 7) для интегрирования в проекты, где с его применением могут быть проведены симуляции для анализа работы AMR-преобразователя, проверки его характеристик и оптимизации блока считывания и обработки сигнала с преобразователя. В модели учтена возможность наведения дополнительного внешнего магнитного поля для моделирования воздействия шумов на работу сенсорной системы, а также задания направления одноосной магнитокристаллической анизотропии, образованной при отжиге пленок.
Оценка адекватности
модели
Для оценки адекватности имитационной модели использовались характеристики AMR-преобразователя, разработанного компанией АО «Зеленоградский нанотехнологический центр» (АО «ЗНТЦ»), а именно – микросхемы 5344ХЕ025 (рис. 8). Были определены следующие параметры:
Были проведены измерения выходного сигнала AMR-преобразователя при изменении тока шины в диапазоне 0–60 А. Для проведения измерений использовался цифровой мультиметр Keithley DMM6500, в качестве генератора применялся источник питания GW Instek PSU7 12.5-120. Аналогичная зависимость дифференциального напряжения между плечами моста от тока шины была получена при помощи имитационной модели в среде ADE L. Результаты измерений и моделирования приведены на рис. 9. Полученная зависимость демонстрирует хорошую сходимость результатов расчетов на основе модели с выходным сигналом реального устройства. Различия могут быть обусловлены численными погрешностями при решении (3) и (7), а также наличием неоднородностей магнитной конфигурации в ФМ-пленках реального устройства в условиях малых значений поля шины. Кроме того, воздействие магнитных шумов при снятии передаточной характеристики реального устройства могло привести к возникновению crossfield-эффекта (паразитной чувствительности при наведении магнитного поля, направленного ортогонально чувствительной оси сенсора), который не учитывается разработанной моделью, однако может сказаться на результатах измерения.
Описанная имитационная модель AMR-преобразователя имеет возможность коррекции и дополнений в зависимости от использованного датчика, корпуса, геометрии токонесущей шины и других особенностей конкретных задач. На рис. 10 представлено семейство графиков передаточных характеристик AMR-преобразователя при различных значениях ширины токонесущей шины (отличие амплитуды сигнала от рис. 9 обусловлено меньшей толщиной шины, в результате чего при одинаковом токе происходит большее перемагничивание ФМ-пленок, приводящее к большему дисбалансу моста). Данное семейство характеристик демонстрирует различие чувствительности AMR-преобразователей, а также их диапазонов изменения выходного напряжения, в зависимости от выбранной шины и может служить основой при поиске оптимальных параметров системы для конкретной задачи.
* * *
В данной статье представлены процессы разработки и верификации математической модели AMR-преобразователя, которая успешно внедрена в систему автоматизированного проектирования (САПР) Cadence Virtuoso. По результатам моделирования было выявлено соответствие математической модели реальному AMR-преобразователю в составе микросхемы 5344ХЕ025. Также было проведено исследование передаточной характеристики при изменении геометрии токонесущей шины, полученные графики совпадают с теоретическими расчетами. Полученные результаты представляют собой ценный материал для дальнейшего использования их в системах навигации, обнаружения препятствий, а также в областях высокоточного контроля движений и ряде других задач.
ЛИТЕРАТУРА
Ritzinger P., Výborný K.
Anisotropic magnetoresistance: materials, models and applications // Royal Society
Open Science. 2023. No. 10.
Trushin M., Výborný K.
Anisotropic magnetoresistance
of spin-orbit coupled carriers scattered from polarized magnetic impurities // Physical review. B, Condensed matter. 2009. V. 80. No. 13.
Nie H.B., Xu S.Y., Ong C.K.
Magnetic anisotropy and magnetoresistance of sputtered [(FeTaN)/(TaN)](n) multilayers // Journal of Applied Physics. 2003. V. 91. No. 10.
Kostevšek N., Serša I. Characterization of metal-based nanoparticles as contrast agents for magnetic resonance imaging // Comprehensive Analytical Chemistry. 2021.
V. 93. PP. 303–343.
Tumański S. Thin film magnetoresistive sensors. First Edition. Bristol; Philadelphia: CRC Press, 2001. 576 p.
Markevicius V., Cepenas M., Navikas D., Valinevicius A., Andriukaitis D.
Research of Magnetic Field Influence on the Offset and Sensitivity of Magnetoresistive Sensor Readings // Elektronika ir Elektrotechnika. 2013. V. 19. No. 2. PP. 37–40.
Mohamadabadi K., Jeandet A., Hillion M., Coillot C. Autocalibration Method for Anisotropic Magnetoresistive Sensors Using Offset Coils // IEEE Sensors Journal. 2013.
V. 13. No. 2. PP. 772–776.
Fúra V., Petrucha V., Platil A. Construction of an AMR magnetometer for car detection experiments // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.
2016. V. 108.
модели AMR-преобразователя
для внедрения в САПР
А. Чеплаков, Э. Литвиненко
Датчики на анизотропных магниторезистивных пленках – AMR-преобразователи – представляют собой передовое решение для измерения электрических токов ввиду ряда уникальных преимуществ, которые выводят их на следующий уровень по сравнению с классическими датчиками тока на эффекте Холла. В данной статье рассмотрены принцип работы и основные характеристики AMR-преобразователя, представлены результаты разработки его математической модели и ее внедрения в САПР Cadence Virtuoso.
Цель создания модели датчика тока заключается в отражении происходящих в нем физических процессов, а также получении выходных величин для дальнейшей обработки в системе считывания и преобразования сигналов с датчиков. Разработанная имитационная модель позволяет анализировать электрические характеристики AMR-преобразователя, учитывая все особенности конструкции, тем самым повышая эффективность и безопасность изделий. Токовые датчики могут помочь в обнаружении и предотвращении перегрузок и коротких замыканий, а также позволяют контролировать потребляемую энергию, продлевая срок службы автономных роботов, работающих на батарейном питании. Главным преимуществом является точный контроль токов обмотки электродвигателей для обеспечения стабильной и плавной работы роботов. Это особенно важно в случае выполнения сложных задач, требующих высокой точности и координации движений, например, в манипуляторах или промышленных роботах.
Теоретическое описание
Анизотропный магниторезистивный (anisotropic magnetoresistance, AMR) эффект – физический феномен, проявляющийся в изменении электрического сопротивления ферромагнитного (ФМ) материала при приложении к нему внешнего магнитного поля [1]. Данный эффект обусловлен анизотропным рассеянием проводящих электронов в объеме ФМ-материала, возникающим вследствие спин-орбитального взаимодействия [2]. При этом степень рассеяния в некоторой точке зависит от локального угла между векторами намагниченности M и электрического тока j. Качественно данная зависимость может быть описана законом Фойгта – Томпсона [3]:
ρ(α) = ρ0∙(1+λ∙cos2α), (1)
где ρ – удельное сопротивление ферромагнетика в некоторой его точке, ρ0 – удельное сопротивление в отсутствие внешних воздействий, λ – магниторезистивный коэф-
фициент материала, α – угол между векторами намагниченности и электрического тока.
При приложении к ФМ-образцу внешнего магнитного поля происходит перераспределение магнитных моментов в его объеме. В свою очередь, это приводит к изменению удельного сопротивления образца в каждой его точке в соответствие с (1).
Тонкопленочные магнитные материалы представляют особый интерес, поскольку характерное для их формы высокое значение магнитостатического поля препятствует выходу вектора намагниченности из плоскости пленки [4]. Иначе говоря, магнитная конфигурация тонких пленок незначительным образом меняется при вариации нормальной к их плоскости компоненты внешнего магнитного поля, что ограничивает чувствительность к приложенному в данном направлении полю.
Как правило, величина угла α между намагниченностью M и направлением тока j будет изменяться в объеме ФМ-образца – это может быть объяснено неоднородностью распределения вектора намагниченности (рис. 1а, б). Однако, в случае достаточно высокого значения амплитуды внешнего магнитного поля (сравнимого с величиной намагниченности насыщения Ms) будет наблюдаться полное перемагничивание пленки, и распределение вектора намагниченности в объеме будет иметь однородный характер (рис. 1в, г). В последнем случае можно рассматривать ферромагнитную пленку как однодоменную структуру.
Поскольку стандартный подход с применением микромагнитного анализа требует значительных вычислительных ресурсов, было принято решение использовать макроспиновую модель для нахождения магнитностатической конфигурации. В макроспиновом приближении намагниченность имеет однородное распределение
во всем объеме образца, и для ее описания используется модель Стонера – Вольфарта (СВ) (рис. 2). В рамках модели СВ свободная магнитная энергия W системы задается следующим выражением [5]:
W = –μ0 Ms Hx sinφ – μ0 Ms Hy cosφ + 1/2 μ0 Ms Hk sin2 φ, (2)
где Ms – намагниченность насыщения; H – внешнее магнитное поле; Hk – поле анизотропии; φ – угол между вектором намагниченности и легкой осью анизотропии.
Направление намагниченности в таком случае может быть найдено путем минимизации (2) по углу φ:
∂W / ∂φ = –μ0 Ms Hx cosφ + μ0 Ms Hy sinφ +
+ μ0 Ms Hk sinφ cosφ = 0. (3)
Для решения (3) был применен алгоритм градиентного спуска. В общем случае, данный метод может быть описан следующим выражением:
f(x1, x2, …, xn)i+1 = f(x1, x2, …, xn)i – γgrad(f(x1, x2, …, xn)i ), (4)
где f – минимизируемая функция; i – номер итерации; γ – скорость обучения.
Полученный таким образом угол ориентации φ вектора M относительно легкой оси намагничивания (рис. 2, ось L) позволяет рассчитать величину угла между направлениями вектора намагниченности и электрического тока для заданного поля анизотропии, что важно учесть, поскольку при отжиге кристалла со взаимно повернутыми AMR-пленками направление поля анизотропии в системе координат каждой пленки может различаться:
α = ε – φ. (5)
Магниточувствительная основа типичного AMR-сенсора представляет собой мост Уитстона (рис. 3а). Подобная структура используется для повышения чувствительности устройства, а также его устойчивости к тепловому шуму. Для линеаризации передаточной характеристики выходного сигнала Vout при варьировании амплитуды или направления приложенного магнитного поля, на ФМ-пленки могут быть нанесены шунтирующие полоски высокопроводящего материала, которые отклоняют протекающий по пленке ток на 45⁰ от продольного направления (рис. 3б).
Найденные из (3) – (5) углы α в каждой из последовательных областей ФМ-пленки используются для определения абсолютного значения их удельного сопротивления в соответствии с (1). Рассчитанные с учетом заданных геометрических размеров значения электрического сопротивления R 1-4 каждой ФМ-пленки в составе моста позволяют вычислить выходное напряжение Vout [6]:
Vout = Vin∙(R2∙R3 – R1∙R4)/((R1 + R2)∙(R3 + R4)) (6)
Принцип работы датчика тока основан на детектировании амплитуды циркулярного поля Эрстеда, возбуждаемого протекающим по расположенной под AMR-сенсором шине электрическим током (рис. 4). Амплитуда лежащей в плоскости моста компоненты циркулярного поля линейным образом зависит от значения тока в шине, и может быть рассчитана в соответствие с интегральным выражением, полученным путем разбиения шины на множество малых проводников (рис. 5):
Hpx = (μ0 j / 2π) ∫S . (7)
Следует также сказать, что в реальных AMR-сенсорах предусмотрена система двух вспомогательных катушек, возбуждающих однородные магнитные поля в плоскости ФМ-пленок. Компенсирующая (OFFSET) катушка создает магнитное поле, направленное вдоль чувствительной оси устройства – поперек ФМ-пленок. Данное поле позволяет сдвигать передаточную характеристику сенсора [7]. Подмагничивающая (RESET) катушка необходима для периодического восстановления однородности магнитного распределения в ФМ-пленках. В силу эффектов гистерезиса при многократном перемагничивании изначально однородно намагниченных пленок происходит разориентация магнитных моментов в их объемах [8], вследствие чего ухудшаются сенсорные свойства магниточувствительного устройства на их основе. Наведение подмагничивающего поля, ориентированного вдоль продольного направления пленок, возвращает их магнитную конфигурацию к однородному состоянию, стабилизируя работу устройства.
Реализация расчетной модели
На основе изложенной теории в САПР Cadence Virtuoso были написаны расчетные блоки на языке программирования Verilog-A. Разработанная имитационная модель, блок-схема которой приведена на рис. 6, состоит из следующих блоков:
- блок вычисления циркулярного магнитного поля токонесущей шины согласно (7);
- блок расчета магнитного поля компенсационной катушки OFFSET согласно (7);
- блок расчета магнитного поля стабилизирующей катушки RESET согласно (7);
- блок расчета суммарного магнитного поля в каждой из ФМ-пленок шины;
- блок расчета углов ориентации магнитных полей в системах координат каждой из ФМ-пленок;
- блоки вычисления сопротивлений резисторов моста путем минимизации свободной магнитной энергии каждой из ФМ-пленок согласно (3) и (4), расчета относительного угла между векторами намагниченности и электрического тока, и последующего вычисления абсолютного значения сопротивления с учетом геометрических размеров пленок и (1).
Модель предусматривает возможность определения геометрических размеров ФМ-пленок и шунтирующих полосок, токонесущей шины и системы катушек. Также предусмотрена возможность задания материальных параметров элементов сенсорного устройства: магниторезистивной постоянной ФМ-материала λ и его намагниченности насыщения Ms, удельных сопротивлений ФМ-пленок при отсутствии внешнего магнитного поля ρ0, шунтирующих полосок ρbarber, токонесущей шины ρbusbar и системы катушек ρcoil RESET, OFFSET. Магниторезистивный (МР) мост, токонесущая шина и катушки выполнены в виде элементов схемы, имеющих входные, выходные контакты и сопротивления, определяемые из предустановленных параметров. Это позволяет готовым образом использовать Cadence-символ на основе модели (рис. 7) для интегрирования в проекты, где с его применением могут быть проведены симуляции для анализа работы AMR-преобразователя, проверки его характеристик и оптимизации блока считывания и обработки сигнала с преобразователя. В модели учтена возможность наведения дополнительного внешнего магнитного поля для моделирования воздействия шумов на работу сенсорной системы, а также задания направления одноосной магнитокристаллической анизотропии, образованной при отжиге пленок.
Оценка адекватности
модели
Для оценки адекватности имитационной модели использовались характеристики AMR-преобразователя, разработанного компанией АО «Зеленоградский нанотехнологический центр» (АО «ЗНТЦ»), а именно – микросхемы 5344ХЕ025 (рис. 8). Были определены следующие параметры:
- материал изготовления ФМ-пленок: пермаллой 81/19, материал изготовления шунтирующих полосок: алюминий;
- угол отклонения поля наведенной магнитокристаллической анизотропии от продольного направления пленок: 0,1⁰;
- размеры ФМ-пленок: длина – 508 мкм; ширина – 20 мкм; толщина – 0,3 мкм;
- ширина шунтирующей полоски: 4 мкм; зазор между последовательными шунтами: 10 мкм;
- толщина шунтирующих полосок: 1,5 мкм;
- размер сечения токонесущей шины в области МР-моста: 2 × 5 мм;
- напряжение питания моста: 5 В.
Были проведены измерения выходного сигнала AMR-преобразователя при изменении тока шины в диапазоне 0–60 А. Для проведения измерений использовался цифровой мультиметр Keithley DMM6500, в качестве генератора применялся источник питания GW Instek PSU7 12.5-120. Аналогичная зависимость дифференциального напряжения между плечами моста от тока шины была получена при помощи имитационной модели в среде ADE L. Результаты измерений и моделирования приведены на рис. 9. Полученная зависимость демонстрирует хорошую сходимость результатов расчетов на основе модели с выходным сигналом реального устройства. Различия могут быть обусловлены численными погрешностями при решении (3) и (7), а также наличием неоднородностей магнитной конфигурации в ФМ-пленках реального устройства в условиях малых значений поля шины. Кроме того, воздействие магнитных шумов при снятии передаточной характеристики реального устройства могло привести к возникновению crossfield-эффекта (паразитной чувствительности при наведении магнитного поля, направленного ортогонально чувствительной оси сенсора), который не учитывается разработанной моделью, однако может сказаться на результатах измерения.
Описанная имитационная модель AMR-преобразователя имеет возможность коррекции и дополнений в зависимости от использованного датчика, корпуса, геометрии токонесущей шины и других особенностей конкретных задач. На рис. 10 представлено семейство графиков передаточных характеристик AMR-преобразователя при различных значениях ширины токонесущей шины (отличие амплитуды сигнала от рис. 9 обусловлено меньшей толщиной шины, в результате чего при одинаковом токе происходит большее перемагничивание ФМ-пленок, приводящее к большему дисбалансу моста). Данное семейство характеристик демонстрирует различие чувствительности AMR-преобразователей, а также их диапазонов изменения выходного напряжения, в зависимости от выбранной шины и может служить основой при поиске оптимальных параметров системы для конкретной задачи.
* * *
В данной статье представлены процессы разработки и верификации математической модели AMR-преобразователя, которая успешно внедрена в систему автоматизированного проектирования (САПР) Cadence Virtuoso. По результатам моделирования было выявлено соответствие математической модели реальному AMR-преобразователю в составе микросхемы 5344ХЕ025. Также было проведено исследование передаточной характеристики при изменении геометрии токонесущей шины, полученные графики совпадают с теоретическими расчетами. Полученные результаты представляют собой ценный материал для дальнейшего использования их в системах навигации, обнаружения препятствий, а также в областях высокоточного контроля движений и ряде других задач.
ЛИТЕРАТУРА
Ritzinger P., Výborný K.
Anisotropic magnetoresistance: materials, models and applications // Royal Society
Open Science. 2023. No. 10.
Trushin M., Výborný K.
Anisotropic magnetoresistance
of spin-orbit coupled carriers scattered from polarized magnetic impurities // Physical review. B, Condensed matter. 2009. V. 80. No. 13.
Nie H.B., Xu S.Y., Ong C.K.
Magnetic anisotropy and magnetoresistance of sputtered [(FeTaN)/(TaN)](n) multilayers // Journal of Applied Physics. 2003. V. 91. No. 10.
Kostevšek N., Serša I. Characterization of metal-based nanoparticles as contrast agents for magnetic resonance imaging // Comprehensive Analytical Chemistry. 2021.
V. 93. PP. 303–343.
Tumański S. Thin film magnetoresistive sensors. First Edition. Bristol; Philadelphia: CRC Press, 2001. 576 p.
Markevicius V., Cepenas M., Navikas D., Valinevicius A., Andriukaitis D.
Research of Magnetic Field Influence on the Offset and Sensitivity of Magnetoresistive Sensor Readings // Elektronika ir Elektrotechnika. 2013. V. 19. No. 2. PP. 37–40.
Mohamadabadi K., Jeandet A., Hillion M., Coillot C. Autocalibration Method for Anisotropic Magnetoresistive Sensors Using Offset Coils // IEEE Sensors Journal. 2013.
V. 13. No. 2. PP. 772–776.
Fúra V., Petrucha V., Platil A. Construction of an AMR magnetometer for car detection experiments // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering.
2016. V. 108.
Отзывы читателей
