Преобразователи на эффекте Гаусса

Принцип действия магниторезистивных преобразователей основан на изменении внутреннего сопротивления проводника или полупроводника в магнитном поле вследствие изменения эквивалентной подвижности носителей заряда за счет искривления их траекторий движения. Для полупроводников с одним типом носителей заряда относительное изменение удельного сопротивления имеет вид [6, 17]:

, (56)

где и — удельное сопротивление материала полупроводника соответственно при отсутствии поля () и наличии поля (); — подвижность носителей заряда; — коэффициент, лежащий в пределах от 1 до 2.

В слабых магнитных полях до , когда и , зависимость имеет квадратичный характер. В более сильных полях, для которых и лежит в пределах от 1 до 2, зависимость приобретает линейный характер и в сильных полях становится практически линейной.

Полному проявлению эффекта магнитосопротивления препятствует эффект Холла за счет компенсации силы Лоренца электрическим полем Холла. Поэтому конструкции магниторезисторов выполняются так, чтобы снижалось действие поля Холла.

По конструктивному исполнению магниторезисторы изготовляются в основном трех видов (рис. 36): в виде диска Корбино (рис. 36,а), в виде прямоугольных пластинок с поперечными пропайками (рис. 36,б), в виде простой решетки типа меандра (рис. 36,в) или решеток более сложных форм, вид которых определяется условиями эксплуатации [2, 5, 6, 9].

Достоинство магниторезисторов в виде диска Корбино состоит в том, что при протекании тока через диск в радиальном направлении поле Холла практически отсутствует и, следовательно, эффект изменения сопротивления в магнитном поле проявляется наиболее полно.

Рис. 36. Конструкции магниторезисторов

 

У магниторезисторов в виде прямоугольных пластинок или в виде меандра эффект магнитосопротивления проявляется не так сильно, как у дисков Корбино, что объясняется наличием поля Холла. Достоинство данных магниторезисторов - более высокое омическое сопротивление, достигающее сотен и тысяч , в то время как сопротивление дисков Корбино составляет .

Численное значение относительного изменения сопротивления в магнитном поле , определяющее чувствительность преобразователя, колеблется в широких пределах в зависимости от природы и чистоты металла или полупроводника.

Для изготовления магниторезисторов используются соединения индия и , а также эвтектический сплав . Из этих материалов наиболее перспективным считается сплав , у которого отношение достигает при изменении индукции от 0 до , а в более широком диапазоне изменения индукции от 0 до отношение достигает 11.

Существенным недостатком магниторезисторов является значительная зависимость их параметров от температуры. Причем ТКС обычно отрицателен и имеет нелинейную зависимость, как от значения температуры, так и от значения индукции [6].

Нагрузочная способность магниторезисторов определяется максимально допустимой температурой, которая не должна превышать [17]. В паспортных данных магниторезисторов приводится значение мощности, которую может рассеять магниторезистор без теплоотвода (в среде неподвижного воздуха) и с теплоотводом. Значение сопротивления магниторезисторов не зависит от частоты магнитного поля вплоть до сотен МГц, и они почти не подвержены явлениям старения.

Порог чувствительности магниторезисторов ограничен аддитивным шумом, который определяется главным образом нескомпенсированным остатком термо-ЭДС и напряжением шумов, которые имеют те же составляющие, что и шумы в преобразователях Холла. Магниторезисторы применяются для измерения индукции постоянных и переменных магнитных полей; они особенно эффективны в диапазоне , где имеют достаточно линейную градуировочную характеристику. В качестве измерительных схем используются обычно мостовые схемы. Погрешность тесламетров при использовании магниторезисторов составляет .

Магниторезисторы используются и в качестве чувствительных элементов компараторов магнитной индукции. Они находят также применение в ряде других устройств, особенно там, где требуются бесконтактные резистивные преобразователи [8, 17].

Преобразователи на анизотропном магниторезистивном эффекте.
AMR - преобразователи

Аббревиатура AMR переводится как анизотропный магниторезистор. В отечественной литературе эту аббревиатуру иногда пишут кириллицей, т.е. АМР. Мы будем использовать более часто употребляемый вариант AMR.

Впервые магниторезистивный эффект в ферромагнитном металле был замечен английским ученым У. Томпсоном (лорд Кельвин) в 1856 году. Лишь спустя более 100 лет его открытие, благодаря освоению тонкопленочной технологии, стали широко использовать в датчиках МП [24].

Магниторезистивные датчики представляют собой ферромагнитную [никель-кобальтовую (Ni-Co), никель-железную (Ni-Fe) или из других сплавов] тонкую пленку, размещенную на изоляционной (чаще из кремния, реже из стекла и ситалла) подложке, в форме полоски, обладающую определенным электрическим сопротивлением. Свойства пленки таковы, что под воздействием внешнего МП ее электрическое сопротивление изменяется в пределах 2–3 %.

Изготовление чувствительного элемента в виде тонкой пленки дает два основных преимущества в сравнении с монолитными магниторезисторами: сопротивление резистора достаточно высоко и датчик имеет одноосную анизотропию. Анизотропия проявляется в том, что ферромагнетик пленки ведет себя подобно единственному домену, который под воздействием внешнего МП поворачивается вокруг своей оси в плоскости датчика, из-за чего датчик наиболее чувствителен к полю, линии индукции которого параллельны плоскости пленки.

В процессе изготовления магниточувствительной пленки ее располагают в сильном МП, которое устанавливает предпочтительную ориентацию или ось легкого намагничивания вектора в магниторезисторе (рис. 37,а). На рисунке вектор «установлен» параллельно длинной стороне резистора. Он может быть «установлен» в пленке в любом направлении: прямом или противоположном.

Предположим, что в пленке протекает ток под углом к длине пленки (рис. 37,а). При отсутствии внешнего МП () такой же угол существует между током и вектором намагниченности пленки . Электрическое сопротивление магниточувствительной пленки связано с углом , вектором в пленке и протекающим через пленку током следующим соотношением:

Рис. 37. Пояснение AMR эффекта

, (57)

где и — параметры, зависящие от свойств материала, из которого изготовлен магниточувствительный слой датчика. Из формулы видно, что магнитосопротивление является наибольшим, когда ток течет параллельно вектору .

Под воздействием внешнего МП напряженностью (рис. 37,б), приложенного нормально к длинной стороне пленки, вектор намагниченности поворачивается и изменяется угол . Это приводит к уменьшению магнитосопротивления согласно формуле (57).

Рис. 38. Зависимость от AMR датчика

Зависимость сопротивления от угла представлена на рис. 38. Эта зависимость является симметричной относительно угла и она нелинейная. Линейная область имеется только в окрестности углов .

Для того чтобы датчик работал в линейной области, необходимо обеспечить протекание тока в отсутствие внешнего МП под углом или относительно вектора намагниченности . Метод, реализующий протекание тока под углом 45º в пленке, называют «Barber pole» [23, 24].

Рис. 39. Пояснение метода «Barber pole»

Суть метода поясняется рис. 39 и заключается в нанесении алюминиевых полос 1 под углом 135° относительно вектора намагниченности поверх ферромагнитной полоски 2. Ток в данном проводнике течет от левого до правого края пленки по пути наименьшего сопротивления. Поскольку ферромагнетик 2 имеет намного худшую проводимость, чем алюминий, то ток проходит через него по кратчайшему пути, т.е. под углом 45° относительно вектора .

Рис. 40. Пояснения к зависимости от

Предположим что, датчик изготовлен таким образом, что его ось легкого намагничивания имеет направление вдоль длинной стороны датчика, т.е. имеет направление с осью x 0° или 180° (рис. 40).

Направление тока образует с осью угол в 45°. Под воздействием внешнего МП напряженностью , вектор намагниченности поворачивается на угол . Тогда угол , от которого и зависит сопротивление датчика (57), будет равен

. (58)

Величину угла можно определить из выражения

, (59)

где — значение вектора напряженности ферромагнетика пленки. Эту величину можно рассматривать как постоянную величину для конкретной пленки. Ее значение можно найти как , где — напряженность поля кристаллической анизотропии (эта величина является константой для выбранного материала пленки) и — размагничивающее поле (п. 1.6), зависящее от геометрических размеров тонкой пленки.

Зная размагничивающий фактор , а также учитывая, что пленку намагничивают до насыщения (»1 Тл), можно определить размагничивающее поле ( — магнитная постоянная). Для тонкой пленки размагничивающий фактор равен , где и — толщина и ширина пленки соответственно. Тогда .

Необходимо учитывать что , тогда формула (59) примет вид

при и при , (60)

где фактически определяет диапазон измерения АМR датчика.

Используя тригонометрические формулы приведения, можно показать, что . Учитывая эту формулу, а также (57), (58) и (60), окончательно получаем выражение для сопротивления магниторезистора в зависимости от внешнего МП :

при и

при . (61)

Если внешнее поле направлено не перпендикулярно к длинной стороне пленки, то в формуле (61) необходимо подставить значение проекции этого поля на ось .

Одиночные АМR резисторы выпускаются редко. Это связано с тем, что одиночным АМR датчикам присущи недостатки: 1) они не чувствительны к знаку угла между направлением измеряемого МП и направлением наибольшей чувствительности датчика, т.е. между напряженностью и осью (рис. 40); 2) их сопротивление сильно зависит от температуры; 3) они имеют плохую повторяемость параметров при серийном производстве. Поэтому интегральные АМR датчики выпускаются с магниторезисторами, включенными по мостовой схеме.

Топология мостового АМR датчика показана на рис. 41,а. Здесь 1 — ферромагнитная магниточувствительная пленка, 2 — алюминиевые полоски, создающие эффект «Barber pole», — ось легкого намагничивания (ось максимальной магниточувствительности), выводы и — выход мостовой схемы, и — контакты для подачи напряжения питания моста. Эквивалентная электрическая схема моста изображена на рис. 41,б.

Рис. 41. Мост AMR и его эквивалентная схема

Методом «Barber pole» направление тока в ферромагнитной пленке магниторезисторов организовано так, как показано на рис. 41,а (мелкими стрелками). Под воздействием внешнего МП , имеющего направление, показанное на рис. 41,а, изменяется направление вектора намагниченности , а также изменится угол между и направлениями токов в 4-х магниторезисторах. Причем в резисторах и этот угол уменьшится, а в и увеличится. Это приведет к увеличению сопротивлений , и уменьшению сопротивлений и , из-за этого разность потенциалов между и будет отрицательна. При другом направлении измеряемого поля эта разность будет положительна. Таким образом, рассматриваемая мостовая схема чувствительна к направлению МП.

Как отмечалось выше, AMR сопротивления имеют сильную зависимость от температуры. В мостовых AMR датчиках эти резисторы расположены на одной общей подложке и имеют одинаковый температурный режим работы, из-за чего изменение температуры не вызывает появление значительного напряжения на выходе моста.

У AMR резисторов от температуры изменяется не только сопротивление, но и чувствительность, т.е. , где — изменение сопротивления в зависимости от изменения напряженности МП на величину D H, — номинальное значение магнитосопротивления. С ростом температуры чувствительность уменьшается. Для уменьшения этой зависимости последовательно с двумя магниторезисторами разных плеч мостовой схемы (например, с резисторами и на рис. 41,б) включают терморезистор с отрицательным ТКС. Существуют интегральные AMR датчики с уже встроенными терморезисторами [23]. Если к выходу мостовой AMR схемы подключен усилитель, коэффициент усиления которого с ростом температуры увеличивается на заданную величину, то это также снижает температурную зависимость чувствительности датчика.

Кроме температурной погрешности у AMR датчиков существует погрешность, связанная с внешним мешающим МП. Если это поле значительно, то оно может изменить начальную намагниченность ферромагнитной пленки. Последнее является критическим для магниторезисторов, так как изменяются все его основные параметры.

Чтобы восстановить необходимую намагниченность , необходимо к AMR магниторезистору приложить сильное МП вдоль длины пермаллоевой пленки (оси легкого намагничивания). Тогда за несколько десятков наносекунд намагниченность резистора восстановится. Восстановятся и все основные параметры датчика. В этом состоянии намагниченность резистора может сохраняться в течение многих лет, пока нет сильного возмущающего МП.

Рис. 42. Перемагничивание AMR датчика

Перемагничивание осуществляют, разместив магниторезисторы внутри катушки, как, например, показано на рис. 42. При пропускании импульса тока (несколько ампер) через катушку создается МП (около 10 мТл) и восстанавливается вектор намагничивания . При пропускании тока через катушку в другом направлении можно «переустановить» вектор противоположно. В нижней части рис. 42 показано, какое направление тока нужно выбрать, чтобы установить намагниченность в том или ином направлении. Кривые коэффициента передачи моста в зависимости от направления намагниченности показаны на рис. 43, из которого следует, что коэффициент передачи моста меняет знак соответственно направлению вектора . Промышленностью выпускаются AMR датчики, в которых катушка перемагничивания расположена непосредственно на его кристалле [24].

Рис. 43. Напряжение смещения

При измерении величины МП может возникнуть погрешность, вызванная напряжением смещения моста. На рис. 43 показано напряжение при отсутствии внешнего МП. В точке пересекаются кривые, соответствующие разному направлению вектора намагниченности , хотя в идеальном случае пересечение должно происходить в центре координатных осей. Причиной наличия является технологическая неточность изготовления резисторов моста. Напряжение смещения может быть устранено несколькими способами.

Первый способ заключается в ручной регулировке напряжения смещения с помощью дополнительного резистора, включенного параллельно одному из плеч моста. Резистором устанавливают нулевое напряжение на выходе моста при отсутствии внешнего МП, т.е. при . Для этих целей может быть использован магнитный экран. Данный способ считается трудоемким, так как для каждого датчика требуются включение дополнительного резистора и его регулировка.

Во втором способе напряжение смещения исключают с помощью вспомогательной катушки, которая создает дополнительное МП в направлении чувствительной оси моста. Меняя ток через катушку, добиваются нулевого напряжения на выходе моста, добавляя или вычитая поле, соответствующее напряжению смещения. В качестве катушки можно использовать рассмотренную выше катушку перемагничивания. Однако этот способ требует дополнительного источника стабильного тока.

Рис. 44. Устранение напряжения смещения

В третьем способе [23, 24] перед измерением МП импульсом тока , пропускаемым через катушку AMR датчика, исходно «устанавливают» вектор намагниченности (рис. 44). Следующим этапом производят измерение МП и запоминают напряжения на выходе моста . Далее импульсом тока вектор намагниченности «переустанавливают» в противоположное направление и напряжение с выхода моста запоминают. В результате получают значения двух напряжений и их разности, пропорциональные напряженности измеряемого поля :

,

где — чувствительность AMR моста.

В последнем выражении величина скомпенсирована, а значение измеряемого поля удвоено. Основное преимущество метода состоит в том, что устраняется температурный дрейф нулевого уровня моста и следующего за ним усилителя. Из рассмотренных способов этот наиболее эффективен и прост.

Верхний предел полосы пропускания AMR датчиков ограничен значением 1…5 МГц, которое определяется частотой перемагничивания магниторезисторов и параметрами катушки намагничивания.

AMR датчики широко используются: в считывающих головках магнитных дисков высокой плотности (например, в HDD и FDD), в автомобилестроении для измерения скорости вращения колес и определения положения коленчатого вала, навигационных компасах, для определения величины и направления индукции МП Земли и т.д.

Высокая чувствительность, широкая полоса пропускания, небольшой размер, невысокая стоимость и надежность существенно выделяют AMR датчики среди других. В настоящее время основными производителями AMR датчиков являются фирмы Nonvolatile Electronics, Philips и Honeywell.

Преобразователи на гигантском магниторезистивном эффекте.
GMR - преобразователи

Явление GMR (гигантского магнитосопротивления) было открыто во Франции (1988) при исследовании свойств сверхтонких многослойных структур, состоящих из чередующихся слоев ферромагнитного и немагнитного металлов [21, 22]. Было замечено значительное изменение электрического сопротивления таких структур под воздействием внешнего МП. Это изменение сопротивления может достигать 10–20 %, для сравнения в AMR датчиках магнитосопротивление изменяется на 2–3 %. Отсюда и название GMR (Giant Magnetoresistor), которое позволяет отличать их от AMR.

Рис. 45. Структура GMR датчика

На рис. 45,а показано устройство простейшего GMR датчика [21]. Он состоит из тонких ферромагнитных (Fe, Co) пленок 1 и немагнитной (Cu, Ag) прослойки 2. Толщина каждого слоя составляет несколько сотен нанометров. Минимально возможное число слоев, при котором наблюдается эффект, составляет три - два ферромагнитных слоя, разделенных немагнитной прослойкой. В датчиках многослойный материал обычно изготавливают в виде узких полос шириной в несколько микрон. Электрическое сопротивление между крайними ферромагнитными пластинами является выходным параметром GMR датчика.

Если границы раздела между слоями абсолютно гладкие и плоские, верхняя и нижняя пластины намагничены в противоположные стороны (на рис. 45,а направление намагниченности показано стрелками), то ферромагнитные слои притягиваются друг к другу и это состояние стабильно.

При помещении такой многослойной структуры в МП с напряженностью (рис. 45,б) в ферромагнитных слоях возникает противоречивая ситуация: взаимодействие между слоями стремится ориентировать намагниченности антипараллельно, а внешнее МП ориентирует их только в одном направлении, то есть стремится создать параллельную ориентацию. В результате угол между намагниченностями соседних ферромагнитных слоев с ростом напряженности МП постепенно изменяется от 180° (при ) до 0° (при достижении поля насыщения ), а сопротивление многослойной структуры падает до 20 %. Обычно изменение GMR сопротивления от напряженности МП выражают в относительных единицах или процентах

, (62)

где и — сопротивление датчика при нулевом МП и насыщающем поле с напряженностью соответственно. На рис. 45,б отражена ситуация, когда внешнее МП полностью переориентировало намагниченность нижней пластины. При направлении внешнего поля противоположно показанному на рис. 45,б сопротивление датчика будет также изменяться, но намагничиваться слои будут в противоположную сторону. Т.е. GMR датчик не чувствителен к знаку измеряемого МП. Типичная зависимость магнитосопротивления от напряженности МП приведена на рис. 46.

Величина GMR эффекта падает по мере роста толщины немагнитной прослойки и становится практически несущественной при толщине»1 мкм. Внешнее поле, направленное перпендикулярно к слоям датчика, вызывает совсем небольшое изменение сопротивления. Поэтому GMR датчики наиболее чувствительны к компоненте МП, направленной вдоль длины ферромагнитной пленки.

Рис. 46. Зависимость от GMR датчика

Приведем теперь качественную модель, объясняющую наблюдаемые явления. Проводимость между ферромагнитными слоями GMR датчика осуществляется через обменное взаимодействие электронов проводимости прослойки, так называемое взаимодействие Рудермана-Киттеля-Касуйа-Иосиды. Так как каждый ферромагнитный слой датчика намагничен в определенном направлении, то и спины электронов ориентированы преимущественно в одном направлении. Поэтому все электроны можно разделить на две группы: к первой принадлежат электроны большинства, у которых спин ориентирован в преимущественном направлении, а ко второй - электроны меньшинства, у которых спины ориентированы в противоположном направлении.

Рассмотрим GMR датчик, состоящий из двух одинаковых ферромагнитных и одного немагнитного слоев (рис. 45). В процессе своего движения электрон переходит из одного ферромагнитного слоя в другой. В каждом слое электроны большинства и электроны меньшинства имеют разное время свободного пробега и соответственно. Из-за этого обменное взаимодействие возможно только между электронами большинства каждой из ферромагнитных пластин, а также электронами меньшинства каждой из пластин. Будем считать, что количество электронов большинства каждой из пластин одинаково (или разность невелика) и равно также количеству электронов меньшинства пластин.

Если намагниченности ферромагнитных слоев параллельны (как на рис. 45,б), то электроны большинства первого слоя являются таковыми и во втором. Поскольку электроны переходят из слоя в слой, их вклад в электропроводность можно оценить как в случае последовательного соединения резисторов (эквивалентная схема на рис. 47,а): ,где и — сопротивление, создаваемое электронами большинства в ферромагнитном слое, и сопротивление прослойки соответственно. Аналогично, для электронов меньшинства: .

Рис. 47. Эквивалентная схема GMR датчика

Тогда полное сопротивление датчика для случая параллельно ориентированных намагниченностей находится как параллельное соединение и

. (63)

Если же намагниченности слоев антипараллельны (как на рис. 45,а), то электроны большинства в первом слое являются электронами меньшинства во втором. Для этого случая (эквивалентная схема на рис. 47,б) получаем

. (64)

Так как антипараллельную намагниченность ферромагнитные слои имеют при отсутствии МП (), а параллельную при напряженности поля , с учетом формул (62)–(64) получаем величину максимального изменения GMR сопротивления

.

Лучшие характеристики у GMR датчиков достигаются при мостовом включении. Мостовая схема собирается из четырех идентичных магнитосопротивлений, два из которых — активные элементы. Два других резистора помещены в магнитные экраны (резисторы покрыты слоем пермаллоя), защищающие их от внешнего МП. Так как все резисторы изготовлены из однотипного материала, то они имеют одинаковый температурный коэффициент. Воздействию внешним полем подвержены, таким образом, только активные резисторы [21].

Рис. 48. Эквивалентная схема датчика

Пермаллоевый экран также действует как концентратор МП для активных магниторезисторов. Активные резисторы, помещенные в промежуток между двумя экранами (концентраторами поля), испытывают воздействие поля, которое больше, чем внешнее МП, приблизительно в раз (рис. 48), где — длина одного концентратора, а — зазор между концентраторами. На рис. 48 магниторезисторы и помещены в экран, а и являются активными резисторами. Изменяя геометрические размеры магнитного концентратора, можно откорректировать чувствительность датчика. Так, например, на основе GMR резисторов, насыщающихся при напряженности МП , можно изготовить датчики с диапазоном измерения 1 кА/м, 2 кА/м и 5 кА/м.

Если изменять внешнее поле периодически, то у GMR датчика будет наблюдаться типичная гистерезисная зависимость . Причем чем большее МП было приложено, тем больше гистерезис (рис. 49). При работе датчика в МП с напряженностью, меньшей чем , гистерезис почти не заметен.

Рис. 49. Гистерезис GMR датчика

Преимуществами GMR датчиков являются: небольшой размер, малая потребляемая мощность, температурная стабильность и низкая цена. К недостаткам GMR устройств можно отнести невысокую точность, гистерезис в характеристике датчика и нечувствительность датчика к знаку измеряемого поля.

GMR датчики широко используются для измерения слабых МП. Их небольшой размер позволяет измерять МП очень маленьких объектов, а также измерять распределение МП с высокой разрешающей способностью. Эти датчики используют в автономных устройствах с батарейным питанием. GMR устройства используют для бесконтактного измерения тока, а также как датчики скорости и датчики положения. GMR датчики применяются в различных областях медицины для обнаружения слабых МП при контроле различных физиологических процессов. Например, нервные импульсы — импульсы тока, можно регистрировать посредством создаваемых ими МП. Это более удобно и надежно, чем подключение электродов к пациенту.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: