Murata: магниточувствительные датчики Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 1'2004

Мигоіо:

магниточувствительные датчики

Компания Мигаїа 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.

Юрий Левашов

levashov@alkon.net

Компания Мига1а основана в 1944 году. Впервые в мире она стала производить керамические конденсаторы на основе оксида титана (ТЮ2). Со дня своего основания Мига1а 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.

Магниторезистивный 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 1п8Ь, 1пАз, ОаА8, Се, 81.

Наиболее подходящим материалом для использования в магнитных датчиках на сегодняшний день является смесь 1п8Ь, обладающая наибольшей подвижностью основных носителей заряда.

Сопротивление полупроводника в магнитном поле описывается формулой:

Д6 = Д0^||и-/и(цЯ)2

где И0 — сопротивление полупроводника вне магнитного поля, рЬ — удельное сопротивление в маг-

нитном поле, р0 — удельное сопротивление вне магнитного поля, В — плотность магнитного потока, т — 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 Мига1а разработали серию магниточувствительных датчиков, использующихся для распознавания информации, нанесенной посредством тонкого слоя магнитного вещества.

Компоненты и технологии, № 1'2004

Space

Element Holder

/Magnet

Terminal pin

1

(Viewed from Detecting Surface)

Рис. 3. Устройство магниточувствительного датчика

4Molded material (Sectional View)

Sensing direction

MR1

MR2

Magnet

© ©

Vin Vout

© ©

GND F.G.

Рис. 4. Структура магниточувствительного датчика

Magnet MR1 MR2

Magnetic flux

©

Scanning Magnetic ink

©

©

Рис. 6. Принцип работы магниточувствительного датчика

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

Магниточувствительные датчики МигаГа

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:

11тг2

Vout-

Rmrl + Rmrl

X-Vîn

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

Температурная характеристика и схемы компенсации

Одной из особенностей магниторезистивных датчиков является зависимость выход-

MR1

MR1 И MR3 MR2 И MR4

Рис. 5. Эквивалентные схемы магнитных датчиков

ного 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

Рис. 9. Схема температурной компенсации с NTC-термистором

S

I Azimuth

Sensor element

4Magnetic medium 1^6 .

Рис. 10. Перемещение магнитного носителя под разными углами относительно магниторезистивного элемента датчика

Компоненты и технологии, № 1'2004

Transport roller

/РСВ

Body

Soldering

Рис. 12. «Жесткая» установка датчика на печатной плате

относительно магниторезистивного элемента (рис. 11).

Монтаж магниточувствительных датчиков

Фирма Мигаїа 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 нарис. 14.

Таблица 1. Типы магниточувствительных датчиков

Типы магниточувствительных датчиков МигаГа

Фирмой Мига1а 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 ВЭ05С и ВБ05К 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;

Ширина слоя Название Особенности

| Общего назначения

3 мм BS05N1HGAA Общего назначения !;•

BS05N1HFAA Высокая чувствитель- ность

BS05C1HGCA Специальная оболочка корпуса, не чувствителен к шумам Е?

BS05C1HFAA Специальная оболочка корпуса, высокая чувстви- тельность

| Счетчики банкнот, АТМ-аппараты

6 мм BS05N1NFAA Высокая чувствитель- ность *•-

10 мм BS05W1KFAA Компактен, высокая чувствитель- ность $

3 мм BS05M1HFAL 8-канальный, высокая чувствитель- ность ч»

• считыватели магнитных полос на документах.

Датчики с широким чувствительным элементом

К этому типу датчиков относится серия В805”^

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.

Таблица 2. Основные параметры магниточувствительных датчиков

Наименование

Параметр BS05N1HGAA BS05C1HGCA BS05N1HFAA BS05C1HFAA BS05W1KFAA BS05N1NFAA BS05W1KFAB BS05M1HFAL

Напряжение питания, В 5

Входное сопротивление, кОм 0,5...6 0,5.6 0,6.6 1.15 0,5.6/ch

Выходное напряжение, мВ 235 400 330 300.800 150

Диапазон рабочих температур, °С -20...+60