Магнитный резистор. Физические основы работы магниторезисторов

Магниторезистором называется полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого зависит от напряженности магнитного поля .

Принцип действия магниторезисторов основан на магниторезистивном эффекте, или эффекте Гаусса. Суть этого эффекта заключается в том, что при внесении проводника или полупроводника, по которому течет электрический ток, в магнитное поле меняется его сопротивление. Поскольку холловская напря­женность электрического поля, возникающая в полупроводнике с током при наличии магнитного поля, снижает магниторезистивный эффект, то конструкция магниторезистора должна быть та­кой, чтобы уменьшить или полностью устранить ЭДС Холла.

Наилучшей формой магниторезистора является диск Кобрино (рис. 1.8). При отсутствии магнитного поля ток в таком магниторезисторе проходит в радиальном направлении от центра диска ко вто­рому электроду, расположенному по периметру диска, или наоборот. Под действием магнитного поля носители заряда отклоняются в направлении, перпендикулярном радиусу. Так как не существует граней, на которых может происходить накопление за­рядов, то ЭДС Холла в таком магниторезисторе не возникает.

Относительное изменение удельного сопротивления диска Кобрино, изготовленного из полупроводника смешанной проводимости, определяется из выражения:

где ε – отношение подвижности электронов к подвижности дырок; ν – отношение концентрации электронов к концентрации дырок.

Другой конструкцией магниторе­зистора является пластинка полу­проводника, ширина которой много больше ее длины. Однако существенным недостатком магниторезистора такой конструк­ции является его малое сопротивле­ние, для увеличения которого приме­няют последовательное соединение нескольких магниторезисторов или нанесение на поверхность пластины полупроводника металлических полос. Каждая часть пластины полупроводника между двумя металли­ческими полосами представляет собой отдельный магниторезистор. Можно также считать, что металлические полосы выполняют роль шунтов, уменьшающих ЭДС Холла, возникающую на боко­вых гранях пластины полупроводника.

Основными полупроводниковыми материалами для магниторезис­торов служат антимонид индия InSb и арсенид индия InAs – материалы с большой подвижностью носителей заряда.

Эффект Гаусса максимален у полупроводниковых материалов с большими подвижностями носителей тока, но такие материалы обладают малым удельным сопротивлением, поэтому, чтобы повысить омическое сопротивление магниторезисторов, их необходимо делать в виде тонких нитей. Примером могут быть «висмутовые спирали» магниторезисторов, используемые для измерения сильных магнитных полей.

Основными характеристиками магниторезисторов являются: начальное сопротивление (R 0 = 0,1 – 8 Ом), чувствительность (R B /R 0) в поле с индукцией В = 10 кГс, диапазон рабочих температур , максимальный ток и максимальная рассеиваемая мощность .

Основной характеристикой магниторезистора является величина изменения сопротивления в магнитном поле или чувствительность (рис. 1.9). В слабых магнитных полях приращение сопротивления магниторезисторов пропорционально квадрату напряженности поля, а в сильных – линейно зависит от величины напряженности магнитного поля (H).

Магниторезисторы в зависимости от метода изготовления делятся на кристаллические и пленочные. Кристаллические магниторезисторы обладают следующими преимуществами: высокой чувствительностью и стабильностью, надежностью, простотой изготовления, большим сроком службы, большими токами нагрузки. Благодаря этим преимуществам кристаллические магниторезисторы получили более широкое распространение, чем пленочные.

Область применения

Существует много способов построения усилителей и генераторов на магниторезисторах. Характерной особенностью их является простота конструкций и возможность использования источников низкого напряжения. Кроме того, магниторезисторы используют при созда

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:

1. Два датчика Холла SS495(A) или SS496(A)
2. Два неодимовых магнита
3. Два маленьких самореза/шурупа
4. Проводки для пайки
5. Термоклей

Датчики придется купить, откуда их выпаять я не придумал. Покупал (не реклама!). Магниты можете достать из ненужного CD или DVD привода с блока управления головкой, их там как раз два, а можете купить, они тоже продаются в радиомаркетах, мне обошлись по 12 рублей.

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.

Далее нужно, включив JoyTester и подключив джойстик к ПК, начать подносить датчики к магнитам и крутить РУС, смотря на график. Если график рисует правильные отклонения, т.е. двигаете РУС вправо - график ползет вправо - отлично! Если случилась инверсия - переверните магнит на 180 градусов. Вот тут нужно сделать всего две важные вещи: более менее выровнять магниты соосно вертикали РУС и найти оптимальное расстояние между датчиком и магнитом (это примерно 1,5 - 2 мм). Вы добьетесь оптимального результата если отклонения РУС до упора будут давать такое же отклонения графика до упора. Это в идеале. Но в реальности график может немного отставать или "вылезать" за границу. Как только вы нащупайте расстояние - приклеивайте датчик Холла к корпусу блока перекоса РУС с помощью термоклея, пока он остывает можно успеть подкорректировать датчик. Если вдруг приклеили неудачно, термоклей несложно отрывается (хотя самостоятельно держится так, что "нивжизнь" не отвалится). Есть только одна тонкость - центр корпуса датчика должен быть немного смещен от центра магнита, чтобы увеличить ход магнита относительно датчика.

Калибровать до посинения нет смысла, т.к. в этом джойстике есть маленькая хитрость. При каждом включении контроллер джойстика сам калибрует систему по сигналу датчика и выставляет оси "в ноль", а вот на сколько они будут отклоняться уже зависит от вас (см. выше).

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.

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.

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.

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.

Магнитодиоды (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