traductoare magnetorezistive. Baza fizică a funcționării magnetorezistorilor Rezistor magnetic

magnetorezistor este un rezistor semiconductor, a cărui principală proprietate este capacitatea de a-și modifica rezistența electrică sub acțiunea camp magnetic. efect magnetorezistiv, sau efectul Gaussian, este de a modifica conductivitatea unui semiconductor atunci când se modifică câmpul magnetic care acționează asupra acestuia. O placă semiconductoare este plasată într-un câmp magnetic transversal extern și de-a lungul ei trece un curent. Acțiunea forței Lorentz determină o curbură a traiectoriei purtătorilor de sarcină și duce la o alungire a traseului parcurs de purtători între electrozi la care un extern câmp electric, ceea ce este echivalent cu o creștere a rezistivității semiconductorului. O creștere a rezistenței unui semiconductor are loc și atunci când câmpul magnetic este direcționat perpendicular pe direcția fluxului. curent electric, iar când direcția câmpului magnetic este paralelă cu direcția curentului. In primul caz avem de-a face cu efectul transversal al magnetorezistentei, care a primit aplicare practică. Al doilea caz se numeste efect longitudinal al magnetorezistentei. Aplicație practică nu a găsit din cauza schimbării slabe a rezistenței în câmpul magnetic. Magnetorezistența poate fi definită ca diferența dintre rezistența unui magnetorezistor într-un câmp magnetic Rv și fără câmp magnetic (rezistența inițială). Rezistența inițială R0 este determinată de materialul și designul utilizat. Factorii care afectează magnetorezistenta includ geometria plachetei, concentrația purtătorului și mobilitatea

S-a descoperit că magnetoresistența crește pe măsură ce raportul dintre lungimea plăcii și lățimea acesteia scade. Cu cât este mai lungă calea unui purtător de sarcină într-un semiconductor fără ciocniri cu alte particule, cu atât fluxul purtătorului este deviat mai mare. Aceasta înseamnă că mobilitatea electronilor într-un semiconductor joacă rol important pentru a crește rezistența. Prin urmare, atunci când se utilizează efectul magnetorezistiv, cele mai des sunt utilizate materiale caracterizate prin mobilitate ridicată a electronilor.

Una dintre principalele caracteristici ale magnetoresistorului este dependența RB=f(V). Această dependență (Fig. 7) este pătratică în raport cu B la inducție magnetică scăzută și liniară la inducție magnetică ridicată.

Caracteristicile unui magnetorezistor sunt foarte dependente de temperatură.

Dependența rezistenței magnetorezistorilor de inducerea unui câmp magnetic extern la diverse temperaturi mediu sunt prezentate în fig. 9. După cum se poate observa din figură, pe măsură ce inducția crește de la 0 la 1T, rezistența la temperatura normală se modifică de aproximativ 6-12 ori. Prin urmare, atunci când se utilizează magnetorezistoare într-un domeniu larg de temperatură, este necesar să se asigure o compensare a temperaturii caracteristicilor acestora.

Magnetorezistoarele sunt utilizate în principal în tehnologie de măsurare; pentru măsurarea inducției magnetice, a puterii, ca analizor de armonici. Magnetorezistoarele sunt, de asemenea, utilizate în circuitele de dublare a frecvenței, convertoare DC-AC, circuite amplificatoare și generatoare.

Magnetorezistoarele sunt, de asemenea, utilizate ca elemente sensibile ale comutatoarelor de proximitate, senzorilor de deplasare liniară, potențiometrelor fără contact și în multe alte domenii ale tehnologiei electronice.

Principalele caracteristici metrologice ale magnetorezistorilor sunt rezistența inițială R0, care variază de la fracțiuni de ohm la zeci de kiloohmi, și sensibilitatea magnetorezistivă SB=dR/dB. De obicei, dependențele ∆RB/R0=F(B) sunt utilizate pentru a caracteriza traductoarele magnetorezistive, unde ∆RB=RB-R0. Coeficientul de temperatură al rezistenței magnetorezistorilor (TCS) depinde de compoziția materialului, de inducția magnetică și de temperatură. Cu cât sensibilitatea magnetorezistorului este mai mare, cu atât TCR-ul său este mai mare. valorile TCS tipuri variate magnetorezistorii au limite de 0,0002-0,012 K-1.

Un magnetoresistor este un rezistor semiconductor a cărui rezistență electrică depinde de intensitatea câmpului magnetic. .

Principiul de funcționare al magnetorezistorilor se bazează pe efectul magnetorezistiv sau efectul Gaussian. Esența acestui efect constă în faptul că atunci când este introdus un conductor sau semiconductor, prin care trece un curent electric, rezistența acestuia se modifică într-un câmp magnetic. Deoarece intensitatea câmpului electric Hall, care apare într-un semiconductor cu curent în prezența unui câmp magnetic, reduce efectul magnetorezistiv, proiectarea magnetorezistorului trebuie să fie astfel încât să reducă sau să elimine complet f.e.m. Hall.

Cea mai bună formă de magnetorezistor este disc Kobrino (Fig. 1.8) . În absența unui câmp magnetic, curentul într-un astfel de magnetorezistor trece în direcția radială de la centrul discului la al doilea electrod situat de-a lungul perimetrului discului sau invers. Sub acțiunea unui câmp magnetic, purtătorii de sarcină sunt deviați într-o direcție perpendiculară pe rază. Deoarece nu există fețe pe care să se poată acumula sarcini, FEM Hall nu apare într-un astfel de magnetorezistor.

Modificarea relativă a rezistivității discului Kobrino, format dintr-un semiconductor de conductivitate mixtă, este determinată din expresia:

unde ε este raportul dintre mobilitatea electronilor și mobilitatea găurilor; ν este raportul dintre concentrația de electroni și concentrația în gaură.

Un alt design al magnetoresistorului este o placă semiconductoare, a cărei lățime este mult mai mare decât lungimea sa. Cu toate acestea, un dezavantaj semnificativ al unui magnetorezistor de acest design este rezistența sa scăzută, pentru a crește, mai multe magnetorezistoare sunt conectate în serie sau benzi metalice sunt aplicate pe suprafața unei plachete semiconductoare. Fiecare parte a plachetei semiconductoare dintre cele două benzi metalice este un magnetorezistor separat. De asemenea, se poate considera că benzile metalice acționează ca șunturi care reduc FEM Hall care apare pe fețele laterale ale plachetei semiconductoare.

Principalele materiale semiconductoare pentru magnetorezistoare sunt antimoniură de indiu InSb și arseniură de indiu InAs - materiale cu mobilitate ridicată a purtătorului de sarcină.

Efectul gaussian este maxim pentru materialele semiconductoare cu mobilități mari de purtător de curent, dar astfel de materiale au rezistivitate scăzută, prin urmare, pentru a crește rezistența ohmică a magnetoresistoarelor, acestea trebuie realizate sub formă de filamente subțiri. Un exemplu ar fi „bobinele de bismut” ale magnetorezistoarelor utilizate pentru măsurarea câmpurilor magnetice puternice.

Principalele caracteristici ale magnetorezistorilor sunt: rezistenta initiala (R 0 \u003d 0,1 - 8 Ohm), sensibilitate (R B / R 0) într-un câmp cu inducție B = 10 kG, Interval de temperatură de funcționare , curent maxim Și putere maximă disipată .

Caracteristica principală a unui magnetorezistor este mărimea modificării rezistenței într-un câmp magnetic sau sensibilitate (Fig. 1.9). În câmpurile magnetice slabe, creșterea rezistenței magnetorezistorilor este proporțională cu pătratul intensității câmpului, iar în câmpurile puternice, aceasta depinde liniar de mărimea intensității câmpului magnetic (H).

Magnetorezistoarele, în funcție de metoda de fabricație, sunt împărțite în cristaline și film. Magnetorezistoarele cristaline au următoarele avantaje: sensibilitate și stabilitate ridicate, fiabilitate, ușurință în fabricare, durată lungă de viață, curenți mari de sarcină. Datorită acestor avantaje, magnetorezistoarele cristaline au devenit mai răspândite decât cele cu film.

Zona de aplicare

Există multe modalități de a construi amplificatoare și oscilatoare cu magnetoresistor. trăsătură caracteristică lor este simplitatea designurilor și posibilitatea utilizării surselor de joasă tensiune. În plus, magnetorezistorii sunt folosiți pentru a crea

MAGNETOREZISTURI

Scopul lucrării: Să se familiarizeze cu principiile fizice de funcționare, tehnologia de fabricație, proiectarea și aplicarea magnetorezistorilor, să exploreze principalele caracteristici și parametri ai acestora

Magnetorezistoare (MR) – acestea sunt componente electronice, a căror acțiune se bazează pe o modificare a rezistenței electrice a unui semiconductor (metal) atunci când este expus la un câmp magnetic. Parlamentarii sunt folosiți ca senzori magnetici tensiunea și curentul electric, viteza și sensul de rotație, în dispozitivele de citire a informațiilor în computere, în motoare de supape, contoare de câmp magnetic etc. MR oferă aproape perfect mecanice, electrice, termice etc. decuplarea circuitelor de masura si control de obiectele de control. Au viteză, sensibilitate, fiabilitate, dimensiuni reduse și consum de energie. În prezent, sunt cunoscuți magnetoresistori monolitici și film.

Principiul de funcționare al MR monolitice se bazează pe așa-numitul efect magnetorezistiv. După cum știți, într-o placă semiconductoare prin care trece un curent, apare o FEM Hall într-un câmp magnetic (Fig. 8.1.1)

E x \u003d K I B / b,

Unde eu este curentul care curge de-a lungul plăcii, B- inducția câmpului magnetic, b- lățimea plăcii în direcția perpendiculară pe curent, K=1/ne este coeficientul Hall, eȘi n respectiv - sarcina elementara purtători de curent şi concentrarea acestora.

Când se stabilește un echilibru dinamic între forța Lorentz și forța câmpului electric Hall, purtătorii de sarcină având aceeași viteză v se va deplasa pe traiectorii rectilinii în direcția curentului electric extern, în timp ce vectorul câmpului electric total este direcționat către vectorul curent prin semiconductor la un anumit unghi. φ. Unghiul Hall este dat de: tg φ \u003d E X / E \u003d u B, Unde tu- mobilitatea purtătorilor de taxe. Pentru câmpuri magnetice mici și, în consecință, unghiuri Hall mici φ ≈ u B.

Când se stabilește echilibrul dinamic, intensitatea câmpului electric Hall rezultat compensează acțiunea forței Lorentz și, prin urmare, nu există nicio curbură a traiectoriei purtătorilor de sarcină care au aceeași viteză. v. S-ar părea că în acest caz rezistența semiconductorului nu ar trebui să se modifice sub acțiunea unui câmp magnetic.

În realitate, purtătorii dintr-un semiconductor respectă o anumită distribuție a vitezelor. Prin urmare, transportatorii cu o viteză mai mare decât viteza medie și transportatorii cu o viteză mai mică decât media, sunt deplasați către puncte diferite pe fața laterală a plachetei semiconductoare, deoarece acestea sunt afectate de o forță Lorentz diferită. Astfel, rezistivitatea unui semiconductor într-un câmp magnetic se modifică datorită curburii traiectoriei purtătorilor de sarcină care se deplasează cu o viteză diferită de viteza medie.

Cel mai mare efect magnetorezistiv poate fi obținut într-un semiconductor de o astfel de formă și design, în care apariția intensității câmpului electric Hall este dificilă sau chiar imposibilă. Aceste condiții pot fi realizate teoretic într-o placă semiconductoare cu infinit dimensiuni mariîn direcția perpendiculară pe puterea câmpului electric extern. Într-un astfel de semiconductor, nu există o acumulare de purtători de sarcină pe fețele laterale, nu se formează nicio FEM Hall, iar traiectoria sarcinii se abate de la direcția câmpului electric extern în direcția forței Lorentz (Fig. 8.1.2) . Vectorul densității curentului coincide în direcția cu viteza purtătorilor de sarcină și, prin urmare, se dovedește a fi deplasat față de vectorul intensității câmpului electric extern de unghiul Hall. φ . Abaterea traiectoriei purtătorilor de sarcină într-un semiconductor nelimitat este echivalentă cu o scădere a căii libere medii a purtătorilor de sarcină în direcția câmpului electric cu ,

Aici L0 este calea liberă medie a purtătorilor de sarcină în absența unui câmp magnetic, L΄ este proiecția drumului parcurs de purtătorul de sarcină între două ciocniri succesive în prezența unui câmp magnetic pe direcția câmpului electric extern. Pentru unghiuri Hall mici cos φ poate fi aliniat

cos φ = 1- φ 2 /2!+…,

Apoi ΔL ≈ L 0 - L 0 + L 0 φ 2 /2, și, prin urmare ΔL ≈ L 0 φ 2 /2.

Deoarece pe parcursul drumului liber purtătorul de sarcină parcurge într-un câmp magnetic un drum mai scurt de-a lungul câmpului electric , atunci aceasta este echivalentă cu o scădere a vitezei de derivă și a mobilității și, în consecință, a conductivității semiconductorului., Modificarea relativă a rezistivității în acest caz (ρ - ρ 0) / ρ 0 \u003d ΔL / L 0 \u003d u 2 B 2 / 2.

Pentru un cristal semiconductor limitat ca dimensiune, relația Δρ / ρ 0 \u003d С u 2 B 2, Unde CU - coeficient în funcţie de forma plăcii semiconductoare.

ÎN În ultima vreme MR-urile de film s-au răspândit, al cărui element sensibil magnetic este un film feromagnetic (un aliaj de nichel cu cobalt sau nichel și fier). Funcționarea filmelor MC se bazează pe efectul magnetorezistiv anizotrop, care constă în faptul că un câmp magnetic extern modifică probabilitatea de împrăștiere a electronilor într-un material feromagnetic într-un material feromagnetic. diverse direcții, care la rândul său duce la o modificare a rezistenței electrice.

Orez. 1. Scheme de conectare a magnetoresistoarelor la o sursă de energie și sarcină, a - single cu Rn; b - diferential (semi punte); c - diferenţial la circuitul de punte; g - puntea magnetoresistorului.

Pentru a compensa instabilitatea termică a unui singur magnetoresistor, poate fi utilizat un termistor special selectat (conform TCR), care este pornit în locul rezistenței de sarcină Rl (Fig. 1a).
Cele mai bune rezultate sunt obținute prin utilizarea magnetoresistoarelor diferențiale (Fig. 1b, c) și a punților de magnetoresistori (Fig. 1d).
Pentru amplificarea și procesarea primară a semnalului „înlăturat” de la magnetorezistor, diverse circuite electronice realizate pe tranzistoare (Fig. 2.) sau circuite integrate (Fig. 3, 4). Pe fig. 2.a prezintă o diagramă a treptei de intrare a unui dispozitiv magnetoelectronic realizat pe un magnetoresistor.

Orez. 2. Scheme de conectare a unui magnetoresistor la o cascadă de tranzistori.

Când un câmp magnetic extern acționează asupra magnetoresistorului R1, semnalul de la ieșirea lanțului R1 - R2 se modifică proporțional cu modificarea intensității câmpului magnetic și în secțiunea liniară a caracteristicii de intrare a tranzistorului VT1. Modul de funcționare a tranzistorului este setat de rezistența R2. Acest circuit folosește un tranzistor cu cel mai mare raport de transfer al curentului static posibil (mai mult de 200).
Circuitul (Fig. 2b) este completat cu o etapă cheie pe tranzistorul VT2, scufundat pe releul K1.
Pentru a amplifica semnalul magnetorezistorilor atunci când se creează dispozitive magnetoelectronice moderne, este cel mai oportun să se utilizeze circuite integrate ale amplificatoarelor operaționale conectate conform schemei convertoarelor rezistență-tensiune (PSN).
Ca parte a dispozitivelor magnetoelectronice extrem de sensibile, cea mai eficientă este utilizarea amplificatoarelor instrumentale integrate cu zgomot redus de tipul AMP-04 și AMP-01 (Analog Devices) sau INA118P (BurrBrown).
O creștere a stabilității termice a dispozitivelor magnetoelectronice este asigurată prin utilizarea unor circuite speciale de control termic și alimentare de la o sursă de curent alternativ.
Pe fig. 3a, de exemplu, sunt prezentate circuitele de alimentare cu energie și de stabilizare termică a modului de funcționare al unui magnetorezistor cu peliculă subțire de tip GMR Sat. În acest caz, amplificarea semnalului poate fi efectuată de un amplificator, al cărui circuit este prezentat în Fig. 3b.

Orez. Fig. 3. Scheme de alimentare cu energie și de stabilizare termică a regimului unui magnetorezistor cu peliculă subțire de tip GMR C6 folosind: a - un pozistor; b - amplificator de semnal.

Cu o valoare a rezistenței R6 = 5K, câștigul unui astfel de circuit este de aproximativ 18.

Pe fig. 4 și 5 sunt cele mai simple scheme de conectare a magnetorezistoarelor la amplificatoare operaționale și instrumentale.

Orez. 4. Circuitul de amplificare a semnalului unei punți magnetorezistoare cu peliculă subțire recomandată de Siemens A. G.

Orez. 5. Schema de pornire a unui magnetorezistor „monolitic” diferenţial recomandat de Siemens A. G.

Pe fig. Figura 5 prezintă un circuit pentru pornirea unui magnetoresistor diferențial „monolitic”, proiectat să funcționeze într-un dispozitiv pentru controlul vitezei de rotație a unei roți dințate.
Pe fig. Figura 6 prezintă schema de conectare a unui magnetorezistor cu peliculă subțire de tip KMZ10, conceput pentru a înregistra câmpuri magnetice slabe.

Orez. 6. Schemă de pornire a unui magnetorezistor cu peliculă subțire de tip KMZ10, conceput pentru înregistrarea câmpurilor magnetice slabe.

Schema prezentată în fig. 6 oferă următoarele caracteristici:

compensarea derivei sensibilității în funcție de temperatură printr-o buclă de feedback, care include un termistor tip KTY 83-110;

reglarea polarizării folosind rezistența R8;

reglarea sensibilității circuitului folosind un rezistor multi-turn R4.

Schema prezentată în fig. 7 poate fi folosit atât în ​​mod liniar (DA1 acționează ca un amplificator de tensiune), cât și în mod „digital” (DA1 acționează ca un comparator). Modurile de funcționare sunt setate prin tăierea rezistențelor R1 și R2.

Figura 7. Schema de cablare a podului magnetoresistorului HMC1001 cu peliculă subțire recomandată de Honeywell.

Ohoho, așa că trebuie modificări ale senzorilor Hall joystick-ul tău Trustmaster TopGun Afterburner II. În ciuda faptului că „Runetul” are deja experiență, vă voi spune încă o dată ce și cum să faceți :)

Practic, totul despre va fi discutat de mai jos se aplică aproape oricărui joystick, nu doar celui experimental.

Istoricul problemelor

Dacă cineva este în rezervor, atunci explic: aproape toate joystick-urile, în special cele din anii precedenți, au fost realizate pe baza trimmerelor, care, în virtutea lor caracteristici de proiectareși utilizarea și mai activă a joystick-ului a căzut rapid în paragină și a devenit incomod să controlezi aeronava, pur și simplu nu a respectat RUS. Și apoi a fost inventat să se folosească senzori Hall în loc de rezistențe mecanice. Au apărut modele industriale, dar sunt extrem de puține. Și apoi meșterii au început să refacă joystick-uri în senzorii Hall cu propriile mâini. Și acești senzori se compară favorabil cu rezistențele mecanice, deoarece nu au același lucru Componente mecaniceși nu eșuează din aceleași motive pentru că lucrează pe un câmp magnetic, ca să spunem așa. Senzorul magnetoelectric Hall și-a primit numele de la E. Hall, un fizician american care a descoperit un important fenomen galvanomagnetic în 1879. Dacă un semiconductor, prin care (de-a lungul) curge curentul, este afectat de un câmp magnetic, atunci apare o diferență de potențial transversală (Hall EMF). Cu alte cuvinte, senzorul modifică rezistența în funcție de direcția și mărimea câmpului magnetic. Acesta este ceea ce vom folosi.

Merge

Pentru toate modificările avem nevoie de:

1. Doi senzori Hall SS495(A) sau SS496(A)
2. Doi magneți de neodim
3. Două șuruburi mici autofiletante
4. Fire pentru lipit
5. lipici fierbinte

Deci, mai întâi trebuie să pregătiți joystick-ul. Va trebui să scoateți rezistențele și să le tăiați elementele de fixare. Pentru a face acest lucru, deșurubați capacul de prindere al arcului cu RUS (se va mișca liber, va fi mai convenabil să întoarceți totul în mâinile voastre), deșurubați cele 4 șuruburi care fixează întreaga unitate, deslipiți firele de la rezistențe și trageți afară. rezistențele în sine. De asemenea, tăiați punctele de montare ale rezistențelor, nu vor mai fi necesare, în plus, vor interfera cu instalarea senzorilor și a magneților.

Acum este timpul pentru verificare. Rulați programul JoyTester, conectați joystick-ul la computer și, aducând magneții la senzori, uitați-vă la graficul din program. Dacă reacționează la mișcările tale cu magneți în raport cu senzorii, atunci ai lipit totul corect și funcționează.

Magneți. S-a întâmplat să nu am unități vechi de CD / DVD și, când l-am cumpărat, am primit magneți rotunzi, dar nu este înfricoșător. Le-am prins pe șuruburi mici autofiletante (chiar pe partea laterală a capacului), după ce le-am scurtat. A fost necesar să le scurtăm, altfel erau înșurubate prea adânc și atingeau nodurile în mișcare din mecanismul RSS. A mușcat excesul de la șuruburi cu simple tăietori de metal, lovindu-le cu un ciocan. În plus, puteți arunca lipici fierbinte în orificiul axei, unde veți înșuruba șuruburile, deoarece. ai mei sunt cam liberi acolo. În cazul magneților dreptunghiulari, este mai bine să îi montezi pe „planul principal” al capacului, iar pe cei rotunzi - la capătul capacului (în cazul meu). După înșurubarea șuruburilor autofiletante, strângeți capacul clemei cu arc RSS până se oprește, astfel încât RSS să stea cât mai vertical posibil.

Asta, de fapt, este tot! Au agățat magneții, au lipit senzorii, i-au calibrat - poți merge spre cer! La extrem, în orice simulator de zbor există o setare software a axelor, unde va fi posibilă ajustarea acestora în funcție de situație.