Магниторезистивный эффект в датчиках.

Под названием «магниторезистивный эффект» (или эффект Гаусса) понимают наличие зависимости электрического сопротивления токопроводящих магнитных материалов (ферромагнетиков) от внешнего магнитного поля.

Это явление вызвано тем, что носители заряда, перемещающиеся в полупроводнике под действием электрического поля, не имеют одинаковых скоростей. В результате этого поперечным полем Холла компенсируется влияние силы Лоренца только на носители заряда, имеющие среднюю скорость. Следовательно, будут существовать носители заряда, имеющие скорость, большую или меньшую средней, траектория которых будет искривлена. Искривление траектории приведёт к большему числу столкновений (т.е. уменьшению длины свободного пробега), и, тем самым, к повышению удельного сопротивления полупроводника.

Увеличение электрического сопротивления под действием магнитного поля может происходить в двух случаях:

1) вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно направлению протекания тока в пластине (поперечный магниторезистивный эффект),

2) вектор магнитной индукции параллелен направлению тока (продольный магниторезистивный эффект). Однако при этом наблюдается незначитальное изменение сопротивления.

Характеристикой магниторезистивного эффекта служит коэффициент магниторезистивного эффекта Dr/r, равный отношению изменения удельного сопротивления под действием внешнего магнитного поля к удельному сопротивлению ферромагнетика.

Работа датчика магнитного поля показана на рис.4.

Рис.4. Работа магниторезистивного датчика

Датчик представляет собой полоску ферромагнитного материала, называемого пермаллой (20% Fe и 80% Ni). При отсутствии внешнего магнитного поля, пермаллой обладает собственным вектором намагниченности, параллельным направлению тока. При приложении внешнего магнитного поля H, параллельного плоскости пермаллоя и перпендикулярного направлению тока, собственный вектор намагниченности повернется на угол a. В результате, сопротивление R изменится как функция угла поворота a:

R = R₀ + DR₀cos²a,

где R₀ и DR₀ - параметры материала.

Параметры пермаллоя. Сплав обладает высокой магнитной проницаемостью, почти нулевой магнитострикцией и значительным магниторезистивным эффектом. Благодаря низкой магнитострикции сплав применяется в прецизионных магнитомеханических устройствах и других устройствах, где требуется стабильность размеров в меняющемся магнитном поле. Электрическое сопротивление пермаллоя меняется обычно в пределе 5 % в зависимости от силы и направления действующего магнитного поля.

Магниторезистивный эффект носит нелинейный характер, поэтому на практике для упрощения формирования сигнала датчика используется линеаризация магниторезистивного эффекта посредством нанесения алюминиевых полосок поверх пленки пермаллоя под углом 45°.

2.2. Материалы и вопросы технологии.

Критерии выбора магниторезистивных материалов:

1) Большой коэффициент магниторезистивного эффекта;

2) Большое значение удельного сопротивления пленки (для достижения высокого значения сопротивления на малой площади);

3) Анизотропность;

4) Отсутствие магнитострикции (для предотвращения влияния механических воздействий);

5) Долговременная стабильность.

Материалы, соответствующие критериям выбора:

Бинарные и тройные сплавы Ni, Fe и Co. Самый распространённый - NiFe (81/19).

Формирование пленки пермаллоя происходит на кремниевой пластине.

Достоинства: хорошо освоенная технология, относительная дешевизна, высокая теплопроводность кремния, отсутствие экранирования и искажения магнитного поля.

Анизотропность: для выполнения требования одноосной анизотропии, пленки пермаллоя напыляются в магнитном поле.

Нанесение пленки пермаллоя происходит в магнетронном распылительном устройстве с мишенью из пермаллоя.

Конструкция. В магниторезистивных датчиках используются четыре полоски пермаллоя, выполненные в виде меандра на кремниевой пластине. Они соединены в измерительный мост Уитстона. В присутствии магнитного поля номиналы резисторов изменяются, приводя к разбалансу моста и появлению выходного сигнала, пропорционального напряженности магнитного поля. Результирующий разбаланс измерительного моста становится линейной функцией амплитуды внешнего магнитного поля.