ГМС-датчики положения: нанотехнологии и спинотроника в деле

| NVE Corporation

Технологии с использованием эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) позволяют создавать датчики положения, которые являются альтернативой индуктивным датчикам и датчикам Холла. Компания NVE предлагает две модели таких ГМС-сенсоров: AAT001-10E и AAT003-10E. Они представляют собой мостовые схемы, у которых сопротивление плеч зависит от направления приложенного магнитного поля.

ГМС-датчики от NVE

Рис. 1. ГМС-датчики от NVE

Ранее в рубрике уникальных технологий УНИТЕРА уже публиковались статьи, посвященные применению эффекта ГМС в продуктах компании NVE. Это очень интересный пример использования нанотехнологий в реальных устройствах. При этом ГМС-датчики также могут рассматриваться и как представители спинотроники – той области электроники, в которой информационный смысл имеет спин электронов используемых материалов.

Эффект гигантского магнитосопротивления (ГМС) (англ. Giant magnetoresistance, GMR) — особый квантово-механический эффект изменения сопротивления, который наблюдается в многослойных структурах из магнитных и немагнитных материалов. Простейший пример такой системы – пленка немагнитного материала, например меди, помещенной между двумя ферромагнитными слоями (рис. 2). Стоит отметить, что толщина меди составляет всего несколько атомных слоев - единицы нанометров.

Структура ГМС-ячейки

Рис. 2. Структура ГМС-ячейки

Как известно, сопротивление металла зависит от длины пробега свободных электронов. В данном случае из-за минимального расстояния между магнитными слоями на длину пробега оказывает большое влияние направление спинов. Если направления намагниченности внешних слоев не совпадают между собой, то прохождение электронов в меди между ними оказывается практически невозможным. Это приводит к тому, что сопротивление ячейки оказывается очень большим.

Когда преимущественное направление спинов внешних слоев совпадают, то электроны меди могут преодолеть эту ячейку, то есть сопротивление снижается, и при внешнем электрическом поле начинает протекать ток.

Обычно, чтобы в упрощенной форме пояснить механизм ГМС, приводят пример двух лент транспортеров, между которыми плотно помещен мячик. Если ленты транспортеров движутся в разные стороны, то мячик будет вращаться, но оставаться на месте. Если же движение лент согласовано, то мячик будет двигаться в том же направлении. Еще один упрощенный аналог ГМС есть в оптике – в системе с двумя поляризаторами. Если их направления поляризации ортогональны, то свет будет полностью поглощаться. Если же направления поляризации совпадают, то свет сможет пройти сквозь поляризационную ячейку.

С помощью ГМС можно создавать датчики положения. Для этого необходимо обеспечить постоянное направление намагниченности нижнего слоя, а верхнему слою дать возможность изменять направление намагниченности. В таком случае при изменении внешнего магнитного поля будет меняться и сопротивление такой ячейки (рис. 3). Внешнее поле легко создать с помощью постоянного магнита. Если его равномерно поворачивая вращать вдоль оси, то это приведет к периодическому изменению сопротивления.  

Простейшая структура датчика положения

Рис. 3. Простейшая структура датчика положения

Компания NVE предлагает датчики AAT001-10E и AAT003-10E, у которых есть по четыре ГМС-ячейки, которые соединены в полумосты (рис. 4). При этом направления намагниченности у них таковы, что один из каналов формирует сигнал синуса, а второй сигнал - косинуса. Размах выходного сигнала зависит от величины напряжения питания: типовая чувствительность составляет 200 мВ/В.

Внутренняя структура датчиков AAT001-10E и AAT003-10E

Рис. 4. Внутренняя структура датчиков AAT001-10E и AAT003-10E

Датчик AAT003-10E выпускается с номинальным сопротивлением 40 кОм, а датчик AAT001-10E с номинальным сопротивлением 1,25 МОм. Оба сенсора доступны в корпусном исполнении TDFN6 (2,5 x 2,5 x 0,8 мм).

Как было сказано выше, сопротивление ячеек и выходной сигнал зависят от внешнего магнитного поля, которое в простейшем случае создается с помощью обычного магнита. При этом важно значение и направление вектора магнитной индукции, а также воздушного зазора между датчиком и магнитом. Однако эксперименты показывают, что выходной сигнал практически не зависит от величины зазора в диапазоне расстояний от 3 до 5 мм (рис. 5).

Выходной сигнал датчиков при изменении положения внешних магнитов и воздушного зазора

Рис. 5. Выходной сигнал датчиков при изменении положения внешних магнитов и воздушного зазора (питание 5 В)

Диапазон рабочих индуктивностей внешнего поля составляет 3…20 мТл. Однако датчики не имеют ограничений по величине прикладываемого поля. Тем не менее, чтобы не думать об оптимизации, следует использовать готовые рекомендуемые магниты от NVE: 12249 и 12426 (рис. 6).

Готовые магниты от NVE

Рис. 6. Готовые магниты от NVE

Чтобы быстро начать работу с новыми датчиками, следует воспользоваться оценочными наборами: AG930-07E и AG931-07E (рис. 7).

Набор AG930-07E использует датчик AAT003-10E. Набор AG931-07E использует датчик AAT001-10E. Кроме этого, обе платы содержат двухканальный ОУ для буферизации выходных сигналов, разъемы и пассивные компоненты. В состав обоих наборов кроме оценочных плат входит и стандартный магнит 12426.

 Внешний вид оценочной платы AG930-07E

Рис. 7. Внешний вид оценочной платы AG930-07E

Областями применения новых датчиков стали:

  • абсолютные энкодеры;
  • датчики положения валов двигателей;
  • поворотные ручки управления.

Важно отметить, что AAT001-10E и AAT003-10E отличаются широким диапазоном рабочих температур −40…125 °C. По этой причине они могут использоваться в автомобильных приложениях.

Характеристики комбинированного датчика AAT001-10и AAT003-10E:

  • номинальное сопротивление: 40 кОм (AAT003-10E) и 1,25 МОм (AAT001-10E);
  • точность измерения положения при фиксированной силе магнитного поля: 0,5°;
  • напряжение смещения: -10…10 мВ;
  • температурный коэффициент сопротивления: − 0,13 %/°C;
  • диапазон рабочей индукции магнитного поля: 3…20 мТл;
  • максимальное напряжение питания: 5,5 В;
  • диапазон рабочих температур: −40…125 °C
  • корпусное исполнение: 2,5 x 2,5 x 0,8 мм TDFN6.

Характеристики отладочных наборов AG930-07E и AG931-07E:

  • Состав: оценочная плата, магнит 12426;
  • ГМС-датчик: AAT003-10E (для AG930-07E), AAT001-10E (для AG931-07E);
  • Дополнительные элементы оценочной платы: пассивные компоненты, разъемы, двухканальный повторитель на ОУ.
Производитель: NVE Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
AAT003-10E
NVE Corporation
Арт.: 1904106 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Датчик угла поворота. Высокое сопротивление моста (40К) позволяет получить большой уровень сигнала при небольших затратах энергии. Без усилителя. Sin/Cos выходы.
AAT003-10E от 414,19
-
Поиск
предложений
AG930-07E
NVE Corporation
Арт.: 1904111 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Отладочный набор AG930-07E использует датчик AAT003-10E. Плата содержит двухканальный ОУ для буферизации выходных сигналов, разъемы и пассивные компоненты. В состав набора кроме оценочной платы входит и стандартный магнит 12426.
AG930-07E от 10901,96
-
Поиск
предложений
AAT001-10E
NVE Corporation
Арт.: 2118181 ИНФО PDF
Доступно: 2269 шт.
Выбрать
условия
поставки
Комбинированный датчик состоит из четырех ГМС-ячеек, соединеннных в полумосты. Типовая чувствительность составляет 200 мВ/В. Корпусное исполнение TDFN6
AAT001-10E от 828,39
2269 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
XC822M1FRIAAFXUMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2118182 ИНФО PDF AN RD RND DT
Доступно: 9000 шт.
Выбрать
условия
поставки
Отладочный набор AG931-07E использует датчик AAT001-10E. Плата содержит двухканальный ОУ для буферизации выходных сигналов, разъемы и пассивные компоненты. В состав набора кроме оценочной платы входит и стандартный магнит 12426.
XC822M1FRIAAFXUMA1 от 10901,96
9000 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()