Различия

Показаны различия между двумя версиями страницы.

Ссылка на это сравнение

Предыдущая версия справа и слеваПредыдущая версия
Следующая версия		Предыдущая версия
lab1:pril13 [2019/07/08 10:27] – [Магнетосопротивление и магниторезистивные датчики] root_slab1:pril13 [2026/09/04 06:05] (текущий) – внешнее изменение 127.0.0.1
Строка 11: Строка 11:
 {{ :lab1:p7.jpg?direct&400 |}} {{ :lab1:p7.jpg?direct&400 |}}
  
-Рис. 7. Принцип действия феррозонда(([[https://drive.google.com/a/nsu.ru/file/d/1xILE-qUE1qGlwDuAc-2G7Nex7DC60fdr/view?usp=drivesdk|Caruso M. J., Dratland T., Dr. Smith C. H., Schneider R. A New +Рис. 7. Принцип действия феррозонда((Caruso M. J., Dratland T., Dr. Smith C. H., Schneider R. A New Perspective on Magnetic Field Sensing. Honeywell, Inc.))
-Perspective on Magnetic Field Sensing. Honeywell, Inc.]])) +
  
 $$ $$
Строка 44: Строка 43:
 {{ :lab1:p8.jpg?direct&500 |}} {{ :lab1:p8.jpg?direct&500 |}}
  
-Рис.8. Многослойные магнитные структуры(([[https://drive.google.com/a/nsu.ru/file/d/1q1TLo7EY6mqKUDikLsLNX0nZPeBrKzt9/view?usp=drivesdk|The Discovery of Giant Magnetoresistance]]))+Рис.8. Многослойные магнитные структуры(({{ :lab1:discovery_of_giant_magnetoresistance.pdf |The Discovery of Giant Magnetoresistance}}))
  
 Сопротивление металлов связанно с рассеянием электронов проводимости на атомах проводника, причем в ферромагнитном материале, где магнитные моменты атомных электронов выстроены в одном направлении, рассеяние зависит от ориентации магнитного момента электронов проводимости относительно собственного момента проводника (подробнее о спиновой зависимости сопротивления и зонной структуре ферромагнитных элементов см. в приложении). Электрическое сопротивление для электронов, магнитный момент которых направлен также, как в проводнике, обозначим R$\mathrm{\uparrow}$, а в противоположном направлении --- R$\mathrm{\downarrow}$. Ток через многослойную структуру можно разложить на ток с магнитным моментом, направленным вверх и вниз (см. рис. 9). Сопротивление металлов связанно с рассеянием электронов проводимости на атомах проводника, причем в ферромагнитном материале, где магнитные моменты атомных электронов выстроены в одном направлении, рассеяние зависит от ориентации магнитного момента электронов проводимости относительно собственного момента проводника (подробнее о спиновой зависимости сопротивления и зонной структуре ферромагнитных элементов см. в приложении). Электрическое сопротивление для электронов, магнитный момент которых направлен также, как в проводнике, обозначим R$\mathrm{\uparrow}$, а в противоположном направлении --- R$\mathrm{\downarrow}$. Ток через многослойную структуру можно разложить на ток с магнитным моментом, направленным вверх и вниз (см. рис. 9).
Строка 58: Строка 57:
 Разность сопротивлений при отсутствии поля и включенном поле составляет  Разность сопротивлений при отсутствии поля и включенном поле составляет 
 $$ $$
-DR=-\frac 12 \frac{(R\mathrm{\uparrow}-R\mathrm{\downarrow})^2}{R$\mathrm{\uparrow}+R\mathrm{\downarrow}}. +DR=-\frac 12 \frac{(R\mathrm{\uparrow}-R\mathrm{\downarrow})^2}{R\mathrm{\uparrow}+R\mathrm{\downarrow}}. 
 $$ $$
 Видно, что в данном случае магнетосопротивление отрицательно. Видно, что в данном случае магнетосопротивление отрицательно.
  
-За открытие данного эффекта в metricconverterProductID2007 г2007 г. Петеру Грюнбергу и Альберту Ферту была присуждена нобелевская премия по физике. В первых работах сообщалось об изменении сопротивления примерно на 10~\%. В существующих сейчас образцах сопротивление изменяется более чем на 200~\%, например, в системах Fe/MgO/Fe или Fe/Al2O3/Fe.+За открытие данного эффекта в 2007 г. Петеру Грюнбергу и Альберту Ферту была присуждена нобелевская премия по физике. В первых работах сообщалось об изменении сопротивления примерно на 10%. В существующих сейчас образцах сопротивление изменяется более чем на 200%, например, в системах Fe/MgO/Fe или Fe/Al2O3/Fe.
  
 Данный эффект широко используется для создания датчиков магнитного поля, например, жесткий диск любого компьютера содержит около 10 датчиков, работающих на этом эффекте. Высокая чувствительность этих датчиков позволила достичь невиданных плотностей записи информации на магнитные диски. Еще 10 лет назад рекордом считались диски объемом несколько Гбайт, сейчас почти каждый персональный компьютер оснащен диском в сотни Гбайт. Как упоминалось ранее, магниторезистивные датчики также очень чувствительны к направлению магнитного поля, что позволяет использовать их, например, в навигации в качестве электронных компасов. С помощью таких датчиков измеряют и синхронизуют частоту вращения валов двигателей внутреннего сгорания, современный автомобиль содержит сотни подобных датчиков.  Данный эффект широко используется для создания датчиков магнитного поля, например, жесткий диск любого компьютера содержит около 10 датчиков, работающих на этом эффекте. Высокая чувствительность этих датчиков позволила достичь невиданных плотностей записи информации на магнитные диски. Еще 10 лет назад рекордом считались диски объемом несколько Гбайт, сейчас почти каждый персональный компьютер оснащен диском в сотни Гбайт. Как упоминалось ранее, магниторезистивные датчики также очень чувствительны к направлению магнитного поля, что позволяет использовать их, например, в навигации в качестве электронных компасов. С помощью таких датчиков измеряют и синхронизуют частоту вращения валов двигателей внутреннего сгорания, современный автомобиль содержит сотни подобных датчиков. 
  
-\noindent \includegraphics*[width=4.52in, height=4.16in, keepaspectratio=false]{image22}+{{ :lab1:p9.jpg?direct&400 |}}
  
-\noindent \textit{Рис. 9.} Эффект гигантского магнетосопротивления [4]+Рис. 9. Эффект гигантского магнетосопротивления [4]
  
  
  
-\begin{enumerate} +==== Анизотропные магниторезистивные датчики ====
-\item \begin{enumerate} +
-\item  \textbf{Анизотропные магниторезистивные датчики} +
-\end{enumerate} +
-\end{enumerate}+
  
-Анизотропные магниторезистивные (АМР) датчики за рубежом производятся промышленно и широко используется в навигации, дефектоскопии, регистрации транспортных средств, измерении токов и т.~п. Чувствительным элементом АМР-датчика является Ni-Fe (пермаллоевая) тонкая пленка, нанесенная в виде полоски с характерным сопротивлением 1~кОм на кремниевую подложку. Для нормальной работы домены в пленке должны быть ориентированы вдоль полоски, для чего пленка напыляется в сильном магнитном поле и ее магнитный момент $M$ ориентируется в нужном направлении (рис.~9). Сопротивление пленки зависит от угла между вектором $M$ и направлением текущего по ней тока $I.$ Оно максимально, когда $M$ и $I$ параллельны, и зависит от угла так, как показано на графике. +Анизотропные магниторезистивные (АМР) датчики за рубежом производятся промышленно и широко используется в навигации, дефектоскопии, регистрации транспортных средств, измерении токов и т.п. Чувствительным элементом АМР--датчика является Ni--Fe (пермаллоевая) тонкая пленка, нанесенная в виде полоски с характерным сопротивлением 1 кОм на кремниевую подложку. Для нормальной работы домены в пленке должны быть ориентированы вдоль полоски, для чего пленка напыляется в сильном магнитном поле и ее магнитный момент $M$ ориентируется в нужном направлении (рис. 10). Сопротивление пленки зависит от угла между вектором $M$ и направлением текущего по ней тока $I.$ Оно максимально, когда $M$ и $I$ параллельны, и зависит от угла так, как показано на графике. 
  
-Если приложить внешнее магнитное поле перпендикулярно по отношению к пермаллоевой полоске, вектор магнитного момента сменит направление и изменит сопротивление полоски. Величина этого изменения может достигать 2--3 \%. Включив полоску в качестве переменного резистора в мост Уитстона, можно легко измерить ее текущее сопротивление, а следовательно, вычислить приложенное поперек нее магнитное поле. +Если приложить внешнее магнитное поле перпендикулярно по отношению к пермаллоевой полоске, вектор магнитного момента сменит направление и изменит сопротивление полоски. Величина этого изменения может достигать 2--3 %. Включив полоску в качестве переменного резистора в мост Уитстона, можно легко измерить ее текущее сопротивление, а следовательно, вычислить приложенное поперек нее магнитное поле. 
  
-Для работы датчика в линейном режиме применяют метод использующий создание тока под углом 45? в пленке, называют смещением «barber pole». Это смещение создается (рис.~9) путем помещения низкоомных коротких преград поперек ширины пленки. Ток, предпочитая самую короткую дорогу через пленку, течет от одной преграды до следующей под углом 45?.+Для работы датчика в линейном режиме применяют метод использующий создание тока под углом 45$^{\circ}$ в пленке, называют смещением «barber pole». Это смещение создается (рис. 10) путем помещения низкоомных коротких преград поперек ширины пленки. Ток, предпочитая самую короткую дорогу через пленку, течет от одной преграды до следующей под углом 45$^{\circ}$.
  
 +{{ :lab1:p10.jpg?direct&400 |}}
  
 +Рис. 10. Анизотропный магниторезистивный датчик [6]
  
-\noindent \includegraphics*[width=4.54in, height=2.95in, keepaspectratio=false]{image23}+{{ :lab1:p11.jpg?direct&400 |}}
  
-\noindent \textit{Рис. 10.} Анизотропный магниторезистивный датчик [6]+Рис. 11. Способ заставить ток течь под углом 45$^{\circ}$ [6]
  
 +Не останавливаясь на деталях, приведем данные о чувствительности АМР--датчика. Чувствительность этой мостовой схемы часто выражают в единицах мВ/В/Э, где средняя буква «В» обозначает напряжение, приложенное к мосту. Если напряжение на мосту 5 В, а чувствительность равна 3 мВ/В/Э, то выходное напряжение будет 15 мВ/Э. Для тщательно сделанного моста можно достичь уровня чувствительности 1 мкВ. Это соответствует разрешению 67 мкЭ. При коэффициенте усиления усилителя 67 получим полную выходную чувствительность порядка 1 В/Гс. Следовательно, такой АМР--датчик подходит для работы с магнитными полями порядка земного и может измерять флуктуации этого поля на уровне, по крайней мере, 1 мГс. Согласно графику на {{ :lab1:p5.jpg?linkonly |рис. 5}}, предельная чувствительность АМР--датчиков достигает величины менее 1 мкГс. Частотная полоса пропускания датчика обычно находится в диапазоне до 1--5 МГц. Для некоторых более чувствительных схем она может снижаться до 10 Гц, что вполне приемлемо для дистанционного зондирования. Важным преимуществом АМР--датчиков является то, что они миниатюрны и дешевы. К сожалению, данных о рабочем температурном диапазоне этих датчиков в обзорах не приводится.
  
 +==== Библиографический список  ====
  
 +  - {{ :кунце.pdf |Кунце Х.-И. Методы физических измерений. М.: Мир, 1989.}}
 +  - {{ :сивухин.pdf |Сивухин Д.В. Общий курс физики. М.: Физматлит: Изд-во МФТИ, 2002. Т. 3: Электричество.}}
 +  - {{ :киттель.pdf |Киттель Ч., Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978.}}
 +  - {{ :lab1:discovery_of_giant_magnetoresistance.pdf |The Discovery of Giant Magnetoresistance}}
 +  - Материал из Википедии http://ru.wikipedia.org
 +  - Caruso M. J., Dratland T., Dr. Smith C. H., Schneider R. A New Perspective on Magnetic Field Sensing. Honeywell, Inc.
  
  
-\noindent \includegraphics*[width=3.12in, height=1.33in, keepaspectratio=false]{image24} +**Назад**  [[experiment_13|требованиям к отчету]] и контрольным вопросы или **далее** к описанию лабораторных работ раздела [[lab1:lab1|Электростатика и магнитостатика]]
- +
-\noindent  +
- +
-\noindent \textit{Рис. 11.} Способ заставить ток течь под углом 45? [6] +
- +
- +
- +
-Не останавливаясь на деталях, приведем данные о чувствительности АМР-датчика. Чувствительность этой мостовой схемы часто выражают в единицах мВ/В/Э, где средняя буква «В» обозначает напряжение, приложенное к мосту. Если напряжение на мосту 5~В, а чувствительность равна 3~мВ/В/Э, то выходное напряжение будет 15~мВ/Э. Для тщательно сделанного моста можно достичь уровня чувствительности 1~мкВ. Это соответствует разрешению 67~мкЭ. При коэффициенте усиления усилителя 67 получим полную выходную чувствительность порядка 1~В/Гс. Следовательно, такой АМР-датчик подходит для работы с магнитными полями порядка земного и может измерять флуктуации этого поля на уровне, по крайней мере, 1 мГс. Согласно графику на рис.~5, предельная чувствительность АМР-датчиков достигает величины менее 1~мкГс. Частотная полоса пропускания датчика обычно находится в диапазоне до 1--5 МГц. Для некоторых более чувствительных схем она может снижаться до 10~Гц, что вполне приемлемо для дистанционного зондирования. Важным преимуществом АМР-датчиков является то, что они миниатюрны и дешевы. К сожалению, данных о рабочем температурном диапазоне этих датчиков в обзорах не приводится. +
- +
-\noindent \textbf{\eject Библиографический список } +
- +
-\textit{} +
- +
-1. \textit{Кунце Х.-И}. Методы физических измерений. М.: Мир, 1989. +
- +
-2. \textit{Сивухин Д. В.} Общий курс физики. М.: Физматлит: Изд-во МФТИ, 2002. Т. 3: Электричество.  +
- +
-3. \textit{Киттель Ч}. Введение в физику твердого тела, «Наука», М., metricconverterProductID1978 г1978 г. +
- +
-4. The Discovery of Giant Magnetoresistance. The placePlaceNameRoyal PlaceNameSwedish PlaceTypeAcademy of Sciences +
- +
-5. Материал из Википедии http://ru.wikipedia.org +
- +
-6. \textit{Caruso M.~J., Dratland T., Dr. Smith C.~H., Schneider R}.\textit{ A} New Perspective on Magnetic Field Sensing. Honeywell, Inc. +
- +
-7. L.B.Okun, ACTA PHYSICA POLONICA B3, 37(2006), 565 +
- +
-8. M.A.Gintsburg, Astronom. Zhurnal 40, 703 (1963) +
- +
-9. Particle Data Group http://pdg.lbl.gov/ +
- +
-10. Harry Kloor, Epharain Fishbach and Carrick Talmadge; Geoffrey L. Greene, ``Limit on new forces coexisting with electromagnetism'', Phys. Rev. D 49, 4 (1994) +