11.2.2 Магниторезисторы
Магниторезисторы – это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля.
Механизм изменения сопротивления довольно сложен, так как является результатом одновременного действия большого числа разнообразных факторов. К тому же он неодинаков для разных типов приборов, технологий и материалов. Магниторезисторы характеризуются такими параметрами, как магнитная чувствительность, номинальное сопротивление, рабочий ток, термостабильность и быстродействие, диапазон рабочих температур.
В РБ, РФ и за рубежом выпускается широкая номенклатура магниторезисторов отличающихся типом конструкции и технологией изготовления магниточувствительного элемента и магнитной цепи. Особенно разнообразен ассортимент зарубежных магниторезисторов.
В этой главе рассматриваются конструкции некоторых типов отечественных магниторезисторов. Конструкция и параметры аналогичных зарубежных приборов мало, чем отличаются от характеристик отечественных.
Выделяются две большие группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные».
«Монолитные» магниторезисторы. Принцип действия монолитных магниторезисторов основан на эффекте Гаусса, который характеризуется возрастанием сопротивления проводника (или полупроводника) при помещении его в магнитное поле. Конструкция «монолитного» магниторезистора приведена на рис11.18 .
Подложка
Рис. 11.18. Конструкция «монолитного» магниторезистора
г)
Рис. 11.19. Варианты топологии МЧЭ «монолитных» магниторезисторов
Магниторезистор представляет собой подложку с размещенным на ней магниточувствительным элементом (МЧЭ). Подложка обеспечивает механическую прочность прибора. Элемент приклеен к подложке и защищен снаружи слоем лака. МЧЭ может размещаться в оригинальном или стандартном корпусе и снабжаться ферритовым концентратором магнитного поля или «смещающим» постоянным микромагнитом.
«Монолитные» магниточувствительные элементы изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих высокой подвижностью носителей заряда. К таким материалам относятся антимонид индия (InSb) и его соединения арсенид индия (InAs) и др.
В зависимости от назначения прибора МЧЭ могут иметь различную форму. Наиболее известны МЧЭ прямоугольной формы и имеющие вид меандра (рис. 11.19а
Элементы, показанные на рис. 11.19г, предназначены для использования в магнитоуправляемых устройствах с круговым перемещением источника магнитной индукции. Магниточувствительный элемент, изображенный на рис.ж, представляет собой круговой магниторезистивный мост.
Наибольшее распространение для изготовления МЧЭ получил эвтектический сплав InSb-NiSb, легированный теллуром. В РБ и РФ этот сплав известен под званием СКИН.
В зарубежных приборах применяется аналогичный сплав трех модификаций L, D, N. Типичная зависимость магниторезистивного отношения (Rв/R0) МЧЭ, изготовленных из сплава InSb-NiSb, от индукции управляющего магнитного поля показана на рис. 11.20.
Рис. 11.20. Типичная зависимость МЧЭ, изготовленных из различных модификаций сплава InSb-NiSb, от величины индукции управляющего магнитного поля
Чувствительность магниторезистивного элемента изменяется и при изменении угла между вектором магнитной индукции и плоскостью элемента. Эта зависимость выражается формулой :
(Rв-R0)/R0=[(RвR0)/R0]максЧ{sin2ψ/[1+(μnЧВ)2Чcos2ψ]}(11.34) где Rв – сопротивление МЧЭ при воздействии магнитного поля (В = Вном);
R0 – сопротивление МЧЭ при отсутствии магнитного поля (В= 0);
ψ – угол между векторами напряженности электрического и магнитного полей.
В “монолитных” МЧЭ, как правило, вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости чувствительного элемента. Поэтому максимальная чувствительность “монолитного” МЧЭ достигается при нормально падающем магнитном потоке (ψ = 90°). При использовании концентраторов и других элементов магнитных систем зависимость может быть иной.
Сопротивление и чувствительность магниторезисторов зависят и от температуры. Как следует из рис. 11.20., зависимость магнитной чувствительности «монолитного» МЧЭ в области слабых полей близка к квадратичной, а в области сильных полей – практически линейна. Область перехода от слабых полей к сильным для реальных магниторезистивных элементов лежит в пределах 0,2-0,4 Тл
Применение магниторезисторов.Магниторезисторы применяются в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных магнитных датчиках: скорости и направления вращения, угла поворота и положения, линейного перемещения, расхода жидкости и газа электрического тока и напряжения и т.п. Их используют в бесконтактной клавиатуре ПЭВМ, бесконтактных переменных резисторах, вентильных электродвигателях, электронных модуляторах и преобразователях, измерителях магнитного поля, металлоискателях, электронных навигаторах, в бытовой электронной аппаратуре системах автоматического управления, устройствах считывания информации ЭВМ, определителях подлинности банкнот, электронных и электрифицированные игрушках и др.
Современная групповая технология ИС позволяет выпускать интегральные преобразователи магнитного поля на основе тонкопленочных магниторезисторов, которые могут формироваться как в линейные, так и в матричные магниточувствительные структуры с различным способом их организации.
Основное назначение таких приборов – это использование их в системах визуализации магнитного поля и устройствах считывания информации с магнитных носителей (лент, карт и т.п.).
Особенности применения магниторезисторов.При использовании магниторезисторов необходимо учитывать их преимущества и недостатки.
Например, «монолитные» магниторезисторы целесообразно использовать для регистрации «сильных» магнитных полей (100-1000 мТл). При этом следует учитывать максимальное значение индукции управляющего магнитного поля (Вмакс), при котором гарантируется заданная линейность преобразования, так как с ростом индукции управляющего поля, как правило, растет входное сопротивление магниточувствительного элемента. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы при высоких индукциях (1 Тл и более) значение тока управления было выбрано таким, при котором температура элемента не будет превышать допустимую.
При использовании магниторезисторов необходимо учитывать его так называемую нагрузочную способность.
Этот параметр определяется предельным допустимым значением температуры перегрева прибора, при котором он не выходит из строя. Для большинства магниторезисторов Тмакс не превышает 150 °С. Обычно в паспорте на прибор указывается рабочий диапазон, в котором возможна эксплуатация.
Нагрузочная способность магниторезистора определяется в документации на прибор одним из следующих параметров:
– значением мощности, которую может рассеять магниторезистор Рмакс;
– значением предельно допустимого тока Iмакс;
– значением теплового сопротивления λ.
Рабочее напряжение для магниторезистора (Uп) рассчитывается по формуле:
Uп =√(TмаксЧ TА )Ч λ ЧR (Tмакс ) (11.35)
где λ – тепловое сопротивление конструкции магниторезистора;
Tмакс , TА – максимально допустимая температура прибора и температура окружающей среды;
R (Тмакс) – сопротивление МЧЭ при максимальной температуре.
Из этого выражения для каждого значения температуры окружающей среды можно определить допустимую нагрузку для конкретного типа магниторезистора. Параметр λ обычно определяется экспериментально изготовителем прибора в среде неподвижного воздуха. Значение λ указывается в технической документации на магниторезистор.
Максимальную мощность Рмакс можно значительно повысить (в 1,5-2 раза) при использовании элементарного теплоотвода, если, например, магниторезистор с обеих сторон привести в плотное соприкосновение с металлическими полюсами магнитопровода.
Тонкопленочные магниторезисторы больше подходят для регистрации слабых магнитных полей (до 10-30 мТл), иногда близких к пороговым значениям. При этом следует помнить, что порог чувствительности определяется минимальным уровнем магнитного излучения, регистрируемым преобразователем магнитного поля при отношении сигнал/шум равном единице. Порог чувствительности характеризуется многими параметрами МЧЭ: величиной остаточного напряжения, уровнем собственных шумов, величиной тока управления и т.д. Значение остаточного напряжения зависит от направления и значения тока управления, от температуры элемента.
Температурное изменение чувствительности магниторезисторов на основе ФМП при питают от источника постоянного тока составляет около -0,04% на градус Цельсия, что в 5-10 раз меньше, чем у «монолитных» магниторезисторов .
Кроме того, при использовании в ограниченном динамическом диапазоне (до10 мТл) тонкопленочные магниторезисторы выгодно отличаются от других преобразователей магнитного поля.
На рис.11.21.приведены выходные характеристики различных преобразователей магнитного поля при одинаковом напряжении питания равном 5 В.
Из рис11.21. видно, что при магнитной индукции 5 мТл, соответствующей линейным участкам всех приведенных характеристик, чувствительность тонкопленочных магниторезисторов в 5 раз выше чувствительности других магниточувствительных приборов.
