Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




27.01.2021


27.01.2021


27.01.2021


27.01.2021


27.01.2021





Яндекс.Метрика





Анизотропное магнетосопротивление

13.02.2022

Анизотропное магнетосопротивление (анизотропный магниторезистивный эффект) — квантовомеханический эффект, заключающийся в изменении электрического сопротивления ферромагнитных проволок в зависимости от их ориентации относительно внешнего магнитного поля.

Математическая формулировка

Под величиной магнитосопротивления обычно понимают отношение

δ H = ρ ( H ) − ρ ( 0 ) ρ ( H ) , {displaystyle delta _{H}={frac { ho (H)- ho (0)}{ ho (H)}},}

где ρ ( H ) {displaystyle ho (H)} — удельное сопротивление образца в магнитном поле напряженностью H {displaystyle H} . На практике также применяются альтернативные формы записи, отличающиеся знаком выражения и использующие интегральное значение сопротивления.

Теория

В ферромагнитных материалах наподобие железа, кобальта, никеля и их сплавов электрическое сопротивление зависит от угла между направлением намагниченности образца и внешним магнитным полем. Данная зависимость обусловлена магнитной анизотропией, которая проявляется в неодинаковости магнитных свойств тела по различным направлениям. Причина магнитной анизотропии заключается в спин-орбитальном взаимодействии электронов, приводящем к спин-зависимому рассеянию электронов (коэффициент рассеяния для спинов сонаправленных и противонаправленных по отношению к намагниченности образца будет различный). Особенно велика магнитная анизотропия в монокристаллах ферромагнетиков, где она проявляется в наличии осей лёгкого намагничивания, вдоль которых направлены векторы самопроизвольной намагниченности ферромагнитных доменов.

На практике удельное сопротивление образца в нулевом поле ρ 0 {displaystyle ho _{0}} достаточно точно аппроксимируется зависимостью

ρ 0 = 1 3 ρ ∥ + 2 3 ρ ⊥ , {displaystyle ho _{0}={frac {1}{3}} ho _{parallel }+{frac {2}{3}} ho _{perp },}

где ρ ∥ {displaystyle ho _{parallel }} — удельное сопротивление при ориентации образца параллельно магнитному полю, а ρ ⊥ {displaystyle ho _{perp }} — перпендикулярно ему.

Эффект достаточно слабый: в ферромагнитных материалах (например, плёнках пермаллоя) величина магнетосопротивления при комнатной температуре не превышает 2 − 3 % {displaystyle 2-3%} .

Принципы использования

Анизотропный магниторезистивный эффект лучше всего проявляется при изготовлении чувствительного элемента в виде тонкой полоски с геометрическими размерами, которые удовлетворяют условию

d < b ≪ L , {displaystyle d<bll L,}

где d {displaystyle d} — высота, b {displaystyle b} — ширина, L {displaystyle L} — длина полоски.

При выполнении данного условия сопротивление полоски достаточно велико и она имеет одноосную анизотропию. Одноосная анизотропия проявляется в том, что ферромагнетик плёнки ведет себя подобно единственному домену, который под воздействием внешнего магнитного поворачивается вокруг своей оси. При этом однодоменность по толщине не означает однодоменности по всей площади плёнки, хотя в некоторых случаях и не исключает этого .

На схемотехническом уровне АМР датчики обычно представляют собой четыре эквивалентных магниторезистора, сформированных путём осаждения тонкого слоя пермаллоя на кремниевую пластину в форме квадрата и соединённых по схеме, представляющей из себя плечи измерительного моста Уинстона .

Ввиду того, что в мостовых схемах магниторезисторы расположены на одной общей подложке и имеют одинаковый температурный режим работы, несмотря на сильную зависимость сопротивления АМР-резистора от температуры, изменение температуры незначительно влияет на напряжение на выходе моста.

У АМР-резисторов от температуры изменяется не только сопротивление, но и чувствительность, т.е.

( △ R / R ) / △ H , {displaystyle (vartriangle R/R)/vartriangle H,}

где △ R {displaystyle vartriangle R} — изменение сопротивления в зависимости от изменения напряженности внешнего магнитного поля на величину △ H {displaystyle vartriangle H} , R {displaystyle R} — номинальное значение магнетосопротивления.

С ростом температуры чувствительность уменьшается. Для уменьшения этой зависимости последовательно с двумя магниторезисторами разных плеч мостовой схемы включают терморезистор с отрицательным ТКС.

Применение

Использовался в магнитных сенсорах до открытия эффекта гигантского магнитного сопротивления.