Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Спин-поляризованный перенос электрического заряда в магнитных полупроводниках.
В обозримом будущем возникнет также вопрос о техническом применении колоссального магнитного сопротивления, которое было обнаружено в магнитных полупроводниках: в эпитаксиальных тонких пленках La–Ca–Mn–O (δ — 108% при 4,2 К), массивных образцах соединений (La, Y, Ca)MnO3 (SH -105% при 77 К и δ — 103% при 300 К) и антиферромагнитных полупроводниках EuTe и EuSe (δ H — 1011% при низких температурах). Значительный интерес представляют материалы типа (La,Ca)MnO3, в которых колоссальное магнитосопротивление наблюдается при комнатных температурах. В них трехвалентные ионы лантана La3+ замещаются двухвалентными ионами кальция Ca2+. Сохранение зарядового баланса возможно при возникновении смешанного валентного состояния в виде последовательности ионов Mn3+/Mn4+ в кристаллической решетке типа перовскита. При включении электрического поля электроны могут перескакивать от одного иона Mn к другому, поэтому в узкой 3 d -зоне создается дырочная проводимость, очень чувствительная к ориентации спинов соседних ионов. Гигантское магнитосопротивление в этих материалах можно объяснить на основе модели, в которой предполагается, что в исходном состоянии при H = 0 носители тока “заперты” в высокопроводящих ферромагнитных областях, окруженных изолирующей антиферромагнитной фазой. Под действием магнитного поля происходят увеличение размера ферромагнитных областей, их перекрытие, а затем весь образец заполняется высокопроводящей ферромагнитной фазой. В результате носители тока получают возможность свободно перемещаться через кристалл, а сопротивление резко уменьшается, то есть возникает колоссальное магнитосопротивление. В других материалах (La,Tb,Ca)MnO3 также возникает гетерогенная магнитная структура благодаря тому, что электрон-фононное взаимодействие локализует носителей тока в пределах малых ферромагнитных областей – кластеров с размерами порядка нескольких нанометров. Эти кластеры окружены парамагнитной матрицей, которая является изолятором или высокоомным полупроводником. Ферромагнитная фаза, наоборот, является высокопроводящей. При включении и последующем росте магнитного поля объем ферромагнитных кластеров также начинает расти, затем они соприкасаются друг с другом, а потом весь образец становится ферромагнитным. Это приводит к колоссальному уменьшению электросопротивления от высоких значений, характерных для изолятора, до низких значений этой величины в металлах.
4.2. Датчики на основе новых магниторезистивных эффектов
GMR-преобразователи На рис. 4.2.1, а, представлено устройство простейшего GMR. Он состоит из тонких ферромагнитных (Fe, Co) пленок 1 и немагнитной (Cu, Ag) прослойки 2. Толщина каждого слоя не превышает несколько десятков нанометров. Минимально возможное число слоев, при котором наблюдается эффект, составляет два ферромагнитных слоя, разделенных немагнитной прослойкой. В датчиках многослойный материал обычно изготавливают в виде узких полос шириной в несколько микрон. Электрическое сопротивление между крайними ферромагнитными пластинами является выходным параметром GMR. Рис. 4.2.1. Структура GMR. Если границы раздела между слоями абсолютно гладкие и плоские, верхняя и нижняя пластины намагничены в противоположные стороны (на рис. 4.2.1, а, направление намагниченности показано стрелками), то ферромагнитные слои притягиваются друг к другу и это состояние стабильно. При помещении такой многослойной структуры в магнитное поле с напряженностью H (рис. 4.2.1, б) в ферромагнитных слоях возникает противоречивая ситуация: взаимодействие между слоями стремится ориентировать намагниченности антипараллельно, а внешнее магнитное поле ориентирует их только в одном направлении, т. е. стремится создать параллельную ориентацию. В результате угол между намагниченностями соседних ферромагнитных слоев с ростом напряженности H постепенно изменяется от 180° (при H = 0) до 0° (при достижении поля насыщения H = Ннас), а сопротивление многослойной структуры падает до 20 %. Обычно изменение GMR-со-противления от напряженности магнитного поля выражают в относительных единицах или процентах: (4.2.1) где R(0) и R(HHac) — сопротивление датчика при нулевом магнитном поле и насыщающем поле с напряженностью Ннас соответственно. На рис. 4.2.1, б, отражена ситуация, когда внешнее магнитное поле полностью переориентировало намагниченность нижней пластины. Если направление внешнего поля H противоположно показанному на рис. 4.2.1, б, сопротивление датчика будет также изменяться, но намагничиваться слои будут в противоположную сторону. Таким образом, GMR нечувствителен к знаку измеряемого магнитного поля. Типичная зависимость магнитосопротивления от напряженности H приведена на рис. 4.2.2.
Рис. 4.2.2. Зависимость R H GMR. Величина GMR-эффекта падает по мере роста толщины немагнитной прослойки и становится практически несущественной при толщине «10 нм. Внешнее поле, направленное перпендикулярно к слоям датчика, вызывает небольшое изменение сопротивления. Поэтому GMR-датчи-ки наиболее чувствительны к компоненте магнитного поля, направленной вдоль длины ферромагнитной пленки. Приведем качественную модель, объясняющую наблюдаемые явления. Проводимость между ферромагнитными слоями GMR осуществляется через обменное взаимодействие электронов проводимости прослойки, так называемое взаимодействие Рудермана—Киттеля—Касуйа—Иосмды. Так как каждый ферромагнитный слой магнито-резистора намагничен в определенном направлении, то и спины электронов ориентированы преимущественно в одном направлении. Поэтому все электроны можно разделить на две группы: к первой принадлежат электроны большинства, у которых спин ориентирован в преимущественном направлении, а ко второй — электроны меньшинства, у которых спины ориентированы в противоположном направлении. Рассмотрим GMR, состоящий из двух одинаковых ферромагнитных и одного немагнитного слоев (см. рис. 4.2.1). В процессе своего движения электроны переходят из одного ферромагнитного слоя в другой. В каждом слое электроны большинства и электроны меньшинства имеют разное время свободного пробега tQ и tM соответственно. Из-за этого обменное взаимодействие возможно только между электронами большинства каждой из ферромагнитных пластин, а также электронами меньшинства каждой из пластин. Будем считать, что число электронов большинства каждой из пластин одинаково (или разность невелика) и равно также числу электронов меньшинства пластин. Если намагниченности ферромагнитных слоев параллельны, как на рис. 4.2.1, б, то электроны большинства первого слоя являются таковыми и во втором слое. Поскольку электроны переходят из слоя в слой, их вклад в электропроводность можно оценить, как в случае последовательного соединения резисторов (эквивалентная схема на рис. 4.2.3, а):
Рис. 4.2.3. Эквивалентная схема GMR. Rq = гб + гпр + гб, где гб и гпр — сопротивление, создаваемое электронами большинства в ферромагнитном слое, и сопротивление прослойки соответственно. Аналогично для электронов меньшинства: Rm = гм + гПр + гм. Тогда полное сопротивление датчика Rn для случая параллельно ориентированных намагниченностей находится как параллельное соединение R и Rm: (4.2.2) Если же намагниченности слоев антипараллельны (как на рис. 4.2.1, а), то электроны большинства в первом слое являются электронами меньшинства во втором. Для этого случая (эквивалентная схема на рис. 4.2.3, б) получаем:
(4.2.3)
Так как антипараллельную намагниченность ферромагнитные слои имеют при отсутствии магнитного поля (Н = 0), а параллельную — при напряженности поля H l Ннас, с учетом формул (1)—(3) получаем величину максимального изменения GMR-сопротивления:
Вариант многослойной структуры GMR, показанной на рис. 1, не является единственным. В зависимости от используемых материалов и наличия дополнительных слоев возможны различные структуры. Рассмотрим варианты структур и их особенности. Один вариант был рассмотрен выше — чередование ферромагнитных и немагнитных токопрово-дящих слоев, например, NiFe/Cu/NiFe/Cu... Соседние ферромагнитные слои намагничены анти-параллельно, как на рис. 1, а, и такое состояние намагниченности устойчиво. Требуется приложить магнитное поле напряженностью несколько кА/м, чтобы переориентировать намагниченность в слоях на параллельную. GMR-эффект подобных датчиков составляет 4—9 %. Повысить чувствительности магниторезисторов возможно, используя в магнитных слоях два типа ферромагнетиков с различными коэрцитивными силами, например NiFe/Cu/Co/Cu.... Рабочий диапазон таких GMR находится между двумя значениями коэрцитивной силы. Под воздействием внешнего поля меняет направление намагниченности только ферромагнитный слой с меньшей коэрцитивной силой. Добавив антиферромагнитные слои в GMR-датчики, можно уменьшить гистерезис и повысить линейность функции преобразования магнито-резисторов. Их структура состоит из ферромагнитных пар, как на рис. 4.2.1, разделенных антиферромагнитными прослойками (1,5... 2 нм). Возможно, например, следующее чередование слоев NiFeCo/CoFe/Cu/CoFe/ NiFeCo... (NiFeCo — антиферромагнетик). Типичная напряженность поля насыщения подобных магниторезисторов 20 кА/м. Такая структура наиболее часто используется в коммерческих датчиках магнитного поля. Добавление к одной из ферромагнитных пленок (см. рис. 4.2.1) дополнительного "скрепляющего" слоя из антиферромагнитного материала, например из FeMn или NiO, позволяет зафиксировать направление намагниченности в ферромагнитном слое. В этом случае "закрепленный" слой становится менее чувствительным к внешнему магнитному полю. Направление намагниченности в другом "свободном" ферромагнитном слое будет изменяться под воздействием сравнительно небольшого внешнего поля. Относительное направление намагниченности в ферромагнитных пленках может меняться от антипараллельного до параллельного с изменением сопротивления магниторезистора в пределах 4...20 %. Рассмотренные выше структуры GMR нечувствительны к знаку измеряемого магнитного поля. Если в "закрепленном" слое зафиксировать направление намагниченности перпендикулярно намагниченности в "свободном" слое, то магниторезистор будет чувствителен к знаку поля. Особенностями магниторезисторов данной структуры являются небольшие значения гистерезиса и напряженности поля насыщения 0,8...6 кА/м.
Лучшие характеристики у GMR-датчиков достигаются при мостовом включении (рис. 4.2.4). Рис. 4.2.4. Эквивалентная схема датчика.
Рис.4.2.5. Эквивалентная схема GMR–датчика.
Мостовая схема собирается из четырех идентичных магниторезисторов, два из которых — активные элементы. Два других резистора помещены в магнитные экраны (резисторы покрыты слоем пермаллоя), защищающие их от внешнего магнитного поля. Так как все резисторы изготовлены из однотипного материала, то они имеют одинаковый температурный коэффициент. Воздействию внешним полем подвержены, таким образом, только активные резисторы. Пермаллоевый экран действует так же, как концентратор магнитного поля для активных маг-ниторезисторов. Активные резисторы, помещенные в промежуток между двумя экранами (концентраторами поля), испытывают воздействие поля, которое больше, чем внешнее магнитное поле, приблизительно в L2/L1 раз, где L2 — длина одного концентратора, а L1 — зазор между концентраторами. На рис. 4.2.4 магниторезисторы R1 и R4 помещены в экран, а R2 и R3 являются активными резисторами. Изменяя геометрические размеры магнитного концентратора, можно откорректировать чувствительность датчика. Так, например, на основе GMR-резисторов, насыщающихся при напряженности поля Ннас = 20 кА/м, можно изготовить датчики с диапазоном измерения 1; 2 и 5 кА/м. Если изменять внешнее поле периодически, то у GMR-датчика будет наблюдаться типичная гистерезисная зависимость R(H). Причем, чем большее магнитное поле было приложено, тем больше гистерезис (рис. 4.2.5). При работе датчика в магнитном поле с напряженностью, меньшей Ннас, гистерезис почти не заметен. Преимуществами GMR-датчиков являются небольшой размер, невысокая потребляемая мощность, температурная стабильность и низкая цена. К недостаткам GMR-устройств можно отнести невысокую точность, гистерезис в характеристике датчика и, как правило, нечувствительность датчика к знаку измеряемого поля. Для примера в таблице представлены характеристики GMR-датчиков магнитного поля, серийно выпускаемых фирмой NVE — лидером в разработке GMR-устройств. GMR-датчики, представленные в таблице, состоят из магниторезисторов, включенных по мостовой схеме (см. рис. 3.4), и нечувствительны к знаку измеряемого поля.
SDT-преобразователи Структура SDT-ячейки схожа с устройством GMR, изображенным на рис. 4.2.1. Если в GMR-уст-ройстве прослойка 2 изготавливается из проводящего материала, то в SDT-структуре она представляет собой тончайший слой изолятора. Из-за малой толщины прослойки изолятора существует вероятность прохождения электронов проводимости пленок 1 через прослойку. Такое явление называют квантовым механическим туннелирова-нием. Вероятность туннелирования электронов через изолятор зависит от взаимной ориентации намагниченностей магнитных пленок 1 с разных сторон прослойки. Отсюда и название SDT — спин-зависимое туннелирование.
Упрощенно зависимость сопротивления SDT-ячейки от магнитного поля можно объяснить следующим образом. Электроны проводимости со спином, направление которого совпадает с на-
правлением магнитного поля внутри ферромагнитных пленок 1 (см. рис. 4.2.1), испытывают меньшее сопротивление при движении и имеют большую свободу перемещения, чем электроны со спином, ориентированным против внутреннего магнитного поля, которые испытывают большее сопротивление при движении и чаще сталкиваются с атомами среды. В первом случае вероятность туннелирования электронов через межслойный изолятор выше и сопротивление SDT-ячейки меньше. Для того чтобы сопротивление SDT-ячейки зависело от внешнего магнитного поля необходимо, чтобы изменялась взаимная ориентация намагниченностей магнитных пленок с разных слоев изолятора. Для этого SDT-резистор изготавливают таким образом, чтобы направление намагниченности одного из слоев изменялось под воздействием внешнего поля, а у другого слоя было зафиксировано. Далее эти пленки будем называть "свободный" слой и "закрепленный" слой соответственно.
Рис. 4.2.6. Структура STD-датчика.
Подробная структура SDT-ячейки показана на рис. 4.2.6, а. Здесь 1 — "свободный" слой, который изготавливают из ферромагнитного сплава (NiFeCo). Этот слой намагничен в направлении, показанном на рисунке стрелкой, причем направление вектора намагниченности M может изменяться под воздействием внешнего магнитного поля B. Слой 2 — слой изолятора (AI2O3) толщиной в 1...2 нм; только при таких малых размерах возможен туннельный эффект. Слой 3 — "закрепленный" слой. Выше него расположены слои 4—6, необходимые для фиксации направления намагниченности в слое 3. Ферромагнитные пленки (CoFe) 3 и 5 намагничены в противоположных направлениях. Они совместно с тонкой пленкой 4 из рутения образуют так называемую антиферромагнитную сопряженную пару (antiferromagnetically coupled). Такая структура обеспечивает стабильное направление намагниченности в "закрепленном" слое и минимальное внешнее магнитное поле. Антиферромагнитная пленка 6 (IrMn) улучшает временную стабильность намагниченных слоев 3 и 5, а также защищает их от спонтанного перемагничивания. Относительная ориентация векторов намагничивания "свободного" и "закрепленного" слоев определяет сопротивление SDT-ячейки, причем это сопротивление минимально при одинаковом направлении векторов намагничивания и максимально при противоположном направлении. Поэтому при изготовлении SDT-преобразователей векторы намагничивания в "свободном" и "закрепленном" слоях при отсутствии внешнего магнитного поля устанавливают ортогонально. Пусть на магниторезистор воздействует измеряемое поле B, имеющее направление, как показано на рис. 4.2.6б, тогда вектор намагничивания "свободного" слоя M установится в положение M. Угол между векторами намагничивания пленок 1 и 3 уменьшится с 90° до а и, следовательно, увеличится сопротивление датчика. При изменении направления измеряемого поля B на противоположное сопротивление преобразователя будет увеличиваться. Таким образом, SDT-резисторы в отличие от GMR-устройств чувствительны к направлению измеряемого поля. Зависимость SDT-сопротивления от угла между векторами намагничивания "свободного" (M) и "закрепленного" (1) слоев показана на рис. 4.2.7.
Рис. 4.2.7. Зависимость SDT–сопротивления от ориентации векторов намагничивания
Чувствительность SDT-резисторов определяется материалом ферромагнитных слоев и особенностями взаимодействия между ними. Существующие ферромагнитные материалы позволяют создавать SDT-устройства, у которых направление намагниченности "свободного" слоя изменяется под воздействием магнитного поля уже в доли миллитесла, и тем самым обеспечивается возможность создания чрезвычайно чувствительных магнитных датчиков. Из-за гистерезиса ферромагнетика пленки зависимость сопротивления от магнитного поля также имеет гистерезис (кривая 1 на рис. 4.2.8). Рис. 4.2.8. Гистерезис SDT-датчика.
Для улучшения метрологических характеристик датчиков SDT магниторезисторы выпускаются в виде мостовых схем. Так же, как и у GMR-датчиков, два магниторезистора моста подвергаются воздействию измеряемого магнитного поля, а два других помещаются в электромагнитные экраны, которые одновременно выполняют функцию концентраторов поля для повышения чувствительности (см. рис. 4.2.4). Обычно рядом с элементами моста интегрируют две катушки для создания поля смещения. У одной катушки вектор индукции магнитного поля направлен параллельно вектору намагничивания в закрепленном слое (вектор 1 на рис. 4.2.6, б), а у другой — параллельно чувствительной оси датчика, т. е. вектору M [11]. Поля первой и второй катушек будем называть ортогональным и параллельным полями смещения соответственно. Обе катушки необходимы для улучшения характеристик датчика. Как упоминалось выше, характеристика SDT-устройства имеет гистерезис (кривая 1 на рис. 4.2.8). Если же увеличивать ортогональное поле смещения, то характеристика датчика становится более линейной и гистерезис уменьшается (кривая 2 на рис. 4.2.8). Еще большего уменьшения гистерезиса можно добиться, сделав параллельное поле смещения переменным. При одной полярности параллельное поле смещения будет суммироваться с измеряемым магнитным полем, а при другой — вычитаться из него. И гистерезисное смещение в первом случае будет прибавляться, а во втором — вычитаться из выходного сигнала. Благодаря этому на выходе датчика будет сигнал с переменной составляющей, усреднив который с помощью НЧ фильтра, можно получить безгисте-резисную характеристику SDT-датчика (кривая 3 на рис. 4.2.8). Очевидно, частота параллельного поля смещения должна быть значительно больше частоты измеряемого магнитного поля. При отсутствии внешнего магнитного поля на выходе SDT-датчика присутствует сигнал смещения. Это происходит из-за того, что векторы намагничивания "свободного" и "закрепленного" слоев установлены не совсем перпендикулярно. Пропуская через вспомогательную катушку, создающую параллельное поле смещения, ток определенного значения и полярности, добиваются устранения данного недостатка. Вспомогательную катушку часто используют и для введения отрицательной обратной связи, которая существенно улучшает метрологические характеристики SDT-устройства. Отличительной особенностью датчиков SDT-от GMR-устройств является возможность изготовления их с широким диапазоном начального сопротивления. Обычно производят SDT-магни-торезисторы с начальным сопротивлением от единиц до десятков килоом. Но есть возможность изготавливать датчики и с более высоким сопротивлением, благодаря чему значительно уменьшается ток SDT-моста, а значит, пропорционально снижается потребляемая им мощность. Применение gmr- и sdt-магниторезисторов в промышленности. Рассматриваемые преобразователи можно использовать взамен традиционных датчиков Холла, магнитодиодов, AMR-магниторезисторов. Их используют в датчиках скорости вращения, датчиках положения, для бесконтактного измерения тока. В последнем случае благодаря более высокой чувствительности преобразователей удается измерять значительно меньшие токи. Небольшой размер GMR- и SDT-датчиков позволяет измерять слабые магнитные поля очень маленьких объектов, а также измерять распределение магнитного поля с высокой разрешающей способностью.
Датчики обнаружения Наиболее просто обнаружить объект, имеющий собственное магнитное поле, например, намагниченную частицу или предмет со встроенным магнитом. Применяя высокочувствительные GMR- и SDT-магниторезисторы, такие объекты можно выявить на значительном расстоянии. Этот же принцип можно использовать для идентификации магнитных карт, на которых информация записана в виде магнитных меток. Применяя интегральные матрицы из GMR- или SDT-элементов, можно легко считать картину магнитного поля карты. Для этого ее достаточно поднести к датчику на расстояние нескольких миллиметров. В подобных индуктивных преобразователях магнитная карточка должна находиться в непосредственном контакте с датчиком, при этом ее еще необходимо перемещать. Расположив постоянный магнит от GMR- или SDT-преобразователей на некотором расстоянии (достаточном, чтобы не насытить магниторезис-торы), можно обнаруживать объект по вносимому им искажению поля. В другом способе используют нечувствительность GMR- и SDT-преобразователей к перпендикулярному полю. На рис. 4.2.9, а, магнит 2 расположен непосредственно на магниторезисторе 1 так, что его линии магнитной индукции перпендикулярны чувствительной оси датчика. Из-за этого на выходе преобразователя практически отсутствует полезный сигнал. При приближении к датчику объекта 3 (рис. 4.2.9, б) происходит искажение картины поля, появляются горизонтальные составляющие векторов индукции магнитного поля, на которые реагирует датчик. Если объект 3 ферромагнетик, то в качестве магнита 2 можно использовать постоянный магнит. Если же предмет 3 сделан из немагнитного, но электропроводного материала, то необходимо использовать электромагнит для формирования переменного магнитного поля. В этом случае в объекте 3 будут индуцироваться вихревые токи, появится собственное магнитное поле, направленное против индуцируемого, которое и обнаружит датчик.
Рис.4.2.9. Датчик обнаружения.
Обнаружить объект также можно по искажению им магнитного поля Земли. Железный объект, например автомобиль, создает местное искривление однородного геомагнитного поля (рис. 4.2.10). GMR- или SDT-резистор, расположенный под полотном дороги, выявляет это. По величине и форме сигнала с датчика можно классифицировать транспортное средство (мотоцикл, легковой автомобиль, грузовик, автобус или др.). Подобные устройства можно использовать в системах управления светофорами для регулирования транспортных потоков, для указания числа свободных мест на стоянках и в подземных гаражах. Другая область применения — железная дорога. Два датчика, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, могут обнаружить приближающийся поезд, его направление и скорость для того чтобы осуществлять управления шлагбаумами и семафорами на железнодорожном переезде.
Рис. 4.2.10. Влияние автомобиля на линии магнитной индукции Земли.
С помощью высокочувствительных GMR- и SDT-резисторов можно обнаруживать железные предметы в почве, например, неразорвавшиеся бомбы. Используется дифференциальная схема включения двух датчиков, расположенных на расстоянии в несколько десятков сантиметров. Если магнитное поле вокруг одного датчика отлично от поля вокруг другого датчика, то на выходе устройства появится сигнал. Такая ситуация возможна, когда однородное геомагнитное поле искажено ферромагнитным предметом в земле. Подобные устройства могут использоваться в геофизике для обнаружения железных руд.
Датчик перемещения Датчик перемещения изображен на рис. 4.2.11. Здесь для измерения используется нелинейность магнитных линий вокруг постоянного магнита 1. При перемещении вдоль штрихпунктирной линии от центра к краю рисунка горизонтальные составляющие векторов магнитной индукции будут уменьшаться, а вертикальные увеличиваться. Если два SDT-магниторезистора 2 расположить так, чтобы их магнитные оси чувствительности были перпендикулярны, то при перемещении с их выходов получим сигналы и «2, схематично изображенные в верхней части рис. 4.2.11. По этим сигналам несложно определить перемещение объекта. Рис.4.2.11. Измерение перемещения. Дефектоскопия На основе матриц из GMR- или SDT-магниторезисторов возможно изготовление дефектоскопов для определения пустот в металле, скрытых трещин или коррозии. Упрощенно такое устройство показано на рис. 4.2.12, а. Оно содержит катушку 2 и интегральную микросхему 1 с матрицей из GMR- или SDT-элементов. Магнитное поле катушки возбуждения направлено перпендикулярно чувствительным осям магниторезисторов. Если исследуемый материал 3 однороден, то на все магниточувствительные элементы матрицы воздействует одинаковое поле. При наличии в материале дефектов 4 в картине магнитного поля появляется неоднородность, которую фиксируют элементы GMR- или SDT-матрицы. Обработав информацию с датчиков и визуализировав ее, получим картину скрытых дефектов, подобно изображенной на 4.2.12, б. Рис. 4.2.12. Выявление скрытых дефектов. Размер катушки выбирают в зависимости от того, какие дефекты хотят обнаружить. Для крупных и глубоких дефектов необходима большая катушка, для мелких — маленькая, расположенная близко к материалу. Необходимо учитывать, что эффективная глубина проникновения d магнитного поля в материал связана с его проводимостью а, абсолютной магнитной проницаемостью ца и частотой воздействующего поля f следующей зависимостью: d = 1/7пfiaа. Благодаря этому, изменяя частоту магнитного поля, можно исследовать различные глубины материала. При постоянном воздействующем поле обнаруживаются и глубоко скрытые дефекты. Заметим, что традиционные индукционные дефектоскопы не способны обнаруживать дефекты при постоянном магнитном поле. Другим преимуществом рассматриваемых дефектоскопов в сравнении с индукционным является более высокая разрешающая способность. Электронный компас Вектор магнитной индукции Земли В, касательный к силовой линии, не лежит в плоскости горизонта данного места, а образует с ней некоторый угол I (от англ. inclination — наклонение) (рис. 4.2.13). Рис. 4.2.13. Составляющая магнитного поля земли. Рис. 4.2.14. Регистрация биочастиц. Линия, вдоль которой устанавливается магнитная стрелка компаса под действием земного магнетизма, называется магнитным меридианом данного места. Угол между магнитным ММ и географическим ГМ меридианами называют магнитным склонением; его принято обозначать буквой D (от англ. declination — склонение). Величина геомагнитной индукции В в зависимости от местоположения может изменяться от 50 до 85 мкТл. Горизонтальная составляющая этого вектора BH, необходимая для определения частей света, значительно меньше вертикальной Bv. В средних широтах значение горизонтальной составляющей индукции BH ориентировочно равно 10—20 мкТл. Для определения сторон света с точностью 0,1° в геомагнитном поле с горизонтальной составляющей в 15 мкТл необходима чувствительность магнитного датчика не хуже 26 нТл. Такую чувствительность могут обеспечить GMR- или SDT-магниторезисторы. Обычно используются три SDT-магниторезистора, у которых магниточувст-вительные оси ортогональны. Для правильной работы электронного компаса он должен быть расположен горизонтально, иначе возможны большие погрешности определения азимута (рис. 4.2.13). Поэтому совместно с трехкоординатными датчиками магнитного поля используется датчик наклона. Зная наклон, несложно вычислить истинный азимут.
ПРИМЕНЕНИЕ GMR- И SDT-ДАТЧИКОВ В МЕДИЦИНЕ Очень высокая чувствительность рассматриваемых датчиков позволяет создавать новые, уникальные методы исследования и контроля различных физиологических процессов. Регистрация нервных импульсов Нервные импульсы (импульсы тока) можно регистрировать посредством создаваемых ими магнитных полей. Предлагаемый способ более надежен и удобен, чем подключение электродов к пациенту для снятия поверхностных электрических потенциалов, возбуждаемых нервными импульсами. Устройства, регистрирующие нервные импульсы по создаваемому ими магнитному полю, изготавливались ранее на основе СКВИД (сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства) ячеек. Но эти устройства очень громоздки и дороги. GMR- и SDT-датчики позволяют создавать недорогие портативные регистраторы нервных импульсов, например, типа энцефалографа.
Контроль положения частей тела Во многих медицинских исследованиях для повышения точности измерения диагностически значимых параметров важным условием является контроль положения частей тела пациента, в частности головы. В этих случаях становится целесообразным использование магниточувствительных трехкоординатных датчиков, которые закрепляются на объекте. Сигналы с датчиков, несущие информацию о компонентах магнитного поля Земли, обрабатываются и по полученным результатам рассчитывают закон движения и положение частей тела относительно их начальных значений. Такие датчики могут также сигнализировать о критическом состоянии пациента, например по резко увеличившемуся тремору. В некоторых случаях маленький постоянный магнит закрепляют на диагностируемой части тела. Например, вмонтированный в контактную линзу миниатюрный магнит и трехкоординатный датчик магнитного поля, закрепленный на рамке около глаз, могут фиксировать движение зрачков. Такая система компактна и не мешает пациенту выполнять обычные действия. Трехкоординатный датчик необходим для учета влияния магнитного поля Земли на результаты измерения.
Магнитные биопробы Магнитные частицы давно используются в биологических исследованиях. Эти частицы имеют размер от нескольких нанометров до нескольких микрон и состоят из феррита, заключенного в пластмассовые или керамические сферы. Полученные гранулы покрывают составом, по своим химическим и биологическим свойствам подобным ДНК или антителу. Благодаря этому такие частицы могут выборочно связываться с анализируемыми биологическими веществами, например, белками, антителами, болезнетворными организмами, токсинами, ДНК и т. п. Таким образом, происходит маркировка исследуемых частиц, но не всех. Удаление немаркированных частиц осуществляют с помощью внешнего магнитного поля. Для регистрации промаркированных биочастиц используют интегральные матрицы из GMR-или SDT-элементов, где каждый элемент матрицы состоит из нескольких магниторезисторов, включенных по мостовой схеме (см. рис.4.2.4). Благодаря малому размеру GMR- или SDT-ячеек, которые соизмеримы с исследуемыми частицами, удается точно регистрировать их поведение. Заметим, что в настоящее время изготавливают в основном GMR-матрицы, но более перспективными являются матрицы из SDT-ячеек, так как они имеют меньшие размеры и большую чувствительность. Принцип регистрации исследуемых биочастиц схематично представлен на рис. 14. Здесь 1 — матрица магниторезисторов, на которой находится кювета 3 с исследуемыми частицами 2. Электромагнит 4 создает магнитное поле с индукцией B. Магниторезисторы имеют максимальную чувствительность к горизонтальной составляющей магнитного поля и нечувствительны к вертикальной его составляющей. Маркированные биочастицы 2 искривляют вертикальные линии магнитной индукции, создаваемые электромагнитом 4. Благодаря этому появляется горизонтальная составляющая поля, которую и регистрируют магниторезисторы матрицы. Электромагнит 4 создает переменное магнитное поле частотой в несколько сотен герц. На выходе магниточувствительной матрицы используют узкополосный усилитель, настроенный на частоту переменного поля электромагнита. Благодаря этому удается повысить чувствительность устройства, снизить уровень собственных шумов GMR- или SDT-магниторезисторов, значительно уменьшить влияние внешних магнитных полей (например, от магнитного поля Земли) и избавиться от напряжения смещения, вызванного разбалансировкой мостовой схемы ячейки матрицы. Для того чтобы надежно регистрировать биочастицы, необходимо располагать их как можно ближе к элементам матрицы, поскольку интенсивность магнитного поля уменьшается обратно пропорционально кубу расстояния. Поэтому целесообразно изготавливать кювету 2 непосредственно на корпусе микросхемы матрицы датчиков 1. Рассмотренное устройство в целом позволяет регистрировать как поведение и взаимодействие биочастиц, так и их реакцию на вводимые реагенты. Информация с матрицы датчиков передается на компьютер, где она отображается на экране в реальном масштабе времени, подвергается обработке и оцениванию результатов наблюдений.
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-01-19; просмотров: 251; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.22.217.107 (0.08 с.) |