Магниторезистивные сенсоры

В магниторезистивных сенсорах используется способность некоторых мате­риалов существенно изменять свою электропроводность в зависимости от на­правления и напряженности внешнего магнитного поля. К таким материалам от­носятся, например, пленки пермаллоя (NiFe). Чаще всего применяют структуру, в которой чувствительный элемент состоит из 4 пленочных резисторов из пермал­лоя, напыленных на поверхность кремния и соединенных в виде мостовой измери­тельной схемы [253]. Сверху магниторезистивные пленки защищают тонким слоем нитрида тантала. Рядом формируют миниатюрные плоские пленочные катушки. Когда через одну из них пропускают электрический ток, создаваемое им магнитное поле ориентирует домены пермаллоевых пленок вдоль оси резисторов. Именно в таком состоянии они имеют наибольшую чувствительность. Это делается каждый раз перед началом серии измерений. Через другую катушку при измерениях пропу­скают постоянный электрический ток, необходимый для компенсации остаточно­го внешнего магнитного поля, перпендикулярного к плоскости резисторов, и таким образом балансируют измерительную мостовую схему. При появлении измеряемо­го внешнего магнитного поля происходит разбаланс моста, а выходной сигнал про­порционален магнитной индукции внешнего поля. Все необходимые схемы фор­мируют в том же самом кристалле кремния. Компенсационную катушку использу­ют также для калибровки и для полного балансирования моста. Разность между током балансировки и начальным компенсационным током пропорциональна ин­дукции внешнего магнитного поля. Такая схема обеспечивает высокую линей­ность измерений, малую их зависимость от температуры и от других помех (на­пример, от наличия поблизости деталей из ферромагнитных материалов).

Кроме «одноосных» магниторезистивных датчиков, чувствительных к маг­нитному полю одного направления, выпускают также «двухосные» и «трехосные» датчики, в которых 2 или 3 магниторезистивных датчика ориентированы во вза­имно перпендикулярных направлениях. Из них изготавливают также современ­ные высоконадежные компасы без магнитной стрелки и вообще без подвижных деталей [252], а также высокоточные сенсоры направления движения («датчики курса») для авиационных, морских, автомобильных транспортных средств. На рис. 8.6, слева показан аналоговый магниторезистивный компас НМС6052, в ко­тором используется двухосный сенсор НМС1052 размером 3,5x3,5 мм с мини­мальным измеряемым магнитным полем 80 мкГс (магнитное поле Земли порядка 600 мГс). Компас работает в диапазоне температур от -45 °С до +120 °С, имеет ин­терфейс к ПК.

На рис. 8.6, справа показан миниатюрный цифровой гиростабилизирован-ный прецизионный компас HMR3600, предназначенный для определения азиму­та, работающий при любой ориентации в пространстве. Кроме трех магниторези­стивных магнитометров в его состав входят три акселерометра и гироскоп, изго­товленные с помощью МЭМС-технологии, которая описана в лекции 2. Компас определяет азимут, продольный и поперечный крены с точностью ±0,5° при разре­шающей способности 0, Г. Применяется в авиации, мореплавании, на наземном транспорте, в лазерных дальномерах, блоках управления видеокамерами, при подземной и подводной ориентации.

Рис.8.6. Магниторезистивные компасы компании Honeywell: слева — анало­говый компас марки НМС6052; справа — цифровой компас марки HMR3600

В 1988 г. Бейбич (M.N. Baibich) обнаружил, что в многослойных структурах Fe/Cr суммарной толщиной около 100 нм, в соседних слоях которых домены рас­положены антипараллельно, электрическое сопротивление может очень сильно и быстро изменяться под действием внешнего магнитного поля. Это явление назва­но «гигантским магнетосопротивлением» (ГМС) [303]. С его применением уже созданы высокоточные сенсоры магнитного поля и сверхбыстрые ГМС-головки для жестких магнитных дисков, что позволило значительно улучшить характери­стики последних.

Еще об одном интересном виде резистивных сенсоров написано, например, в [41]. Речь идет об акусторезистивном эффекте — изменении электрического со­противления вещества при наличии в нем высокочастотной акустической волны. Довольно сложный механизм этого явления может быть понят только на основе квантовомеханических закономерностей. Он связан с образованием, поглощени­ем и рассеянием фононов — квантов высокочастотных механических колебаний кристаллической решетки. Этот эффект позволяет обнаруживать наличие и опре­делять интенсивность ультразвуковых и гиперзвуковых волн, не воспринимаемых человеческим ухом.

Поиск по сайту: