Джойстик. Переделываем на датчики Холла. Физические основы работы магниторезисторов Контрольные вопросы и упражнения

МАГНИТОРЕЗИСТОРЫ

Цель работы: Ознакомиться с физическими принципами действия, технологией изготовления, конструкцией и применением магниторезисторов, исследовать их основные характеристики и параметры

Магниторезисторы (МР) – это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника (металла) при воздействии на него магнитного поля. МР используются в качестве магнитных датчиков электрического напряжения и тока, скорости и направления вращения, в устройствах считывания информации в ЭВМ, в вентильных электродвигателях, измерителях магнитного поля и т.д. МР обеспечивают практически идеальную механическую, электрическую, тепловую и т.п. развязку измерительных и управляющих цепей от объектов контроля. Они обладают быстродействием, чувствительностью, надежностью, малыми габаритами и энергопотреблением. В настоящее время известны монолитные и пленочные магниторезисторы.

Принцип действия монолитных МР основан на так называемом магниторезистивном эффекте. Как известно, в пластинке полупроводника, по которой протекает ток, в магнитном поле возникает ЭДС Холла (рис. 8.1.1)

Е х = K I B /b ,

где I – ток, протекающий вдоль пластинки, B – индукция магнитного поля, b -ширина пластины в направлении, перпендикулярном току, К=1/ne – коэффициент Холла, e и n соответственно – элементарный заряд носителей тока и их концентрация.

При установлении динамического равновесия между силой Лоренца и силой холловского электрического поля носители заряда, имеющие одинаковую скорость v будут двигаться по прямолинейным траекториям в направлении внешнего электрического тока , при этом вектор суммарного электрического поля направлен к вектору тока через полупроводник под некоторым углом φ. Угол Холла определяется формулой: tg φ = Е Х / Е = u B , где u- подвижность носителей заряда. При небольших магнитных полях и, следовательно, малых углах Холла φ ≈ u B .

При установлении динамического равновесия возникшая холловская напряженность электрического поля компенсирует действие силы Лоренца, и, следовательно, не происходит искривления траектории носителей заряда, имеющих одинаковую скорость v. Казалось бы, в таком случае сопротивление полупроводника не должно изменяться под действием магнитного поля.

В действительности носители в полупроводнике подчиняются определенному распределению скоростей. Поэтому носители со скоростью, превышающей среднюю скорость, и носители, имеющие скорость, меньшую по сравнению со средней, смещаются к разным точкам на боковой грани пластины полупроводника, поскольку на них действует различная по величине сила Лоренца. Таким образом, удельное сопротивление полупроводника в магнитном поле изменяется из-за искривления траектории носителей заряда, движущихся со скоростью, отличной от средней скорости.

Наибольший магниторезистивный эффект можно получить в полупроводнике такой формы и конструкции, при которой возникновение холловской напряженности электрического поля затруднено или вообще невозможно. Эти условия теоретически могут быть реализованы в пластинке полупроводника с бесконечно большими размерами в направлении, перпендикулярном напряженности внешнего электрического поля. В таком полупроводнике не происходит накопления носителей заряда на боковых гранях, не образуется ЭДС Холла, а траектория заряда отклоняется от направления внешнего электрического поля в направлении силы Лоренца (рис. 8.1.2). Вектор плотности тока совпадает по направлению со скоростью носителей заряда и поэтому оказывается сдвинутым относительно вектора напряженности внешнего электрического поля на угол Холла φ . Отклонение траектории носителей заряда в неограниченном полупроводнике равносильно уменьшению длины свободного пробега носителей заряда в направлении электрического поля на ,

здесь L 0 – длина свободного пробега носителей заряда при отсутствии магнитного поля, L ΄- проекция пройденного носителем заряда пути между двумя последовательными столкновениями при наличии магнитного поля, на направление внешнего электрического поля. При малых углах Холла cos φ можно разложить в ряд

cos φ = 1- φ 2 /2!+…,

тогда ΔL ≈ L 0 – L 0 + L 0 φ 2 /2 , и, следовательно, ΔL ≈ L 0 φ 2 /2.

Так как за время свободного пробега носитель заряда проходит в магнитном поле меньший путь вдоль электрического поля , то это эквивалентно уменьшению дрейфовой скорости и подвижности и, следовательно, удельной проводимости полупроводника., Относительное изменение удельного сопротивления при этом (ρ – ρ 0)/ρ 0 = ΔL/L 0 = u 2 B 2 /2 .

Для ограниченного по своим размерам кристалла полупроводника справедливо соотношение Δρ/ρ 0 =С u 2 B 2 , где С – коэффициент, зависящий от формы пластинки полупроводника.

В последнее время получили распространение пленочные МР, магниточувствительным элементом которых служит ферромагнитная пленка (сплав никеля с кобальтом или никеля и железа). В основе работы пленочных МР лежит анизотропный магниторезистивный эффект, заключающийся в том, что внешнее магнитное поле изменяет в ферромагнитном материале вероятность рассеяния электронов в различных направлениях, что, в свою очередь, приводит к изменению электрического сопротивления.

Магниторезистором называется полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого зависит от напряженности магнитного поля .

Принцип действия магниторезисторов основан на магниторезистивном эффекте, или эффекте Гаусса. Суть этого эффекта заключается в том, что при внесении проводника или полупроводника, по которому течет электрический ток, в магнитное поле меняется его сопротивление. Поскольку холловская напря­женность электрического поля, возникающая в полупроводнике с током при наличии магнитного поля, снижает магниторезистивный эффект, то конструкция магниторезистора должна быть та­кой, чтобы уменьшить или полностью устранить ЭДС Холла.

Наилучшей формой магниторезистора является диск Кобрино (рис. 1.8). При отсутствии магнитного поля ток в таком магниторезисторе проходит в радиальном направлении от центра диска ко вто­рому электроду, расположенному по периметру диска, или наоборот. Под действием магнитного поля носители заряда отклоняются в направлении, перпендикулярном радиусу. Так как не существует граней, на которых может происходить накопление за­рядов, то ЭДС Холла в таком магниторезисторе не возникает.

Относительное изменение удельного сопротивления диска Кобрино, изготовленного из полупроводника смешанной проводимости, определяется из выражения:

где ε – отношение подвижности электронов к подвижности дырок; ν – отношение концентрации электронов к концентрации дырок.

Другой конструкцией магниторе­зистора является пластинка полу­проводника, ширина которой много больше ее длины. Однако существенным недостатком магниторезистора такой конструк­ции является его малое сопротивле­ние, для увеличения которого приме­няют последовательное соединение нескольких магниторезисторов или нанесение на поверхность пластины полупроводника металлических полос. Каждая часть пластины полупроводника между двумя металли­ческими полосами представляет собой отдельный магниторезистор. Можно также считать, что металлические полосы выполняют роль шунтов, уменьшающих ЭДС Холла, возникающую на боко­вых гранях пластины полупроводника.

Основными полупроводниковыми материалами для магниторезис­торов служат антимонид индия InSb и арсенид индия InAs – материалы с большой подвижностью носителей заряда.

Эффект Гаусса максимален у полупроводниковых материалов с большими подвижностями носителей тока, но такие материалы обладают малым удельным сопротивлением, поэтому, чтобы повысить омическое сопротивление магниторезисторов, их необходимо делать в виде тонких нитей. Примером могут быть «висмутовые спирали» магниторезисторов, используемые для измерения сильных магнитных полей.

Основными характеристиками магниторезисторов являются: начальное сопротивление (R 0 = 0,1 – 8 Ом), чувствительность (R B /R 0) в поле с индукцией В = 10 кГс, диапазон рабочих температур , максимальный ток и максимальная рассеиваемая мощность .

Основной характеристикой магниторезистора является величина изменения сопротивления в магнитном поле или чувствительность (рис. 1.9). В слабых магнитных полях приращение сопротивления магниторезисторов пропорционально квадрату напряженности поля, а в сильных – линейно зависит от величины напряженности магнитного поля (H).

Магниторезисторы в зависимости от метода изготовления делятся на кристаллические и пленочные. Кристаллические магниторезисторы обладают следующими преимуществами: высокой чувствительностью и стабильностью, надежностью, простотой изготовления, большим сроком службы, большими токами нагрузки. Благодаря этим преимуществам кристаллические магниторезисторы получили более широкое распространение, чем пленочные.

Область применения

Существует много способов построения усилителей и генераторов на магниторезисторах. Характерной особенностью их является простота конструкций и возможность использования источников низкого напряжения. Кроме того, магниторезисторы используют при созда

Магниторезистор представляет собой полупроводниковый рези­стор, основное свойство которого заключается в способности изменять свое электрическое сопротивление под действием магнитного поля. Магниторезистивный эффект , или эффект Гаус­са, заключается в изменении удельной проводимости полупроводни­ка при изменении воздействующего на него магнитного поля. Пластина полупроводника помещается во внешнее поперечное магнитное поле, и вдоль нее пропускается ток. Действие силы Лорен­ца вызывает искривление траектории носителей заряда и приводит к удлинению пути, проходимого носителями между электродами, к ко­торым приложено внешнее электрическое поле, что эквивалентно воз­растанию удельного сопротивления полупроводника. Увеличение сопротивления полупроводника происходит и когда магнитное поле направлено перпендикулярно направлению протека­ния электрического тока, и когда направление магнитного поля параллельно направлению тока. В первом случае мы имеем дело с поперечным эффектом магнитосопротивления, получившем практическое применение. Второй случай носит название продольного эффекта магнитосо­противления. Практического применения он не нашел из-за слабого изменения сопротивления в магнитном поле. Магнитосопротивление можно определить как раз­ность между сопротивлением магниторезистора в магнитном поле Rв и без магнитного поля (начальное сопротивление). Начальное сопро­тивление R0 определяется материалом и используемой конструк­цией.К факторам, влияющим на магнитосопротивление, относятся гео­метрия полупроводниковой пластины, концентрация и подвижность носителей

Установлено, что магнитосопротивление увеличивается при умень­шении отношения длины пластины к ее ширине. Чем длиннее путь но­сителя заряда в полупроводнике без соударений с другими частица­ми, тем больший поток носителей отклоняется. Это означает, что под­вижность электронов в полупроводнике играет важную роль для повышения сопротивления. Поэтому при использовании магниторезистивного эффекта чаще всего применяют материалы, характеризующиеся высокой подвижностью электронов.

Одной из основных характеристик магниторезистора является за­висимость RB=f(В). Эта зависимость (рис. 7) при малой магнит­ной индукции квадратична относительно В, а при больших линейна.

Характеристики магниторезистора сильно зависят от температу­ры.

Зависимость сопротивления магниторезисторов от индукции внеш­него магнитного поля при различных температурах окружающей сре­ды приведены на рис. 9. Как видно из рисунка, при увеличении ин­дукции от 0 до 1T сопротивление при нормальной температуре изме­няется приблизительно в 6-12 раз. Поэтому при использовании маг­ниторезисторов в широком интервале температур необходимо предус­матривать температурную компенсацию их характеристик.

Магниторезисторы применяются преимущественно в измерительной технике; для измерения магнитной индукции, мощности, в качестве ана­лизатора гармоник. Магниторезисто­ры находят применение также в схе­мах удвоения частоты, преобразова­телей постоянного тока в перемен­ный, в схемах усилителей и генера­торов.

Магниторезисторы применяются также в качестве чувствитель­ных элементов бесконтактных переключателей, датчиков линейных перемещений, бесконтактных потенциометров и во многих других об­ластях электронной техники.

Основными метрологическими характеристиками магниторезисторов являются начальное сопротивление R0, которое лежит в пределах от долей ома до десятков килоом, и магниторезистивная чувствительность SB=dR/dB. Обычно для характеристики магниторезистивных преобразователей используют зависимости ∆RB/R0=F(B), где ∆RB=RB-R0. Температурный коэффициент сопротивления магниторезисторов (ТКС) зависит от состава материала, магнитной индукции и температуры. Чем больше чувствительность магниторезистора, тем больше его ТКС. Значения ТКС различных типов магниторезисторов имеют пределы 0,0002-0,012 К-1.

Рис. 1. Схемы подключения магниторезисторов к источнику питания и нагрузке, а - одиночный с Rн; б - дифференциальный (полумост); в - дифференциальный в мостовую схему; г - магниторезисторный мост.

Для компенсации термической нестабильности одиночного магниторезистора можно использовать специально подобранный (по ТКС) терморезистор, который включается вместо резистора нагрузки Rн (рис. 1а).
Наилучшие результаты дает использование дифференциальных магниторезисторов (рис. 1б, в) и магниторезисторных мостов (рис. 1г).
Для усиления и первичной обра6отки сигнала, «снимаемого» с магниторезистора, могут использоваться различные электронные схемы, выполненные на транзисторах (рис. 2.) или интегральных микросхемах (рис. 3, 4). На рис. 2.а приведена схема входного каскада магнитоэлектронного устройства, выполненного на магниторезисторе.

Рис. 2. Схемы включения магниторезистора в транзисторный каскад.

При воздействии на магниторезистор R1 внешнего магнитного поля сигнал на выходе цепочки R1 - R2 изменяется пропорционально изменению напряженности магнитного поля и в пределах линейного участка входной характеристики транзистора VT1. Режим работы транзистора устанавливается резистором R2. В данной схеме используется транзистор с максимально возможным статическим коэффициентом передачи тока (более 200).
Схема (рис. 2б) дополнена ключевым каскадом на транзисторе VT2, погруженным на реле К1.
Для усиления сигнала магниторезисторов при создании современных магнитоэлектронных устройств наиболее целесообразно применять ИС операционных усилителей, включаемых по схеме преобразователей типа «сопротивление-напряжение» (ПСН).
В составе высокочувствительных магнитоэлектронных устройств наиболее эффективно применение малошумящих интегральных инструментальных усилителей типа АМР-04 и АМР-01 (фирма Analog Devices) или INA118P (фирма BurrBrown).
Повышение термостабильности магнитоэлектронных устройств обеспечивается использованием специальных схем терморегулирования и питания от источника переменного тока.
На рис. 3а в качестве примера приведены схемы питания и термостабилизации режима работы тонкопленочного магниторезистора типа GMR Сб. При этом усиление сигнала может осуществляться усилителем, схема которого приведена на рис. 3б.

Рис. 3. Схемы питания и термостабилизации режима тонкопленочного магниторезистора типа GMR C6 с применением: а - позистора; б - усилителя сигнала.

При величине резистора R6 = 5К коэффициент усиления такой схемы составляет примерно 18.

На рис. 4 и 5 даны простейшие схемы подключения магниторезисторов к операционным и инструментальным усилителям.

Рис. 4. Схема усиления сигнала тонкопленочного магниторезисторного моста, рекомендованная фирмой Siemens A. G.

Рис. 5. Схема включения дифференциального «монолитного» магниторезистора, рекомендованная фирмой Siemens A. G.

На рис. 5 приведена схема включения дифференциального «монолитного» магниторезистора, предназначенная для работы в устройстве контроля скорости вращения зубчатого колеса.
На рис. 6 дана схема включения тонкопленочного магниторезистора типа KMZ10, предназначенная для регистрации слабых магнитных полей.

Рис. 6. Схема включения тонкопленочного магниторезистора типа KMZ10, предназначенная для регистрации слабых магнитных полей.

Схема, показанная на рис. 6, обеспечивает следующие возможности:

компенсацию дрейфа чувствительности в зависимости от температуры через петлю обратной связи, которая включает в себя терморезистор типа KTY 83-110;

регулировку смещения при помощи резистора R8;

регулировку чувствительности схемы при помощи многооборотного резис- тора R4.

Схема, приведенная на рис. 7, может использоваться как в линейном (DA1 функционирует в качестве усилителя напряжения), так и в «цифровом» (DA1 используется в качестве компаратора) режимах. Режимы работы устанавливаются подстроечными резисторами R1 и R2.

Рис 7. Схема включения тонкопленочного магниторезисторного моста НМС1001, рекомендованная фирмой Honeywell.

Магниторезисторы – это резисторы переменного сопротивления, величина которого зависит от напряженности приложенного магнитного поля.

Магниторезистор представляет собой пластинку полупроводника, на поверхность которого нанесены металлические полосы (рис. 7.14). Каждая часть пластины полупроводника между двумя металлическими полосами представляет собой отдельный магниторезистор. Металлические полосы выполняют роль шунтов, уменьшающих ЭДС Холла, возникающую на боковых гранях пластинки полупроводника.

Основным полупроводниковым материалом для магниторезисторов является антимонид индия InSbи арсенид индияInAs– материалы с большой подвижностью электронов (7,6 м 2 /(В·с) и 3,3 м 2 /(В·с) соответственно). Отечественной промышленностью серийно изготавливаются магниторезисторы типаMR, СМ. Их характеристики: номинальное сопротивление 50…220 Ом, рассеиваемая мощность 0,15…0,25 Вт.

Магнитодиоды (рис. 7.15,а ) – это диоды с толстой базой, сопротивление которой увеличивается в поперечном магнитном поле в результате уменьшения подвижности основных и неосновных носителей заряда, как и в обычном магниторезисторе. Увеличение сопротивления базы диода с толстой базой может быть связано также с уменьшением времени жизни неосновных носителей, если из-за искривления траектории движения неосновные носители будут достигать поверхности базовой области, где велика скорость их рекомбинации. В качестве материала для изготовления магнитодиодов обычно используется монокристаллический германий или кремний, имеющие достаточно большую подвижность носителей заряда. Прямые ветви ВАХ германиевого магнитодиода в магнитных полях с различной магнитной индукцией показаны на рис. 7.15,б .

Для оценки чувствительности магнитодиода к магнитному полю, по аналогии с преобразователями Холла, используют вольтовую чувствительность, выражение для которой задается в виде

, В/ (Тл·А), (7.29)

где ΔU – изменение напряжения на магнитодиоде при внесении его в магнитное поле,В;I пр – значение прямого тока, А;В – значение магнитной индукции, Тл.

Вольтовая чувствительность магнитодиодов может быть значительно выше вольтовой чувствительности преобразователей Холла из того же материала.

М
агниторезисторные датчики. Анизотропные магниторезисторные (АМР) датчики представляют собой специальные резисторы, сделанные из тонкой пермаллоевой пленки, помещенной на кремниевую пластину (рис. 7.14). При их производстве пленка помещается в сильное магнитное поле для ориентации магнитных областей в одинаковом направлении, определяя тем самым направление вектора намагничивания. Затем, при попадании во внешнее магнитное поле, перпендикулярное пленке, вектор намагничивания начинает вращаться или изменять угол. Это, в свою очередь, меняет сопротивление пленки. Преобразователь магнитного поля состоит из четырех тонкопленочных магниторезисторовR 1- R 4 (рис. 7.16), соединенных в мостовую схему.

Изменения сопротивлений магниторезисторов в смежных плечах мостовой схемы противоположны по знаку при воздействии магнитного поля одной полярности (знак изменения сопротивлений на рис 7.16 условно изображен символами «+» и «-»). При этом величина изменения сопротивления плеч зависит как от значения и полярности индукции воздействующего поля, так и от угла между вектором индукции В и плоскостью магниточувствительного элемента. Изменение сопротивления можно обнаружить по изменению выходного напряженииU вых, а потом вычислить силу воздействующего магнитного поля. Таким образом, преобразователь обладает координатной чувствительностью относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей.

Магниторезисторные датчики миниатюрны по размеру и размещаются на подложке с габаритами около 5×4,5 мм. Относительная магнитная чувствительность магниторезисторных датчиков составляет 1…27 (мкВ/В)/(А/м); напряжение питания U п = 5…10 В при токе потребления не более 10 мА. Такие маломощные датчики могут выпускаться либо отдельно, либо встроенными в другие изделия. При правильной калибровке электронные компасы на магниторезисторных датчиках могут достигать точности, превышающей один градус. Встроенные компасы в некоторых GPS приемниках основаны именно на данной технологии.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Объясните сущность эффекта Зеебека.

2. Перечислите составляющие термоЭДС.

3. Как устроена термобатарея?

4. Объясните принцип действия теплового насоса.

5. Причины появления эффекта Томсона.

7. Выведите выражение для эдс Холла.

8. Устройство и основные параметры преобразователя Холла.

9. Что такое вольтовая чувствительность преобразвателя Холла?

10. Объясните принцип работы биполярного магнитотранзистора.

11. В чем заключается магниторезистивный эффект?

12. Что такое угол Холла и от чего он зависит?

13. Какую конструкцию должны иметь магниторезисторы?.

14. Какие диоды можно использовать в качестве магнитодиодов?

Контакты

Нейтральные 215

Коэффициент

Пельтье 219

Холла 225

Лоренца, сила 224

Магнитодиод 231

Магниторезистор 230

Магниторезисторный датчик 232

Магнитотранзистор 228

Тепловой 221

Преобразователь Холла 226

Термобатарея 216

ТермоЭДС 216

Угол Холла 229

Зеебека 216

Магниторезистивный 228

Пельтье 219

Томсона 222