Магниторезисторы - это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля.
Механизм изменения сопротивления довольно сложен, так как является результатом одновременного действия большого числа разнообразных факторов. К тому же он неодинаков для разных типов приборов, технологий и материалов. Магниторезисторы характеризуются такими параметрами, как магнитная чувствительность, номинальное сопротивление, рабочий ток, термостабильность и быстродействие, диапазон рабочих температур.
Выделяются две большие группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные».
«Монолитные» магниторезисторы. Принцип действия монолитных магниторезисторов основан на эффекте Гаусса, который характеризуется возрастанием сопротивления проводника (или полупроводника) при помещении его в магнитное поле. Конструкция «монолитного» магниторезистора приведена на рис11.18 .
Подложка
Рис. 11.18. Конструкция «монолитного» магниторезистора
г)
Рис. 11.19. Варианты топологии МЧЭ «монолитных» магниторезисторов
Магниторезистор представляет собой подложку с размещенным на ней магниточувствительным элементом (МЧЭ). Подложка обеспечивает механическую прочность прибора. Элемент приклеен к подложке и защищен снаружи слоем лака. МЧЭ может размещаться в оригинальном или стандартном корпусе и снабжаться ферритовым концентратором магнитного поля или «смещающим» постоянным микромагнитом.
«Монолитные» магниточувствительные элементы изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих высокой подвижностью носителей заряда. К таким материалам относятся антимонид индия (InSb) и его соединения арсенид индия (InAs) и др.
В зависимости от назначения прибора МЧЭ могут иметь различную форму. Наиболее известны МЧЭ прямоугольной формы и имеющие вид меандра (рис. 11.19а
Элементы, показанные на рис. 11.19г, предназначены для использования в магнитоуправляемых устройствах с круговым перемещением источника магнитной индукции. Магниточувствительный элемент, изображенный на рис.ж, представляет собой круговой магниторезистивный мост.
Нагрузочная способность магниторезистора определяется в документации на прибор одним из следующих параметров:
- значением мощности, которую может рассеять магниторезистор Рмакс;
- значением предельно допустимого тока Iмакс;
- значением теплового сопротивления λ.
Рабочее напряжение для магниторезистора (Uп) рассчитывается по формуле:
Uп =√(TмаксЧ TА )Ч λ ЧR (Tмакс ) (11.35)
где λ - тепловое сопротивление конструкции магниторезистора;
Tмакс , TА - максимально допустимая температура прибора и температура окружающей среды;
R (Тмакс) - сопротивление МЧЭ при максимальной температуре.
Из этого выражения для каждого значения температуры окружающей среды можно определить допустимую нагрузку для конкретного типа магниторезистора. Параметр λ обычно определяется экспериментально изготовителем прибора в среде неподвижного воздуха. Значение λ указывается в технической документации на магниторезистор.
Максимальную мощность Рмакс можно значительно повысить (в 1,5-2 раза) при использовании элементарного теплоотвода, если, например, магниторезистор с обеих сторон привести в плотное соприкосновение с металлическими полюсами магнитопровода.
Тонкопленочные магниторезисторы больше подходят для регистрации слабых магнитных полей (до 10-30 мТл), иногда близких к пороговым значениям. При этом следует помнить, что порог чувствительности определяется минимальным уровнем магнитного излучения, регистрируемым преобразователем магнитного поля при отношении сигнал/шум равном единице. Порог чувствительности характеризуется многими параметрами МЧЭ: величиной остаточного напряжения, уровнем собственных шумов, величиной тока управления и т.д. Значение остаточного напряжения зависит от направления и значения тока управления, от температуры элемента.
Температурное изменение чувствительности магниторезисторов на основе ФМП при питают от источника постоянного тока составляет около -0,04% на градус Цельсия, что в 5-10 раз меньше, чем у «монолитных» магниторезисторов .
Кроме того, при использовании в ограниченном динамическом диапазоне (до10 мТл) тонкопленочные магниторезисторы выгодно отличаются от других преобразователей магнитного поля.
На рис.11.21.приведены выходные характеристики различных преобразователей магнитного поля при одинаковом напряжении питания равном 5 В.
Из рис11.21. видно, что при магнитной индукции 5 мТл, соответствующей линейным участкам всех приведенных характеристик, чувствительность тонкопленочных магниторезисторов в 5 раз выше чувствительности других магниточувствительных приборов.
Магнитодиоды
Магнитодиод - это полупроводниковый прибор с p-n-переходом и невыпрямляющим контактом (омическим или антизапирающим), между которыми находится область высокоомного полупроводника (рис. 2). Пример внешнего вида магнитодиода показан на рис. 1.