Лабораторная работа №3
Тема: Изучение магнитоэлектрических преобразователей.
Цель работы: Изучение преобразователей магнитного поля и основные схемы включения.
3.1 Виды преобразователей магнитного поля
К указанной группе магнитоэлектронных устройств относятся измерители напряженности магнитных полей; измерители электрических токов и напряжений;
измерители малых перемещений; устройства для магнитодефектоскопии; воспроизводящие магнитофонные головки; головки для считывания информации,
записанной на магнитах носителях, и др. К третьей группе относятся устройства, в которых используется свойства ПМП служить аналоговым перемножителем
двух подаваемых на его вход электрических сигналов. Перемножительные свойства ПМП эффективно используются при построении аналоговых автоматических
блоков, реализующих помимо операции перемножения двух величин или операции возведения в степень, извлечения корня, деления. К этой же группе относятся
измерители электрической мощности и энергии; измеритель механической мощности; измерители электромагнитной мощности электрических величин;
смесители и преобразователи частот; анализаторы периодических и случайных процессов и др.
3.2 Элементы Холла
Элементы Холла, часто называемые датчиками Холла, являются самыми распространенными преобразователями магнитного поля. Действие этих элементов
основано на эффекте Холла, который заключается возникновении поперечной разности потенциалов при прохождении электрического тока в поперечном ему
магнитном поле.
Элемент Холла представляет собой пластину из полупроводникового материала (толщиной d по четырем сторонам которой расположены контакты. Контакты
1 и 2 называются «токовыми», а контакты 3 и 4 - «выходными» или «измерительными» иногда их называют холловскими), (смотри рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 - Пояснение принципа работы элемента Холла
Принцип действия элемента Холла объясняется следующим образом.
Через контакты 1 и 2 пропускают управляющий ток 1УП, а с контактов 3 и 4 снимают напряжение Холла VH.
В общем виде выражение для напряжения Холла (Vн) должно быть записано как
Vн=(RH/d) (IУП B), (В/А Тл)
где
(3.1)
Rн - постоянная Холла (коэффициент Холла);
d - толщина элемента;
IУП-ток управления;
В - индукция воздействующего магнитного поля.
Постоянная Холла определяется значением
(3.2)
или
где
- постоянная Холла для дырок;
- постоянная Холла для электронов;
-заряд электрона;
р - концентрация дырок;
- концентрация электронов.
Определения специфических параметров и термины, используемые при описании работы элементов Холла, приведены в таблице 3.1.
Основные параметры элементов Холла зависят от температуры. Эти зависимости имеют сложное физическое объяснение и в наиболее простом виде могут
быть проиллюстрированы двумя основными факторами: температурной зависимостью напряжения Холла Vн и температурной зависимостью сопротивления R
материала, из которого изготовлен магниточувствительный элемент (смотрим рисунков 3.2 и 3.3).
Магнитная чувствительность элемента Холла γа является функцией угла между вектором напряженности электрического и магнитного полей:
(3.3)
Таблица 3.1 - Термины и определения основных параметров элементов Холла
Наименование
параметра, термина
Входное
противление
элемента Холла
Выходное
сопротивление
элемента Холла
Условное
обозначение
(альтернативное
обозначение)
со- Rвх
(R10)
Единица
измерения
Определение
Ом
Сопротивление между управляющими электродами элемента Холла, измеренное при разомкнутых
холлов-ских электродах и отсутствии магнитного поля (В=0)
Rвых
(R20)
Ом
Сопротивление между холловскими электродами элемента при разомкнутой входной цепи и при
отсутствии магнитного поля (В=0)
Остаточное
напряжение
Uост
(U0)
(VR0)
В
(мВ)
Напряжение на выходных электродах, возникающее при протекании тока управления и при отсутствии
магнитного поля (В = 0) и Rн- стремящимся к бесконечности
Температурный
коэффициент
выходного
сопротивления
Сопротивление
линеаризации
TKRвых
(TCR20)
%/0 C
Коэффициент, определяемый как ТКвых=(100 DRвх)/(Rвх(T0) ∆T), где ∆Rвых- изменение выходного
сопротивления элемента, ∆T изменение температуры
Rл
ОМ
Индукционное
остаточное
напряжение
UЛ
(Aл)
В
(мВ)
(см2)
Сопротивление нагрузки элемента Холла, при котором погрешность спрямления (нелинейность)
минимальна. Значение Rл может быть определено расчетным путем или экспериментально, путем
последовательного снятия энергетических характеристик
Это напряжение, индуцируемое переменным магнитным потоком управления в витке, образованном
выводами и самим элементом Холла. Значение этого напряжения зависит от значения индукции
магнитного поля, ее частоты и площади контура AЛ, в котором оно наводится:
UЛ= AЛ(∆В/∆t)
Магнитная чувствительность элемента Холла достигает максимума при угле равном 90°. При использовании концентраторов и других элементов магнитных
систем зависимость RHp может быть иной.
Для изготовления МЧЭ элементов Холла наиболее широко используются: кремний (Si), германий (Gе), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb),
арсенид галлия (GaAs), то есть полупроводниковые материалы, обладающие высокой подвижностью носителей заряда и наивысшим значением коэффициента
Холла.
Известно также применение для этих целей пластин и тонких пленок из селенистой ртути (HgSe) и теллуристой ртути (НgТе), а также висмута (Вi).
В последние годы некоторые фирмы ведут работы по использованию тройных соединений типа «кадмий-ртуть-теллур» (Сdx,Нgx-1,Те). Элементы Холла на
основе указанных соединений работают в интервале от комнатных до гелиевых температур.
Рисунок 3.2 - Температурная зависимость напряжения Холла для различных полупроводниковых материалов
Рисунок 3.3 - Температурная зависимость сопротивления для различных полупроводниковых материалов
Конструктивное оформление элемента Холла зависит от используемого исходного полупроводникового материала и от технологии изготовления.
Магниточувствительный элемент преобразователя Холла может быть изготовлен с использованием любой современной технологии микроэлектроники:
полупроводниковой биполярной и эпипланарной, пленочной, МОП, КНС, КНИ и др. Наибольшее распространение получили кристаллические и пленочные
МЧЭ.
3.3 Элементы Холла по технологии биполярных ИС
Большинство интегральных элементов Холла изготавливается по биполярной эпитаксиальной технологии. Эта технология хорошо освоена в электронной
промышленности, так как она широко используется при изготовлении кремниевых интегральных микросхем. Поэтому для изготовления интегральных элементов
Холла практически не требуется дополнительного технологического оборудования.
Существенным недостатком приборов, изготовленных по биполярной технологии, является значительный ток управления - 2-10 мА. Этот параметр особенно
критичен при использовании приборов в устройствах с автономными источниками питания, а также в энергосберегающих системах.
Стоимость приборов, изготовленных по биполярной эпитаксиальной технологии, остается достаточно высокой, что обусловлено, главным образом,
использованием, дорогостоящих эпитаксиальных структур со скрытыми высоко легированными слоями.
С учетом широкого распространения интегральных элементов Холла, изготовленных по биполярной технологии, ниже приводится описание нескольких
вариантов таких приборов.
1) Горизонтальный элемент Холла. Структура элемента Холла, изготавливаемого по типовой эпипланарной технологии кремниевых интегральных
микросхем, приведена на рисунке 3.4. Элемент предназначен для регистрации магнитного потока, перпендикулярного к поверхности кристалла.
Геометрию активной области элемента Холла 1 определяют изолирующие диффузионные области р-типа 2, области п «токовых» 3, 4 и «измерительных»
(холловских) 5, 6 контактов формируются одновременно с изготовлением области эмиттера 7 биполярных транзисторов.
Структура эпитаксиального элемента Холла с четырьмя «измерительными» и «токовыми» контактами обеспечивает получение величины магнитной
чувствительности порядка 0,43 В/Тл при токе управления 5 мА и остаточном напряжении не более 4 мВ.
Рисунок 3.4 - Эпитаксиальный горизонтальный элемент Холла
(1 - активная область элемента Холла; 2 - изолирующие диффузионные области р-типа; 3, 4 - области п «токовых» контактов; 5, 6 - «измерительные»
контакты; 7 - область эмиттера; 8 - область базы)
2) Вертикальный элемент Холла. На рисунке 3.5 приведена структура элемента Холла, чувствительного к составляющей магнитного поля, направленной
параллельно поверхности кристалла. Этот элемент также изготовлен по типовой эпитаксиальной планарной технологии.
Элемент имеет три «токовых» 1,2,3 и два «измерительных» 4,5 электрода, расположенных в плоскости кристалла в ортогональных направлениях. Смещение
задается таким образом, что ток течет от центрального токового контакта 2 к двум другим токовым контактам 1,3 через эпитаксиальный слой 6 и скрытый п
слой 7. В эпитаксиальном слое под центральным токовым электродом 1 ток течет перпендикулярно поверхности кристалла. Если внешнее магнитное поле
направлено параллельно оси расположения токовых электродов и поверхности кристалла, то в активной области элемента генерируется ЭДС Холла, которая
фиксируется на измерительных (холловских) электродах, расположенных около центрального токового электрода.
Удельная магнитная чувствительность такого элемента составляет примерно 47 В/ТлхА и при дальнейшей оптимизации топологии кристалла может быть
увеличена до 1000-1300 В/ТлхА.
3) Трехполюсный элемент холла. Представляет интерес преобразователь магнитного поля, предложенный Ч.С. Румени, П.Т. Костевым и названный
авторами трехполюсным элементом Холла.
На самом деле данный преобразователь не является элементом Холла в классическом понимании. По принципу действия прибор относится к
полупроводниковым магниторезисторам. Структура преобразователя магнитного поля приведена на рисунке 3.6
Рисунок 3.5 - Вертикальный элемент Холла, сформированный по технологии биполярных ИС
(а - структура; б - топология элемента. 1,2,3 - «токовые» электроды; 4,5 - «(измерительные» электроды; 6 - эпитаксиальный слой; 7 - скрытый n слой; 8изолирующие р-области)
Преобразователь реализован в кремниевой подложке толщиной 300 мкм, на поверхности которой сформированы три омических контакта (Н1, Н2, Н3).
Электроды (контакты) имеют прямоугольную форму и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Напряжение питания прикладывается между
электродом Н1 и электродами Н2, Н3 (через резисторы Rв, R1, и R2).
Прибор функционирует следующим образом. При воздействии магнитного потока, параллельного плоскости кристалла, напряжение сигнала возникает
между крайними, электродами, а дифференциальное напряжение двух снимается непосредственно с электродов Н2, H3.
Рисунок 3.6 - Структура и схема включения трех полюсного элемента Холла
При расстоянии между электродами Н2- Н1 и Н3- Н1 равном 300 мкм и сопротивлении нагрузки равном R1=R2=10 кОм магнитная чувствительность
элемента достигает 0,1-0,12 В/Тл при токе управления 15 мА.
Напряжение сигнала Uвых является линейной функцией магнитной индукции В и тока управления Iуп, при смене полярности магнитного поля этот сигнал
также меняет свой знак.
При помощи резистора Rб производится компенсация остаточного холловского напряжения Uост.
3.4 Элементы Холла по моп-технологии
В последние годы в России и за рубежом ведутся интенсивные работы по созданию и производству магнито чувствительных элементов и структур на основе
кремниевой МОП технологии. Эта технология не требует применения дорогостоящих эпитаксиальных структур и позволяет значительно снизить ток управления
элементов. Кроме того, по МОП технологии можно создавать дешевые микро мощные магниточувствительные и магнитоуправляемые ИС.
С учетом перспективности использования интегральных элементов Холла, изготовленных с применением МОП технологии, ниже приводится описание
нескольких вариантов таких приборов.
1) Горизонтальный МОП элемент Холла. Структура кристалла горизонтального МОП элемента Холла приведена на рисунке 3.7. Исходной подложкой
является кремниевая пластина п-типа, на поверхности которой сформированы четыре диффузионные области р типа проводимости, две из которых служат
«токовыми» электродами 1,2, а две другие - «измерительными» (холловскими) электродами 3,4. Между областями сформирован под затворный диэлектрик 5 и
алюминиевый электрод затвора 6.
Рисунок 3.7 - Структура горизонтального МОП элемента Холла
(1,2,- диффузионные области р- типа токовых» контактов; 3,4 - диффузионные области р типа «измерительных» электродов; 5 - под затворный диэлектрик; 6
- электрод затвора)
Работает элемент Холла следующим образом. При подаче на затвор отрицательного (относительно подложки) напряжения в под затворной области возникает
инверсный слой. Если при этом подать смещение на токовые электроды, между ними потечет ток дырок, а поскольку измерительные электроды выполнены
симметрично относительно друг друга, то разность потенциалов между ними в отсутствие магнитного поля равна нулю. При воздействии внешнего магнитного
поля, перпендикулярного к поверхности кристалла, в инверсном слое МОП структуры возникает поперечная холловская ЭДС, значение и знак которой
определяются величиной и направлением вектора магнитной индукции.
Основными отличительными чертами данного элемента являются: полная совместимость его формирования с типовыми МОП транзисторными структурами;
Возможность получения очень тонкой активной области элемента Холла (10-20 нм), которая в данной конструкции определяется толщиной инверсионного
слоя, что, в свою очередь, позволяет повысить удельную магнитную чувствительность элемента до 80 В/Тл А.
При формировании подобной структуры на кремниевой подложке р-типа проводимости удельная магнитная чувствительность может быть увеличена до 400
В/Тл А.
2) Вертикальный МОП элемента Холла. На рисунке 3.8 приведена структура и топология «вертикального» элемента Холла, выполненного по МОП
технологии кремниевых ИС.
Исходной подложкой является кремниевая пластина n-типа; Активная область элемента ограничивается, глубокой кольцевой областью р-типа проводимости
7.
Поликремневый затвор располагается на тонком под затворном окисле кремния, что позволяет при подаче на него смещения обеспечивать стабилизацию
поверхностного потенциала и поверхностной плотности заряда.
Рисунок 3.8 - Структура вертикального элемента Холла
(1,2,3 - «токовые» контакты; 4,5 -«измерительные» контакты; 6 - поликремневый электрод затвора; 7 - изолирующая кольцевая область р-типа проводимости)
В данной структуре токовые и измерительные (холловские) контакты выполнены в виде параллельных полосок. В отсутствие магнитного поля ток
распределяется равномерно между контактами 1-2 и 2-3, следовательно, значения потенциалов на измерительных контактах 4, 5 практически равны. При
воздействии внешнего магнитного поля в активной области элемента возникает компенсирующее поле Холла, которое является мерой напряженности
магнитного поля.
3.5. Элементы Холла по технологии молекулярной эпитаксии
В последние годы ведущими зарубежными фирмами ведутся интенсивные работы по созданию элементов Холла с использованием молекулярной эпитаксии
(Моlесulаr beam epitaxy - МВЕ).
В отечественной научно-технической литературе подобная технология носит название молекулярно-лучевой эпитаксии.
Элементы Холла, изготовленные по МВЕ технологии, представляют собой многослойные структуры, сформированные, на полупроводниковой подложке.
Например, на подложке из GаАs последовательно формируются слои: АlGаАsSЬ -InАs - АlGaAsSb- GаАsАl.
Использование этой технологии позволяет создавать интегральные элементы Холла со сложной топологией магниточувствительных элементов, обладающих
очень высокой магнитной чувствительностью. При этом топология магниточувствительного элемента и конструктивное оформление приборов могут быть
самыми разнообразными.
Представляют интерес тонкоплёночные элементы Холла, изготовленные японской фирмой Аsаhi с применением МВЕ технологии (таблица 3.2). Приборы
имеют весьма высокие магнитоэлектрические параметры. Они снабжены ферритовым концентратором, что увеличивает магнитную чувствительность в 2-6 раз.
Таблица 3.2 - Основные параметры опытных образцов элементов Холла, изготовленных фирмой Аsahi с применением МВЕ
Магнитная
МатеВходное сопротивление Ток управления чувствительность, Y,В/ Удельная
магнитная Остаточное напряжение, приведенное
риал
при 20С, Rвх,Ом
при В=50 мТл
Тл при
чувствительность. Yуд,В/Тл*А значению тока управления, Uост,В/А
МЧЭ
В = 50мТл
InSb
InAs
240-550
400-700
1,8-4,1
8,6-15
3-6,4
2-6
3000-6400
130-690
к
±(1,7-3,9)
±(1,1-1,7)
Основной недостаток приборов, изготовленных с помощью МВБ,- высокая трудоемкость их изготовления и высокая стоимость.
3.6 Полевые Элементы Холла
В последние годы, благодаря достижениям микроэлектроники, связанным с внедрением структур типа «кремний на изоляторе» (КНИ), появилась
возможность разработки принципиально новых магниточувствительных элементов, использующих эффект Холла. Такие приборы получили условное
наименование полевые датчики Холла (ПДХ). В зарубежной, аппаратуре эти приборы известны под названием FEHS-filed-effect, Hall sensor.
Принцип действия ПДХ основан на широко известном эффекте Холла и понятен из рисунка 3.9. Рабочее тело датчика сформировано внутри кремниевого
кристалла. Прибор снабжен затвором (управляющим электродом), а также входными и выходными контактами. Кроме того, имеются выводы от подложки и
специального экранирующего электрода, обеспечивающего работоспособность прибора при малых токах управления. Подложка может быть использована в
качестве второго затвора.
Рисунок 3.9 - Полевой датчик Холла (а - топология; 6 - структура; в – схематическое изображение)
При использовании полевых датчиков Холла необходимо учитывать некоторые особенности их функционирования. Изменяя потенциал затворов (верхнего
или нижнего), можно регулировать остаточное напряжение в ПДХ, то есть изменять разность потенциалов между холловскими контактами, возникающую при
протекании токи через датчик в отсутствие магнитного поля. Указанное обстоятельство выгодно отличает ПДХ от традиционных датчиков Холла. Кроме того,
поскольку толщина слоя Si в КНИ структуре примерно 200 нм, что в несколько раз меньше, чем в стандартных кремниевых датчиках Холла, изготавливаемых по
имитационной технологии, постольку и чувствительность ПДХ пропорционально выше. Уменьшение толщины проводящего канала с помощью полевого
эффекта обеспечивает возможность управления магнитной чувствительностью ПДХ величина которой сопоставима с соответствующей характеристикой для ЭХ
на основе GаАs. Омическое сопротивление «открытого» канала ПДХ составляет от 10 до 120 кОм, что при стандартных значениях напряжения источника
питания (5 или 9 В) определяет весьма низкое значение тока управления (50-400 мкА), которое, по крайней мере, на порядок меньше, чем у традиционных
полупроводниковых ЭХ. Последнее обуславливает не только рекордно высокую удельную магнитную чувствительность ПДХ (до 10000 В/ А Тл), но и
существенно более низкий уровень его собственных шумов, то есть н высокую пороговую чувствительность прибора.
Конструкция ПДХ позволяет осуществлять измерения ЭДС - Холла в режиме цифровой или аналоговой модуляции потенциала на полевых электродах
(затворах), что существенно облегчает возможность регистрации слабых сигналов. ПДХ позволяют уверенно регистрировать магнитные поля с индукцией около
10~7Тл.
Конструктивное оформление приборов весьма разнообразно. Кремниевый кристалл размещается в стандартном или оригинальном корпусе.
3.7 Производство и образцы элементов Холла
В Советском Союзе разработкой и выпуском элементов Холла занималось более 30 организаций.
Наиболее известные из них - ОВНИИЭМ, г. Искра Московской области (приборы тип; ДХГ-0,5, ДХГ-0,5с, ДХГ-0,5м, ДХГ-2С, ДХК-7АК, ДХК-14, ДХК-74,
ДПК-1, ХАГ-П4, ХИМ, ХИМ-С2, и др.); НПО «Вега», г. Бердск (приборы серий ДХК и ПХЭ); ИФТТ и ПП АН БССР г. Минск (приборы типа ИП); ОКБ ФТИ АН
Уз. ССР, г. Ташкент (приборы типа ХАГЭ-1, ХАГЭ-2 ХАГЭ-3 и др.); завод чистых металлов, г. Светловодск (приборы типа Х101, Х112, Х201 Х212, Х501, Х511);
СКТБ ФТИ АН СССР, г. Ленинград, и др.
Самую большую группу отечественных элементов Холла представляют приборы на основе гетероэпитаксиальных пленок InSb-GаАs, выпускаемые НПО
«Вега» (г. Бердск и НПО «Домен» (г. Ленинград).
Наиболее известными отечественными приборами являются элементы Холла сер ПХЭ 602 - ПХЭ 606 и ДХК-0,5.
Среди сравнительно новых изделий можно отметить ХИМ-С2, ДХК-7АК и ДХК-12ПК, разработанные ОВНИИЭМ. Прибор ХИМ-С2 выполнен с системой
дублирования, состоящей из двух магниточувствительных элементов (основного и резервного), расположенных симметрично относительно друг друга и
параллельно друг другу и имеющих идентичные магнитоэлектрические параметры, что позволяет в случае необходимости заменить основной элемент
резервным.
Рисунок 3.10 - Возможные варианты герметизации кристаллов ПДХ
(а - в металлостеклянном корпусе; б - в пластмассовом DIP корпусе; в - на печатной микроплате)
Элементы ДХК-7АК и ДХК-12 ПК обладают повышенной эксплуатационной надежностью и удобны при монтаже в аппаратуру за счет использования
металлического корпуса и гибкой печатной платы в качестве внешней коммутационной цепи.
Среди зарубежных исследователей и производителей работы в данном направлении ведутся несколькими десятками фирм. Ведущими производителями
элементов Холла являются японские фирмы Asahi Rastl Electronics (InSb), Маtsushita Electric (Si,Ge,GaAs,InSb), Denki Onkyo (InSb), Rohm Co.Ltd. (InSb, GaAs до 1 млн шт. в месяц), Toshiba (GaAs - до 700 тыс. шт. в месяц); американские фирмы IBM (Si), Radio Frequtncy (InAs), Техаs instrumetnts (Si), Spraque Electric (Si),
Allegro MicroSestems Inc., немецкие фирмы Теmiс (бывш. АЕG Те1еfuncen), Siemens А.G. (Si, InSb, GаАs, InAsР), Еbесо, F.W. Ве11 и др.
Суммарный годовой объем производства элементов Холла в мире превышает 1 млрд шт. Номенклатура типов ЭХ насчитывает сотни наименований.
Рисунок 3.11 - Типовая выходная характеристика интегрального кремниевого элемента Холла
Обобщенные параметры элементов Холла на основе различных материалов сведены в приложениях 3.1 и 3.2 В приложении 3.1 сгруппированы данные
примерно по 200 типам промышленных образцов ЭХ, а в приложении 3.2 - примерно по 20 типам приборов, изготовленных по новым технологиям.
Магнитная чувствительность элементов Холла лежит в пределах 0,05-10 В/Тл, ток управления - 1-200 мА, нелинейность преобразования обычно составляет
0,1-5,0%, температурный коэффициент чувствительности - от 0,03 до 0,5% на градус Цельсия.
Большинство элементов Холла обладает достаточно высокой линейностью преобразования. Например, кремниевые ЭХ показывают хорошую линейность при
индукции магнитного поля до 1-1,5 Тл.
Ниже в приложении 3.1. приведены - обобщенные параметры элементов Холла, серийно выпускаемых зарубежными производителями. В приложении 3.2.
приведены обобщенные параметры опытных образцов элементов Холла, выпускаемых зарубежными производителями.
3.8 Применение элементов Холла
Дискретные элементы Холла используются для измерения магнитных полей, исследования свойств магнитных материалов, измерения электрических и
неэлектрических величин, исследования характеристик электрических машин; для применения в качестве активных элементов в различных вычислительных
устройствах (например, для выполнения элементов счета: сложения и вычитания, умножения и деления, возведения в степень и извлечения корня); для
выполнения функций отдельных элементов различных радиотехнических цепей (линейные и квадратичные детекторы, модуляторы, смесители, демодуляторы,
перемножители и удвоители, генераторы, усилители и др.), а также в качестве чувствительных элементов при создании различного рода бесконтактных реле,
компенсаторов, компараторов и всевозможных систем регулирования. Благодаря своим уникальным свойствам элементы Холла могут использоваться как
датчики механических деформаций и напряжений, а также в качестве ориентационных датчиков.
Современная групповая технология ИС позволяет выпускать интегральные преобразователи магнитного поля на основе элементов Холла, которые могут
группироваться в линейные и матричные магниточувствительные структуры с различным способом организации.
Основное назначение таких приборов - это использование их в системах визуализации магнитного поля и устройствах считывания информации с магнитных
носителей (лент, карт и т.п.).
Особенности применения дискретных элементов Холла. При использовании дискретных элементов Холла следует учитывать некоторые их особенности, а
именно: относительно высокое остаточное напряжение (до 10 мВ и более) и зависимость параметров ЭХ от температуры окружающей среды.
Кроме того, необходимо помнить о том, что величина остаточного напряжения Уост, как правило, зависит от направления и значения тока управления, а
также от температуры элемента.
Способы стабилизации основных параметров элементов Холла. Известны различные способы стабилизации параметров ЭХ и уменьшения влияния
остаточного напряжения на параметры аппаратуры, как за счет применения определенных конструктивных решений, так и в результате использования
схемотехнических мер.
Компенсация остаточного напряжения Uост осуществляется при помощи специальных схем питания элементов Холла. Простейший вариант
схемотехнического решения включение дополнительного переменного резистора R (рисунок 3.12). Варианты включения, показанные на рис.3.12а, 3.12б и 3.12е,
не влияют на термостабильность ЭХ. Более термостабильными являются варианты, представленные на рисунке 3.12г и 3.12д. Для повышения
термостабильности на одном конце МЧЭ выделяются два токовых электрода и внешним потенциометром R устаналевается соотношение токов через них
(рисунок 3.12е).
Рисунок 3.12 – Варианты включения элементов Холла
Аналогично можно заменить один из «холловских» электродов двумя, разделенными по длине (рисунок 3.12г)
Указанная термокомпенсация осуществима лишь в относительно узком диапазоне температур – во первых, вследствие разной зависимости от температуры
удельного сопротивления материала МЧЭ и компенсирующего элемента (резистора R) и, во-вторых, из-за зависимости сопротивления контактов МЧЭ от
температуры, что особенно заметно при больших значениях тока управления.
3.9 Питание элементов Холла
В зависимости от решаемых задач питание элементов Холла может осуществляется от источника напряжения (Un=const).
В качестве примера на рисунке 3.13 показан характер изменения чувствительности кремниевого ЭХ при питании его от источника напряжения. В этом случае
температурный коэффициент чувствительности ТС практически постоянен в приведенном интервале температур и составляет – 0,25% на градус Цельсия.
Характер изменения чувствительности кремниевого ЭХ при питании его от источника тока показан на рисунке 3.13. Коэффициент ТС в данном случае от
образца к образцу имеет некоторый разброс и составляет +0,04% на градус Цельсия.
Однако применение постоянного тока для питания ЭХ имеет ряд недостатков, ограничивающих использование ЭХ в высокоточной аппаратуре.
Питание элементов Холла может осуществляться и переменным синусоидальным или импульсным током. При этом каждая из схем питания имеет свои
особенности и выбирается исходя из конкретных условий применения ЭХ.
В большинстве случаев при практическом использовании элементы Холла питаются от источников переменного напряжения (или тока). Существует
множество вариантов таких схем питания.
На рисунке 3.14 и 3.15 без подробных разъяснений приведены возможные варианты питания элементов Холла. Питание ЭХ осуществляется от источников
прямоугольных или синусоидальных импульсов.
Используются два варианта питания элемента Холла прямоугольными импульсами: однополярными и разнополярными симметричными. В первом случае
(рисунок 3.13а) через ЭХ протекают не только гармонические, но и постоянные составляющие Импульсов тока питания. Во втором случае (рисунок 3.13б) на
элемент Холла поступают только переменные составляющие тока питания, что осуществляется применением разделительного конденсатора Ср или
трансформатора во входных цепях ЭХ.
Рисунок 3.13 - Схемы питания дискретных элементов Холла
(а - однополярными прямоугольными импульсами; б - вухполярными прямоугольными импульсами)
Источники прямоугольных импульсов обеспечивают стабильные импульсы по амплитуде и длительности в широком диапазоне рабочих температур и при
более простых схемных решениях.
В большинстве промышленных магнитометров отечественного и зарубежного производства используют схемы питания дискретных элементов Холла
синусоидальным током (рисунок 3.14). Это связано с необходимостью увеличения отношения сигнал шум, что достигается введением избирательных элементов
в схему обработки сигнала ЭХ. При питании ЭХ током, изменяющимся во времени по синусоидальному закону, требуется использование генераторов сигналов
синусоидальной формы, высокостабильных как по амплитуде, так и по частоте.
Рисунок 3.14 - Схемы питания дискретных элементов Холла током, изменяющимся во времени по гармоническому закону
3.10 Схемы температурной компенсации при питании элемента Холла от источника напряжения
Из множества схем наиболее широко применяются следующие:
- с оптронной гальванической развязкой;
- с гальванической развязкой на логометре;
- с трансформаторной гальванической развязкой;
- с питанием элемента Холла от импульсного источника питания.
На рисунке 3.15 в качестве примера дана структурная схема температурной компенсации элемента Холла с оптронной развязкой при питании ЭХ от
источника напряжения.
Схема (рисунок 3.15) работает следующим образом. Выходной сигнал с ЭХ поступает на регистрирующее устройство Р1 через усилитель сигнала DА1.
Коэффициент передачи усилителя сигнала определяется сопротивлениями отрицательной обратной связи операционного усилителя DА1 - резистором R2 и
выходным сопротивлением оптрона U1. Изменение последнего компенсирует мультипликативную составляющую температурного изменения выходного сигнала
ЭХ, компенсация аддитивной составляющей осуществляется цепью, состоящей из источника напряжения Е1, выходного сопротивления оптрона U2 и резистора
R1.
Рисунок 3.15 - Схема температурной компенсации с оптронной развязкой при питании ЭХ от источника напряжения
(DА1, DА2- операционные усилители; Е1, Е2 - источники напряжения; U1, U2 - оптроны; Р1 - регистрирующее устройство)
При питании ЭХ от источника напряжения Е2 падение напряжения на резисторе RЗ пропорционально входному току при условии RЗ « Rвх, где-Rвх
-.входное сопротивление элемента Холла.
Изменение температуры ЭХ вызывает изменение Rвх, входного тока, падение напряжения на резисторе RЗ и далее через усилитель DА2 смещение рабочих
точек оптронов U1и U2. Выходное сопротивление оптронов, в свою очередь, изменяют сигналы, компенсируя соответственно аддитивную (цепь U2,R1,E1) и
мультипликативную (цепь U1,R2,DA1) температурные погрешности.
Аналогично температурной происходит компенсация изменения чувствительности элемента Холла вследствие изменения проводимости полупроводника в
магнитном поле. Последнее обстоятельство может быть использовано для решения проблемы обеспечения взаимозаменяемости ЭХ, так как градировочная
характеристика всего устройства сохраняет линейность. Линейность передаточной характеристики, в целом позволяет производить проверку прибора только в
одной точке диапазона магнитных полей. Устройство отличается высокой точностью температурной компенсации, позволяющей производить измерения в
широком диапазоне неконтролируемо изменяющейся температуры.
Схема с оптронной развязкой для температурной компенсации при питании элемента Холла от источника тока. В режиме питания элемента Холла от
источника тока аддитивная составляющая температурной погрешности реальной функции преобразования существенно больше, чем в режиме питания от
источника напряжения, где остаточное напряжение Uост в диапазоне температур стабилизировано, вследствие чего необходимо компенсировать только
напряжение раз баланса ЭХ.
В связи с отсутствием мультипликативной составляющей погрешности при питании элемента Холла от источника тока упрощается схема компенсирующего
устройства и обеспечивается более высокую точность компенсации при измерениях относительно сильных магнитных полей.
На рисунке 3.16 в качестве примера приведена структурная схема температурной компенсации элемента Холла с оптронной развязкой при питании ЭХ от
источника тока.
Схема (рисунок 3.16) работает следующим образом. При начальной температуре элемента Холла и рабочем токе генератора тока Е2 на выходе усилителя
DА1 существует сигнал, величина которого выбором режима работы усилителя DА1 устанавливается так, чтобы рабочая точка оптрона U1 находилась на
линейном участке передаточной характеристики. Изменяя напряжение регулируемого источника Е1, можно добиться того, чтобы падение напряжения на
резисторе R1 было равно по величине и противоположно по знаку нулевому напряжению Uост элемента Холла.
Компенсация температурного изменения остаточного напряжения Uост происходит следующим образом. При отклонении температуры от начальной
изменение электрического сопротивления элемента Холла последовательно изменяет падение напряжения на самом ЭХ, выходное сопротивление оптрона и
величину компенсирующего напряжения на резисторе R1.
Звеном, ограничивающим точность компенсации в рассматриваемой схеме, является в основном оптрон u1, обеспечивающий гальваническую развязку цепей
компенсации, связанных с входом и выходом элемента Холла.
Рисунок 3.16 - Схема температурной компенсации с оптронной развязкой при питании ЭХ от источника тока
(DА1 - операционный усилитель; Е1 - источник тока; Е2 - регулируемый источник тока; U1 - оптрон; Р1 -регистрирующее устройство
3.11 Использование элементов Холла совместно с операционными усилителями
На рисунках 3.17 и 3.18 в качестве примера приведены две достаточно простые схемы магнитоприемных устройств с использованием дискретных элементов
Холла и операционных и инструментальных усилителей. Эти схемы не требуют дополнительных пояснений. Они не содержат специальных элементов для
термостабилизации и предназначены для использования в лабораторных условиях или в демонстрационных целях.
Рисунок 3.17 - Электрическая схема магнитоприемного устройства с использованием полевого элемента Холла (ПДХ) и инструментального усилителя
В схеме, приведенной на рисунке 3.17, в качестве преобразователя магнитного поля используется полевой датчик Холла (ПДХ), который питается от
источника тока, выполненного на операционном усилителе (DА2).
В качестве усилителя сигнала ЭХ используется интегральная схема инструментального усилителя АМР-04 (или INA 118). Магнитная чувствительность
устройства устанавливается резистором R7, рабочий ток элемента Холла - резисторами R.1 и R2. Балансировка 0 производится резисторами R5 и R6.
Схема предусматривает модуляцию входного сигнала путем подачи управляющих (или модулирующих) импульсов на затвор ПДХ. Устройство питается от
двухпрлярного источника питания. Ток потребления составляет не более ±10 мА при напряжении питания 12 В.
Рисунок 3.18 - Схема входного каскада магнитоприемного устройства с использованием кремниевого элемента Холла и операционного усилителя
В схеме, приведенной на рисунке 3.18 в качестве преобразователя магнитного поля используется кремниевый элемент Холла типа ДХК-0,5, который
подключается к цепи питания через два ограничительных резистора (R1, R2). В качестве усилителя сигнала ЭХ применяется микросхема операционного
усилителя 740УД2Б в бескорпусном исполнении. Чувствительность магнитоприемного устройства устанавливается резистором RЗ и резисторами R1, R2.
3.12 Особенности использования интегральных элементов Холла
В последнее время все более широкое распространение получают элементы Холла, выполненные в едином технологическом цикле и на одном кристалле
вместе с другими элементами интегральных схем, обеспечивающими усиление и обработку сигнала ЭХ.
Проектирование, изготовление и применение интегральных элементов Холла имеет ряд особенностей, связанных с получением максимальной магнитной
чувствительности при минимальных значениях остаточного напряжения Uост и заданной стабильности указанных параметров.
Повышенное значение величины остаточного напряжения Uост объясняется рядом факторов, в числе которых можно отметить градиент удельного
сопротивления исходного материала, деформации, не совмещение фотошаблона, определяющего геометрию прибора, и тд.
Одной из причин изменения остаточного напряжения Uост при отсутствии магнитного поля является чувствительность кремния к механическим
напряжениям. Она ведет к появлению нежелательного выходного напряжения и проявляется как погрешность в регистрации ЭДС Холла.
Ощутимые погрешности возникают и вследствие изменения уровней деформаций при осуществлении контакта с пластиной, при резке пластины и
разделении ее на кристаллы, при корпусировании, а также при эксплуатации изделия. Изменения в уровнях напряжений появляются, например, за счет различий
в тепловых коэффициентах расширения кристалла и материала корпуса при повышении или понижении температуры окружающей среды.
Помимо этого кремний обладает сильно выраженным пьезорезистивным эффектом, и ЭХ, будучи четырехполюсником, реагирует на сдвиговые напряжения.
И эта реакция тоже проявляется через указанный эффект. Влияние данного эффекта можно минимизировать, но нельзя исключить полностью, ориентируя
соответствующим образом слиток кремния при резке его на пластины.
Определенные противоречия, возникающие при формировании элементов Холла совместно с другими элементами интегральных микросхем, разрешаются
технологическими (и схемотехническими методами. Из них наиболее известны использование симметричной топологии элемента Холла (обычно
представляющей квадрат) и применение нескольких элементов, соединенных и повернутых определенным образом. Варианты соединений интегральных ЭХ
приведены на рисунке 3.19.
Рассмотрим параллельное соединение элементов, развернутых относительно друг друга в одной приемной плоскости под углом 90° (так называемое
«ортогональное смещение»). Подобным образом можно соединить от двух до шестнадцати и более элементов.
Такое соединение широко используется при изготовлении магниточувствительных и магнитоуправляемых интегральных схем, так как в этом случае
напряжение Холла (чувствительность) сохраняется (усредняется), а генерируемые ЭХ выходные сигналы, включая пьезосопротивления или эффекты
механических напряжений, компенсируются, что приводит к снижению величины остаточного напряжения и повышению термостабильности прибора.
Многоэлементные симметричные элементы Холла обладают явными преимуществами перед обычными конструкциями, поскольку их можно соединить
таким образом, чтобы обеспечить максимальную компенсацию деформаций и сдвигов.
Рисунок 3.19 - Варианты соединения интегральных элементов Холла
(а - симметричный единичный; б - сдвоенный; в - счетверенный магнитом)
Приложение 3.1 - Обобщенные параметры элементов Холла, серийно выпускаемых зарубежными производителями
Приложение 3.2 - Обобщенные параметры опытных образцов элементов Холла, выпускаемых зарубежными производителями
3.13 Магниторезисторы
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.
Определения основных параметров и специфические термины, используемые для оценки качества магниторезисторов, приведены в таблице 3.3.
В России и за рубежом выпускается широкая номенклатура магниторезисторов, отличающихся типом конструкции и технологией изготовления
магниточувствительного элемента и магнитной цепи. Особенно разнообразен ассортимент зарубежных магниторезисторов.
Выделяются две большие группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные».
3.14 «Монолитные» магниторезисторы
Действие «монолитных» магниторезисторов основано на эффекте Гаусса, который характеризуется возрастанием сопротивления проводника (или
полупроводника) при помещении его в магнитное поле.
Конструкция «монолитного» магниторезистора приведена на рисунке 3.20.
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.
Таблица 3.3 – Специфические термины и определения основных параметров магниторезисторов
Условное
Единица
Наименование параметра, термина (альтернативное) измерения Определение
обозначение
Начальное
сопротивление
Ом
Сопротивление магниторезистора при отсутствии
магниторезистора
нормальной температуры окружающей среды
магнитного поля. Нормируется для
при
Сопротивление магниторезистора
при воздействии управляющего
магнитного поля
Коэффициент симметрии плечей
дифференциаль-ного магниторезистора
Магниторезистив-ное отношение
Ом
Сопротивление магниторезистора при воздействии магнитного поля. Нормируется для
нормальной температуры окружающей среды
%
Относительная
магнитная
чувствительность
Температурный
коэффициент
сопротивления магниторезистора
о.е.
Коэффициент, определяющий неравенство плеч дифференциального магниторезистора:
(при
), где
и
- сопротивления плеч дифференциального
магниторезистора
Отношение сопротивления магниторезистора
при определенном значении магнитной
индукции к его начальному сопротивлению . Нормируется при определенном значении
индукции управляющего магнитного поля
Относительное изменение сопротивления магниторезистора, вызванное магнитным полем
определенной индукции и выражаемое следующей формулой:
Коэффициент, определяемый по формуле:
, где
- изменение
сопротивления магниторезистора;
- изменение температуры
о.е.
%/˚
%/
%/
%/˚
%/
%/
Температурный
коэффициент
магнитной чувствительности
Коэффициент, определяемый по формуле:
магнитной чувствительности магниторезистора;
, где
- изменение
- изменение температуры
В зависимости от назначения прибора МЧЭ могут иметь различную форму. Наиболее известны МЧЭ прямоугольной формы и имеющие вид меандра
(рисунок 3.21 а - в).
Элементы, показанные на рисунке 3,21 г,д,е, предназначены для использования в магнитоуправляемых устройствах с круговым перемещением источника
магнитной индукции. Магниточувствительный элемент, изображенный на рисунке 3.21 ж, представляет собой круговой магниторезистивный мост.
Наибольшее распространение для изготовления МЧЭ получил эвтектический сплав InSb-NiSb, легированный теллуром. В России этот сплав известен под названием СКИН.
В зарубежных приборах применяется аналогичный сплав трех модификаций: L, D, N. Типичная зависимость магниторезистивного отношения
МЧЭ,
изготовленных из сплава InSb-NiSb, от индукции управляющего магнитного поля показана на рисунке 3.22.
Рисунок 3.20 - Конструкция «монолитного» магниторезистора
Как следует из рисунка 3.22, зависимость магнитной чувствительности «монолитного» МЧЭ в области слабых полей близка к квадратичной, а в области
сильных полей - практически линейна. Область перехода от слабых полей к сильным для реальных магниторезистивных элементов лежит в пределах 0,2-0,4 Тл.
Рисунок 3.21 - Варианты топологии МЧЭ «монолитных» магниторезисторов
Чувствительность магниторезистивного элемента изменяется и при изменении угла между вектором магнитной индукции и плоскостью элемента. Эта
зависимость выражается формулой:
(3.3)
где
- индукция воздействующего магнитного поля;
- сопротивление МЧЭ при воздействии магнитного поля
;
- сопротивление МЧЭ при отсутствии магнитного поля
;
- магнитопроницаемость подложки;
- угол между векторами напряженности электрического и магнитного полей.
На рисунке 3.23 приведена зависимость относительной чувствительности магниторезистора от угла . В «монолитных» МЧЭ, как правило, вектор
напряженности электрического поля лежит в плоскости чувствительного элемента. Поэтому максимальная чувствительность «монолитного» МЧЭ достигается
при нормально падающем магнитном потоке
. При использовании концентраторов и других элементов магнитных систем зависимость может быть
иной.
Сопротивление и чувствительность магниторезисторов зависят от температуры. На рисунке 3.24 приведены типичные зависимости относительной
чувствительности МЧЭ на основе InSb-NiSb от температуры окружающей среды и магнитной индукции.
Рисунок 3.22 - Типичная зависимость МЧЭ, изготовленных из различных модификаций сплава InSb-NiSb, от величины индукции управляющего магнитного
поля
Рисунок 3.23 - Зависимость относительного изменения сопротивления «монолитного» МЧЭ от угла между вектором магнитной индукции и плоскостью
магниторезистивного элемента, изготовленного из сплава InSb-NiSb
Рисунок 3.24 - Характерная зависимость относительной магнитной чувствительности МЧЭ, изготовленного из сплава InSb-NiSb, от индукции управляющего
магнитного поля при различных температурах
3.15 Производство и образцы «монолитных» магниторезисторов
Все отечественные «монолитные» магниторезисторы изготавливались по одинаковой технологии и имели типовую конструкцию.
Магниточувствительные элементы отечественных магниторезисторов изготовлены из эвтектического сплава InSb-NiSb. Они имеют форму меандра с
шириной дорожки 100 мкм при толщине элемента 50-100 мкм. МЧЭ установлены на основании из слюды, пермендюра или пермаллоя. Выводы - гибкие,
проволочные, припаяны к контактным площадкам. Весь пакет (элемент) покрыт слоем защитного лака. Максимальная толщина магниторезистора не превышает
0,8 мм.
Наиболее известным и распространенным отечественным магниторезистором является СМ4-1. Его конструкция приведена на рисунке 3.25.
Зависимость чувствительности магниторезистора СМ4-1 от магнитной индукции в диапазоне индукции от 0 до 0,3 Тл квадратичная, а при индукции более
0,3 Тл - линейная.
Температурный коэффициент сопротивления магниторезисторов типа СМ4-1 при температурах −60...+83 °С без воздействия магнитного поля составляет не
более 0,15 и 0,55% на градус Цельсия соответственно.
Рисунок 3.25 - Внешний вид и габариты магниторезисторов СМ4-1
Магниторезисторы СМ4-1 устойчиво работают:
1) в интервале рабочих температур −60...+85 °С;
2) при резкой смене температур (от −60 до +85 °С);
3) при относительной влажности воздуха до 98% при температуре 35 °С;
4) при атмосферном давлении от 10-4 до 105 Па;
5) при повышенном давлении воздуха (до З´105 Па);
6) в среде, зараженной плесневыми грибами, и в инее с последующим оттаиванием.
Они выдерживают вибрацию:
1) в диапазоне частот от 1 до 5000 Гц с ускорением до 40 g;
2) многократные удары с ускорением до 150 g и одиночные с ускорением до 1000 g;
3) линейные нагрузки с ускорением до 150 g;
4) акустические шумы в диапазоне частот 50-10000 Гц с уровнем звукового давления до 150 дБ.
Обобщенные параметры «монолитных» магниторезисторов, изготавливаемых на основе сплава InSb-NiSb, приведены в таблице 3.4.
Таблица 3.4 – Обобщенные параметры «монолитных» магниторезисторов на основе сплава InSb-NiSb
Размер
Начальное
Относительное
Температурный
Температурный
чувствительной сопротивление
изменение
коэффициент
коэффициент
зоны, мм
при 20°С, Ом
сопротивления при В=1 сопротивления, %/°С, при сопротивления,
Тл, о.е.
В=0 Тл
при
В=1 Тл
От 0,9×3,6
До 2,7×1,2
22-700
5-15
От +0,02
До −2,0
Максимальная
рассеиваемая мощность
%/°С, при температуре 20°С,
Р, Вт
От −0,13
До −2,9
От 0,005
До 0,7
Диапазон
рабочих
температур,
°С
−60…+110
3.16 «Пленочные» магниторезисторы
«Пленочные» магниторезисторы получили распространение лишь в последние годы. Магниточувствительный элемент таких приборов изготовлен из
ферромагнитных пленок (ФМП), использующих анизотропный магниторезистивный эффект. Максимальное значение магнитосопротивления «тонкопленочных»
магниторезисторов соответствует нулевому внешнему магнитному полю, то есть при воздействии магнитного поля сопротивление такого МЧЭ уменьшается.
Конструкция магниторезисторов из ФМП не отличается от конструкций других разновидностей магниторезисторов, за исключением того, что МЧЭ
изготовлен по специальной тонкопленочной технологии. Напыление магниточувствительного слоя, как правило, происходит при воздействии магнитного поля.
Для создания МЧЭ используют тонкие одно- и многослойные пленки никель-кобальтовых, никель-железных и других сплавов. В качестве подложек
применяют стекло, ситалл или кремний, обладающие большой теплопроводностью, коэффициент термического расширения которых близок по величине к ТКР
используемых пленок.
Рисунок 3.26 – Принцип работы тонкопленочного магниторезистора
Для тонкопленочных магниторезисторов на основе ФМП (см. рисунок 3.26) анизотропное электрическое сопротивление материала МЧЭ в зависимости от
угла
между направлением электрического тока через МЧЭ
и направлением управляющего магнитного поля
постоянной величины выражается
следующей формулой Фойгта-Томпсона:
(3.4)
где
- электрическое сопротивление материала МЧЭ при
- электрическое сопротивление материала МЧЭ при
Рисунок 3.27 - Зависимость сопротивления
;
.
тонкопленочного магниточувствительного элемента: а - от напряженности
падения
магнитного потока
магнитного поля; б - от угла
На рисунке 3.27а приведен график зависимости сопротивления от напряженности управляющего магнитного поля , построенный при воздействии поля
согласно схеме, показанной в правом квадранте
. Из этой зависимости следует, что максимальное значение
равное
соответствует нулевому
внешнему магнитному полю. Данная зависимость имеет участки насыщения, соответствующие магнитным полям
, в пределах которых удельное
сопротивление МЧЭ изменяется относительно мало.
На рисунке 3.27б приведен график зависимости сопротивления МЧЭ от угла падения магнитного потока. В верхней части рисунка 3.27б рассмотрено пять
случаев ориентации магнитного поля
относительно направления тока в МЧЭ, соответствующих пяти характерным точкам графика зависимости от (три
точки экстремумов и две точки перегибов). Из рисунка 3.27а видно, что сопротивление МЧЭ имеет максимальное значение при совпадении направления тока и
магнитного поля
и при угле
.
Величина напряженности магнитного поля насыщения
определяется по формуле:
(3.5)
где
- постоянный коэффициент;
- толщина магниточувствительного элемента;
- ширина магниточувствительного элемента.
Значение зависит от материала МЧЭ. Это значение выше для МЧЭ из пленок NiCo по сравнению с МЧЭ из пленок NiFe.
Магнитная чувствительность «тонкопленочных» МЧЭ определяется параметрами материала. В таблице 3.5 приведены основные характеристики некоторых
материалов, используемых зарубежными производителями для изготовления тонкопленочных магниторезисторов.
Таблица 3.5 – Основные характеристики некоторых материалов, используемых зарубежными производителями для изготовления тонкопленочных
магниторезисторов
Материал пленки Удельное сопротивление, ,
, Ом×м Относительное изменение сопротивления при
Тл, о.е.
22
15
24
26
2,2
3
2,2
3,7
3.17 Производство и образцы тонкопленочных магниторезисторов
Серийное производство тонкопленочных магниторезисторов не осуществлялось. Лишь в ОКБ ПО «Гиперон» (г. Москва) были разработаны и выпускались
ограниченными партиями тонкопленочные магниторезисторы типа Ав-1 и Ав-2. По своим параметрам и характеристикам указанные приборы полностью
соответствуют зарубежным аналогам, выпускаемым, например, фирмой Matsushita Electric (Япония). На рисунке 3.28 приведен внешний вид тонкопленочных
магниторезисторов Ав-1 и Ав-2 отечественного производства.
Рисунок 3.28 - Внешний вид и габариты магниторезисторов Ав-1 и Ав-2
Подложкой для обоих приборов служит полированное стекло толщиной 0,8 мм. Магниточувствительный элемент магниторезистора Ав-1 выполнен из
пленки NiСо в виде меандра с шириной 10 мкм, толщиной до 3000 . МЧЭ магниторезистора Ав-2 выполнен из пленки NiFe в виде меандра с шириной
20 мкм, толщиной до 1000 . Для смещения выходной характеристики магниторезистор Ав-1 снабжен активным концентратором, представляющим собой
миниатюрный постоянный магнит из феррита бария.
Кроме того, магниторезистор Ав-1 содержит два магниточувствительных элемента, включенных последовательно с отводом от середины (так называемый
«полумост»), что позволяет включать прибор непосредственно в схему моста в качестве дифференциального элемента.
Основным параметром магниторезисторов на основе «пленочных» МЧЭ является относительная магнитная чувствительность g, измеряемая при малых
значениях магнитной индукции (до 20-50 мТл) и составляющая 1,5-5%.
Тонкопленочные магниторезисторы Ав-1 и Ав-2 обладают повышенной чувствительностью к слабым магнитным полям. Участок насыщения характеристики
магниторезисторов начинается при индукции внешнего магнитного поля, превышающей 30-40 мТл для Ав-1 и 15-20 мТл для Ав-2. Эта особенность данных
характеристик позволяет применять указанные магниторезисторы для точных измерений при использовании внешних магнитных полей, изменяющихся в
пределах 0-20 мТл.
Температурный коэффициент сопротивления для приведенных типов магниторезисторов составляет 0,25-0,36% на градус Цельсия, что более чем в два раза
меньше температурного коэффициента сопротивления приборов на основе «монолитных» МЧЭ.
Всероссийским научно-исследовательским институтом электроизмерительных приборов (г. Ленинград) был разработан тонкопленочный магниторезистор,
состоящий из четырех однотипных МЧЭ, образующих равновесный и равноплечный мост. Конструктивно магниторезистор выполнен в виде четырехвыводной
микросборки, состоящей из керамической платы с напыленными МЧЭ и выводов, расположенных на одной из сторон платы. Вся сборка герметизирована
эпоксидным компаундом.
Суммарный годовой объем выпуска магниторезисторов зарубежными фирмами составляет сотни миллионов изделий достаточно широкой номенклатуры.
Наибольшую известность получили тонкопленочные магниторезисторы серии КМZ10 (КМZ10А, КМZ10В, КМZ10С), выпуск которых освоен такими
зарубежными фирмами, как Valvo, RТС, Siemens А.G. и др. Этот магниторезистор обладает высоким уровнем основных параметров и характеристик, поэтому
может рассматриваться в качестве примера технического уровня зарубежных тонкопленочных магниторезисторов.
Рисунок 3.29 - Конструкция магниточувствительного элемента магниторезистора серии КМZ10
Магниторезистор серии КМZ10 представляет собой кремниевую подложку размером 1,6´1,63 мм (рисунок 3.29) с напыленными на ней четырьмя
резисторами из пермаллоя, соединенными в схему моста. Вся конструкция размещается в стандартном четырехвыводном пластмассовом корпусе с
максимальными габаритами 4,8×5,2×1,85 мм.
В последние годы была разработана новая технология изготовления тонкопленочных магниторезисторов. Приборы, изготовленные по такой технологии,
получили название GМR (Giant Маgneto Resistог) - «гигантских» магниторезисторов.
Магниточувствительные элементы GМR резисторов представляют собой многослойные тонкопленочные структуры с субмикронной шириной. Пример такой
структуры приведен на рисунке 3.30а. На рисунке 3.30б дана ориентационная характеристика GМR магниточувствительного элемента.
Выпуск высокочувствительных тонкопленочных магниторезисторов серии GМR освоен фирмой Siemens А.G. и другими зарубежными производителями.
Магниторезисторы серии GМR
размещены в стандартных микроминиатюрных пластмассовых корпусах типа SОН, SМТ, МW-6. Габариты
магниторезисторов GМR S4 - 3,2´2,3´0,7 мм, остальных (GМR S6, GМR В6, GМR С6) - 2,9´1,3´1,1 мм. Диапазон рабочих температур всех магниторезисторов
составляет −40...+ 150 °С.
Аналогичные приборы выпускаются фирмами Ноnеуwеll, Nоnvo1аtilе Еlесtronics Inc. (NVЕ) и другими зарубежными производителями. На рисунке 3.31
приведена топология тонкопленочного магниторезисторного моста серии ААххх, выпускаемого фирмой NVЕ. Некоторые характеристики магниторезисторных
мостов серии ААххх приведены на рисунке 3.32.
Следует отметить, что уровень шума типа 1/f для GМR магниторезисторов примерно на порядок выше, чем у тонкопленочных резисторов. Уровень таких
шумов пропорционален квадрату тока, протекающего через прибор.
Рисунок 3.30 - GМR магниточувствительного элемента: а - пример структуры; б - ориентационная характеристика
Рисунок 3.31 - Топология магниторезисторного моста серии ААххх, выпускаемого фирмой NVЕ
Рисунок 3.32 - Типичные зависимости напряжения на выходе магниторезисторных мостов серии ААххх-2: а - от расстояния при перемещении вдоль
источника магнитного поля; б - от расстояния при перемещении поперек «чувствительной» оси; в - от индукции воздействующего магнитного поля
Из других новых разработок тонкопленочных магниторезисторов можно отметить серию приборов типа ТМS-205-001, созданных фирмой ТDK Соrр. и
предназначенных для регистрации магнитного поля Земли в устройствах автоматической коррекции цветовых аберраций и искажений в дисплеях, вызванных
земным магнетизмом. Длина магниточувствительного элемента ТМS-205-001 доведена до 16 мм. Общие размеры прибора, включая схему усиления и
управления, составляют 30´23,5´9 мм. В приборе использован один магниточувствительный элемент для осей X и Y с чувствительностью до 50 мВ/мТл.
3.18 Применение магниторезисторов
Магниторезисторы применяются в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных магнитных датчиках: скорости и направления
вращения, угла поворота и положения, линейного перемещения, расхода жидкости и газа, электрического тока и напряжения и т.п. Их используют в
бесконтактной клавиатуре ПЭВМ, бесконтактных переменных резисторах, вентильных электродвигателях, электронных модуляторах и преобразователях,
измерителях магнитного поля, металлоискателях, электронных навигаторах, в бытовой электронной аппаратуре, системах автоматического управления,
устройствах считывания информации ЭВМ, определителях подлинности банкнот, электронных и электрифицированных игрушках и др.
Современная групповая технология ИС позволяет выпускать интегральные преобразователи магнитного поля на основе тонкопленочных магниторезисторов,
которые могут формироваться как в линейные, так и в матричные магниточувствительные структуры с различным способом их организации.
Основное назначение таких приборов - это использование их в системах визуализаций магнитного поля и устройствах считывания информации с магнитных
носителей (лент, карт и т.п.).
3.19 Особенности применения магниторезисторов
При использовании магниторезисторов необходимо учитывать их преимущества и недостатки.
Например, «монолитные» Магниторезисторы целесообразно использовать для регистрации «сильных» магнитных полей (100-1000 мТл). При этом следует
учитывать максимальное значение индукции управляющего магнитного поля
, при котором гарантируется заданная линейность преобразования, так как с
ростом индукции управляющего поля, как правило, растет входное сопротивление магниточувствительного элемента. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы
при высоких индукциях (1 Тл и более) значение тока управления было выбрано таким, при котором температура элемента не будет превышать допустимую.
При использовании магниторезисторов необходимо учитывать его так называемую нагрузочную способность.
Этот параметр определяется предельным допустимым значением температуры перегрева прибора, при котором он не выходит из строя. Для большинства
магниторезисторов
не превышает 150 0С. Обычно в паспорте на прибор указывается рабочий диапазон, в котором возможна эксплуатация.
Нагрузочная способность магниторезистора определяется в документации на прибор одним из следующих параметров:
- значением мощности, которую может рассеять;
- магниторезистор
;
- значением предельно допустимого тока
;
- значением теплового сопротивления .
Рабочее напряжение для магниторезистора
рассчитывается по формуле:
(3.6)
где
- тепловое сопротивление конструкции магниторезистора;
, - максимально допустимая температура прибора и температура окружающей среды;
- сопротивление МЧЭ при максимальной температуре.
Из выражения (3.6) для каждого значения температуры окружающей среды можно определить допустимую нагрузку для конкретного типа магниторезистора.
Параметр
обычно определяется экспериментально изготовителем прибора в среде неподвижного воздуха. Значение
указывается в технической документации на магниторезистор.
Максимальную мощность
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 питании от источника постоянного тока составляет около
−0,04% на градус Цельсия, что в 5-10 раз меньше, чем у «монолитных» магниторезисторов.
Рисунок 3.33 - Выходные характеристики различных ПМП: 1- тонкопленочный магниторезистор; 2 - «монолитный» магниторезистор; 3 - элемент Холла на
основе InSb; 4 - элемент Холла на основе GaAs
Кроме того, при использовании в ограниченном динамическом диапазоне (до 10 мТл) тонкопленочные магниторезисторы выгодно отличается от других
преобразователей магнитного поля.
На рисунке 3.33 приведены выходные характеристики различных преобразователей магнитного поля при одинаковом
.
Из рисунка 3.33 видно, что при магнитной индукции 5 мТл, соответствующей линейным участкам всех приведенных характеристик, чувствительность
тонкопленочных магниторезисторов в 5 раз выше чувствительности других магниточувствительных приборов.
Рисунок 3.34 - Схемы подключения магниторезисторов к источнику питания и нагрузке: а - одиночный с
; б - дифференциальный (полумост); в дифференциальный в мостовую схему; г - магниторезисторный мост
3.20 Схемы включения магниторезисторов
Схему включения магниторезистора выбирают, исходя из конкретных условии применения и, как правило, индивидуально для каждого типа приборов.
Схемы подключения магниторезисторов («монолитных» и «тон-копленочных») к источнику питания и нагрузке приведены на рисунке 3.34а-г.
Для компенсации термической нестабильности одиночного магниторезистора можно использовать специально подобранный (по ТКС) терморезистор,
который включается вместо резистора нагрузки
(рисунок 3.34а).
Наилучшие результаты дает использование дифференциальных магниторезисторов (рисунок 3.34б,в) и магниторезисторных мостов (рисунок 3.34г).
Для усиления и первичной обработки сигнала, «снимаемого» с магниторезистора, могут использоваться различные электронные схемы, выполненные на
транзисторах (рисунок 3.35) или интегральных микросхемах (рисунке 3.36, 3.37).
На рисунке 3.35а приведена схема входного каскада магнитоэлектронного устройства, выполненного на магниторезисторе. При воздействии на
магниторезистор
внешнего магнитного поля сигнал на выходе цепочки
изменяетеся пропорционально изменению напряженности магнитного поля ив
пределах линейного участка входной характеристики транзистора
. Режим работы транзистора устанавливается резистором
. В данной схеме используется
транзистор с максимально возможным статическим коэффициентом передачи тока (более 200).
Рисунок 3.35 - Схемы включения магниторезистора в транзисторный каскад
Схема (рисунок 3.35б) дополнена ключевым каскадом на транзисторе
, нагруженным на реле .
Для усиления сигнала магниторезисторов при создании современных магнитоэлектронных устройств наиболее целесообразно применять ИС операционных
усилителей, включаемых по схеме преобразователей типа «сопротивление-напряжение» (ПСН).
В составе высокочувствительных магнитоэлектронных устройств наиболее эффективно применение малошумящих интегральных инструментальных
усилителей типа АМР-04 и АМР-01 или INА118Р.
Повышение термостабильность магнитоэлектронных устройств обеспечивается использованием специальных схем терморегулирования и питания от
источника переменного тока.
На рисунке 3.36а в качестве примера приведены схемы питания и термостабилизации режима работы тонкопленочного магниторезистора типа GМR С6. При
этом усиление сигнала может осуществляться усилителем, схема которого приведена на рисунке 3.36б.
Рисунок 3.36 - Схемы питания и термостабилизации режима тонкопленочного магниторезистора типа GМR С6 с применением: a - позистора; б - усилителя
сигнала
Рисунок 3.37 - Схема усиления сигнала тонкопленочного магниторезисторного моста, рекомендованная фирмой Siemens А.G.
Рисунок 3.38 - Схема включения дифференциального «монолитного» магниторезистора, рекомендованная фирмой Siemens А.G.
Рисунок 3.39 - Схема включения тонкопленочного магниторезистора типа КМZ1О, предназначенная для регистрации слабых магнитных полей
На рисунке 3.37 и 3.38 даны простейшие схемы подключения магниторезисторов к операционным и инструментальным усилителям.
На рисунке 3.38 приведена схема включения дифференциального «монолитного» магниторезистора, предназначенная для работы в устройстве контроля
скорости вращения зубчатого колеса.
На рисунке 3.39 дана схема включения тонкопленочного магниторезистора типа КМZ10, предназначенная для регистрации слабых магнитных полей.
Схема, показанная на рисунке 3.39, обеспечивает следующие возможности:
- компенсацию дрейфа чувствительности в зависимости от температуры
через петлю обратной связи, которая включает в себя терморезистор типа КТУ
83-110;
- регулировку смещения при помощи резистора ;
- регулировку чувствительности схемы при помощи многооборотного резистора
.
Схема, приведенная на рисунке 3.40, может использоваться как в линейном (DА1 функционирует в качестве усилителя напряжения), так и в «цифровом»
(DА1 используется в качестве компаратора) режимах. Режимы работы устанавливаются подстроенными резисторами
и
.
На рисунке 3.41-3.42 приведены схемы включений GМR магниторезисторных мостов (АА002-02 - АА002-05), рекомендуемые фирмой NVE.
Рисунок 3.40 - Схема включения тонкопленочного магниторезисторного моста НМС1001, рекомендованная фирмой Нопеуwell
Рисунок 3.41 – Схема подключения магниторезисторного моста серии ААххх-02 к операционному усилителю
Рисунок 3.42 - Подключение магниторезисторного моста серии ААххх-02 к схеме с двумя операционными усилителями
На рисунке 3.41 дана схема подключения магниторезисторного моста серии ААххх-02 к операционному усилителю. Напряжение на выходе ОУ (DА2) в этом
случае определяется по формуле:
(3.7)
где
кОм.
На рисунке 3.42 приведена схема использования магниторезисторного моста серии ААххх-02 с двумя операционными усилителями. Напряжение на выходе
ОУ (DАЗ) в этом случае определяется по формуле:
(3.8)
и
где
.
На рисунке 3.43 дана схема использования магниторезисторного моста серии ААххх-02 с тремя операционными усилителями. Схема отличается высокой
линейностью и точностью преобразования. Напряжение на выходе ОУ (DА4) в этом случае определяется по формуле:
(3.9)
(3.10)
где
;
;
и
.
Рисунок 3.43 - Схема включения магниторезисторного моста серии ААххх-02 с тремя операционными усилителями
Рисунок 3.44 - Схема включения магниторезисторного моста серии Аххх-02 с инструментальным усилителем
На рисунке 3.44 приводится схема использования магниторезисторного моста серии ААххх-02 с инструментальным усилителем. Схема отличается
простотой и высокими магнитоэлектрическими характеристиками. При применении схемы для приема модулированного магнитного потока желательно
использовать дополнительные частотно-зависимые элементы ,
, ,
.
Рисунок 3.45 - Схема порогового устройства использования магниторезисторного моста серии ААххх-02 с инструментальным усилителем и компаратором
.
Рисунок 3.46 - Упрощенная функциональная схема магнитоприемного устройства с модуляцией по цепи питания моста
Рисунок 3.47 - Электрическая схема четырехуровневого магнитоприемного устройства
При этом полоса пропускания устройства
определяется формулой:
(3.11)
На рисунке 3.45 приведена схема порогового устройства использования магниторезисторного моста серии ААххх-02 с инструментальным усилителем и
компаратором. При этом напряжение срабатывания компаратора
определяется значением:
(3.12)
Для приема слабых магнитных полей рекомендуется использование магнтоприемных устройств с модуляцией по цепи питания моста и последующей
демодуляцией сигнала на выходе ОУ.
На рисунке 3.47 дана электрическая схема четырехуровневого магнитоприемного устройства, выполненного с использованием «монолитного»
магниторезисторая и компаратора. Эта схема не требует особых пояснений.
Контрольные вопросы:
1. Виды преобразователя магнитного поля?
2. Что такое элементы Холла?
3. Функция преобразования элементов Холла?
4. Принцип действия элементов Холла?
5. Формула выражения для ЭХ?
6. Как определяется специфические параметры и термины ЭХ?
7. Каково рабочая температура тройных соединений типа «кадмий – ртуть - теллур»?
8. Какая температурная зависимость сопротивления и напряжения для различных полупроводниковых материалов?
9. Что такое ЭХ по технологии биполярных ИС?
10. Что такое горизонтальный ЭХ?
11. Что такое вертикальный ЭХ?
12. Что такое трех полюсный ЭХ?
13. Структура преобразования трех полюсного ЭХ?
14. Как реализован преобразователь трех полюсного ЭХ?
15. По какой технологий сформирован вертикальный ЭХ?
16. Структура и схема включения трех полюсного ЭХ?
17. Что такое ЭХ по МОП технологий?
18. Виды ЭХ по технологий МОП?
19. Что такое ЭХ по технологий молекулярной эпитаксии?
20. Какие основные параметры ЭХ изготовленных фирмой Asahi с применением МВЕ?
21. Что такое полевые ЭХ?
22. Какое условное наименование получили полевое ЭХ?
23. Как регулируется остаточное напряжения ПДХ?
24. Производство и образцы ЭХ?
25. Какие обобщенные параметры ЭХ на основе разных материалов?
26. В каких пределах лежит магнитная чувствительность ЭХ?
27. Какие обобщенные параметры есть ЭХ серийно выпускаемых зарубежными производителями?
28. Сколько % составляет коэффициент чувствительности ТС в приведенном интервале температур?
29. Какие недостатки имеет ЭХ при применений постоянного тока?
30. На какие варианты делятся питаний ЭХ прямоугольными импульсами?
31. Что используется при питаний ЭХ изменяющихся во времени по синусоидальному закону?
32. Какие схемы наиболее широко используется?
33. На рисунке 3.35 как изменяется коэффициент передачи усилителя сигнала?
34. Какие функций выполняет линейность передаточной характеристики?
35. При питаний ЭХ от источника тока какая составляющая погрешности отсутствует?
36. Порядок работы (рисунок 3.36) схемы температурной компенсаций ЭХ?
37. В схеме приведенной на рисунке 3.37 что используется в качестве преобразователя магнитного поля?
38. В схеме приведенной на рисунке 3.38 что используется в качестве преобразователя магнитного поля?
39. Особенности использования ЭХ?
40. Что является причиной изменения остаточного напряжения при отсутствии магнитного поля?
41. Когда возникают ощутимые погрешности?
42. Что такое магниторезисторы?
43. Что такое «монолитный» магниторезистор?
44. Что такое «пленочный»?
45. Виды магниторезисторов и их функции преобразования;
46. Какая разница между «монолитными» и «пленочными» магниторезисторами?
47. Какими параметрами характеризуется магниторезисторы?
48. Достоинство «монолитных» магниторезисторов;
49. Достоинство «пленочных» магниторезисторов;
50. Недостатки «монолитных» магниторезисторов;
51. Недостатки «пленочных» магниторезисторов;
52. Схема включения дифференциальных «монолитных» магниторезисторов;
53. Схема включения «тонкопленочного» магниторезистора для слабых магнитных полей;
54. Принципы работы «тонкопленочных» магниторезисторов;
55. Конструкция «монолитного» магниторезистора;
56. Какие сплавы используется для создания МЧЭ?
57. Формула Фойгта-Томпсона;
58. Какие аналогичные сплавы применяются в зарубежных приборах?
59. По какой формуле определяется температурный коэффициент магнитной чувствительности?
60. Напишите формулу рабочего напряжения для магниторезистора;
61. Применение магниторезисторных преобразователей;
62. Основные схемы включения.