2.7. Магнитоуправляемые преобразователи

Фундаментальным проявлением магнитного поля является: силовое взаимодействие магнита или элемента тока с исследуемым полем и электромагнитная индукция. Физической величиной, объединяющей механическую силу и магнитное поле, является вектор магнитной индукции. В соответствии с законом Ампера сила F действующая на проводник с током I длиной l (или числом витков ω), находящейся в магнитном поле с индукцией В, равна . Обратный эффект заключается в том, что при движении витка ω со скоростью V в магнитном поле с индукцией В, наведенная ЭДС электромагнитной индукции будет равна e= - ω· В·V

Известны и другие родственные электромагнитной индукции физические явления и эффекты, возникающие в веществе, находящемся в магнитном поле, при прохождении через вещество электрического тока под действием электрического поля, получившие названия гальваномагнитных. Известны четыре таких эффекта – два поперечных и два продольных. Поперечный эффект Холла состоит в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла), пропорциональной магнитной индукции и току, протекающему по проводнику; эффект Эттингсгаузена – в проявлении поперечной разности температур: эффект изменения сопротивления в магнитном поле – в изменении продольного сопротивления проводника (эффект Гаусса) и эффект Нернста – в появлении продольной разности температур.

Отметим также некоторые важные эффекты, отличные от предыдущих. Эффект Фарадея состоит в том, что при прохождении плоско поляризованного света в магнитном поле, направленным вдоль светового пучка, плоскость поляризации последнего поворачивается на угол, пропорциональный магнитной индукции. Эффект Фарадея практически безынерционен (10^{-10 о}С).

Эффект Керра заключается в том, что при отражении света от периодически намагничиваемой ферромагнитной пленки, периодически изменяется интенсивность отраженного света, пропорционально намагниченности образца. На этом эффекте возможно создание миниатюрного модулятора света размером 10^-13 см³ и проведение измерений на расстоянии. Эффект Коттона-Мутона отличается двойным лучепреломлением.

Эффект Джозефсона основан на идее о существовании кванта магнитного потока. Джозефсону удалось наблюдать единичные кванты магнитного потока

Вб,

где – постоянная Планка; – заряд электрона.

Информация представляется в виде периодического тока высокой частоты. Один период проходящего тока (ток Джозефсона) равен кванту магнитного потока . Из перечисленных эффектов главным образом используются эффект Холла и Гаусса.

Эффект Холла заключается в возникновении разности потенциалов на боковых гранях пластины, а эффект Гаусса (магниторезистивный эффект) проявляется в изменении электрического сопротивления пластины. Оба эффекта обусловлены изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле. Они возникают одновременно и связаны между собой так, что каждый из них приводит к ослаблению другого. Выбирая определенным образом конструкцию и состав материала преобразователя, можно усилить один из эффектов и ослабить другой, создавая таким образом, преобразователи Холла(ПХ) или магниторезисторы.

ПХ (рисунок 2.9) представляет собой пластину из полупроводникового материала, по четырем сторонам которой расположено четыре контакта, два из них называются токовыми (1 и 2), а два выходными или измерительными (3 и 4, иногда эти контакты называют холловскими).

Рисунок 2.9 Конструкция ПХ

Уравнение преобразования ПХ имеет вид:

,

где – ЭДС Холла; h – толщина пластинки преобразователя; – магнитная индукция; – ток, проходящий через пластину; α – угол между вектором индукции В и перпендикуляром к плоскости пластины.

Измерительные ПХ характеризуются чувствительностью ко всем входным величинам, что является причиной многих составляющих погрешностей, однако наиболее существенное влияние оказывает изменение температуры, приводящее к изменению удельного сопротивления пластинки и соответственно постоянной Холла. Температурный коэффициент ЭДС Холла у лучших отечественных типов составляет 0,015 %/ ^оС.

Магниторезнсторы подразделяются на три типа:

• преобразователи, приращение внутреннего сопротивления которых вызывается изменением подвижности носителей зарядов, называются магниторезисторами (МР);

• преобразователи, изменение сопротивления которых связано с изменением средней концентрации носителей заряда в объеме проводящего канала и разработанных на основе использования полупроводниковых соединений, содержащих р-п переходы, называют магнитодиодами и биполярными магнитотриодами;

• преобразователи, у которых изменение сопротивления обусловлено изменением геометрических размеров проводящего канала, например, полевые магнитотриоды.

Для магниторезисторов в инженерных расчетах часто используют выражение для относительного изменения сопротивления полупроводника в магнитном поле

,

где А – коэффициент формы (≈10^-12); –подвижность носителей тока; В – магнитная индукция; n=(1÷2) показатель степени, зависящий от величины В.

В слабых полях ( )<<1 обычно n=2, в сильных полях ( )<<1, n=1. Понятие слабых и сильных полей относительно и зависит от материала, их которого изготовлен магниторезистор. Например, для металлических МР (висмут) поле 1 Тл является сильным, а для полупроводниковых материалов InSb большой индукцией считается 0,3 Тл.

Лучшими материалами для изготовления магнитогальвонических преобразователей являются InSb, InAs, эвтектические сплавы InSb-NiSb и InSb-GaSb и др.

Отечественная промышленность выпускает большое разнообразие преобразователей Холла и Гаусса. Например, преобразователи Холла типов ДХГ на основе Ge; ДХК на основе Si; ДХ на основе InSb; магниторезисторы МР на основе InSb-NiSb; магнитодиоды КД301(А-Е) на основе Si и др.

Основное назначение гальваномагнитных преобразователей (ГП) – измерение характеристик магнитных полей. Измеряются сверхслабые поля в космосе, менее 10^-12 Тл до сверхсильных ядерных более 50 Тл. Их используют в качестве аналоговых вычислительных устройств, реализующих операции сложения, умножения, деления, возведения в квадрат, получения обратных величин и др. На их базе построены усилители, генераторы, смесители, модуляторы и демодуляторы, измерители мощности и др.

Гальваномагнитные преобразователи используются для преобразования неэлектрических величин. Главным образом это измерители перемещений, фиксаций положения объектов, углов поворота, измерений деформаций, скорости движения объектов и их ускорений. Посредством ГП производят измерения перемещений с точностью сотых и тысячных долей мкм.

Принцип действия ГП состоит в том, что механическое перемещение вызывает изменение величины или полярности магнитного потока, пронизывающего ГП. Значение магнитного потока при этом может быть функцией:

• плоскопараллельного перемещения ГП в неоднородном магнитном поле;

• ориентация ГП в однородном или неоднородном магнитном поле;

• выходная величина ГП, зависящего от перемещения отдельных элементов магнитопровода или магнитной упругости ферромагнитной цепи, в которую помещен ГП;

• положение магнита или проводников с током относительно проводникового элемента

Из перечисленных принципов преобразования перемещения на практике чаще всего используют принцип перемещения ГП в поле постоянного неподвижного магнита и размещения неподвижного ГП в разомкнутой цепи магнитопровода, а подвижным элементом служит либо постоянный магнит, либо элемент из ферромагнетика.

Одним из эффективных способов повышения чувствительности преобразователей перемещения является формирование магнитных полей с высоким значением градиента магнитной индукции, в поле которого располагается ГП. Наиболее распространенными являются дифференциальные магнитные системы, которые являются разновидностью квадрупольных магнитных линз [10]. Некоторые схемы применения ГП в качестве преобразователей приведены на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10. Схемы применения МР (или ГП) в качестве преобразователя механических перемещений: а – линейное перемещение преобразователя МР; б – изменение магнитного потока Ф за счет изменения угла поворота сердечника Fe; в – перемещение преобразователя МР в поле квадрупольной магнитной линзы (дифференциальная схема МР₁, МР₂)

Основными источниками погрешностей являются: тепловые, дробные и токовые шумы (шумы Монтгомери). Температурные погрешности уменьшаются путем введения в измерительные цепи термозависимых элементов. В среднем ТКС для InSb равен 0,5÷1 %/ ^оС, для InAs 0,08 %/ ^оС

Измерительные схемы с ГП разнообразны из-за широкого диапазона технических задач. Магниторезисторы, как правило, включаются в мостовые измерительные схемы, преобразователи Холла в компенсационные.

ГП обладают рядом преимуществ: малые геометрические размеры и вес (получены, например, кристаллические преобразователи Холла размером 0,15·0,02·0,02 мм и меньше), широкий диапазон измерений, малая инерционность, большие функциональные возможности.

Гальваномагниторекомбинационные преобразователи (ГМРП) основаны на изменении средней концентрации носителей заряда под действием магнитного поля, проявляемое в проводниках, которые имеют поверхности с разной скоростью рекомбинации носителей зарядов. ГМРП обычно представляют собой полупроводниковую пластину, у которой одна из боковых поверхностей обработана грубо, а другая отполирована. Вследствие этого у грубой поверхности скорость рекомбинации носителей заряда на 2–3 порядка больше, чем у полированной (рисунок 2.11.).

При наличии тока под действием силы Лоренца происходит смещение носителей заряда к одной из боковых поверхностей. При изменении направления вектора В изменяется направление силы Лоренца, что приводит к перемещению зарядов к другой поверхности, у которой малая скорость рекомбинации, и к общему увеличению концентрации зарядов, т.е. к уменьшению R.

Рисунок 2.11 Конструкция гальваномагниторекомбинационного преобразователя (ГМРП): 1 – тонкая полупроводниковая пластина; 2 – отполированная поверхность; 3 – грубо отполированная поверхность; В – магнитная индукция

В отличие от МР изменение R зависит от направления вектора В (свойство диода).

Серия ГМРП типа ГМР-1 имеет следующие параметры: R₀ = (5÷50) Ом; I = (0,8÷1) мА; ТКС = 0,002 К^-1; S_B = (6÷75) В/Тл; F_гран.= 1014 Гц, порог чувствительности 5·– 10 Тл. Чувствительность ГМРП в 100÷1000 раз выше преобразователей Холла.