Магниторезистивные преобразователи. Физические основы работы магниторезисторов Магнитный резистор своими руками
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.
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.
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.
М
агнитодиоды
(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
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.
Охохо, вот и я добрался до переделки на датчики Холла своего джойстика - Trustmaster TopGun Afterburner II. Несмотря на то, что опыт у "рунета" уже имеется, я еще раз расскажу вам, что да как надо делать:)
В принципе, все, о чем пойдет речь ниже применимо к практически любому джойстику, а не только к нашему подопытному.
История проблемы
Если кто в танке, то объясняю: практически все джойстики, тем более прошлых лет выпусков, делались на основе подстроечных резисторов, которые в силу своих конструктивных особенностей и тем более активного использования в джойстике быстро приходили в негодность и управлять самолетом становилось не комфортно, он просто не слушался РУС. И тогда было придумано использовать датчики Холла вместо механических резисторов. Появились промышленные модели, но их крайне мало. И тогда народные умельцы стали своими руками переделывать на датчики Холла джойстики. А датчики эти выгодно отличаются от механических резисторов тем, что не имеют тех самых механических частей и не выходят из строя по тем же причинам потому, что работают на магнитном поле, если так можно выразится.
Магнитоэлектрический датчик
Холла получил свое название по имени Э. Холла, американского физика, открывшего
в 1879 г.
важное гальваномагнитное явление. Если
на полупроводник, по которому (вдоль) протекает ток, воздействовать магнитным
полем, то в нем возникает поперечная разность потенциалов (ЭДС Холла). Другими словами датчик меняет сопротивление в зависимости от направления и величины магнитного поля. Этим мы и воспользуемся.
Поехали
Для все переделки нам понадобятся:
- Два датчика Холла SS495(A) или SS496(A)
- Два неодимовых магнита
- Два маленьких самореза/шурупа
- Проводки для пайки
- Термоклей
Итак, для начала надо подготовить джойстик. Придется вытащить резисторы и отрезать их крепления. Для этого открутите прижимную крышку пружины с РУС (она станет свободно перемещаться, так будет удобнее крутить все в руках), отвинтите 4 винта крепления всего блока, отпаяйте провода от резисторов и вытащите сами резисторы. Так же отрежьте места крепления резисторов, они больше не понадобятся, к тому же будут мешать при монтаже датчиков и магнитов.
Только обязательно, прежде чем отпаять провода от резисторов выясните, где у них питание, а где сигнальный (о) провод. Я руководствовался изображением справа, оно оказалось верным. Но вы можете ему не доверять и проверить самостоятельно: касаемся одним щупом мультиметра оголенного провода, который
имеется в кабеле, соединяющем джойстик с разъёмом
USB -
это корпус, а другим щупом касаемся любого
крайнего вывода резисторов, если показывает +5
V
или просто 5
V
(ну
может быть немного меньше), то значит вы нашли провод питания, а если около 0V, то это контакт корпуса (-). Оставшийся третий контакт резистора и будет сигнальным.
После того, как вы выяснили, где какие провода, настало время припаять датчики холла. Сигнальный провод припаяйте к сигнальному контакту датчика, а вот питание датчику сделайте немного иначе. Те провода, что питали резисторы можете отрезать от своих мест
и использовать для питания датчика, припаяв их к указанным контактам USB+ и USB-
Теперь настало время проверки. Запустите программу JoyTester , подключите джойстик к ПК, и, поднося магниты к датчикам, посмотрите на график в программе. Если он реагирует на ваши движения магнитами относительно датчиков, значит вы припаяли все правильно и они работают.
Магниты. Так вышло, что старых CD/DVD приводов у меня не оказалось, а при покупке мне достались круглые магниты, но это не страшно. Крепил я их на маленькие саморезы (прямо на боковую грань шляпки), предварительно укоротив. Укоротить их было необходимо, иначе они вкручивались слишком глубоко и задевали движущиеся узлы в механизме РУС. Откусывал лишнее у саморезов простыми кусачками по металлу, шлепнув по ним молотком. Можно дополнительно капнуть термоклея в отверстие оси, куда будете вкручивать саморезы, т.к. мои слегка болтались там. В случае прямоугольных магнитов их лучше крепить на "основную плоскость" шляпки, а круглые - на торец шляпки (в моем случае). После того, как вкрутите саморезы, закрутите крышку прижима пружины РУС до упора, чтобы РУС встала максимально вертикально.
Вот, собственно, и все! Магниты повесили, датчики приклеили, откалибровали - можно в небо! На крайняк, в любом авиасимуляторе есть программная настройка осей, там можно будет подкрутить их по ситуации.
