4.4.2. Магниторезистивные датчики

Принцип действия магниторезистивных преобразователей основан на изменении удельного сопротивления проводников и полупроводников под действием магнитного поля – эффекте Гаусса (см. п. 3.1.3).

Следует отметить, что при продольном эффекте изменение магнитосопротивления незначительно и для создания магниторезистивных ПИП применение находит в основном поперечный эффект Гаусса.

Материалы и конструкции магниторезистивных ПИП

В качестве материалов чувствительных элементов магниторезистивных датчиков могут использоваться чистые металлы (например, висмут), полупроводниковые соединения (например, антимонид индия), ферромагнетики. Чистые металлы характеризуются сравнительно малым значением магнитного коэффициента (например, у висмута α_В≈ 1), поэтому в настоящее время магниторезистивные ИП на эффекте Гаусса изготавливаются из полупроводниковых материалов (например, полупроводниковых соединенийInSb,InAs). Большее применение получил эвтектический сплав антимонида индияInSbи антимонида никеляNiSb.

Чувствительный элемент магниторезистивного ПИП может быть выполнен различной конфигурации: в виде диска Корбино (рис. 4. 8а); в виде пластины с малым отношением размеров a/b(рис. 4.8б).

1 – чувствительный элемент; 1 – чувствительный элемент;

2, 5 – электроды; 3, 4 – выводы 2 – подложка; 3 – выводы

Рис. 4.8 Рис. 4.9

Магниторезистивные преобразователи с чувствительным элементом, выполненным в форме диска из полупроводникового материалы (например, из InSbилиInAs), характеризуются малым значением начального сопротивления (R₀составляет значение в несколько десятых долей ом) и ограниченной нагрузочной способностью. Толщина чувствительного элемента составляет десятые доли миллиметра. Присоединение вывода 4 к центральному электроду 2 (рис. 4.8а) приводит к утолщению диска Корбино и невозможности использования его при измерении магнитных полей в малых воздушных зазорах.

Выполнение чувствительного элемента в виде пластинки прямоугольной формы, у которой ширина bбольше дины а (рис. 4.8б), позволяет увеличить эффект Гаусса. Сопротивление таких преобразователей достигает десятков ом.

Использование эвтектических сплавов (например, сплава InSb–NiSb) позволяет получить значения сопротивленияR₀от единиц ом до десятков килоом. Конструкция магниторезистивного ПИП с чувствительным элементом из сплаваInSb–NiSbизображена на рис. 4.9. Чувствительный элемент представляет собой меандровую полоску 1 на изолирующей (например, керамической) подложке 2. К полоске припаиваются выводы 3. Толщина полоски составляет десятки микрометров (15–25 мкм). Для повышения чувствительности в качестве подложки используют ферромагнитный материал с высокой маг­нит­ной проницаемостью. Изготовление магнито­рези­с­тив­ных датчиков дифференциальными позволяет повысить их чувствительность и уменьшить погрешности. На рис. 4.10 представлена конструкция меандровой полоски диф­фе­рен­ци­ального преобразователя. Магнито­резис­тив­ные ПИП и

Рис. 4.10

меют малые геометрические размеры, не превышающие 3…4 мм при толщине не более 0,4 мм.

Основные характеристики магниторезистивных ПИП

К характеристикам магниторезистивных ИП относятся: уравнение преобразования (градуировочная характеристика); начальное (номинальное) сопротивление; магниторезистивное отношение; магнитная чувствительность; погрешности преобразователя; нагрузочная способность.

Уравнение преобразованиямагниторезистивного преобразователя на эффекте Гаусса имеет вид [19]

, (4.30)

где R – начальное сопротивление преобразователя при В = 0; А_B– коэффициент, зависящий от физических свойств материала и формы чувствительного элемента; μ – подвижность носителей зарядов.

В слабых магнитных полях (при μ^.В << 1) показатель n = 2 – сопротивление R квадратично зависит от индукции В и чувствительность S преобразователя при этом определяется как

. (4.31)

Чувствительность пропорциональна магнитной индукции.

В сильных магнитных полях (при μ^.В >> 1, в большинстве случаев при B > 0,3–0,5 Тл) показатель n = 1 и функция преобразования линейна. Чувствительность преобразователя при этом находится как

. (4.32)

Номинальное (начальное) сопротивлениеR₀ – это сопротивление при индукции магнитного поля В, равной нулю.

Значение начального сопротивления зависит от проводимости материала, конфигурации и размеров чувствительного элемента и для различных типов магниторезисторов колеблется от десятых долей ома (например, для магниторезисторов из InAsR₀ может быть равно 0,5 Ом) до единиц килоом (например, для магниторезистивных ИП из сплаваInSb-NiSbR₀может иметь значение, равное единицам килоом).

Отклонение начального сопротивления от номинального значения обусловлено неоднородностью материала магниторезистивного преобразователя и воспроизводимости геометрических размеров чувствительного элемента и может достигать значения ±20 %.

Магниторезистивное отношениеR_B/R₀– это отношение сопротивленияR_Bмагниторезистивного ИП при определенном значении магнитной индукции (обычно 0,3 и 1,0 Тл) к начальному сопротивлениюR₀.

Отношение R_B/R₀ сильно зависит от температуры, поэтому оно определяется при определенной температуре, и для различных магниторезисторов составляет значение от единиц до десятков.

Магнитная чувствительностьS– определяется как относительное приращение сопротивленияΔR/Rмагниторезистивного ИП к вызвавшему его приращению магнитной индукции ΔВ:

. (4.33)

Нагрузочная способность– параметр, определяемый предельным значением температуры перегрева магниторезистивного преобразователя. Значение этой температуры обычно не превышает 150⁰С. В паспорте нагрузочная способность может нормироваться допустимой мощностью рассеяния.

Погрешности магниторезистивных ПИП

Основными причинами появления погрешностей являются: 1) изменение физических свойств материалов и геометрических размеров во времени под действием температуры; 2) влияние измеряемой среды на свойства материала чувствительного элемента; 3) изменение частоты магнитного поля (при измерении переменных магнитных полей).

Так как преобразователи на эффекте Гаусса изготавливаются в основном из кристаллических полупроводников, характеризующихся высокой временной стабильностью параметров, поэтому погрешность от изменения свойств во времени мала и ей обычно пренебрегают.

Температурная погрешность обусловлена изменением начального сопротивления R₀, коэффициента А_B, магниторезистивного отношенияR_В/R₀. Для уменьшения этой погрешности используются различные компенсирующие или корректирующие устройства. Кроме этого уменьшение температурной погрешности достигается выбором материалов с малым ТКС. Значения ТКС различных типов магниторезистивных датчиков составляет 0,0002 … 0,012 К^-1.

Погрешность магниторезистивных датчиков составляет 0,5…2,5 % (частота 0 … 20 кГц).

Для защиты материала чувствительного элемента от воздействия измеряемой среды его покрывают защитными лаками и компаундами.

В табл. 4.4 представлены характеристики некоторых типов магниторезистивных датчиков [8].

Таблица 4.4

Характеристика	Тип магниторезистивного датчика
	InAS	InSb	InSB-NiSb
Сопротивление R0, Ом при В = 0	0,5 - 100	0,5 - 200	10 – 2^.10^3
RB/R при В = 1,0 Тл	2 - 3	10 - 15	10 - 15
Номинальная мощность рассеяния (в воздухе), Вт	0,2	0,1	0,1
Диапазон рабочих температур, ^0С	-200…+150	-20… +100	-200 … +100

Магниторезистивные ИП применяются для измерения постоянных и переменных полей (диапазон измерения 10^-2 … 10²Тл) и величин функционально с ней связанных, а также в различных устройствах автоматики и вычислительной техники. Очень часто они используются как индикаторы магнитного поля.