Магниторезисторы.



В последние годы появилось множество новых типов резисторов, принцип действия которых отличается от принципа действия классического резистора. Одним из таких типов резистора стал магниторезистор.

Магниторезистор - это электронный компонент, резистор, сопротивление которого изменяется под действием внешнего магнитного поля. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает этот эффект и вещество переходит в нормальное состояние, в котором наблюдается сопротивление. В нормальных металлах эффект магнетосопротивления выражен слабее. В полупроводниках относительное изменение сопротивления может быть в 100—10 000 раз больше, чем в металлах, и может достигать сотен тысяч процентов.

Магниторезисторы характеризуются такими параметрами, как магнитная чувствительность, номинальное сопротивление, рабочий ток, термостабильность и быстродействие, диапазон рабочих температур.

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 типового монолитного магниторезистора представлено на рисунке 1.

Конструкция монолитного магниторезистора

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. 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.

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 (рисунок 2). 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.

Зависимость магнитной чувствительности от индукции управляющего магнитного поля при различной температуре

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 и т.д.

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, 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. Обычно в паспорте на прибор указывается рабочий диапазон, в котором возможна эксплуатация.

Пленочные магниторезисторы получили распространение лишь в последние годы. Магниточувствительный элемент таких приборов изготовлен из ферромагнитных пленок (ФМП), использующих анизотропный магниторезистивный эффект. Максимальное значение магнитосопротивления тонкопленочных магниторезисторов соответствует нулевому внешнему магнитному полю, то есть при воздействии магнитного поля сопротивление такого МЧЭ уменьшается.

Конструкция магниторезисторов из ФМП не отличается от конструкций других разновидностей магниторезисторов, за исключением того, что МЧЭ изготовлен по специальной тонкопленочной технологии. Напыление магниточувствительного слоя, как правило, происходит при воздействии магнитного поля. Для создания МЧЭ используют тонкие одно- и многослойные пленки никель-кобальтовых (Ni-Co), никель-железных (Ni-Fe) и других сплавов. В качестве подложек применяют стекло, ситалл или кремний, обладающие большой теплопроводностью и коэффициент термического расширения которых, близок по величине к ТКР используемых плёнок.

Тонкопленочные магниторезисторы больше подходят для регистрации слабых магнитных полей (до 10-30 мТл), иногда близких к пороговым значениям.


Список использованной литературы


1. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Том 1. Под общей редакцией В.Н. Мордковича.(Москва: Издательство «ДМК Пресс», 2011).
2. Датчики Холла и магниторезисторы А. Кобус, Я. Тушинский, Москва, Издательство: Энергия, 1971 год.



Поиск по сайту