MURATA: магниточувствительные датчики

Компания Murata является одним из крупнейших в мире производителей радиоэлектронных компонентов широкого спектра применения. В статье рассмотрены магниточувствительные датчики, построенные на основе магниторезистивного эффекта, их особенности и сферы применения.

Компания Murata основана в 1944 году. Впервые в мире она стала производить керамические конденсаторы на основе оксида титана (TiO2). Со дня своего основания Murata ведет научно-исследовательские разработки в области керамических материалов и их применения, выводит на рынок широкий спектр новых электронных компонентов, использующих уникальные свойства керамических материалов: датчики, излучатели, резонаторы, фильтры, терморезисторы и многое другое. Широчайший ассортимент выпускаемых изделий и высочайшее качество —основной результат более чем полувековой работы компании — причина ее популярности.

Магниторезетивный эффект

Магниторезистивный эффект основан на том, что некоторые полупроводниковые материалы под воздействием внешнего магнитного поля начинают изменять свое внутреннее сопротивление. К таким материалам, в частности, относятся вещества на основе смесей InSb, InAs, GaAs, Ge, Si.

Наиболее подходящим материалом для использования в магнитных датчиках на сегодняшний день является смесь InSb, обладающая наибольшей подвижностью основных носителей заряда.

Сопротивление полупроводника в магнитном поле описывается формулой:

где R0 — сопротивление полупроводника вне магнитного поля, ρb — удельное сопротивление в магнитном поле, ?0 — удельное сопротивление вне магнитного поля, B — плотность магнитного потока, m — геометрический фактор (отношение длины к ширине).

Вне магнитного поля направление движения носителей заряда в теле полупроводника осуществляется по наименьшему пути. При внесении пластины в магнитное поле сила Лоренца будет искривлять траекторию движения электронов, тем самым изменяя общее сопротивление магниторезиста.

Изменение сопротивления магниторезистивного материала представлено на рис. 2.

На основании этого явления инженеры компании Murata разработали серию магниточувствительных датчиков, использующихся для распознавания информации, нанесенной посредством тонкого слоя магнитного вещества.

Благодаря хорошей динамике, стабильности параметров и высокому уровню выходного сигнала датчики реагируют как на магнитные, так и на ферромагнитные материалы.

Магниточувствительные датчики Murata

Устройство магниточувствительного датчика представлено на рис. 3.

Датчик представляет собой закрытую конструкцию, состоящую из металлического корпуса, с размещенным внутри магниторезистивным элементом и постоянным магнитом.

Применение герметичного железного корпуса позволяет значительно повысить надежность устройства.

Датчики выпускаются как со сдвоенным элементом, так и мостовые (рис. 5).

Смена полярности выходного напряжения в датчике приходится на момент перехода магнитной полосы между магниторезистивными элементами (рис. 6).

Напряжение, снимаемое с выхода датчиков, рассчитывается по эмпирической формуле и зависит от сопротивления магниторезистов:

где Rmr — сопротивление одиночного элемента, Vin — напряжение питания.

Температурная характеристика и схемы конпенсации

Одной из особенностей магниторезистивных датчиков является зависимость выходного напряжения, а также входного и выходного сопротивлений от температуры.

На рис. 7 представлена типовая зависимость выходного напряжения в диапазоне температур от –20 до +80 °С. Температурный коэффициент равен 0,4%/°С. На рис. 8 представлена зависимость входного и выходного сопротивления в диапазоне температур от–20 до +80°С. Температурный коэффициент — 2%/°С.

Для компенсации этого явления применяют специальные схемы, содержащие термистор с отрицательной температурной характеристикой (рис. 9).

Важной особенностью сенсоров является так называемая азимутная характеристика. Суть ее заключается в изменении уровня выходного сигнала в зависимости от угла перемещения магнитного слоя относительно магниторезистивного слоя.

Наибольший уровень выходного сигнала обеспечивается лишь при условии параллельного перемещения магнитного носителя относительно магниторезистивного элемента (рис. 11).

Монтаж магниточувствительных датчиков

Фирма Murata рекомендует два основных типа монтажа для магниторезистивных датчиков. Отличия заключаются в способе установки тела датчика внутри устройства.

Первый способ подразумевает жесткую установку датчика на печатную плату, когда отсутствуют какие-либо амортизационные элементы (рис. 12).

К достоинствам этого способа можно отнести простоту установки и легкость в регулировке, а к недостаткам — чувствительность к внешним и внутренним воздействиям, таким, как вибрации.

Второй способ подразумевает «мягкую» установку датчика на пружинах (рис. 13).

К достоинствам этого способа относится нечувствительность датчика к вибрациям.

Типовая схема включения представлена на рис. 14.

Типы магниточувствительных датчиков Murata

Фирмой Murata выпускается несколько типов магнитных сенсоров, принципиальное различие которых заключается в площади и устройстве считывающей поверхности (табл. 1–2).

Стандартный компактный тип

К этому типу датчиков относятся серии BS05C и BS05N.

Особенности:

• высокая чувствительность и превосходная стабильность характеристик;
• уровень выходного напряжения не зависит от скорости сканирования;
• компактные размеры и легкий вес позволяют использовать датчики в миниатюрных устройствах;
• большая наработка на отказ, достигнутая благодаря использованию металлического корпуса;
• нечувствительность к внешним магнитным полям, таким, как трансформаторы и электродвигатели.

Сферы применения:

• счетчики банкнот;
• считыватели магнитных карт;
• датчики положения зубчатого колеса;

Датчики с широким чувствительным элементом

К этому типу датчиков относится серия BS05W.

Особенности:

• широкий магниторезистивный элемент позволяет повысить точность считывания информации при сканировании магнитных полос;
• повышенная наработка на отказ (благодаря металлическому корпусу), что позволяет использовать датчики в высокоскоростных счетчиках банкнот;
• высокая чувствительность и стабильность временных характеристик;
• выходное напряжение не зависит от скорости сканирования.

Сферы применения:

• высокоскоростные счетчики банкнот, считыватели магнитных карт.

Дополнительную информацию можно найти в Интернете по адресу: http://www.alkon.net/murata.