11.2.6 ГМР преобразователи
Галъваномагниторекомбинационный (ГМР) преобразователь представляет собой полупроводниковый резистор, управляемый магнитным полем. Принцип действия ГМР преобразователя основан на использовании магнитоконцентрационного эффекта, который заключается в изменении средней концентрации носителей заряда в полупроводнике при воздействии продольного и или поперечного магнитного поля.
Гальваномагниторекомбинационный эффект проявляется в полупроводниках с проводимостью близкой к собственной. К числу основных специфических терминов и определений параметров ГМР преобразователей относятся.
1.Выходной сигнал Uвых. Представляет собой разность выходных напряжений △U=Uвых=Uв-U0, где Uв -напряжение на выходе ГМР элемента при номинальном значении индукции магнитного поля, U0- напряжение на выходе ГМР элемента при отсутствии магнитного поля.
2.Номинальный рабочий ток. Это ток, при котором гарантируются параметры ГМР, указанные в паспорте на прибор. Определяется по формуле
Iном = Uпит / (Rн + Rг),где Rг – сопротивление ГМР элемента при В = О, Rн -сопротивление нагрузки, R – сопротивление элемента.
3.Магнитная чувствительность. Представляет собой отношение γмг= Uвых / В (при Iном = const), где В – индукция управляющего магнитного поля.
4.Температурный коэффициент чувствительности. Коэффициент, определяемый по формуле ТКγ = (100 / γТ0) х (△γ /△Т), где γТ0 – магнитная чувствительность при нормальной (комнатной) температуре, △γ – изменение чувствительности, △Т – изменение температуры. Значение ТКγ зависит от отношения Rг / Rн .На рис. 11.40. показаны варианты конструкций ГМР преобразователей.
Рис.11.40.Конструкции ГМР преобразователей1-полупроводниковая пластина, 2 – контакты, 3 – выводы, 4 – область с большой скоростью рекомбинации
ГМР преобразователь представляет собой пластинку, изготовленную из проводникового материала, в которой выделена область с большой скоростью рекомбинации носителей заряда. При воздействии магнитного поля на эту область происходит изменение сопротивления ГМР элемента.
Воздействие магнитного поля одной полярности приводит к увеличению сопротивления ГМР элемента. Изменение полярности магнитного поля вызывает возрастание сопротивления элемента.
Чаще всего для изготовления ГМР преобразователей используется германий, обладающий высокой подвижностью и длиной диффузионного смещения около 1 мм. В принципе, для этих целей могут быть использованы и другие полупроводниковые материалы. Однако в большинстве случаев они обладают либо недостаточно высокой подвижностью носителей заряда (как, например, кремний) очень малой длиной диффузионного смещения (так, у антимонида индия ,длина диффузионного смещения около 1 мкм), что создает большие трудности при изготовлении ГМР преобразователей.
На рис. 11.41. дана схема включения ГМР преобразователя.
Режим работы ГМР преобразователя определяется значением сопротивления нагрузки Rн. Если оно в 10 раз превышает сопротивление преобразователя Rг, то последний работает в режиме питания от источника тока (Iуп = const.). В этом режиме обеспечивается максимальная чувствительность ГМР преобразователя.
Выход
На рис. 11.42. приведены выходные характеристики преобразователей типа ГМР-4. Анализ характеристик, приведенных рис. 11.42. показывает, что
Общий
Рис. 11.41. Схема включения ГМР преобразователя магнитного поля
зависимость напряжения на выходе ГМР от магнитной индукции линейна в широком диапазоне изменения индукций (±80 мТл) управляющего магнитного поля (рис.11.42.а). При изменении тока управления от заданного значения в пределах ±50% выходное напряжение изменяется почти линейно (рис.11.426). При оптимальном сопротивлении нагрузки выходной сигнал остается почти неизменным в достаточно широком диапазоне температур (рис.11.42в). Разброс значений электрических параметров составляет ±30%. . Кишиневском научно-исследовательском институте электроприборостроение НПО «Микропровод» на базе технологии изготовления литого микропровода из германия была разработана конструкция ГМР преобразователя, отличающегося простотой и низкой себестоимостью.
Основные параметры опытных образцов ГМР преобразователей следующие: длина активной части около 4 мм при диаметре 1 мм, магнитная чувствительность не менее 2 В/Тл при токе управления 1 мА, температурный коэффициент чувствительности в диапазоне температур +40…+80 °С составляет 0,3-0,7% на градус Цельсия.
Достоинством ГМР преобразователей является высокая линейность в слабых магнитных полях, что выгодно отличает их от магниторезисторов. Кроме того,
магнитная чувствительность ГМР преобразователей оказывается значительно выше, чем чувствительность элементов Холла.
Рис. 11.42. Зависимость величины сигнала на выходе преобразователя типа ГМР-4; а – от магнитной индукции; б – от тока управления; в – от температуры.
Однако, несмотря на это, порог чувствительности ГМР преобразователей примерно того же порядка, что и порог чувствительности большинства элементов Холла. Это объясняется значительной нестабильностью нулевого сигнала, связанной с изменением сопротивления ГМР.
К недостаткам ГМР преобразователей можно отнести и высокую трудоемкоемкость их изготовления.
В СССР подобные устройства производились ограниченными партиями. Они использовались в миллитесламетрах Ф4356. Сведений об их серийном производстве в России не имеется.
При условии организации промышленного производства ГМР преобразователи могли бы использоваться для регистрации слабых магнитных полей и в качестве МЧЭ для различных функционально-ориентированных датчиков.