Магниторезистивные датчики
Теоретические основы работы магниторезистора
Принцип действия магниторезистивных датчиков (магниторезисторов, магнитосопротивлений) основан на эффекте увеличения электрического сопротивления проводника или полупроводника при внесении его в магнитное поле с индукцией В.
Впервые магниторезистивный эффект был обнаружен Кельвином в 1856 году. Было доказано, что все вещества в той или иной мере обладают магнитосопротивлением, однако в металлах он проявляется значительно слабее (в 100-10 000 раз), чем в полупроводниках.
При размещении в магнитном поле магниторезистора с подключенным к нему источником тока на электроны действуют силы Лоренца, вызывающие отклонение движения носителей заряда от прямолинейного, искривляют его путь и, следовательно, удлиняют его (рис. 6.38). Такое удлинение равносильно изменению сопротивления магниторезистора. Этот эффект и называют эффектом магнитосопротивления или эффектом Гаусса.
Рис. 6.38. Иллюстрация эффекта Гаусса: а - при отсутствии магнитного поля;
б - при наличии поля
Длина пути электронов определяется взаимным положением векторов намагниченности поля и магнитного поля протекающего тока. Изменение угла между этими векторами изменяет и сопротивление датчика. Изменяя магнитную индукция поля или перемещая в этом поле сам резистор, можно изменять и активное сопротивление резистора.
Таким образом, по изменению активного сопротивления магниторезистора можно измерять перемещение (чаще угловое) магнита относительно магниторезистора (или наоборот, магниторезистора относительно магнита) при постоянной магнитной индукции поля либо измерять магнитную индукцию при неподвижном положении магнита относительно магниторезистора.
Рис. 6.39. Зависимости Rr/R0 =f(B) для разных магниторезисторов
Основными полупроводниковыми материалами для изготовления магниторезисторов являются антимонид индия InSt и арсенид индия InAs, антимонид никеля NiSb, размещаемые на кремниевой подложке - материалы с большой подвижностью носителей заряда. Наибольшее распространение для изготовления магниторезисторов получил эвтектический сплав InSb-NiSb, легированный теллуром. В России этот сплав известен под названием СКИН. Кроме того, нередко используется сплав пермаллой NiFe (20% железа, 80% никеля).
В зарубежных магниторезисторах используются аналогичные сплавы трех модификаций - L, D, N. Типичные зависимости отношения RB/R0 магниторезисторов, изготовленных из сплавов InSb-NiSb разных модификаций, от величины магнитной индукции управляющего поля показаны на рис. 6.39.
Точный механизм изменения сопротивления в зависимости от магнитной индукции довольно сложен, поскольку сопряжен с анализом большого числа разнообразных факторов, действующих одновременно. Кроме того, и сам этот механизм неодинаков для разных технологий, материалов, конструкций и типов приборов. Поэтому далее рассматривается упрощенная модель магниторезистора.
Как известно, магнитная индукция В является одной из фундаментальных характеристик магнитного поля, векторной величиной, определяющей силу, с которой поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу. Единицей измерения магнитной индукции является 1 Тл (Тесла) - индукция однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м2 с протекающим по ней током в 1 А, действует максимальный вращающий механический момент сил, равный 1 Н м.
Доказано, что при магнитной индукции до 0,3...0,5 Тл зависимость активного сопротивления RB магниторезистора от индукции В имеет вид
где Ra - значение активного сопротивления при индукции 5; Ra - значение активного сопротивления при индукции В = 0; а - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материала магниторезистора.
Выражая из этой формулы величину R, можно записать соотношение
Поскольку R0w а - постоянные величины, можно считать R0a = К, т.е.
При больших значениях индукции В зависимость становится практически линейной. Область перехода от слабых полей к сильным для реальных магниторезистивных элементов лежит в пределах 0,2...0,4 Тл.
Магниторезисторы могут применяться как для измерения магнитной индукции (при постоянном значении угла а), так и для измерения угла поворота (при постоянном значении индукции В).
Типичный магниторезистор выполняется в виде изоляционной подложки с наклеенным на нее слоем полупроводника (рис. 6.40), защищенного снаружи слоем лака. Подложка обеспечивает механическую прочность магниторезистора.
В зависимости от угла между направлением тока и вектором намагниченности изменяется сопротивление пленки. Это изменение зависит от направления намагниченности внутренних доменов слоя под воздействием внешнего магнитного поля. Под углом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальному значению сопротивления.
Рис. 6.40. К принципу работы магниторезистора
Приведенная ранее зависимость относительного сопротивления одиночного датчика от магнитной индукции (формула (6.16)) с учетом угла а поворота магнита принимает вид
Таким образом, если угол ос равен нулю, величина относительного сопротивления составляет
а направления векторов тока и магнитной индукции совпадают.
При увеличении угла а относительное изменение сопротивления уменьшается и достигает нулевого значения при а = 90°, когда векторы тока и индукции перпендикулярны относительно друг друга. При дальнейшем увеличении угла поворота вновь наблюдается увеличение AR/R0, но с противоположным знаком.
