Магниторезистивный датчик

Магниторезистивный датчик — это электронный компонент, преобразующий изменение напряжённости магнитного поля в электрический сигнал, принцип действия которого основан на магниторезистивном эффекте (изменении электрического сопротивления материала под воздействием внешнего магнитного поля). Относится к классу датчиков магнитного поля, применяется в системах измерения положения, угла поворота, тока, скорости вращения, а также в навигации и магнитной записи.

Физические основы

Магниторезистивный эффект заключается в изменении удельного электрического сопротивления проводника или полупроводника при помещении его в магнитное поле. В зависимости от механизма возникновения различают несколько типов эффекта, используемых в датчиках.

Обычный магниторезистивный эффект (OMR)

Наблюдается в металлах (например, висмут, сурьма) и полупроводниках. При помещении образца в магнитное поле траектории носителей заряда искривляются под действием силы Лоренца, что увеличивает эффективную длину пути между столкновениями и, следовательно, сопротивление. Величина эффекта пропорциональна квадрату индукции магнитного поля. Для практического применения обычно используют плёнки из ферромагнитных металлов (пермаллой).

Анизотропный магниторезистивный эффект (AMR)

Характерен для ферромагнитных материалов (например, пермаллой — сплав никеля и железа). Сопротивление зависит от угла между направлением протекающего тока и вектором намагниченности материала. При параллельном направлении сопротивление максимально, при перпендикулярном — минимально. Изменение сопротивления может достигать 2–5 %. AMR-датчики широко распространены благодаря простоте конструкции и высокой чувствительности.

Гигантский магниторезистивный эффект (GMR)

Открыт в 1988 году (Нобелевская премия 2007 года). Наблюдается в многослойных структурах, состоящих из чередующихся ферромагнитных и немагнитных проводящих слоёв толщиной в несколько нанометров. Сопротивление структуры резко падает (на 50–80 %) при параллельной ориентации намагниченности соседних ферромагнитных слоёв и возрастает при антипараллельной. GMR-датчики обладают высокой чувствительностью и малыми размерами, используются в жёстких дисках и магнитных считывающих головках.

Туннельный магниторезистивный эффект (TMR)

Наблюдается в магнитных туннельных переходах — структурах, где два ферромагнитных слоя разделены тонким слоем диэлектрика (толщиной 1–2 нм). Изменение сопротивления при переключении ориентации намагниченности может достигать нескольких сотен процентов. TMR-датчики обеспечивают максимальную чувствительность и энергоэффективность, применяются в современных датчиках угла и тока.

Устройство и конструкция

Типичный магниторезистивный датчик состоит из нескольких функциональных элементов:

• Чувствительный элемент — тонкоплёночная структура из ферромагнитного материала (AMR) или многослойного набора (GMR, TMR), нанесённая на подложку (кремний, стекло).
• Магнитная система — постоянные магниты или полюсные наконечники, создающие подмагничивание и обеспечивающие линейность характеристики.
• Измерительная схема — мост Уитстона (четыре резистора, два из которых экранированы от поля), преобразующая изменение сопротивления в дифференциальное напряжение.
• Корпус — герметичный (пластиковый или металлический) с выводами для поверхностного или выводного монтажа. Часто содержит встроенный усилитель и компаратор.

Классификация

По типу измеряемого параметра:

• Датчики положения и угла — определяют угол поворота вала или линейное перемещение магнитного элемента. Примеры: энкодеры, датчики угла дроссельной заслонки.
• Датчики тока — измеряют постоянный или переменный ток по создаваемому им магнитному полю. Бесконтактные (гальваническая развязка).
• Датчики скорости вращения — регистрируют прохождение зубцов ферромагнитного колеса (зубчатого венца) мимо датчика. Используются в системах ABS и управления двигателем.
• Датчики магнитного поля — измеряют напряжённость или индукцию внешнего поля (магнитометры, компасы).

По типу эффекта:

• AMR-датчики
• GMR-датчики
• TMR-датчики

Применение

Промышленная автоматика

Магниторезистивные датчики широко применяются в станках с ЧПУ, робототехнике и конвейерных линиях для бесконтактного определения положения подвижных частей, контроля углов поворота сервоприводов и измерения скорости вращения валов. Высокая надёжность и устойчивость к загрязнениям делают их предпочтительнее оптических датчиков в условиях пыли, масла и вибраций.

Автомобильная электроника

В автомобилях магниторезистивные датчики используются в системах:

• Антиблокировочной системы (ABS) — датчики скорости вращения колёс.
• Управления двигателем — датчики положения коленчатого и распределительного валов.
• Электроусилителя руля — датчики крутящего момента.
• Датчики угла поворота рулевого колеса.
• Датчики уровня топлива и положения педалей.

Потребительская электроника

В смартфонах, планшетах и носимых устройствах магниторезистивные датчики (обычно TMR или AMR) используются в качестве электронных компасов (магнитометров) для определения ориентации в пространстве, а также в датчиках открытия крышки (крышка с магнитом).

Медицинская техника

Применяются в магнитно-резонансной томографии (МРТ) для контроля градиентных полей, в системах позиционирования хирургических инструментов и в имплантируемых устройствах (например, кардиостимуляторах) для настройки параметров с помощью внешнего магнитного поля.

Энергетика

В системах управления электроприводами, солнечными инверторами и зарядными станциями электромобилей магниторезистивные датчики тока обеспечивают точное измерение тока с гальванической развязкой, что критически важно для безопасности и эффективности.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Бесконтактный принцип измерения — отсутствие механического износа.
• Высокая чувствительность и точность (особенно у GMR и TMR).
• Широкий диапазон рабочих температур (от −40 до +150 °C).
• Малые габариты и низкое энергопотребление.
• Устойчивость к вибрациям, пыли и влаге.

Недостатки

• Чувствительность к внешним магнитным полям (требуется экранирование).
• Нелинейность выходной характеристики у некоторых типов (требуется калибровка).
• Ограниченный диапазон измеряемых полей (обычно до 10–20 мТл для AMR).
• Сложность изготовления многослойных структур (GMR, TMR).

История развития

Первые магниторезистивные датчики на основе AMR-эффекта появились в 1960-х годах. В 1970-х годах компания Honeywell начала серийное производство AMR-датчиков для автомобильной промышленности. Открытие гигантского магниторезистивного эффекта в 1988 году (Альбер Ферт и Петер Грюнберг) привело к созданию GMR-датчиков, которые в 1990-х годах произвели революцию в технологии считывания данных с жёстких дисков. В 2000-х годах развитие TMR-эффекта позволило создать сверхчувствительные датчики для мобильных устройств и медицинской техники. В России разработкой магниторезистивных датчиков занимаются в Институте физики микроструктур РАН, а также в ряде отраслевых НИИ.

Современные тенденции

В настоящее время активно развиваются интегрированные магниторезистивные датчики, объединяющие чувствительный элемент, аналоговую обработку и цифровой интерфейс (SPI, I²C) в одном корпусе. Повышается точность и разрешение (до 0,01° для угловых датчиков). Внедряются датчики на основе TMR с рекордно низким энергопотреблением (менее 1 мкА), что позволяет использовать их в автономных устройствах интернета вещей (IoT). Также ведутся исследования по созданию датчиков на основе спинового переноса момента (STT) и других новых физических эффектов.

Источники

• Физика магниторезистивных явлений: учебное пособие / под ред. А. В. Кобзева. — М.: МФТИ, 2018.
• Датчики магнитного поля: принципы действия и применения / пер. с англ. под ред. В. И. Панова. — М.: Техносфера, 2015.
• Патент РФ № 2 456 610 «Магниторезистивный датчик угла поворота».
• Техническая документация Honeywell, Infineon, NXP на магниторезистивные датчики.
• Статья «Гигантский магниторезистивный эффект» в журнале «Успехи физических наук», 2008, т. 178, № 10.