8.1.6. Магнитные датчики и магнитоэлектроника

Многие явления и процессы связаны с магнитным полем (МП). Основ­ным элементом приборов и устройств, использующих МП, является преобразова­тель магнитного поля (ПМП), на выходе которого при воздействии магнитного потока появляется электрический сигнал.

При создании ПМП используют различные физические явления, воз­никающие в полупроводниках и металлах при взаимодействии с магнитным по­лем. Эти явления, известные как эффекты Холла и Гаусса открыты давно, но начали их использовать при развитии точного машиностроения, автоматики, те­лемеханики, вычислительной и информационной техники.

Преобразователи первого поколения (дискретные) позволили повысить на­дежность и эксплуатационные характеристики многих устройств автома­тики, уменьшить их габариты и стоимость. Достижения в области технологии из­готовления полупроводниковых приборов привело к возникновению но­вого направления техники, которое по аналогии с фотоэлектроникой назвали магнитоэлектроникой.

Интенсивное развитие магнитоэлектроники объясняется такими досто­инствами ПМП, как электрическая развязка входных и выходных цепей аппара­туры, бесконтактное преобразование малых механических перемеще­ний, детектирование величины и направления индукции магнитного поля, бес­контактное измерение токов и напряжений, создание бесконтактных комму­таторов электрических цепей и т. д.

Дискретные преобразователи магнитного поля

Элементы Холла (ЭХ) конструктивно представляют пластину из полу­проводникового материала толщиной d, по четырем сторонам которой располо­жены контакты (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Принцип работы элемента Холла

Контакты 1 и 2 называются «токовыми», а контакты 3 и 4 «выходными» или «измерительными» (холловскими). Когда через контакты пластины 1 и 2 пропускают управляющий ток I_уп, а перпендикулярно ее плоскости направ­лено магнитное поле В, то с контактов 3 и 4 снимают напряжение Холла U_н, В/(АТл)

(8.15)

где R_н – постоянная Холла; d – толщина элемента; I_уп – индукция воздействующего магнитного поля.

Для изготовления элементов Холла используют кремний, германий, арсенид индия, арсенид галлия, то есть полупроводниковые материалы, обла­дающие высокой подвижностью носителей заряда.

Промышленность выпускает датчики Холла из различных материалов с раз­личной магнитной чувствительностью от 0,01 до 3 (В/Тл) и диапазон рабо­чих температур от –270 до +180 ^оС.

В последние годы освоен выпуск интегральных схем, содержащих ЭХ и усилители, что обеспечивает на выходе уровни напряжения и тока, совмести­мые с ТТЛ ИС.

Магниторезисторы – это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника или ме­талла при воздействии на него магнитного поля.

Их действие основано на эффекте Гаусса, который характеризуется возрастанием сопротивления магниторезистора при помещении его в магнит­ное поле.

Конструктивно магниторезисторы выпускаются в монолитном и пленоч­ном исполнении на основе эвтектического сплава InSb - NiSb сокра­щенно СКИНИ пленок из NiCo и NiFe сплавов.

Магниторезисторы могут работать при постоянном и переменном маг­нитном поле с частотой до 1 мГц.

Наибольшую чувствительность магниторезисторы имеют в направле­нии, перпендикулярном к его поверхности. Монолитные терморезисторы исполь­зуют для регистрации сильных магнитных полей (100 – 1000 мТл), а тон­копленочные – слабых до 10 – 30 мТл (рис. 8.12).

Рис. 8.12. Зависимость сопротивления тонкоплёночного магниточувствительного элемента

Включают магниторезисторы как часть делителя или в полумост на входе усилителя напряжения или компаратора, обеспечивающих на выходе ли­нейно нарастающий или импульсный сигнал с уровнем ТТЛ (рис. 8.13).

Магнитодиоды – полупроводниковый прибор с р – n переходом, у кото­рого между областями с n и р проводимостями находится область высоко­много полупроводника, база, ширина которой d больше длины пробега носите­лей. Если магнитодиод, через который протекает ток, поместить в попе­речное магнитное поле, то произойдет увеличение сопротивления базы.

Рис. 8.13. Схема включения терморезистора

Диоды изготавливаются из германия и кремния по сплавной, планарной и МОП технологиям. Конструкция сплавного магнитодиода, его вольт-амперная ха­рактеристика и схема включения приведены на рис. 8.14.

Рис. 8.14. Принцип действия магнитодиода: а – конструкция перехода, б – вольт-амперная характе­ристика, в – схема включения

При использовании магнитодиоды следует устанавливать таким обра­зом, чтобы силовые линии источника управляющего магнитного поля были пер­пендикулярны боковым граням полупроводниковой структуры.

Магнитотранзисторы

Магнитотранзисторами (МТ) называются транзисторы, конструктивные и рабочие параметры которых оптимизированы для получения максимальной чувствительности коллекторного тока к магнитному полю.

В зависимости от того, параллельно или перпендикулярно технологи­ческой плоскости кристалла протекает рабочий ток, МТ условно подразделя­ются на вертикальные (ВМТ) и горизонтальные (ГМТ).

ВМТ могут реагировать лишь на лежащую в плоскости кристалла (продольную) компоненту магнитного поля, а ГМТ также и на перпендикуляр­ную этой плоскости поперечную компоненту.

Для изготовления МТ используются все современные технологии, применяемые в производстве электронных приборов и микросхем: биполяр­ная, МОП эпитоксиально-планарная и др.

В биполярной технологии наиболее совершенным является двухкол­лекторный магнитотранзистор (ДМТ) – р–n–р транзистор, коллектор у кото­рого разделен на две части. Принцип действия ДМТ рассмотрим на при­мере схемы с общим эмиттером и нагрузочными резисторами в коллекторах (рис. 8.15). При отсутствии магнитного поля инжектированные эмиттером носи­тели заряда (дырки) примерно поровну распределяются между коллекто­рами К1 и К2, при этом их токи равны и напряжение U_к между ними от­сутствует. В поперечном магнитном поле В происходит перераспределе­ние дырок между К1 и К2, I_К2 увеличивается, а I_К1 уменьшается, что вызывает по­явление U_к и его рост с ростом В. При изменении направления В изменя­ется знак у U_к. ДМТ выпускают на основе кремния и германия для получения МТ с различными параметрами по чувствительности к магнитному полю, вели­чине рабочего напряжения и различной формой вольт-амперной характери­стики, используют также МОП технологию.

B =>

Рис. 8.15. Схема включения двухколлекторного магнитотранзистора

Расширение функций МТ получено у многоколлекторных и многостоковых транзисторов, способных регистрировать магнитные поля в двух- и трех- ортогональных направлениях.

Для улучшения параметров преобразователей магнитного поля разрабо­таны комбинированные преобразователи, сочетающие свойства МТ, дат­чиков Холла и усилителей сигнала с линейной или релейной выходной харак­теристикой.

Магнитотиристоры

Любой тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы, со­стоящей из двух транзисторов, поэтому магниточувствительные свойства тири­стора определяются свойствами составляющих их транзисторов. Напряже­ние включения тиристора U_вкл выражается через коэффициенты пере­дачи по току h¹ и h² двух транзисторов. Управляющий электрод магнитотиристора связан с базой верхнего транзистора и является областью, в ко­торой рекомбинируют инжектированные из анода, имеющего p-проводи­мость, дырки. При направлении магнитного потока В⁺ (на кристалл) h² уменьша­ется, следовательно, U_вкл увеличивается. При противоположном направ­лении (В^-) магнитного поля h² увеличивается, а U_вых уменьшается (рис. 8.16).

Рис. 8.16. Топология сдвоенного магнитотиристора

Таким образом, влияние магнитного поля на вольтамперную характери­стику магнитотиристора аналогично влиянию управляющего напряжения на вольтамперную характеристику обычного тиристора.

ГМР преобразователи

Гальваномагниторекомбинационный (ГМР) преобразователь представ­ляет собой полупроводниковый резистор, управляемый магнитным полем. Прин­цип действия ГМР заключается в изменении средней концентрации носите­лей заряда в полупроводнике при воздействии продольного или попереч­ного магнитного поля. ГМР эффект проявляется в полупроводниках с проводимостью, близкой к собственной. ГМР преобразователь представляет пла­стину из полупроводника, в которой выделена область с большой скоро­стью рекомбинации носителей заряда. При воздействии магнитного поля на эту область происходит изменение сопротивления элемента (рис. 8.17).

Рис. 8.17. Конструкции ГМР преобразователей: 1 - полупроводниковая пластина;

2 - контакты; 3 - выводы; 4 - область с большой скоростью рекомбинации,

Особенностью ГМР преобразователей является линейная зависимость сопротивления от магнитного поля. Включают ГМР преобразователь последова­тельно с сопротивление нагрузки, которое, обычно больше cопротивления преобразователя. Рабочий ток преобразовате­лей ГМР1 – ГМР5 около 1 мА.

Датчики Виганда

Принцип действия датчиков основан на эффекте Виганда. Этот эффект про­является в том, что если ферромагнитную проволоку, имеющую специаль­ный химсостав и физическую структуру, ввести в магнитное поле, то произойдет спонтанное изменение ее магнитной поляризации, как только напря­женность поля превысит некоторое пороговое значение. Этот предел назы­вается порогом зажигания. Изменение состояния проволоки можно зарегист­рировать при помощи обмотки, намотанной вокруг проволоки или раз­мещенной рядом.

Проволока Виганда – ферромагнитное тело, состоящее из магнитомягкой сердцевины и магнитотвердой внешней оболочки с диаметром 0,2 – 0,3 мм. Длина проволоки в датчике от 5 до 40 мм.

Обмотка датчика состоит из 1000 – 2000 витков медного провода диа­метром 0,05 – 0,1 мм.

Датчики Виганда не требуют какого-либо источника питания, их выход­ной сигнал не зависит от частоты изменения поля, и их используют в широ­ком диапазоне рабочих температур (-190 до +170 ^оС).

Датчики Виганда позволяют контролировать частоту вращения валов и линейные перемещения (рис. 8.18).

Рис. 8.18. Пример использования датчика Виганда с одной обмоткой в качестве датчика угла вращения (а) и вид выходного сигнала (б)

В первом случае к валу крепят алюминиевый барабан, в котором установлен один или два магнита насыщения и гашения проволоки датчика, установлен­ного неподвижно рядом с вращающимся на валу двигателя бараба­ном. Если магнит гашения установить неподвижно около катушки, то в ба­рабане нужен только магнит насыщения.

Вследствие остаточной намагниченности проволока Виганда остается в на­магниченном состоянии до тех пор, пока поле возбуждения не переключит ее в противоположное состояние. Это свойство используют для хранения двоич­ной информации, причем без потребления энергии на хранение. Такая спо­собность проволоки Виганда используется в считываемых идентификацион­ных картах с емкостью до 56 бит.