transdutores magnetorresistivos. A base física da operação de magnetorresistores Resistor magnético

magnetoresistoré um resistor semicondutor, cuja principal propriedade é a capacidade de alterar sua resistência elétrica sob a ação de campo magnético. efeito magnetoresistivo, ou o efeito gaussiano, é alterar a condutividade de um semicondutor ao alterar o campo magnético que atua sobre ele. Uma placa semicondutora é colocada em um campo magnético transversal externo e uma corrente é passada ao longo dela. A ação da força de Lorentz causa uma curvatura da trajetória dos portadores de carga e leva a um alongamento do caminho percorrido pelos portadores entre os eletrodos aos quais uma campo elétrico, o que equivale a um aumento na resistividade do semicondutor. Um aumento na resistência de um semicondutor também ocorre quando o campo magnético é direcionado perpendicularmente à direção do fluxo. corrente elétrica, e quando a direção do campo magnético é paralela à direção da corrente. No primeiro caso estamos lidando com o efeito transversal da magnetorresistência, que recebeu aplicação prática. segundo casoé chamado de efeito longitudinal da magnetorresistência. Aplicação prática ele não encontrou por causa da fraca mudança na resistência do campo magnético. A magnetoresistência pode ser definida como a diferença entre a resistência de um magnetoresistor em um campo magnético Rv e sem campo magnético (resistência inicial). A resistência inicial R0 é determinada pelo material e design usados. Fatores que afetam a magnetorresistência incluem geometria do wafer, concentração de portadores e mobilidade

Verificou-se que a magnetorresistência aumenta à medida que a razão entre o comprimento da placa e sua largura diminui. Quanto mais longo for o caminho de um portador de carga em um semicondutor sem colisões com outras partículas, maior será o desvio do fluxo do portador. Isso significa que a mobilidade dos elétrons em um semicondutor desempenha papel importante para aumentar a resistência. Portanto, ao usar o efeito magnetoresistivo, os materiais caracterizados por alta mobilidade de elétrons são os mais usados.

Uma das principais características do magnetoresistor é a dependência RB=f(V). Esta dependência (Fig. 7) é quadrática em relação a B em baixa indução magnética e linear em alta indução magnética.

As características de um magnetoresistor são altamente dependentes da temperatura.

A dependência da resistência dos magnetoresistores na indução de um campo magnético externo em várias temperaturas ambiente são mostrados na fig. 9. Como pode ser visto na figura, à medida que a indução aumenta de 0 a 1T, a resistência à temperatura normal muda cerca de 6 a 12 vezes. Portanto, ao usar magnetorresistores em uma ampla faixa de temperatura, é necessário prever a compensação de temperatura de suas características.

Magnetoresistores são usados ​​principalmente em tecnologia de medição; para medir indução magnética, potência, como um analisador harmônico. Os magnetorresistores também são usados ​​em circuitos de duplicação de frequência, conversores CC para CA, circuitos amplificadores e geradores.

Os magnetoresistores também são usados ​​como elementos sensíveis de chaves de proximidade, sensores de deslocamento linear, potenciômetros sem contato e em muitas outras áreas da tecnologia eletrônica.

As principais características metrológicas dos magnetorresistores são a resistência inicial R0, que varia de frações de um ohm a dezenas de quiloohms, e a sensibilidade magnetorresistiva SB=dR/dB. Normalmente, as dependências ∆RB/R0=F(B) são utilizadas para caracterizar transdutores magnetorresistivos, onde ∆RB=RB-R0. O coeficiente de resistência de temperatura dos magnetoresistores (TCS) depende da composição do material, indução magnética e temperatura. Quanto maior a sensibilidade do magnetoresistor, maior o seu TCR. valores TCS Vários tipos os magnetoresistores têm limites de 0,0002-0,012 K-1.

Um magnetoresistor é um resistor semicondutor cuja resistência elétrica depende da força do campo magnético. .

O princípio de operação dos magnetorresistores é baseado no efeito magnetorresistivo, ou efeito gaussiano. A essência desse efeito reside no fato de que quando um condutor ou semicondutor é introduzido, através do qual flui uma corrente elétrica, sua resistência muda em um campo magnético. Como a intensidade do campo elétrico Hall, que ocorre em um semicondutor com corrente na presença de um campo magnético, reduz o efeito magnetoresistivo, o projeto do magnetorresistor deve ser tal que reduza ou elimine completamente a fem Hall.

A melhor forma de magnetoresistor é disco Kobrino (Fig. 1.8) . Na ausência de um campo magnético, a corrente em tal magnetoresistor passa na direção radial do centro do disco para o segundo eletrodo localizado ao longo do perímetro do disco, ou vice-versa. Sob a ação de um campo magnético, os portadores de carga são desviados em uma direção perpendicular ao raio. Como não há faces nas quais as cargas possam se acumular, a fem de Hall não surge em tal magnetorresistor.

A mudança relativa na resistividade do disco Kobrino, feito de um semicondutor de condutividade mista, é determinada pela expressão:

onde ε é a razão da mobilidade do elétron para a mobilidade do buraco; ν é a razão entre a concentração de elétrons e a concentração de lacunas.

Outro projeto do magnetorresistor é uma placa semicondutora, cuja largura é muito maior que seu comprimento. No entanto, uma desvantagem significativa de um magnetoresistor deste projeto é sua baixa resistência, para aumentar a qual, vários magnetoresistores são conectados em série ou tiras de metal são aplicadas à superfície de um wafer semicondutor. Cada parte do wafer semicondutor entre as duas tiras de metal é um magnetorresistor separado. Pode-se considerar também que as tiras de metal atuam como shunts que reduzem a fem de Hall que ocorre nas faces laterais do wafer semicondutor.

Os principais materiais semicondutores para magnetorresistores são o antimoneto de índio InSb e o arseneto de índio InAs - materiais com alta mobilidade de portadores de carga.

O efeito gaussiano é máximo para materiais semicondutores com altas mobilidades de portadores de corrente, mas tais materiais têm baixa resistividade, portanto, para aumentar a resistência ôhmica dos magnetorresistores, eles devem ser feitos na forma de filamentos finos. Um exemplo seria as "bobinas de bismuto" de magnetoresistores usados ​​para medir campos magnéticos fortes.

As principais características dos magnetorresistores são: resistência inicial (R 0 \u003d 0,1 - 8 Ohm), sensibilidade (R B / R 0) em um campo com indução B = 10 kG, Faixa de temperatura operacional , corrente máxima E dissipação de potência máxima .

A principal característica de um magnetoresistor é a magnitude da mudança na resistência em um campo magnético ou sensibilidade (Fig. 1.9). Em campos magnéticos fracos, o aumento da resistência dos magnetorresistores é proporcional ao quadrado da intensidade do campo e, em campos fortes, depende linearmente da magnitude da intensidade do campo magnético (H).

Os magnetorresistores, dependendo do método de fabricação, são divididos em cristalinos e de filme. Os magnetoresistores cristalinos têm as seguintes vantagens: alta sensibilidade e estabilidade, confiabilidade, facilidade de fabricação, longa vida útil, altas correntes de carga. Devido a essas vantagens, os magnetorresistores cristalinos tornaram-se mais difundidos do que os de filme.

Area de aplicação

Existem muitas maneiras de construir amplificadores e osciladores magnetoresistores. característica sua é a simplicidade de projetos e a possibilidade de usar fontes de baixa tensão. Além disso, os magnetoresistores são usados ​​para criar

MAGNETORESISTORES

Objetivo do trabalho: Conhecer os princípios físicos de operação, tecnologia de fabricação, projeto e aplicação de magnetorresistores, explorar suas principais características e parâmetros

Magnetoresistores (MR) – são componentes eletrônicos cuja ação se baseia na alteração da resistência elétrica de um semicondutor (metal) quando exposto a um campo magnético. MPs são usados ​​como sensores magnéticos tensão e corrente elétrica, velocidade e sentido de rotação, em dispositivos de leitura de informações em computadores, em motores de válvulas, medidores de campo magnético, etc. MR fornece quase perfeita mecânica, elétrica, térmica, etc. desacoplamento de circuitos de medição e controle de objetos de controle. Eles têm velocidade, sensibilidade, confiabilidade, tamanho pequeno e consumo de energia. Atualmente, são conhecidos magnetorresistores monolíticos e de filme.

O princípio de operação dos MRs monolíticos é baseado no chamado efeito magnetoresistivo. Como você sabe, em uma placa semicondutora através da qual flui uma corrente, uma fem Hall aparece em um campo magnético (Fig. 8.1.1)

E x \u003d K I B / b,

Onde EUé a corrente que flui ao longo da placa, B– indução de campo magnético, b- a largura da placa na direção perpendicular à corrente, K=1/neé o coeficiente de Hall, e E n respectivamente - carga elementar portadores atuais e sua concentração.

Quando um equilíbrio dinâmico é estabelecido entre a força de Lorentz e a força do campo elétrico de Hall, os portadores de carga com a mesma velocidade v se moverá ao longo de trajetórias retilíneas na direção da corrente elétrica externa, enquanto o vetor do campo elétrico total é direcionado para o vetor de corrente através do semicondutor em um determinado ângulo φ. O ângulo Hall é dado por: tg φ \u003d E X / E \u003d u B, Onde você- mobilidade dos portadores de carga. Para pequenos campos magnéticos e, conseqüentemente, pequenos ângulos Hall φ ≈ u B.

Quando o equilíbrio dinâmico é estabelecido, a intensidade do campo elétrico de Hall resultante compensa a ação da força de Lorentz e, portanto, não há curvatura da trajetória de portadores de carga com a mesma velocidade v. Parece que, neste caso, a resistência do semicondutor não deve mudar sob a ação de um campo magnético.

Na realidade, os portadores em um semicondutor obedecem a uma certa distribuição de velocidades. Portanto, as transportadoras com velocidade superior à velocidade média e as transportadoras com velocidade inferior à média são deslocadas para pontos diferentes na face lateral do wafer semicondutor, uma vez que são afetados por uma força de Lorentz diferente. Assim, a resistividade de um semicondutor em um campo magnético muda devido à curvatura da trajetória dos portadores de carga que se movem a uma velocidade diferente da velocidade média.

O maior efeito magnetoresistivo pode ser obtido em um semicondutor de tal forma e design, em que a ocorrência da intensidade do campo elétrico de Hall é difícil ou mesmo impossível. Estas condições podem teoricamente ser realizadas em uma placa semicondutora com infinito tamanhos grandes na direção perpendicular à força do campo elétrico externo. Nesse semicondutor, não há acúmulo de portadores de carga nas faces laterais, nenhuma fem Hall é formada e a trajetória da carga desvia da direção do campo elétrico externo na direção da força de Lorentz (Fig. 8.1.2) . O vetor de densidade de corrente coincide na direção com a velocidade dos portadores de carga e, portanto, acaba sendo deslocado em relação ao vetor de intensidade do campo elétrico externo pelo ângulo de Hall φ . O desvio da trajetória dos portadores de carga em um semicondutor ilimitado é equivalente a uma diminuição no caminho livre médio dos portadores de carga na direção do campo elétrico por ,

Aqui L0é o caminho livre médio dos portadores de carga na ausência de um campo magnético, eu΄ é a projeção do caminho percorrido pelo portador de carga entre duas colisões sucessivas na presença de um campo magnético na direção do campo elétrico externo. Para pequenos ângulos Hall cos φ pode ser alinhado

porque φ = 1- φ 2 /2!+…,

Então ΔL ≈ L 0 - L 0 + L 0 φ 2 /2, e, portanto ΔL ≈ L 0 φ 2 /2.

Como durante o caminho livre, o portador de carga viaja em um campo magnético, um caminho mais curto ao longo do campo elétrico , então isso é equivalente a uma diminuição na velocidade de deriva e mobilidade e, conseqüentemente, na condutividade do semicondutor., A mudança relativa na resistividade neste caso (ρ - ρ 0) / ρ 0 \u003d ΔL / L 0 \u003d u 2 B 2 / 2.

Para um cristal semicondutor limitado em tamanho, a relação Δρ / ρ 0 \u003d С u 2 B 2, Onde COM - coeficiente dependendo da forma da placa semicondutora.

EM Ultimamente Os MRs de filme se espalharam, cujo elemento magneticamente sensível é um filme ferromagnético (uma liga de níquel com cobalto ou níquel e ferro). O funcionamento dos MCs de filme é baseado no efeito magnetoresistivo anisotrópico, que consiste no fato de um campo magnético externo alterar a probabilidade de espalhamento de elétrons de um material ferromagnético em um material ferromagnético. várias direções, que por sua vez leva a uma mudança na resistência elétrica.

Arroz. 1. Esquemas para conectar magnetorresistores a uma fonte de energia e carga, a - único com Rн; b - diferencial (meia ponte); c - circuito diferencial para ponte; g - ponte magnetoresistor.

Para compensar a instabilidade térmica de um único magnetoresistor, pode ser usado um termistor especialmente selecionado (de acordo com o TCR), que é ligado no lugar do resistor de carga Rl (Fig. 1a).
Os melhores resultados são obtidos usando magnetoresistores diferenciais (Fig. 1b, c) e pontes magnetoresistoras (Fig. 1d).
Para amplificação e processamento primário do sinal "removido" do magnetoresistor, vários Circuitos eletrônicos feitos em transistores (Fig. 2.) ou circuitos integrados (Fig. 3, 4). Na fig. 2.a mostra um diagrama do estágio de entrada de um dispositivo magnetoeletrônico feito em um magnetoresistor.

Arroz. 2. Esquemas para conectar um magnetorresistor a uma cascata de transistores.

Quando um campo magnético externo atua no magnetoresistor R1, o sinal na saída da cadeia R1 - R2 muda proporcionalmente à mudança na intensidade do campo magnético e dentro da seção linear da característica de entrada do transistor VT1. O modo de operação do transistor é definido pelo resistor R2. Este circuito usa um transistor com a maior taxa de transferência de corrente estática possível (mais de 200).
O circuito (Fig. 2b) é complementado com um estágio chave no transistor VT2, imerso no relé K1.
Para amplificar o sinal dos magnetoresistores ao criar dispositivos magnetoeletrônicos modernos, é mais conveniente usar ICs de amplificadores operacionais conectados de acordo com o esquema de conversores de tensão de resistência (PSN).
Como parte de dispositivos magnetoeletrônicos altamente sensíveis, o mais eficaz é o uso de amplificadores instrumentais integrados de baixo ruído do tipo AMP-04 e AMP-01 (Analog Devices) ou INA118P (BurrBrown).
Um aumento na estabilidade térmica dos dispositivos magnetoeletrônicos é garantido pelo uso de circuitos especiais de controle térmico e fonte de alimentação de uma fonte de corrente alternada.
Na fig. 3a, como exemplo, são mostrados os circuitos de alimentação e estabilização térmica do modo de operação de um magnetoristor de película fina do tipo GMR Sat. Nesse caso, a amplificação do sinal pode ser realizada por um amplificador, cujo circuito é mostrado na Fig. 3b.

Arroz. Fig. 3. Esquemas de alimentação e estabilização térmica do regime de um magnetoresistor de película fina do tipo GMR C6 utilizando: a - um posistor; b - amplificador de sinal.

Com um valor de resistor R6 = 5K, o ganho de tal circuito é de aproximadamente 18.

Na fig. 4 e 5 são os esquemas mais simples para conectar magnetorresistores a amplificadores operacionais e instrumentais.

Arroz. 4. Circuito de amplificação de sinal de uma ponte magnetoresistor de filme fino recomendado pela Siemens A. G.

Arroz. 5. Esquema para ligar um magnetorresistor "monolítico" diferencial recomendado pela Siemens A. G.

Na fig. A Figura 5 mostra um circuito para ligar um magnetorresistor "monolítico" diferencial, projetado para funcionar em um dispositivo para controlar a velocidade de rotação de uma roda dentada.
Na fig. A Figura 6 mostra o diagrama de ligação de um magnetoresistor de filme fino do tipo KMZ10, projetado para registrar campos magnéticos fracos.

Arroz. 6. Esquema para ligar um magnetoresistor de filme fino do tipo KMZ10, projetado para registrar campos magnéticos fracos.

O esquema mostrado na fig. 6 fornece os seguintes recursos:

compensação de desvio de sensibilidade em função da temperatura por meio de um loop de feedback, que inclui um tipo de termistor KTY 83-110;

ajuste de polarização usando resistor R8;

ajuste de sensibilidade do circuito usando um resistor de várias voltas R4.

O esquema mostrado na fig. 7 pode ser usado nos modos linear (DA1 atua como um amplificador de tensão) e "digital" (DA1 atua como um comparador). Os modos de operação são definidos ajustando os resistores R1 e R2.

Figura 7. Diagrama de fiação da ponte magnetoresistor de filme fino HMC1001 recomendado pela Honeywell.

Ohoho, então eu tenho que modificações nos sensores do hall seu joystick Trustmaster TopGun Afterburner II. Apesar de o "Runet" já ter experiência, direi mais uma vez o que e como fazer :)

Basicamente, tudo sobre será discutido abaixo se aplica a quase todos os joysticks, não apenas ao nosso experimental.

histórico de problemas

Se alguém estiver no tanque, explico: quase todos os joysticks, principalmente os dos anos anteriores, eram feitos à base de aparadores, que, em virtude de sua características de design e o uso ainda mais ativo do joystick rapidamente caiu em desuso e tornou-se desconfortável controlar a aeronave, ela simplesmente não obedecia ao RUS. E então foi inventado o uso de sensores Hall em vez de resistores mecânicos. Modelos industriais apareceram, mas são pouquíssimos. E então os artesãos começaram a refazer joysticks em sensores Hall com suas próprias mãos. E esses sensores se comparam favoravelmente com resistores mecânicos, pois não têm o mesmo partes mecânicas e não falham pelos mesmos motivos porque trabalham em um campo magnético, por assim dizer. O sensor magnetoelétrico de Hall recebeu o nome de E. Hall, um físico americano que descobriu em 1879 um importante fenômeno galvanomagnético. Se um semicondutor, através do qual (ao longo) a corrente flui, é afetado por um campo magnético, então uma diferença de potencial transversal (Hall EMF) surge nele. Em outras palavras, o sensor muda de resistência dependendo da direção e magnitude do campo magnético. Isso é o que vamos usar.

Ir

Para todas as alterações, precisamos:

1. Dois sensores Hall SS495(A) ou SS496(A)
2. Dois ímãs de neodímio
3. Dois pequenos parafusos autorroscantes
4. Fios para solda
5. Cola quente

Então, primeiro você precisa preparar o joystick. Você terá que retirar os resistores e cortar seus fixadores. Para fazer isso, desparafuse a tampa de fixação da mola com RUS (ela se moverá livremente, será mais conveniente girar tudo em suas mãos), desaparafuse os 4 parafusos que prendem toda a unidade, dessolde os fios dos resistores e puxe para fora os próprios resistores. Corte também os pontos de montagem dos resistores, eles não serão mais necessários, além disso, vão interferir na instalação de sensores e ímãs.

Agora é hora da verificação. Execute o programa JoyTester, conecte o joystick ao PC e, levando os ímãs aos sensores, observe o gráfico no programa. Se ele reage aos seus movimentos com ímãs em relação aos sensores, você soldou tudo corretamente e eles estão funcionando.

Ímãs. Acontece que eu não tinha drives de CD / DVD antigos e, quando comprei, ganhei ímãs redondos, mas não é assustador. Fixei-os em pequenos parafusos auto-roscantes (bem na face lateral da tampa), após encurtá-los. Foi necessário encurtá-los, caso contrário, eles foram aparafusados ​​\u200b\u200bmuito profundamente e tocaram os nós móveis do mecanismo RSS. Ele arrancou o excesso dos parafusos com um alicate simples, batendo neles com um martelo. Além disso, você pode colocar cola quente no orifício do eixo, onde irá aparafusar os parafusos, porque. os meus estão um pouco soltos aí. No caso de ímãs retangulares, é melhor montá-los no "plano principal" da tampa e redondos - na ponta da tampa (no meu caso). Depois de aparafusar os parafusos autorroscantes, aperte a tampa da braçadeira de mola do RSS até parar, de modo que o RSS fique o mais vertical possível.

Isso, na verdade, é tudo! Eles penduraram os ímãs, colaram os sensores, calibraram - você pode ir para o céu! Ao extremo, em qualquer simulador de voo existe um software de configuração dos eixos, onde será possível ajustá-los de acordo com a situação.