Co to jest czujnik magnetooporny?

Definicja: Gdy opór niektórych metali i materiałów półprzewodnikowych zmienia się w obecności pola magnetycznego, to zjawisko nazywane jest efektem magnetorezystancji. Komponenty wykazujące ten efekt nazywane są magnetorezystorami. Prostymi słowy, magnetorezystor to rodzaj rezystora, którego wartość oporu zmienia się w zależności od siły i kierunku zewnętrznego pola magnetycznego.

Magnetorezystory odgrywają kluczową rolę w wykrywaniu obecności pola magnetycznego, pomiarze jego siły oraz określaniu kierunku siły magnetycznej. Zwykle są wykonane z materiałów półprzewodnikowych, takich jak antymonowodki indu lub arsenek indu, które posiadają unikalne właściwości elektryczne, dzięki czemu są bardzo wrażliwe na pola magnetyczne.

Zasada działania magnetorezystora

Działanie magnetorezystora opiera się na zasadach elektrodynamiki. Według tej zasady, siła działająca na przewodnik prądu w polu magnetycznym może zmienić kierunek prądu. W braku pola magnetycznego nośnicy ładunku w magnetorezystorze poruszają się po prostej ścieżce.

Jednak w obecności pola magnetycznego kierunek prądu zmienia się i płynie w przeciwnym kierunku. Okrężna ścieżka prądu zwiększa ruchliwość nośników ładunku, co prowadzi do kolizji. Te kolizje powodują utratę energii w postaci ciepła, a to ciepło zwiększa opór magnetorezystora. Przez obecność ograniczonej liczby wolnych elektronów, tylko bardzo mała ilość prądu przepływa przez magnetorezystor.

Odchylenie elektronów w magnetorezystorze zależy od ich ruchliwości. Ruchliwość nośników ładunku w materiałach półprzewodnikowych jest wyższa w porównaniu do metali. Na przykład, ruchliwość arsenku indu lub antymonowodku indu wynosi około 2,4 m²/Vs.

Właściwości magnetorezystora

Czułość magnetorezystora zależy od siły pola magnetycznego. Charakterystyczna krzywa magnetorezystora przedstawiona jest na poniższym rysunku.

W braku pola magnetycznego namagnesowanie elementu magnetorezystora wynosi zero. Gdy pole magnetyczne zaczyna nieznacznie wzrastać, opór materiału zbliża się do wartości odpowiadającej punktowi b. Obecność pola magnetycznego powoduje obrót elementu magnetorezystora o kąt 45º.

Z dalszym wzrostem siły pola magnetycznego krzywa osiąga punkt nasycenia, oznaczony jako punkt C. Element magnetorezystywny zwykle działa albo w stanie początkowym (punkt O) lub w pobliżu punktu b. Działając w punkcie b, wykazuje charakterystykę liniową.

Typy magnetorezystorów

Magnetorezystory można podzielić na trzy główne typy:

Gigantyczna magnetorezystancja (GMR)

W przypadku gigantycznej magnetorezystancji, opór magnetorezystora znacznie maleje, gdy jego warstwy ferromagnetyczne są ustawione równolegle do siebie. Natomiast, gdy te warstwy są ustawione antyrównolegle, opór znacznie rośnie. Struktura urządzenia GMR przedstawiona jest na poniższym rysunku.

Niezwykła magnetorezystancja (EMR)

W przypadku niezwykłej magnetorezystancji, opór metalu zachowuje się inaczej. W braku pola magnetycznego opór jest stosunkowo wysoki. Jednak, gdy zostanie nałożone pole magnetyczne, opór znacznie spada, demonstrując wyraźną zmianę właściwości elektrycznych w odpowiedzi na wpływ magnetyczny.

Magnetorezystor tunelowy (TMR)

W magnetorezystorze tunelowym przewodzenie prądu odbywa się w unikalny sposób. Prąd przechodzi z jednego elektrody ferromagnetycznego, przechodząc przez warstwę izolacyjną. Ilość prądu tunelowego przechodzącego przez tę barierę izolacyjną silnie zależy od względnego ustawienia namagnesowania w elektrodach ferromagnetycznych. Różne kierunki namagnesowania mogą prowadzić do istotnych różnic w wielkości prądu tunelowego, co sprawia, że ta właściwość jest kluczowa dla różnych zastosowań, które polegają na precyzyjnym sterowaniu i wykrywaniu stanów magnetycznych.

Relatywnie duży prąd będzie przepływał, gdy kierunki namagnesowania elektrod są równoległe do siebie. Z drugiej strony, antyrównoległe ustawienie kierunków namagnesowania znacznie zwiększa opór między warstwami.