Магниторезистивный датчик

Магниторезистивный датчик магнитного поля в качестве чувствительного элемента содержит магниторезистор [5]. Принцип действия датчика заключается в эффекте изменения омического сопротивления материала в зоне действия магнитного поля (рисунок 1.1.8). Наиболее сильно этот эффект проявляется в полупроводниковых материалах.

Рисунок 1.1.8. Эффект изменения омического сопротивления материала

Физическая суть эффекта заключается в следующем. При нахождении полупроводникового элемента с протекающим током в магнитном поле, на электроны действуют силы Лоренца. Эти силы вызывают отклонение движения носителей заряда от прямолинейного, искривляют его и, следовательно, удлиняют его. А удлинение пути между выводами полупроводникового элемента равносильно изменению его сопротивления.

В магнитном поле изменение длины «пути следования» электронов обусловлено взаимным положением векторов намагниченности этого поля и поля протекающего тока. При изменении угла между векторами поля и тока пропорционально изменяется и сопротивление. Таким образом, зная величину сопротивления датчика можно судить о количественной характеристике магнитного поля.

Магнитосопротивление сильно зависит от конструкции магниторезистора. Конструктивно датчик магнитного поля представляет магниторезистор, состоящий из подложки с расположенной на ней полупроводниковой полоской. На полоску нанесены выводы.

Для исключения влияния эффекта Холла размеры полупроводниковой полоски выдерживаются в определенных допусках - ширина ее должна быть много больше длины. Но такие датчики обладают малым сопротивлением, поэтому на одной подложке размещают необходимое число полосок и соединяют их последовательно.

С этой же целью часто датчик выполняется в виде диска Корбино. Запитывается датчик путем подключения к выводам расположенным в центре диска и по его окружности. При отсутствие магнитного поля путь тока прямолинеен и направлен от центра диска к периферии по радиусу. При наличии магнитного поля ЭДС Холла не возникает, так как у диска отсутствуют противоположные грани. Сопротивление датчика изменяется - под действием сил Лоренца пути тока искривляются.

Датчик этого типа, благодаря высокой чувствительности, может измерять незначительные изменения состояния магнитного поля и его направление. Он применяется в системах навигации, магнитометрии, распознавания образов и определения положения объектов.

К числу преимуществ магниторезистивных датчиков можно отнести:

• отсутствие зависимости от расстояния между магнитом и датчиком;

• широкий диапазон рабочих температур (от -55 до +150°С);

• датчики зависят только от направления поля, а не его интенсивности;

• долгий срок службы, независимость от магнитного дрейфа.

Магниторезистивные датчики применяются для:

• контроля перемещений объектов в робототехнике

• измерения слабых полей

• измерения частоты вращения

• измерения угловой

• построения бесконтактных датчиков тока с гальванической развязкой.

Датчики позволяют измерять самые слабые магнитные поля (от 30 мкГаусс) с последующим их преобразованием в выходное напряжение.

1.2. Оптические и магнитные свойства феррит-граната, представляющие интерес для создания оптоэлектронных устройств

Основные параметры магнитооптических материалов, представляющие интерес для оптоэлектроники

Разработанные в настоящее время магнитооптические устройства обработки и хранения информации основаны чаще всего на монокристаллических пленках феррит-гранатов и аморфных пленках сплавов редкоземельных и переходных металлов. Это объясняется наличием в данных материалах мощных магнитооптических эффектов и их способностью в широких пределах изменять параметры светового пучка при воздействии электромагнитными полями.

Наибольший интерес среди материалов пригодных для использования в устройствах магнитооптической обработки информации представляют ортоферриты и феррит-гранаты, обладающие большим эффектом Фарадея, стехиометрическая формула, которых имеет вид [6 - 9]:

RFeO₃ и R₃FeO₁₂, где R - ион редкоземельного элемента.

Магнитные свойства материалов характеризуются полями анизотропии Н_а, намагниченностью насыщения 4πM_S, коэрцитивностью Н_C, энергией доменной стенки, одноосной, кубической или анизотропией типа "легкая плоскость" материал обладает одноосной анизотропией, если Н_а > 4πМs.

Основными структурными параметрами материалов являются: толщина пленки h, направляющие косинусы нормали к плоскости пленки относительно кристаллографических осей β_1, β₂, β₃, разность постоянных решеток подложки и пленки Δa₀, напряжение в пленке σ₀.

Процессы намагничивания пленок в большинстве случаев связаны с наличием доменной структуры и ее преобразованием под воздействием поля. Многообразие магнитных доменных структур определяется кристаллической структурой материала, геометрическими параметрами образца, различными типами неоднородностей и его предысторией. Для одноосного ферромагнетика в форме тонкой плоскопараллельной пластины с осью легкого намагничивания, перпендикулярной плоскости пластины, в случае сплошной анизотропии соответствуют доменам с ориентацией вектора намагниченности М вдоль оси легкого намагничивания, что приводит к формированию лабиринтной доменной структуры (рисунке 1.2.1).

Рисунок 1.2.1. Лабиринтная доменная структура

При нарушении эквивалентности доменной границы различной ориентации может происходить упорядочение доменной границы с образованием полосовой доменной структуры (рисунок 1.2.2).

Рисунок 1.2.2. Полосовая доменная структура

Если намагничивать пластинку полем, напряженность которого Н параллельно оси легкого намагничивания, то ширина доменов с вектором М, параллельным Н, будет возрастать (при одновременном уменьшении ширины доменов с М, антипараллельным Н) и в конце концов образец перейдет в монодоменное состояние.

Ортоферриты описывают общей формулой RFeO₃, где R - редкоземельный элемент или иттрий. Основной недостаток ортоферритов, как цилиндрических магнитных доменных материалов заключается в том, что их намагниченность чрезвычайно мала: 4πМs≤150Гс и диаметр цилиндрических магнитных доменов в них находится в пределах 20-200мкм. Чтобы сместить размеры цилиндрических магнитных доменов в практически используемую область, необходимо увеличить 4πМs. Попытки увеличения 4πМs не дают значительных результатов, и это объясняется самой природой магнитного упорядочения в ортоферритах. Поле одноосной анизотропии Н_а~10⁴ Э. Подвижность доменных границ в ортоферритах очень высока: μ~10⁴ см/сек·Э.

Основными параметрами магнитооптических материалов при разработке устройств оптической обработки информации, являются [10, 11]: оптическое поглощение ОС, удельное фарадеевское вращение θ_F, магнитооптическая добротность ψ и оптическая эффективность η.

Коэффициент оптического поглощения определяется как:

(1.2.1)

где t - толщина материала: I₀, I - соответственно интенсивность света, падающего на магнитный материал и прошедшего через него, r - коэф-фициент отражения от образца.

На спектрах поглощения и фарадеевского вращения в диапазоне 0,35 - 1 мкм для ортоферритов наблюдается ряд пиков, то есть окон оптической прозрачности с высоким уровнем магнитооптической добротности.

(1.2.2)

Рисунок 1.2.3. Зависимость параметров ψ, α и F от длины волны для ортоферритов

Рисунок 1.2.4. Зависимость параметров ψ, α и F от длины волны для висмутсодержащих гранатов

Для λ=0,63 мкм, Ψ ≈ 14 град/дБ. Видно, что достигает 10 дБ в области красного света. Это обстоятельство открывает широкие возможности для применения ортоферритов в различных устройствах обработки и хранения информации. Для феррит-гранатов высокие значения наблюдаются в видимом диапазоне (λ=0,55 мкм).

Интенсивность света, прошедшего через доменную структуру определяется как:

(1.2.3)

где - интенсивность света, прошедшего через светлые и темные домены, А - степень деполяризации, - угол между осью анализатора и поляризато­ра, θ_F- удельное фарадеевское вращение материала.

Важными характеристиками магнитооптических материалов при изготовлении устройств являются оптический контраст к и оптическая эффективность η:

(1.2.4)

То есть, оптическая эффективность считывания определяется отношением разностей интенсивностей световых потоков и , попадающих на фотоприемник после прохождения участков магнитооптической плёнки, намагниченных соответственно вдоль и против направления распространения считывающего излучения, к интенсивности поляризованного излучения I₀, падающего на плёнку. Характеризуя устройства, в которых применяется голографический или индуцированный внешними пространственно-периодическими магнитными полями принцип записи, различают дифракционную эффективность считывания информации η. Под ней подразумевается эффективность простейшей дифракционной решетки, представляющей собой систему параллельных однотипно намагниченных полосовых доменов. Такая система может быть сформирована в магнитной пленке, как при термомагнитной записи, так и при воздействии пространственно-периодическими магнитными полями рассеивания различных типов носителем магнитной информации. В этом случае под дифракционной эффективностью магнитооптического материала понимают отношение интенсивности излучения в первом порядке дифракционной картины, полученной от полосовой доменной структуры, к интенсивности падающего на магнитную плёнку поляризованного излучения.

(1.2.5)

где γ - угол между направлением распространения излучения и нормалью к плёнке; (γ) - коэффициент, учитывающий отражение излучения от поверхности плёнки, S - скважность магнитооптической решетки, α, θ_F - соответственно коэффициент поглощения и удельное фарадеевское вращение.

Величина оптической эффективности считывания и магнитооптической пленки (независимо от способа оптического считывания и характера записанной информации) пропорционально величине магнитооптической добротности материала пленки, характеризующей ее способность разворачивать плоскость поляризации и ослаблять интенсивность излучения.

Таким образом, в ортоферритах и феррит-гранатах реализуется большое разнообразие управляемых доменных структур. Кроме того,- эти материалы обладают исключительно высокими уровнями магнитооптических эффектов, что обуславливает их большое прикладное значение в устройствах оптической обработки.