transduser magnetoresistif. Dasar fisik pengoperasian magnetoresistor Resistor magnet

magnetoresistor adalah resistor semikonduktor, properti utamanya adalah kemampuan untuk mengubah hambatan listriknya di bawah pengaruh medan magnet . efek magnetoresistif, atau efek Gaussian, adalah mengubah konduktivitas semikonduktor dengan perubahan medan magnet yang bekerja padanya. Sebuah pelat semikonduktor ditempatkan dalam medan magnet transversal eksternal, dan arus dilewatkan di sepanjang itu. Aksi gaya Lorentz menyebabkan kelengkungan lintasan pembawa muatan dan menyebabkan perpanjangan jalur yang dilalui oleh pembawa antara elektroda yang medan listrik eksternal diterapkan, yang setara dengan peningkatan resistivitas semikonduktor. Peningkatan resistansi semikonduktor terjadi baik ketika medan magnet diarahkan tegak lurus dengan arah aliran arus listrik, dan ketika arah medan magnet sejajar dengan arah arus. Dalam kasus pertama kita berurusan dengan efek transversal magnetoresistance, yang telah menerima aplikasi praktis. Kasus kedua disebut efek longitudinal magnetoresistance. Dia tidak menemukan aplikasi praktis karena perubahan resistansi yang lemah dalam medan magnet. Magnetoresistance dapat didefinisikan sebagai perbedaan antara resistansi magnetoresistor dalam medan magnet Rv dan tanpa medan magnet (resistansi awal). Resistansi awal R0 ditentukan oleh material dan desain yang digunakan Faktor-faktor yang mempengaruhi resistansi magnet meliputi geometri wafer, konsentrasi pembawa dan mobilitas

Telah ditemukan bahwa magnetoresistance meningkat seiring dengan penurunan rasio panjang pelat dengan lebarnya. Semakin panjang lintasan pembawa muatan dalam semikonduktor tanpa tumbukan dengan partikel lain, semakin besar fluks pembawa yang dibelokkan. Ini berarti bahwa mobilitas elektron dalam semikonduktor berperan penting dalam meningkatkan resistansi. Oleh karena itu, ketika menggunakan efek magnetoresistif, bahan yang dicirikan oleh mobilitas elektron tinggi paling sering digunakan.

Salah satu karakteristik utama dari magnetoresistor adalah ketergantungan RB=f(V). Ketergantungan ini (Gbr. 7) adalah kuadrat terhadap B pada induksi magnetik rendah, dan linier pada induksi magnetik tinggi.

Karakteristik magnetoresistor sangat bergantung pada suhu.

Ketergantungan resistansi magnetoresistor pada induksi medan magnet eksternal pada berbagai suhu lingkungan ditunjukkan pada Gambar. 9. Seperti dapat dilihat dari gambar, saat induksi meningkat dari 0 ke 1T, resistansi pada suhu normal berubah sekitar 6-12 kali. Oleh karena itu, ketika menggunakan magnetoresistor dalam rentang suhu yang luas, perlu untuk menyediakan kompensasi suhu dari karakteristiknya.

Magnetoresistor terutama digunakan dalam teknologi pengukuran; untuk mengukur induksi magnetik, daya, sebagai penganalisis harmonik. Magnetoresistor juga digunakan dalam rangkaian penggandaan frekuensi, konverter DC-ke-AC, rangkaian penguat dan generator.

Magnetoresistor juga digunakan sebagai elemen sensitif dari sakelar jarak, sensor perpindahan linier, potensiometer non-kontak, dan di banyak bidang teknologi elektronik lainnya.

Karakteristik metrologi utama dari magnetoresistor adalah resistansi awal R0, yang berkisar dari pecahan ohm hingga puluhan kiloohm, dan sensitivitas magnetoresistif SB=dR/dB. Biasanya, ketergantungan RB/R0=F(B) digunakan untuk mengkarakterisasi transduser magnetoresistif, di mana RB=RB-R0. Koefisien suhu resistansi magnetoresistor (TCS) tergantung pada komposisi bahan, induksi magnetik dan suhu. Semakin besar sensitivitas magnetoresistor, semakin besar TCR-nya. Nilai TCR berbagai jenis magnetoresistor memiliki batas 0,0002-0,012 K-1.

Magnetoresistor adalah resistor semikonduktor yang hambatan listriknya bergantung pada kekuatan medan magnet. .

Prinsip operasi magnetoresistor didasarkan pada efek magnetoresistif, atau efek Gaussian. Inti dari efek ini terletak pada kenyataan bahwa ketika konduktor atau semikonduktor diperkenalkan, melalui mana arus listrik mengalir, resistansi berubah dalam medan magnet. Karena kekuatan medan listrik Hall, yang terjadi dalam semikonduktor dengan arus dengan adanya medan magnet, mengurangi efek magnetoresistif, desain magnetoresistor harus sedemikian rupa untuk mengurangi atau menghilangkan sama sekali ggl Hall.

Bentuk terbaik dari magnetoresistor adalah disk Kobrino (Gbr. 1.8) . Dengan tidak adanya medan magnet, arus dalam magnetoresistor semacam itu mengalir dalam arah radial dari pusat piringan ke elektroda kedua yang terletak di sekeliling piringan, atau sebaliknya. Di bawah aksi medan magnet, pembawa muatan dibelokkan ke arah tegak lurus terhadap jari-jari. Karena tidak ada permukaan di mana muatan dapat terakumulasi, ggl Hall tidak muncul dalam magnetoresistor semacam itu.

Perubahan relatif dalam resistivitas piringan Kobrino, terbuat dari semikonduktor dengan konduktivitas campuran, ditentukan dari ekspresi:

di mana adalah rasio mobilitas elektron terhadap mobilitas lubang; adalah rasio konsentrasi elektron dengan konsentrasi lubang.

Desain lain dari magnetoresistor adalah pelat semikonduktor, yang lebarnya jauh lebih besar daripada panjangnya. Namun, kerugian signifikan dari magnetoresistor dari desain ini adalah resistansinya yang rendah, untuk meningkatkannya, beberapa magnetoresistor dihubungkan secara seri atau strip logam diterapkan ke permukaan wafer semikonduktor. Setiap bagian dari wafer semikonduktor antara dua strip logam adalah magnetoresistor yang terpisah. Juga dapat dianggap bahwa strip logam bertindak sebagai shunt yang mengurangi ggl Hall yang terjadi pada permukaan samping wafer semikonduktor.

Bahan semikonduktor utama untuk magnetoresistor adalah indium antimonide InSb dan indium arsenide InAs - bahan dengan mobilitas pembawa muatan tinggi.

Efek Gaussian maksimum untuk bahan semikonduktor dengan mobilitas pembawa arus tinggi, tetapi bahan tersebut memiliki resistivitas rendah, oleh karena itu, untuk meningkatkan resistansi ohmik resistor magnetor harus dibuat dalam bentuk filamen tipis. Contohnya adalah "kumparan bismut" dari magnetoresistor yang digunakan untuk mengukur medan magnet yang kuat.

Karakteristik utama dari magnetoresistor adalah: hambatan awal (R 0 \u003d 0,1 - 8 Ohm), kepekaan (R B / R 0) pada medan dengan induksi B = 10 kG, Kisaran suhu operasi , arus maksimum dan disipasi daya maksimum .

Karakteristik utama dari magnetoresistor adalah besarnya perubahan resistansi dalam medan magnet atau sensitivitas (Gbr. 1.9). Dalam medan magnet lemah, peningkatan resistansi magnetoresistor sebanding dengan kuadrat kuat medan, dan pada medan kuat, peningkatannya secara linier bergantung pada besarnya kuat medan magnet (H).

Magnetoresistor, tergantung pada metode pembuatannya, dibagi menjadi kristal dan film. Magnetoresistor kristal memiliki keunggulan sebagai berikut: sensitivitas dan stabilitas tinggi, keandalan, kemudahan pembuatan, masa pakai yang lama, arus beban tinggi. Karena keunggulan ini, magnetoresistor kristal menjadi lebih luas daripada yang film.

Area aplikasi

Ada banyak cara untuk membangun amplifier dan osilator magnetoresistor. Fitur karakteristik mereka adalah kesederhanaan desain dan kemungkinan menggunakan sumber tegangan rendah. Selain itu, magnetoresistor digunakan untuk membuat:

MAGNETORESISTOR

Tujuan pekerjaan: Untuk berkenalan dengan prinsip-prinsip fisik operasi, teknologi manufaktur, desain dan penerapan magnetoresistor, untuk mengeksplorasi karakteristik dan parameter utama mereka

Magnetoresistor (MR) – ini adalah komponen elektronik, tindakan yang didasarkan pada perubahan hambatan listrik semikonduktor (logam) ketika terkena medan magnet. MR digunakan sebagai sensor magnetik tegangan dan arus listrik, kecepatan dan arah putaran, pada perangkat untuk membaca informasi di komputer, pada motor katup, pengukur medan magnet, dll. MR menyediakan mekanik, listrik, termal, dll yang hampir sempurna. decoupling sirkuit pengukuran dan kontrol dari objek kontrol. Mereka memiliki kecepatan, sensitivitas, keandalan, ukuran kecil dan konsumsi daya. Saat ini, magnetoresistor monolitik dan film dikenal.

Prinsip operasi MR monolitik didasarkan pada apa yang disebut efek magnetoresistif. Seperti yang Anda ketahui, dalam pelat semikonduktor yang dilalui arus, ggl Hall muncul dalam medan magnet (Gbr. 8.1.1)

E x \u003d K I B / b,

di mana Saya adalah arus yang mengalir di sepanjang pelat, B- induksi medan magnet, b- lebar pelat pada arah tegak lurus arus, K=1/ne adalah koefisien Hall, e dan n masing-masing, muatan dasar pembawa arus dan konsentrasinya.

Ketika keseimbangan dinamis terbentuk antara gaya Lorentz dan gaya medan listrik Hall, pembawa muatan memiliki kecepatan yang sama v akan bergerak sepanjang lintasan bujursangkar searah dengan arah arus listrik luar, sedangkan vektor medan listrik total diarahkan ke vektor arus yang melalui semikonduktor pada sudut tertentu. φ. Sudut Hall diberikan oleh: tg \u003d E X / E \u003d u B, di mana u- mobilitas pembawa muatan. Untuk medan magnet kecil dan, akibatnya, sudut Hall kecil u B.

Ketika keseimbangan dinamis ditetapkan, kekuatan medan listrik Hall yang dihasilkan mengkompensasi aksi gaya Lorentz, dan, oleh karena itu, tidak ada kelengkungan lintasan pembawa muatan yang memiliki kecepatan yang sama. v. Tampaknya dalam hal ini resistansi semikonduktor tidak boleh berubah di bawah aksi medan magnet.

Pada kenyataannya, pembawa dalam semikonduktor mematuhi distribusi kecepatan tertentu. Oleh karena itu, pembawa dengan kecepatan melebihi kecepatan rata-rata, dan pembawa dengan kecepatan lebih rendah dari rata-rata, dipindahkan ke titik yang berbeda di sisi muka wafer semikonduktor, karena dipengaruhi oleh gaya Lorentz yang berbeda. Dengan demikian, resistivitas semikonduktor dalam medan magnet berubah karena kelengkungan lintasan pembawa muatan yang bergerak dengan kecepatan yang berbeda dari kecepatan rata-rata.

Efek magnetoresistif terbesar dapat diperoleh dalam semikonduktor dengan bentuk dan desain seperti itu, di mana kekuatan medan listrik Hall sulit atau bahkan tidak mungkin terjadi. Kondisi ini secara teoritis dapat diimplementasikan dalam pelat semikonduktor dengan dimensi besar tak terhingga dalam arah tegak lurus terhadap kekuatan medan listrik eksternal. Dalam semikonduktor seperti itu, tidak ada akumulasi pembawa muatan pada permukaan samping, tidak ada ggl Hall yang terbentuk, dan lintasan muatan menyimpang dari arah medan listrik eksternal ke arah gaya Lorentz (Gbr. 8.1.2) . Vektor kerapatan arus bertepatan dalam arah dengan kecepatan pembawa muatan dan karena itu ternyata digeser relatif terhadap vektor kekuatan medan listrik eksternal oleh sudut Hall φ . Penyimpangan lintasan pembawa muatan dalam semikonduktor tak terbatas setara dengan penurunan jalur bebas rata-rata pembawa muatan dalam arah medan listrik sebesar ,

di sini L0 adalah jalur bebas rata-rata pembawa muatan tanpa adanya medan magnet, L adalah proyeksi lintasan yang ditempuh oleh pembawa muatan antara dua tumbukan yang berurutan dengan adanya medan magnet ke arah medan listrik luar. Untuk sudut Hall kecil cos φ bisa berbaris

karena φ = 1- 2 /2!+…,

kemudian L L 0 - L 0 + L 0 2 /2, dan karenanya L L 0 2 /2.

Karena selama jalur bebas pembawa muatan bergerak dalam medan magnet jalur yang lebih pendek di sepanjang medan listrik , maka ini setara dengan penurunan kecepatan dan mobilitas drift dan, akibatnya, konduktivitas semikonduktor., Perubahan relatif dalam resistivitas dalam hal ini (ρ - 0) / 0 \u003d L / L 0 \u003d u 2 B 2 / 2.

Untuk kristal semikonduktor yang ukurannya terbatas, hubungan / 0 \u003d u 2 B 2, di mana DENGAN - koefisien tergantung pada bentuk pelat semikonduktor.

Baru-baru ini, film MR telah tersebar luas, elemen yang sensitif secara magnetis adalah film feromagnetik (paduan nikel dengan kobalt atau nikel dan besi). Pengoperasian MC film didasarkan pada efek magnetoresistif anisotropik, yang terdiri dari fakta bahwa medan magnet eksternal mengubah kemungkinan hamburan elektron dalam arah yang berbeda dalam bahan feromagnetik, yang, pada gilirannya, menyebabkan perubahan hambatan listrik. .

Beras. 1. Skema untuk menghubungkan magnetoresistor ke sumber daya dan beban, a - tunggal dengan Rn; b - diferensial (setengah jembatan); c - diferensial ke sirkuit jembatan; g - jembatan magnetoresistor.

Untuk mengkompensasi ketidakstabilan termal dari magnetoresistor tunggal, termistor yang dipilih secara khusus (menurut TCR) dapat digunakan, yang dinyalakan sebagai ganti resistor beban Rl (Gbr. 1a).
Hasil terbaik diperoleh dengan menggunakan magnetoresistor diferensial (Gbr. 1b, c) dan jembatan magnetoresistor (Gbr. 1d).
Untuk amplifikasi dan pemrosesan utama sinyal yang "dihapus" dari magnetoresistor, berbagai sirkuit elektronik yang dibuat pada transistor (Gbr. 2.) atau sirkuit terintegrasi (Gbr. 3, 4) dapat digunakan. pada gambar. 2.a menunjukkan diagram tahap input perangkat magnetoelektronik yang dibuat pada magnetoresistor.

Beras. 2. Skema untuk menghubungkan magnetoresistor ke kaskade transistor.

Ketika medan magnet eksternal bekerja pada magnetoresistor R1, sinyal pada output rantai R1 - R2 berubah secara proporsional dengan perubahan kekuatan medan magnet dan dalam bagian linier dari karakteristik input transistor VT1. Mode operasi transistor diatur oleh resistor R2. Rangkaian ini menggunakan transistor dengan rasio transfer arus statis setinggi mungkin (lebih dari 200).
Sirkuit (Gbr. 2b) dilengkapi dengan tahap kunci pada transistor VT2, terbenam pada relai K1.
Untuk memperkuat sinyal magnetoresistor saat membuat perangkat magnetoelektronik modern, paling bijaksana untuk menggunakan IC penguat operasional yang terhubung sesuai dengan skema konverter tegangan-resistansi (PSN).
Sebagai bagian dari perangkat magnetoelektronik yang sangat sensitif, yang paling efektif adalah penggunaan amplifier instrumental terintegrasi kebisingan rendah jenis AMP-04 dan AMP-01 (Perangkat Analog) atau INA118P (BurrBrown).
Peningkatan stabilitas termal perangkat magnetoelektronik dipastikan dengan penggunaan sirkuit kontrol termal khusus dan catu daya dari sumber arus bolak-balik.
pada gambar. 3a, sebagai contoh, catu daya dan sirkuit stabilisasi termal dari mode operasi magnetoresistor film tipis dari tipe GMR Sat diperlihatkan. Dalam hal ini, penguatan sinyal dapat dilakukan oleh penguat, yang rangkaiannya ditunjukkan pada Gambar. 3b.

Beras. Fig. 3. Skema catu daya dan stabilisasi termal rezim magnetoresistor film tipis tipe GMR C6 menggunakan: a - posistor; b - penguat sinyal.

Dengan nilai resistor R6 = 5K, gain dari rangkaian seperti itu kira-kira 18.

pada gambar. 4 dan 5 adalah skema paling sederhana untuk menghubungkan magnetoresistor ke amplifier operasional dan instrumental.

Beras. 4. Sirkuit penguatan sinyal dari jembatan magnetoresistor film tipis yang direkomendasikan oleh Siemens A. G.

Beras. 5. Skema untuk menyalakan magnetoresistor "monolitik" diferensial yang direkomendasikan oleh Siemens A. G.

pada gambar. Gambar 5 menunjukkan rangkaian untuk menyalakan magnetoresistor "monolitik" diferensial, yang dirancang untuk bekerja di perangkat untuk mengontrol kecepatan rotasi roda gigi.
pada gambar. Gambar 6 menunjukkan rangkaian untuk menyalakan magnetoresistor film tipis tipe KMZ10, yang dirancang untuk merekam medan magnet yang lemah.

Beras. 6. Skema untuk menyalakan magnetoresistor film tipis tipe KMZ10, yang dirancang untuk mendaftarkan medan magnet yang lemah.

Skema yang ditunjukkan pada gambar. 6 menyediakan fitur-fitur berikut:

kompensasi penyimpangan sensitivitas sebagai fungsi suhu melalui loop umpan balik, yang mencakup termistor tipe KTY 83-110;

penyesuaian bias menggunakan resistor R8;

penyesuaian sensitivitas sirkuit menggunakan resistor multi-putaran R4.

Skema yang ditunjukkan pada gambar. 7 dapat digunakan baik dalam mode linier (DA1 berfungsi sebagai penguat tegangan) dan "digital" (DA1 berfungsi sebagai pembanding). Mode operasi diatur dengan memotong resistor R1 dan R2.

Gambar 7. Diagram pengkabelan jembatan magnetoresistor film tipis HMC1001 yang direkomendasikan oleh Honeywell.

Ohoho, jadi aku harus modifikasi sensor hall joystik Anda Trustmaster TopGun Afterburner II. Terlepas dari kenyataan bahwa "Runet" sudah memiliki pengalaman, saya akan memberi tahu Anda sekali lagi apa dan bagaimana melakukannya :)

Pada prinsipnya, semua yang akan dibahas di bawah ini berlaku untuk hampir semua joystick, dan tidak hanya untuk joystick eksperimental kami.

Sejarah Masalah

Jika ada orang di dalam tangki, saya akan menjelaskan: hampir semua joystick, terutama yang tahun-tahun sebelumnya, dibuat berdasarkan resistor pemangkas, yang, karena fitur desainnya dan bahkan penggunaan yang lebih aktif dalam joystick, dengan cepat jatuh ke dalam tangki. rusak dan menjadi tidak nyaman untuk mengendalikan pesawat, itu hanya tidak mematuhi RUS. Dan kemudian ditemukan untuk menggunakan sensor Hall alih-alih resistor mekanis. Model industri telah muncul, tetapi jumlahnya sangat sedikit. Dan kemudian pengrajin mulai membuat ulang joystick menjadi sensor Hall dengan tangan mereka sendiri. Dan sensor ini lebih baik dibandingkan dengan resistor mekanis karena mereka tidak memiliki bagian mekanis yang sama dan tidak gagal untuk alasan yang sama karena mereka bekerja di medan magnet, sehingga untuk berbicara. Sensor magnetoelektrik Hall mendapatkan namanya dari E. Hall, seorang fisikawan Amerika yang menemukan fenomena galvanomagnetik penting pada tahun 1879. Jika semikonduktor, yang melaluinya (sepanjang) arus, dipengaruhi oleh medan magnet, maka perbedaan potensial transversal (Hall EMF) muncul di dalamnya. Dengan kata lain, sensor mengubah resistansi tergantung pada arah dan besarnya medan magnet. Ini yang akan kita gunakan.

Pergi

Untuk semua perubahan yang kita butuhkan:

1. Dua sensor Hall SS495(A) atau SS496(A)
2. Dua magnet neodymium
3. Dua sekrup self-tapping kecil
4. Kabel untuk menyolder
5. lem panas

Jadi, pertama-tama Anda perlu menyiapkan joystick. Anda harus mencabut resistor dan memotong pengencangnya. Untuk melakukan ini, buka penutup penjepit pegas dengan RUS (itu akan bergerak bebas, sehingga akan lebih mudah untuk mengubah semuanya di tangan Anda), buka 4 sekrup yang menahan seluruh unit, lepaskan kabel dari resistor dan tarik keluar resistor itu sendiri. Juga potong titik pemasangan resistor, mereka tidak akan diperlukan lagi, apalagi akan mengganggu pemasangan sensor dan magnet.

Sekarang saatnya verifikasi. Jalankan program JoyTester, sambungkan joystick ke PC, dan, dengan membawa magnet ke sensor, lihat grafik dalam program. Jika bereaksi terhadap gerakan Anda dengan magnet relatif terhadap sensor, maka Anda telah menyolder semuanya dengan benar dan semuanya berfungsi.

magnet. Kebetulan saya tidak memiliki drive CD / DVD lama, dan ketika saya membelinya, saya mendapatkan magnet bundar, tetapi itu tidak menakutkan. Saya mengencangkannya pada sekrup self-tapping kecil (tepat di sisi sisi tutupnya), setelah memperpendeknya. Itu perlu untuk mempersingkat mereka, jika tidak mereka disekrup terlalu dalam dan menyentuh node yang bergerak dalam mekanisme RSS. Dia menggigit kelebihan sekrup dengan pemotong logam sederhana, memukulnya dengan palu. Anda juga dapat menjatuhkan lem panas ke dalam lubang gandar, tempat Anda akan memasang sekrup, karena. milikku agak longgar di sana. Dalam hal magnet persegi panjang, lebih baik memasangnya di "bidang utama" tutupnya, dan yang bulat - di ujung tutupnya (dalam kasus saya). Setelah memasang sekrup self-tapping, kencangkan penutup klem pegas RSS sampai berhenti, sehingga RSS berdiri tegak lurus mungkin.

Faktanya, itu saja! Mereka menggantung magnet, menempelkan sensor, mengkalibrasinya - Anda bisa pergi ke langit! Secara ekstrem, di simulator penerbangan apa pun ada pengaturan perangkat lunak sumbu, di mana dimungkinkan untuk mengubahnya sesuai dengan situasi.