9zip.ru Инструкции Бесконтактные потенциометры

Принцип действия бесконтактных потенциометров (БП) основан на изменении сопротивления РЭ, выполненного из полупроводникового материала под действием магнитного поля или электромагнитного излучения. Бесконтактные потенциометры по сравнению с обычными имеют ряд преимуществ, связанных с отсутствием подвижной контактной системы: низкий уровень шумов, возникающих в процессе регулирования, высокую надежность, разрешающую способность, скорость регулирования выходного сигнала.

Входные и выходные цепи БП электрически развязаны и не оказывают в процессе работы влияние друг на друга. Специфические свойства БП делают возможным их применение в автоматическом регулировании, измерительной аппаратуре, особенно там, где требуются низкий уровень шумов, высокая надежность и скорость изменения сопротивления, например в прецизионном сервоприводе, в гироскопических устройствах, как высокочувствительные датчики малых перемещений для регулирования громкости и тембра в высококачественной радиоаппаратуре. Бесконтактные потенциометры являются новым классом приборов; следует, однако, отметить, что по ряду параметров они уступают обычным потенциометрам: их ТКС выше, а диапазон регулирования сопротивления ниже. В ряде случаев они нуждаются в дополнительных устройствах (источниках питания, согласующих усилителях).

Бесконтактные потенциометры с магнитным управлением. Изменение сопротивления в полупроводниковом материале (магниторезистивный эффект) основано на взаимодействии носителей заряда с магнитным полем. На носители заряда действует сила Лоренца, влияющая на процессы электропроводности.

Сила Лоренца максимальна, когда векторы напряженности электрического поля и индукции взаимно перпендикулярны. Без магнитного поля носитель заряда движется прямолинейно под действием электрического поля и между двумя столкновениями с атомами кристаллической решетки проходит путь, равный длине свободного пробега. В магнитном поле носители заряда отклоняются под действием силы Лоренца; траетории представляют кривые, наклоненные в среднем под углом к направлению напряженности электрического поля. Угол называется углом Холла.

Эффективная длина пробега носителей заряда в направлении напряженности электрического поля в связи с этим уменьшается. Подвижность носителей заряда пропорциональна среднему пути, пройденному ими между столкновениями в направлении электрического поля, следовательно, удельное сопротивление увеличивается под действием магнитного поля.

Рассмотренное движение носителей заряда относится к неограниченному полупроводниковому РЭ, в ограниченном РЭ возникает поле Холла, компенсирующее действие магнитного поля, вследствие чего изменение удельного сопротивления уменьшается. Поле Холла зависит от отношения длины РЭ к ширине: с уменьшением этого отношения оно уменьшается. Изменение сопротивления РЭ связано с граничными условиями на участках, примыкающих к контактам. Поверхность контактов эквипотенциальна, и вектор плотности тока, протекающего в РЭ, перпендикулярен к ним. Внутри РЭ ток протекает под углом к плоскости контактов, причем чем больше он отличается от прямого угла, тем больше изменение сопротивления РЭ. При уменьшении расстояния между контактами и увеличении ширины РЭ компенсирующее действие поля Холла уменьшается. Теоретически максимальным изменением сопротивления обладает РЭ дискообразной формы с концентрическими контактами — диск Корбино. В нем один контакт расположен в центре диска, а другой - на его периферии. В таком РЭ ток протекает в радиальном направлении и разность потенциалов Холла не возникает.

Основным требованием, предъявляемым к полупроводниковым материалам, используемым для изготовления РЭ бесконтактных потенциометров, является получение значительного изменения сопротивления в магнитном поле при удовлетворительном температурном коэффициенте сопротивления. В настоящее время для
изготовления магниторезисторов в основном используются антимонид индия и эвтектический сплав антимонид индия — антимонид никеля (InSb—NiSb). Для увеличения изменения сопротивления в магнитном поле на РЭ, выполненных из InSb, наносится растр из проводящих полосок, замыкающих поле Холла.

Кроме использования однородного антимонида индия с нанесенным на поверхность растром, имеется и другая возможность увеличения эффекта магнитосо-противления. Она заключается в том, что исходный кристалл выращивают так, что он содержит внутри себя множество параллельных игольчатых включений, замыкающих напряжение Холла. Таким материалом является эвтектический сплав антимонид индия — антимонид никеля. При направленной кристаллизации или зонной плавке InSb с добавкой 1,8% NiSb образуется эвтектика, в которой соединение выкристаллизовывается в виде игл длиной около 50 мкм и диаметром менее 1 мкм, ориентированных в направлении роста кристалла.

Удельное сопротивление антимонида никеля составляет примерно 1,4-10^-7 Ом*м, что по крайней мере на два порядка меньше удельного сопротивления слаболегированного антимонида индия п-типа. Если из такого двухфазного материала вырезать РЭ так, чтобы игольчатые включения были перпендикулярны векторам магнитной индукции и напряженности электрического поля, то последние замкнут напряжение Холла, возникающее на боковых сторонах РЭ. Включения NiSb практически не изменяют удельного сопротивления InSb; подвижность носителей заряда в эвтектическом сплаве несколько ниже, чем в исходном материале.

Выбор удельного сопротивления полупроводникового материала обусловливается зависимостью магниторезистивного отношения от степени легирования. При увеличении степени легирования в InSb подвижность носителей заряда уменьшается, следовательно, уменьшается и изменение сопротивления в магнитном поле. В то же время уменьшается и ТКС РЭ.

Следует также отметить, что при повышении уровня легирования вследствие высокой проводимости антимонида индия ухудшается закорачивание напряжения Холла с помощью поверхностного растра из металлических полосок или с помощью внутренних иглообразных включений. Таким образом, выбор удельного сопротивления полупроводникового материала связан с компромиссом между диапазоном регулирования (изменением сопротивления образца в магнитном поле) и ТКС.

Резистивные элементы бесконтактных потенциометров с магнитным управлением изготавливают следующим образом. Слиток InSb—NiSb, ориентированный так, чтобы включения NiSb были перпендикулярны индукции магнитного поля и напряженности электрического поля, разрезают на пластины. Пластины шлифуются, травятся, приклеиваются на керамические или пермаллоевые подложки. Затем операции шлифовки, травления повторяются для второй стороны пластины. С помощью фотолитографии и глубокого травления формируются РЭ требуемой формы. На одной подложке формируются десятки отдельных РЭ.

С помощью этой операции легко варьировать величину сопротивления РЭ, изменяя длину, ширину или выполняя его в виде меандра. Это позволяет получать РЭ в диапазоне от долей ома до сотен ом. Далее на РЭ наносятся омические контакты, материалом контактов обычно служит индий либо серебро. После скрайбирования пластины к каждому РЭ с помощью пайки или термокомпрессии присоединяются выводы. Для защиты от внешних воздействий РЭ покрываются защитным компаундом. При изготовлении РЭ на основе InSb необходимо дополнительно с помощью фотолитографии наносить растр из проводящих полосок, замыкающих напряжение Холла.

Конструирование БП с магнитным управлением можно разбить на две задачи: конструирование магнитной системы, обеспечивающей максимальное возможное поле в рабочем зазоре, где помещен РЭ, а следовательно, и диапазон регулирования его сопротивления, и конструирование подвижной части магнитной системы так, чтобы получить заданную ФХ.

В свою очередь конструирование магнитной системы можно расчленить на выбор конфигурации магнитной системы, выбор материалов постоянного магнита и магнитопроводов и оптимизацию ее геометрических размеров.

Понравилась статья? Штрилиц говорит: поделись с друзьями!