Магниторезистивные преобразователи. 
Основы функционирования систем сервиса. В 2 ч. Часть 1

К магниторезистивным преобразователям относятся магниторезисторы, магнитодиоды, биполярные и полевые магнитотранзисторы. В настоящее время наиболее широкое распространение на практике нашли магниторезисторы.

Магниторезисторы — это электронные компоненты, действие которых основано на явлении изменения электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля.

Явление изменения электрического сопротивления полупроводникового материала при воздействии на него магнитного поля обнаружено известным английским физиком Уильямом Томсоном еще в 1856 г. В дальнейшем оно получило наименование эффекта Гаусса, но практически применять его начали только во второй половине XX в.

Механизм изменения сопротивления очень сложен, так как является результатом одновременного действия большого числа составляющих, к тому же он различен для разных типов приборов, разной технологии и разных материалов.

Уравнение преобразования магниторезистора имеет вид.

где и — подвижность носителей заряда; В — магнитная индукция; R_B=0 — сопротивление при В = 0; А — магниторезистивный коэффициент, зависящий от свойств материала и формы преобразователя; т — показатель степени, равный двум в слабых магнитных полях (В < 0,2—0,5 Тл), для которых иВ < 1, и равен единице в сильных магнитных полях, для которых иВ> 1.

Как видно из уравнения, функция преобразования магниторезисторов является четной, поэтому и в постоянном магнитном поле любой полярности, и в переменном магнитном поле их сопротивление увеличивается.

В общем виде магниторезистор представляет собой подложку с размещенным на ней магниточувствительным элементом (рис. 10.24, а). Подложка обеспечивает механическую прочность прибора. Элемент приклеен к подложке изоляционным лаком и защищен снаружи слоем лака. Для увеличения сопротивления магниторезистора элемент выполняют в форме «меандра» (рис. 10.24, б, в).

Наиболее широкое распространение в настоящее время получили две структурные разновидности магниторезисторов — монолитные и пленочные.

Монолитные изготавливают из полупроводниковых материалов, обладающих высокой подвижностью носителей заряда. К таким материалам относятся антимонид индия (InSb) и его соединения, арсенид индия (InAs) и некоторые другие. Технология изготовления магниторезисторов также сложна и требует использования высокоточного современного оборудования.

Монолитные магниторезисторы увеличивают свое электрическое сопротивление при воздействии магнитного поля в соответствии с приведенным выше уравнением преобразования.

Пленочные магниторезисторы получили распространение лишь в последние годы. Магниточувствительный элемент этих приборов изготовлен из ферромагнитных пленок. В основе работы пленочных магниторезисторов 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. В отличие от монолитных сопротивление пленочных магниторезисторов при воздействии магнитного поля уменьшается.

Конструктивно пленочные магниторезисторы не отличаются от монолитных, за исключением того, что выполнены по тонкопленочной технологии. В них используют тонкие пленки из никель-кобальтовых и никель-железных сплавов. В качестве материала подложки применяют стекло, ситалл или кремний, имеющие большую теплопроводность и близкие по коэффициенту термического расширения к пленке магниточувствительного элемента.

Рис. 10.24. Конструкция магниторезистора:

а — с линейным элементом; б, в — с элементом в форме меандра Основные параметры магниторезисторов:

• • номинальное сопротивление;
• • магниторезистивное отношение при магнитной индукции;
• • максимально допустимая мощность рассеяния;
• • температурный коэффициент сопротивления;
• • пределы рабочей температуры.

Основные преимущества магниторезисторов по сравнению с другими преобразователями физических величин — простота обеспечения практически идеальных механической, электрической, тепловой и других видов развязки измерительных и управляющих цепей от объектов контроля. Отсутствие зависимости от расстояния между магнитом и датчиком и широкий диапазон рабочих температур от -55 до 150 °C. Кроме того, магниторезисторам свойственны высокие быстродействие, чувствительность и надежность, малые энергопотребление и габариты, а также небольшая стоимость.

Примеры обозначений магниторезисторов: MR-2, СМ4−1, НМС 1052.

Магниторезистивные датчики применяются: для контроля перемещений объектов в робототехнике; измерения слабых полей (системы навигации, компенсация поля Земли, электронные и цифровые компасы и т. д.); измерения частоты вращения (коробки переключения передач, антиблокировочные системы, системы управления двигателем); измерения угловой координаты (например, для регулировки сидения, в системах рулевого управления, для регулировки фар и т. д.); построения бесконтактных датчиков тока с гальванической развязкой.