– измерение размеров (например, диаметра стальной проволоки), толщины немагнитных покрытий на стали, уровня жидкости и газа в резервуарах и др.

§ 8.4. Магниторезистивные датчики

Магниторезистивные датчики – это датчики, принцип дей-

ствия которых основан на эффекте магнетосопротивления (см. § 5.5), т. е. изменении электрического сопротивления материала при воздействии на него магнитного поля. По принципу действия выделяют следующие наиболее распространенные типы таких датчиков, имеющих величину магниторезистивного эффекта более 1 %: анизотропные магниторезистивные датчики (АМР-датчики или АМСдатчики), датчики на основе эффекта гигантского магнетосопротивления (ГМС-, или ГМР-датчики) и датчики на основе эффекта туннельного магнетосопротивления (ТМС-, или ТМР-датчики).

Датчики на основе анизотропного магниторезистивного эф-

фекта представляют собой тонкопленочные резистивные элементы на основе сплавов Ni–Co, Ni–Fe (пермаллой) и некоторых других. Чаще всего используются пленки пермаллоя.

Явление анизотропии сопротивления образца тонкопленочного магнитного материала заключается в том, что его электрическое сопротивление зависит от взаимной ориентации внешнего магнитного поля, приложенного к образцу, и направления тока. Если ток протекает параллельно направлению приложенного магнитного поля, то электрическое сопротивление на несколько процентов больше, чем при взаимно-перпендикулярной ориентации направлений тока и магнитного поля.

В ферромагнитных металлах электроны со спином «вверх» и «вниз» 3d-зоны с противоположными направлениями спиновых магнитных моментов (со спинами «вверх» и «вниз») расщепляются обменным взаимодействием с образованием подзон. 3d-подзоны заполнены неодинаково: подзона со спином «вверх» располагается ниже уровня Ферми и заполнена полностью, а подзона со спином «вниз» заполнена лишь частично, что является причиной возникновения самопроизвольной намагниченности (см. § 1.1).

289

Вкристаллической решетке ориентация d-орбиталей атомов упорядочена за счет взаимодействия с кристаллическим полем. Взаимодействие спиновых моментов d-электронов с соответствующими орбитальными моментами (спин-орбитальное взаимодействие) приводит к преимущественной ориентации вектора намагниченности в решетке кристалла (магнитная анизотропия). Направление намагниченности в кристалле может быть изменено внешним магнитным полем.

Впереходных металлах ток переносится в основном 4s-элект- ронами, и электроны со спинами «вверх» и «вниз» дают независимые вклады в проводимость. Свободные 4s-электроны могут рассеиваться на несовершенствах решетки и переходить в свободные состояния, имеющиеся в 3d-подзонах (модель s–d-рассеяния) при условии, что направления их спиновых магнитных моментов противоположны соответствующим направлениями магнитных моментов электронов на энергетических подуровнях 3d-подзоны.

Следовательно, s-электроны со спином «вверх» не могут рассеиваться и переходить в d-состояния, и ток переносится в основном этими электронами. Можно утверждать, что рассеяние электронов является спин-зависимым.

При движении электронов в металлическом ферромагнетике

спин-орбитальное взаимодействие ответственно и за спин-зависи- мое рассеяние. В этом случае рассеяния электронов с параллельной

иантипараллельной проекциями спина на направление намагниченности будут различными.

Поскольку спин-орбитальное взаимодействие анизотропно, то

ивероятность захвата в 3d-зону свободного s-электрона будет определяться направлением его спинового магнитного момента и направлением движения относительно направления намагниченности, что обусловливает зависимость электрического сопротивления как от взаимной ориентации тока и намагниченности, так и от напряженности внешнего магнитного поля.

Рассмотрим намагниченную до насыщения внешним магнитным полем с индукцией B тонкую ферромагнитную пленку, вектор намагниченности М которой лежит в плоскости пленки. При прохождении через пленку электрического тока I его значение зависит

290

от взаимной ориентации (взаиморасположения) векторов М и I (т. е. от угла α между ними, рис. 8.10, а). Соответственно взаиморасположение М и I влияет на удельное электрическое сопротивление пленки:

где 90 и 0 − значения удельного электрического сопротивления при α = 90° и 0° соответственно.

Рис. 8.10. Иллюстрации эффекта анизотропного магнетосопротивления: а – схематическое изображение; б – зависимость удельного электрического сопротивления пленки от угла α; в – зависимости удельного сопротивления

пленки пермаллоя от напряженности магнитного поля

Пример зависимости удельного электрического сопротивления от напряженности магнитного поля для пленки пермаллоя приведен на рис. 8.10, в.

Зависимость ( ) нелинейна, минимальное значение ρ (не равное нулю) соответствует углу α = 90° (рис. 8.10, б).

Учитывая, что спин-орбитальное взаимодействие является причиной магнитной анизотропии, можно представить зависимость ρ(Н) в следующем виде:

291

где 0 – 90 ; K – константа магнитной анизотропии.

Зависимости ( ) и Н используются при создании АМРдатчиков. Для тонкопленочной структуры относительное изменение удельного электрического сопротивления δН (см. § 5.5) не превышает 3 %. Чувствительный элемент АМР-датчика можно выполнить на основе нескольких магниторезисторов, включенных по мостовой схеме. Каждый магниторезистор представляет собой тонкую ферромагнитную пленку из сплавов систем Ni–Fe, Ni–Co и др., нанесенную на подложку, обладающую высоким удельным электрическим сопротивлением (например, из кремния или ситалла). Мостовая схема включения магниторезисторов позволяет увеличить амплитуду выходного сигнала и снизить ее зависимость от температуры окружающей среды. На рис. 8.11 приведены пример топологии мостовой схемы АМР-датчиков и их внешний вид.

Рис. 8.11. АМР-датчики: а – топология мостовой схемы

сперпендикулярным расположением магниторезисторов; б – внешний вид промышленно выпускаемых изделий

Конструкция датчика (рис. 8.11, а) включает в себя тонкопленочные магниторезисторы, соединенные по мостовой схеме, вектор намагниченности в которых ориентирован вдоль ОЛН. При этом для одной половины магниторезисторов ОЛН направлена продольно, а для другой – поперечно. Контакты 1 и 3 предназначены для подачи посто-

292

янного тока, а контакты 2 и 4 – для вывода сигнала чувствительного элемента и его присоединения к системе контроля и управления. В силу симметричности структуры напряжение можно подавать на контакты 2 и 4, в этом случае сигнал выводится через контакты 1 и 3.

В трехмерной системе координат две оси лежат в плоскости тонкопленочной структуры, причем одна из них параллельна ОЛН. Вектор напряженности магнитного поля (магнитной индукции), воздействующего на АМР-датчик, может иметь произвольное направление, что позволяет разложить его на три составляющие. Выходной сигнал датчика зависит от амплитуды составляющей В, направленной вдоль оси х (перпендикулярной ОЛН), которая вызывает отклонение М от направления ОЛН. При этом сопротивление магниторезисторов, расположенных перпендикулярно ОЛН, растет, что на рис. 8.10, б соответствует отклонению угла α от 90°. Сопротивление магниторезисторов, расположенных параллельно ОЛН, уменьшается, так как значение угла α отклоняется от нуля. Зависимость электрического сопротивления такого датчика от напряженности магнитного поля описывается четной функцией* (т. е. сопротивление возрастает при увеличении значения аргумента по модулю).

Эффект анизотропного магнетосопротивления используется при создании чувствительных элементов датчиков скорости и направления вращения, угла поворота и положения, линейного перемещения, а также измерителей напряженности магнитного поля, определителей подлинности банкнот и т. п. Промышленно выпускаемые АМР-дат- чики могут иметь габаритные размеры порядка 1 мм (см. рис. 8.11, б).

Датчики на основе эффектов гигантского и туннельного маг-

нетосопротивления (ГМС- и ТМС-датчики, ГМР- и ТМР-датчики), принцип работы которых рассмотрен в § 5.5, отличаются от АМРдатчиков большим значением δН тонкопленочной структуры при воздействии на нее внешнего магнитного поля.

В отличие от эффекта анизотропного магнетосопротивления, проявляющегося в однослойной структуре, эффекты гигантского и туннельного магнетосопротивления проявляются только в много-

* Четная функция – функция, приращение которой не зависит от знака аргумента, соответственно график симметричен относительно оси ординат.

293

слойной структуре, содержащей магнитные и немагнитные слои, толщина которых составляет единицы нанометров.

Сопротивление структуры минимально при параллельном направлении намагниченности слоев.

На рис. 8.12, а приведен пример топологии ГМС-датчика. На керамической подложке 1,3 × 0,4 мм сформированы четыре одинаковых магниторезистора, включенных по мостовой схеме. Два магниторезистора (опорных), расположенные в противоположных плечах моста, защищены от воздействия магнитного поля магнитостатическим экраном, что позволяет сохранять их сопротивление неизменным при воздействии на ГМС-датчик внешнего магнитного поля.

Рис. 8.12. ГМС-датчик производства «NVE Corporation» (США):

а – топология мостовой схемы; б – зависимость выходного напряжения от напряженности магнитного поля

294

Для увеличения чувствительности датчика в его конструкцию включают концентраторы магнитного поля, изготовленные из материала с высокой магнитной проницаемостью. Применение концентраторов позволяет увеличить напряженность магнитного поля в области активных магниторезисторов примерно в 4 раза.

Питание мостовой схемы и вывод сигнала осуществляются через те же группы контактов, которые используются при эксплуатации АМР-датчиков. Зависимость выходного напряжения рассматриваемого ГМС-датчика от напряженности внешнего магнитного поля приведена на рис. 8.12, б.

ГМС-датчики обладают большей чувствительностью по сравнению с АМР-датчиками, что позволяет использовать постоянные магниты, создающие магнитное поле с меньшей индукцией (например, за счет уменьшения габаритов), а также устанавливать их с большим́ зазором относительно перемещающейся детали. При этом ГМС-датчик позволяет измерять угол поворота в диапазоне 0…360° (для АМР-датчиков типичный диапазон составляет 0…180°).

Снижение стоимости ГМС-датчиков приводит к тому, что они постепенно вытесняют датчики на основе эффекта анизотропного магнетосопротивления, при этом их монтаж не требует изменения конструкций узлов, в которых они используются.

Чувствительность ТМС-датчиков выше чувствительности ГМСдатчиков. Так, если ГМС-датчик, выпускаемый компанией «Infineon Technologies AG» (ФРГ) и используемый для определения угла поворота автомобильных валов, предназначен для работы в магнитных полях напряженностью 24…160 кА/м, то ТМС-датчик, разработанный компанией «Crocus Technology» (Франция), работает в диапазоне напряженностей магнитного поля 0…8 кА/м.

В отличие от ГМС-датчиков ТМС-датчик имеет нечетную зависимость выходного напряжения от напряженности магнитного поля, что позволяет определять направление его действия. Датчик может использоваться:

–в системах контроля положения дверей и заслонок, контактов реле, валов двигателей;

–в системах навигации портативной электроники;

–в системах измерения расхода воды, электроэнергии и газа,

атакже для других применений.

295

Примеры установки магниторезистивных датчиков для измерения скорости вращения и угла поворота валов приведены на рис. 8.13, а и б. Видно, что при помощи магниторезистивных датчиков можно измерять угол поворота вала (с шагом, равным 360°/п, где п – количество выступов профилированного диска) или скорость его вращения. Выступы профилированного диска изготовлены из ферромагнитного материала. При вращении диска значение создаваемого постоянным магнитом магнитного потока, проходящего через датчик, изменяется, что связано с чередованием выступов и впадин.

При необходимости более точного измерения угла поворота (например, в системах рулевого управления) на валы устанавливают постоянные магниты, намагниченные в направлении, указанном на рис. 8.13, б, г. Напротив постоянного магнита размещается ГМСдатчик. Зазор, который образуется при установке датчика, обычно не превышает 2…4 мм. Точное расстояние определяется исходя из конструкции и характеристик датчика, в частности:

Рис. 8.13. Иллюстрация примеров установки датчиков, действующих: а, б – на основе эффекта анизотропного магнетосопротивления;

в, г – на основе эффекта гигантского магнетосопротивления

296

–используемого магниторезистивного эффекта (анизотропного, гигантского, туннельного);

–энергии постоянного магнита;

–схемы соединений и количе-

* Конструкция магниторезистивных датчиков может включать в себя одиночный магниторезистор, полумост (два соединенных последовательно магниторезистора), полный мост и двойной мост (различная пространственная ориентация магниторезисторов во всех плечах обоих мостов повышает чувствительность).

297