Разновидности конструктивного исполнения магниторезисторов

Магниторезистор представляет собой полупроводниковый рези­стор, основное свойство которого заключается в способности изменять свое электрическое сопротивление под действием магнитного поля.

Пластина полупроводника помещается во внешнее поперечное магнитное поле, и вдоль нее пропускается ток. Действие силы Лорен­ца вызывает искривление траектории носителей заряда и приводит к удлинению пути, проходимого носителями между электродами, к ко­торым приложено внешнее электрическое поле, что эквивалентно воз­растанию удельного сопротивления полупроводника.

Увеличение сопротивления полупроводника происходит и когда магнитное поле направлено перпендикулярно направлению протека­ния электрического тока, и когда направление магнитного поля параллельно направлению тока. В первом случае мы имеем дело с поперечным эффектом магнитосопротивления, получившем практическое применение. Второй случай носит название продольного эффекта магнитосо­противления. Практического применения он не нашел из-за слабого изменения сопротивления в магнитном поле. Магнитосопротивление можно определить как раз­ность между сопротивлением магниторезистора в магнитном поле и без магнитного поля (начальное сопротивление). Начальное сопро­тивление определяется материалом и используемой конструк­цией.

К факторам, влияющим на магнитосопротивление, относятся гео­метрия полупроводниковой пластины, концентрация и подвижность носителей.

Магнитосопротивление зависит от формы об­разца. Чем длиннее путь но­сителя заряда в полупроводнике без соударений с другими частица­ми, тем больший поток носителей отклоняется. Это означает, что под­вижность электронов в полупроводнике играет важную роль для повышения сопротивления. Поэтому при использовании магниторезистивного эффекта чаще всего применяют антимонид индия InSb и арсенид индия InAs, характеризующиеся высокой подвижностью электронов.

Магнитосопротивление наибольшее у образцов, для которых выше отношение длины пластины к ее ширине. В диске Корбино ток подводится к цент­ру, а отводится при помощи электрода, опоясывающего диск по окруж­ности. Линии тока будут иметь вид радиальных лучей, расходящихся от центра диска (рис. 3.17, а). При помещении диска в магнитное поле электрическое поле Холла не возникает и под действием силы Лорен­ца линии тока образуют не кратчайший путь от электрода к электро­ду, а имеют форму кривых (рис. 3.17б).  

Рисунок 3.17 Диск Корбино

 

В плоской полупроводниковой пластине при воздействии магнит­ного поля в направлении, перпендикулярном плоскости пластины, по­ле Холла оказывается ослабленным за счет шунтирующего действия токовых электродов. В результате сила Лоренца, воздействующая на электроны, оказывается скомпенсированной не полностью, и траектории их движения искривляются. Но магниторезисторы в форме диска и прямоугольника имеют низкое начальное сопротивление. Лишены этого недостатка конструкции составных магниторезисторов, являющихся последовательным соединением большого числа прямо­угольных магниторезисторов с малым отношением длины пластины к ее ширине.

Рисунок 3.18

На рис. 3.18 представлена зависимость относительного изменения сопротивления от удельной проводимости в InSb. Наиболь­шее значение достигается при использовании материала с удельной проводимостью s = 250 (Ом×см)-1.

На рис. 3.19 показаны магниторезисторы, изготовленные из InSb: дисковый в корпусе из эпоксидной смолы и прямоугольные на стеклянно-керамических подложках. Изготовляются они следующим образом. На изоляционную подложку толщиной 0,5 мм наклеивается пластинка толщиной 20 мкм из полупроводникового материала. На поверхность пластинки наносят проводящие электроды.

 

Рмсунок 3.19 Внешний вид магниторезисторов.

 

 

Если требуется высокое начальное сопротивление матниторезистора, то методом фотолитографии пластине придается форма, показан­ная на рис. 3.20. Благодаря такой форме удельное сопротивление магниторезистора может достигать нескольких сотен Ом. Подобную конструкцию имеют отечественные магниторезисторы СМ 1-1, выполненные из сплава InSb—NiSb.

Высокие магниторезистивйые свойства сплава InSb—NiSb обуслов­лены большой подвижностью носителей заряда в фазе InSb и нали­чием включений хорошо проводящей фазы NiSb. Вместе с тем сравнительно высокая проводимость сплава вызывает необходимость использования тонких и длинных образцов для получения практически приемлемых значений сопро­тивления магниторезисторов. Поэтому проводящая дорожка этих приборов выполнена в форме «меандра» с контактными площадками. Ширина дорожки около 100, а толщина 60—100 мкм.

Для реализации сопротивления в диапазоне 22—220 Ом созданы три различных конструктивных варианта. При этом в магниторезисторах с номинальными сопротивлениями 150 и 220 Ом резистивный эле­мент выполнен в виде двух одинаковых проводящих дорожек с сопро­тивлением, вдвое меньшим номинального.

Для обеспечения механической прочности магниторезисторов их резистивные дорожки закреплены на основании из пермаллоя и изолированы от него слоем лака; гибкие проволочные выводы, припаянные к контакт­ным площадкам резистивных дорожек, и сами дорожки для защиты от внешних воздействий также покрыты лаком. Использование пер­маллоя, обладающего высокими значениями магнитной проницаемо­сти и индукции насыщения, обеспечивает малую эффективную величину зазора магнитной системы, в которой используется магниторезистор. Максимальная толщина магниторезистора с учетом толщин участ­ков пайки не превышает 0,6 мм.

Рисунок 3.20 Структуры магниторезисторов.

Уменьшение температурных коэффициентов сопротивления и магниторезистивного отношения может быть достигнуто использова­нием сплавов InSb — NiSb,   легированных Те, правда, за счет существенного уменьшения величины маг­ниторезистивного отношения.

Максимальное изменение сопро­тивления магниторезисторов СМ1-1 в магнитном поле достигается при направлении магнитного поля, пер­пендикулярном плоскости магнито­резистора. Его отклонение от этого направления приводит к умень­шению магниторезистивного эффекта.

Основными метрологическими характеристиками магниторезисторов являются начальное сопротивление (в пределах от долей Ома до десятков кОм) и магниторезистивная чувствительность S=dR/dB.

Температурный коэффициент сопротивления магниторезисторов (ТКС) зависит от состава материала, магнитной индукции и температуры. Чем больше чувствительность магниторезистора, тем больше его ТКС. Значения ТКС различных типов магниторезисторов имеют пределы 0,0002—0,012 . Для работы при низких температурах весьма перспективны магниторезисторы из антимонида индия.

Частотные характеристики магниторезисторов в основном определяются меж­электродными емкостями. У дисков Корбино частотная погрешность меньше, чем у прямоугольных преобразователей, для которых при изменении частоты от 0 до 10 МГц магниторезистивная чувствительность уменьшается на 5—10%.

Магниторезисторы применяются:

· для измерения магнитной индукции, мощности;

· в ана­лизаторах гармоник;

· в схе­мах удвоения частоты, преобразова­телей постоянного тока в перемен­ный, в схемах усилителей и генера­торов;

· в качестве бесконтактных переменных резисторов и делителей напряжения с плавно регулируемым коэффициентом деления, модуляторов малых постоянных токов и напряжений;

· для создания тесламетров для работы при сверхнизких температурах и датчиков для измерения ряда неэлектрических величин, легко преобразуемых в изменение магнитной индукции, и бесконтактного измерения токов;

· в качестве чувствитель­ных элементов бесконтактных переключателей, датчиков линейных перемещений, бесконтактных потенциометров.

 

Терморезистивный эффект

Зависимость сопротивления проводника от температуры  используется для измерения тепловых величин и связанных с ними других физических величин электрической и неэлектрической природы, например: температуры газообразных, жидких и твердых тел; скорости потока, давления и состава газовых сред; величины тока высокой частоты и др. При этом в качестве чувствительных элементов используют проводники и полупроводники, что определяет градацию термопреобразователей на два класса, принципиально отличающихся по многим характеристикам: проводниковые и полупроводниковые терморезисторы.

 

⇐ Предыдущая25262728293031323334Следующая ⇒

Поделиться: