Магниторезисторы

   Магниторезисторы – это электронные компоненты, действие которых основано на изменении электрического сопротивления полупроводника (или металла) при воздействии на него магнитного поля. Механизм изменения сопротивления довольно сложен, так как является результатом одновременного действия большого числа разнообразных факторов. К тому же он не одинаков для разных типов приборов, технологий и материалов.

   Магниторезисторы характеризуются такими параметрами, как чувствительность, номинальное сопротивление, рабочий ток, термостабильность и быстродействие, диапазон рабочих температур.

   Магниторезистор представляет собой подложку с размещенным на ней магниточувствительным элементом. Подложка обеспечивает механическую прочность прибора. Элемент приклеен к подложке и защищен снаружи слоем лака, он может размещаться в оригинальном или стандартном корпусе и снабжаться ферритовым концентратором магнитного поля, или «смещающим» постоянным микромагнитом.

   Выделяются две большие группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные».

   Действие «монолитных» магниторезисторов основано на эффекте Гаусса, который характеризуется возрастанием сопротивления проводника (или полупроводника) при помещении его в магнитное поле.

   «Монолитные» магниточувствительные элементы изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих высокой подвижностью носителей заряда. К таким материалам относятся антимонид индия (InSb) и его соединения, арсенид индия (InAs) и др.
   Наибольшее распространение получил эвтектический сплав InSb–NiSb, легированный теллуром. В России этот сплав известен под названием СКИН.
   Все отечественные «монолитные» магниторезисторы изготавливались по одинаковой технологии и имели типовую конструкцию. Их чувствительные элементы имели форму меандра с шириной дорожки 100 мкм, при толщине элемента 50–100 мкм. Элементы установлены на основании из слюды, пермендюра или пермаллоя. Выводы – гибкие, проволочные, припаяны к контактным площадкам. Весь пакет покрыт слоем защитного лака. Максимальная толщина магниторезистора не превышает 0,8 мм.

   Зависимость магнитной чувствительности «монолитного» резистора в области слабых полей близка к квадратичной, а в области сильных полей – практически линейна. Область перехода от слабых полей к сильным для реальных магниторезистивных элементов лежит в пределах 0,2–0,4 Тл.
   Чувствительность магниторезистивного элемента изменяется и при изменении угла между вектором магнитной индукции и плоскостью элемента

   Разработкой «монолитных» магниторезисторов в СССР занималось множество организаций, в их числе СКБ Института полупроводников АН СССР, НИИ "Гириконд" (г. Ленинград), ОКБ ПО «Гиперон» (г. Москва), ВНИИ Чермет (г. Москва) и др. Однако серийное производство было освоено только ПМЗР ПО «Гиперон».

   «Пленочные» магниторезисторы получили распространение лишь в последние годы. Магниточувствительный элемент таких приборов изготовлен из ферромагнитных пленок (ФМП), использующих анизотропный магниторезистивный эффект. Максимальное значение магнитосопротивления «тонкопленочных» магниторезисторов соответствует нулевому внешнему магнитному полю, то есть при воздействии магнитного поля сопротивление такого элемента уменьшается.

   Конструкция магниторезисторов из ФМП не отличается от конструкций других разновидностей магниторезисторов, за исключением того, что МЧЭ изготовлен по специальной тонкопленочной технологии.

   Напыление магниточувствительного слоя, как правило, происходит при воздействии магнитного поля. Для создания МЧЭ используют тонкие одно- и многослойные пленки никель-кобальтовых (Ni-Co), никель-железных (Ni-Fe) и других сплавов. В качестве подложек применяют стекло, ситалл или кремний, обладающие большой теплопроводностью и коэффициент термического расширения которых, близок по величине к ТКР используемых пленок.

   Разработкой тонкопленочных магниторезисторов в СССР занимались такие организации, как НИИ "Гириконд" (г. Ленинград), ОКБ и завод «Альфа» (г. Рига), ОКБ ПО «Гиперон» (г. Москва), ВНИИ Чермет (г. Москва), ВНИИЭП (г. Ленинград) и др. Однако серийное производство тонкопленочных магниторезисторов не осуществлялось. Лишь в ОКБ ПО «Гиперон» (г. Москва) были разработаны и выпускались ограниченными партиями тонкопленочные магниторезисторы типа Ав-1 и Ав-2. По своим параметрам и характеристикам указанные приборы полностью соответствуют зарубежным аналогам, выпускаемым, например, фирмой Panasonic (Япония).

   Наиболее известным и распространенным отечественным магниторезистором является СМ4-1.

СМ4-1

Относительное изменение сопротивления магниторезисторов СМ4-1 при индукции 0,5 Тл - 3,3, ТКС при температурах от –60 до +85 °С без воздействия магнитного поля составляет не более -0,15 и -0,55% на градус Цельсия на концах диапазона соответственно (усредненное значение -0,61%/°С).

Магниторезисторы СМ4-1 устойчиво работают в интервале рабочих температур от –60 до +85 °С; при резкой смене температур (от –60 до +85 °С); относительной влажности воздуха до 98% при температуре 35 °С; атмосферном давлении от 10-4 до 10 5 Па; повышенном давлении воздуха (до 3x105 Па); в среде, зараженной плесневыми грибами, и в инее с последующим оттаиванием. Они выдерживают вибрацию в диапазоне частот от 1 до 5000 Гц с ускорением до 40 g; многократные удары с ускорением до 150 g и; одиночные с ускорением до 1000 g; линейные нагрузки с ускорением до 150 g; акустические шумы в диапазоне частот от 50 до 10000 Гц с уровнем звукового давления до 150 дБ.

Зависимость магниторезистора СМ4-1 от магнитной индукции в диапазоне индукций от 0 до 0,3 Тл квадратичная, а при индукции более 0,3 Тл – линейная.

 

Источники:

1. Котенко Г. И. Магниторезисторы. Л., «Энергия», 1972. (Б-ка по автоматике. Вып. 464) 
2. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. – М: ДМК Пресс, 2001.
3. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 2. Изд. 2-е, доп. – М: ДМК Пресс, 2014.

домой