7 страница из 20
Тема
магнитные системы и др. Зарубежными фирмами и отечественными предприятиями налажен серийный выпуск широкой номенклатуры изделий микромагнитоэлектроники, среди которых наибольшее распространение получили интегральные преобразователи магнитного поля, магнитоуправляемые и магниточувствительные интегральные схемы, магнитные датчики и функциональные магнитоэлектронные устройства. Каждое из этих изделий может применяться самостоя тельно или использоваться для создания современных магнитоэлектронных приборов и оборудования различного назначения. Устройства микромагнитоэлектроники используются в системах управления производственными процессами, в автомобильной электронике, измерительной и вычислительной технике, в дефектоскопии, в медицинских и бытовых приборах.

2.1. Возможности магниточувствительных элементов

Оценка возможностей изделий микромагнитоэлектроники и их очевидных преимуществ перед другими группами изделий электронной техники, выполняющих сходные функции, показывает, что мы имеем дело с перспективным направлением техники, которое в России продолжает развиваться. В то время как за рубежом микромагнитоэлектроника развивается высокими темпами, о чем свидетельствует ежегодный рост номенклатуры и объемов производства изделий, привлечение новых производителей, расширение сфер применения. Номенклатура производимых фирмами изделий исчисляется сотнями типов, суммарный объем производства которых составляет несколько миллиардов изделий в год. Общий уровень развития отечественной микромагнитоэлектроники значительно уступает уровню зарубежной и в темпах роста, и в расширении номенклатуры, и в увеличении объемов выпускаемых изделий.

В мировой практике выявились основные тенденции и определились перспективы дальнейшего развития микромагнитоэлектроники. В последующее десятилетие усилия разработчиков и производителей магнитоэлектронных устройств и аппаратуры будут направлены на:

• дальнейшее повышение уровня магнитоэлектрических параметров и эксплуатационных характеристик изделий;

• повышение степени интеграции изделий с постепенным переходом на многоканальные устройства;

• расширение функций, выполняемых изделиями микромагнитоэлектроники, и сфер их применения;

• дальнейшее уменьшение габаритов, массы и материалоемкости, на снижение энергопотребления и удельной себестоимости изделий.

В массовом производстве изделий микромагнитоэлектроники можно ожидать увеличения использования новых полупроводниковых материалов (арсенида галлия, антимонида индия и др.) и магнитотвердых материалов (сплавов самарий-кобальт, неодим-железо-бор и др.), а также более совершенных технологических процессов: ионной имплантации, КМОП– и КНИ-технологий, молекулярной эпитаксии, плазменного осаждения магнитно-твердых пленок и др. [5].

Анализ тенденций и возможных перспектив развития функционально-ориентированных магнитных датчиков показывает, что будет стремительно развиваться производство высокочувствительных магнитных датчиков и МЭУ для навигационных и медицинских приборов, для военной техники, продолжены работы по повышению уровня магнитоэлектрических параметров и улучшению эксплуатационных характеристик, в том числе и по повышению предельной рабочей температуры до 200 °C и более. По мере совершенствования технологии изготовления и конструкций магнитных датчиков сохранится тенденция к дальнейшему уменьшению их габаритов, что приведет к снижению размеров и массы дорогостоящих постоянных магнитов.

Изделия микромагнитоэлектроники содержат много различных элементов, передающих «механическое» воздействие от объекта контроля (или управления) к чувствительному элементу изделия. К таким элементам относятся различного рода рычаги, поводки, валы, штоки, поршни и плунжеры, тонармы, валы, муфты, пружины, кардановые подвесы и др. [5]. Все эти элементы разрабатываются вместе с конкретными магнитоэлектронными устройствами с учетом условий эксплуатации. Для повышения термической устойчивости изделий микромагнитоэлектроники, содержащих собственные магнитные системы, используются термомагнитные шунты, которые изготавливаются из специальных термомагнитных материалов.

Термомагнитными называются магнитно-мягкие материалы, обладающие сильной зависимостью магнитной проницаемости от температуры. При увеличении температуры окружающей среды магнитная проницаемость указанного материала падает. Для изготовления элементов магнитных систем изделий микромагнитоэлектроники могут использоваться следующие термомагнитные сплавы: Н33Ю1, ЭП456 (термаллой), 38НХ14, 36НХ11 (компенсатор), Н32Х6Ю, ЭП279 и др. [5].

2.2. Преобразователь магнитного поля

Преобразователь магнитного поля (ПМП) является основным элементом любого изделия микромагнитоэлектроники. ПМП преобразует магнитный поток в электрический сигнал.

Преобразователь магнитного поля представляет собой магниточувствительный элемент (МЧЭ), размещенный на подложке-держателе и снабженный выводами, необходимыми для соединения с электронной схемой усиления и обработки сигнала (рис. 2.1).


Рис. 2.1. Преобразователь магнитного поля


«МЧЭ является частью изделия, осуществляющей функцию восприятия контролируемых параметров среды или объекта и адекватного преобразования их значений в значения собственных электрических параметров» [3].

Магниточувствительный элемент изготавливается из материала, изменяющего свои свойства при воздействии внешнего магнитного поля. При создании магниточувствительных элементов используются различные физические явления, происходящие в полупроводниках и металлах при взаимодействии их с магнитным полем (МП). Такая соответствующая действительности формулировка предложена М. Л. Бараночниковым.

2.2. 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 неодинаков для разных типов приборов, технологий и материалов. Магниторезисторы характеризуются такими параметрами, как магнитная чувствительность, номинальное сопротивление, рабочий ток, термостабильность и быстродействие, диапазон рабочих температур.

В России и за рубежом выпускается широкая номенклатура магниторезисторов, отличающихся типом конструкции и технологией изготовления магниточувствительного элемента и магнитной цепи. Особенно разнообразен ассортимент зарубежных магниторезисторов. Конструкция и параметры аналогичных зарубежных приборов мало чем отличаются от характеристик отечественных. Выделяются две большие группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные».

2.2.1. «Монолитные» магниторезисторы

Действие «монолитных» магниторезисторов основано на эффекте Гаусса, который характеризуется возрастанием сопротивления проводника (или полупроводника) при помещении его в магнитное поле. Конструкция «монолитного» магниторезистора приведена на рис. 2.2.

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


Рис. 2.2. Конструкция монолитного магниторезистора


Применение магниторезисторов

Магниторезисторы применяются в качестве чувствительных элементов в функционально-ориентированных магнитных датчиках: скорости и направления вращения, угла поворота и положения, линейного перемещения, расхода жидкости и газа, электрического тока и напряжения и т. п. Их используют в бесконтактной клавиатуре ПЭВМ, бесконтактных переменных резисторах, вентильных электродвигателях, электронных модуляторах и преобразователях, измерителях магнитного поля, металлоискателях, электронных навигаторах, в бытовой электронной аппаратуре, системах автоматического управления, устройствах считывания информации ЭВМ, определителях подлинности банкнот, электронных и электрифицированных игрушках и др.

Современная групповая технология ИС позволяет выпускать интегральные преобразователи магнитного поля на основе тонкопленочных магниторезисторов, которые могут формироваться как в линейные, так и в матричные магниточувствительные структуры с различным способом их организации. Основное назначение таких приборов – это использование их в системах визуализации магнитного поля и устройствах считывания информации с магнитных носителей (лент, карт и т. п.).

При использовании магниторезисторов необходимо учитывать их преимущества и недостатки. Так, «монолитные» магниторезисторы целесообразно использовать для регистрации «сильных» магнитных полей (100–1000 мТл). При этом следует учитывать максимальное значение индукции управляющего магнитного поля (ВМАКС), при котором гарантируется заданная линейность преобразования, так как с ростом индукции управляющего поля, как правило, растет входное сопротивление магниточувствительного элемента. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы при высоких индукциях (1 Тл и более) значение тока управления было выбрано таким, при котором температура элемента не будет превышать допустимую [5].

При использовании магниторезистора необходимо учитывать его нагрузочную способность. Этот параметр определяется предельным допустимым значением температуры перегрева прибора, при котором он не выходит из строя. Для

Добавить цитату