Магниторезистивные преобразователи

Магниторезистивные преобразователи

Магниторезистивные датчики отличаются высокой чувствительностью и позволяют измерять самые малые изменения магнитного поля.

Магниторезисторы

Магниторезисторами называют полупроводниковые приборы, сопротивление которых меняется в магнитном поле. Поскольку эффект магнитосопротивления максимален в полупроводнике не ограниченом в направлении перпендикулярному току, то в реальных магниторезисторах стремятся максимально приблизится к этому условию. Наилучшим типом неограниченного образца является диск Карбино.

Отклонение тока в таком образце при отсутствии магнитного поля нет и он направлен строго по радиусу. При наличии поля путь носителей заряда удлиняется и сопротивление увеличивается. Другой структурой магниторезистора является пластина ширина которой много больше длины. Эти две структуры обладают наибольшим относительным изменением сопротивления в магнитном поле. Однако их существенным недостатком является малое абсолютное сопротивление при B=0, что обусловлено их конфигурацией. Для увеличения R применяют последовательное соединение резисторов. Например, в случае пластины используется одна длинная пластина из полупроводника с нанесенными металлическими полосками, делящими кристалл на области длина которых меньше ширины. Таким образом, каждая область между полосками представляет собой отдельный магниторезистор.

Магниторезисторы обладают довольно большой чувствительностью. Она лежит в пределах от 10Е-13 до 10Е-4 А/м. Наибольшей чувствительностью обладают магниторезисторы изготовленные из InSb-NiSb.

Основные параметры магниторезистора

1) начальное сопротивление R0 при В=0. Его значение зависит от проводимости основного материала, которое, в свою очередь, определяется степенью легирования; шириной меандровой полоски, оптимальное значение которой составляет около 80 мкм; шириной меандровой полоски, которая примерно равна 25 мкм; длиной меандровой полоски, которая определяется желаемым сопротивлением магниторезистора.

2) магниторезистивное отношение RВ/R0 , представляющее собой отношение сопротивления магниторезистора при определенном значении магнитной индукции (обычно 0,3 и 1 Тл) к начальному сопротивлению. Функция преобразования магниторезисторов является четной, поэтому как в постоянном магнитном поле, так и в переменном их сопротивление увеличивается. Магниторезистивное отношение сильно зависит от температуры.

3) магнитная чувствительность SВ, определяемая как относительное приращение сопротивления магниторезистора, деленное на соответствующее приращение магнитной индукции В
Наибольшую магнитную чувствительность имеет магниторезистор в виде диска Корбино.

4) нагрузочная способность магниторезистора. Этот параметр определяется тем предельным значением температуры перегрева, который до-пускается для магниторезистора при условии, что он не будет выведен из строя. Значение этой температуры равно примерно 150 – 327С. Значение нагрузочной способности в значительной степени определяется условиями теплоотдачи магниторезистора. Так, например, она возрастает примерно в 10 раз, если магниторезистор наклеивается на массивное металлическое основание.

5) температурный коэффициент сопротивления магниторезисторов зависит от материала, магнитной индукции и температуры. Чем больше чувствительность магниторезистора, тем больше его ТКС.

Магниторезистивные датчики

Применяются в магнитометрии для решения различных задач: определения угла поворота, положения объекта относительно магнитного поля земли, измерения частоты вращения зубчатых колес и др.

Принцип работы магниторезистивных датчиков основан на изменении направления намагниченности внутренних доменов слоя пермаллоя (NiFe) под воздействием внешнего магнитного поля. В зависимости от угла между направлением тока и вектором намагниченности изменяется сопротивление пермаллоевой пленки. Под углом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальному значению сопротивления.

Конструкция магниторезистивных датчиков Honeywell состоит из четырех пермаллоевых слоев, которые организованы в мостовую схему. Кроме того, на плату датчика добавлены две катушки: SET/RESET и OFFSET. Катушка SET/RESET создает легкую ось, которая необходима для поддержания высокой чувствительности датчика, катушка OFFSET предназначена для компенсации воздействия паразитных магнитных полей (созданных, например, каким-либо ферромагнитным объектом или металлическими предметами).

К числу преимуществ магниторезистивных датчиков можно отнести:
• отсутствие зависимости от расстояния между магнитом и датчиком;
• широкий диапазон рабочих температур (от –55 до 150°С);
• датчики зависят только от направления поля, а не его интенсивности;
• долгий срок службы, независимость от магнитного дрейфа.

Магниторезистивные датчики применяются для:
• контроля перемещений объектов в робототехнике
• измерения слабых полей (системы навигации, компенсация поля Земли, электронные и цифровые компасы и т.д.)
• измерения частоты вращения (КПП, АБС, системы управления двигателем)
• измерения угловой координаты (например, для регулировки сидения, в посудомоечных машинах, в системах рулевого управления, для регулировки фаз и т.д.)
• построения бесконтактных датчиков тока с гальванической развязкой.

Датчики позволяют измерять самые слабые магнитные поля (от 30 мкГаусс) с последующим их преобразованием в выходное напряжение. В конструкции датчика могут быть объединены несколько мостовых схем, образуя, таким образом, двух- и трехосевые сенсоры.