Магниторезистивные датчики находят широкое применение в системах измерения и оценки положения объектов бесконтактными методами. Интересно, что ранее для полноценного трехмерного обнаружения магнитного поля приходилось использовать сочетание нескольких датчиков, что не всегда было удобно с точки зрения их взаимного размещения и согласованного управления, а также по суммарным габаритам и стоимости.
Опубликовано в разделе "Датчики"
Эта же статья на сайте журнала и блога журнала
Теперь же такие измерения стали возможны при помощи лишь одного компактного устройства: компания Murata разработала первый в мире анизотропный магниторезистивный (Anisotropic MagnetoResistance, AMR) датчик, определяющий магнитное поле любой ориентации [1, 2].
Области применения магниторезистивных датчиков
Трехмерные компоненты применяются для измерений магнитного поля внешнего магнита, подносимого злоумышленником, либо когда магнит удаляется не в ожидаемом предопределенном, а в неизвестном направлении.
Так, например, очень часто совершаются атаки на электросчетчики. Поэтому для обеспечения защиты в них используются не датчики открытия/закрытия, а датчики открытия крышки при несанкционированном доступе. Если в крышку встроен магнит, то, снимая крышку, злоумышленник будет удалять его от датчика на плате именно таким образом, что типовой однокомпонентный датчик не сможет точно это определить, зато трехкомпонентный распознает однозначно.
Для сравнения, в водяных счетчиках нового поколения устанавливаются магнитные экраны, препятствующие попыткам тормозить их при помощи магнитов. Но в электросчетчиках подобные магнитные экраны не ставятся, а ведь в них тоже присутствуют вращающиеся и прочие подвижные механические компоненты, подверженные действию магнитных полей. Трехкомпонентные датчики магнитного поля помогают обнаружить такое злонамеренное воздействие и зафиксировать его в памяти счетчика.
В ноутбуках, видеокамерах и компьютерах также могут применяться датчики открытия крышки, предназначенные не для обычного пользования, а для информирования о несанкционированном доступе. Часто среди них много оптических, но в последнее время развивается внедрение и магнитных датчиков.
Как это работает
Принцип измерения магниторезистивных датчиков основан на явлении изменения сопротивления некоторых материалов при нахождении во внешнем магнитном поле (рис. 1).
Рис. 1. Принцип функционирования магниторезистивных датчиков
Когда магнитное поле оказывает воздействие, сопротивление резисторов R1 и R4 падает. Как следствие, возникает разность потенциалов между точками A и B. Если разность потенциалов превышает пороговый уровень, то изменяется выходное напряжение магниторезистивного датчика.
Вот как это работает на практике. Например, для отслеживания состояния открытия панели мобильного телефона (рис. 2) датчик и магнит расположены на разных частях аппарата, но так, что в закрытом состоянии они находятся напротив друг друга.
Рис. 2. Пример работы магниторезистивных датчиков
Когда телефон открыт, магнитное поле, генерируемое магнитом, не оказывает воздействия на датчик и выходное напряжение имеет высокий уровень (Vout = H). В момент закрытия панели датчик оказывается в области воздействия магнитного поля, и уровень выходного напряжения падает (становится Vout = L). При открытии панели мобильного телефона происходит обратная смена напряжений.
Преимущества магниторезистивных датчиков Murata
Обычные магниторезистивные датчики не позволяют осуществлять всенаправленное обнаружение магнитного поля при помощи одного устройства.
Внедрение новой технологии компании Murata привело к появлению принципиально новых датчиков, обеспечивающих сразу все три оси чувствительности. При этом размеры устройства позволяют заявлять о его высокой компактности. Стандартный размер каждого датчика составляет всего 1,45×1,45×0,55 мм (рис. 3, 4).
Рис. 3. Внешний вид магниторезистивных датчиков Murata
Рис. 4. Стандартные габариты датчиков Murata
Для разработчиков электронной аппаратуры это, несомненно, хорошая новость, поскольку теперь, используя один датчик вместо нескольких, они могут создавать более компактные и дешевые решения.
Среди прочих преимуществ датчиков Murata нового поколения можно отметить высокую чувствительность в слабом магнитном поле (~6 мТл), для изменения выходного напряжения достаточно минимально изменить сопротивление (всего на 2%). Эти тонкопленочные резисторы, изготовленные из качественного ферромагнитного (FeNi) сплава, обеспечивают более высокую производительность по сравнению с традиционными магнитными переключателями (рис. 5).
Рис. 5. Характеристики трехмерных магниторезистивных датчиков Murata
Так, для линейных измерений доступны датчики следующих конфигураций (табл. 1).
ТАБЛИЦА 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ МURATA
| Наименование | Характеристики |
| Датчики низкого напряжения | |
|
MRUS74S MRUS74X |
Минимальная потребляемая мощность Высокая скорость обработки (максимум 30 кГц) Наиболее широкий диапазон рабочих температур (–40…+105 °C) Встроенная цепь компенсации влияния температуры Чувствительность магнитного поля по двум осям |
|
MRUS72S MRUS72X |
Низкая потребляемая мощность Высокая скорость обработки (максимум 30 кГц) Широкий диапазон рабочих температур (–40…+85 °C) Встроенная цепь компенсации влияния температуры Чувствительность магнитного поля по двум осям |
|
MRMS211 |
Работа под низким напряжением (1,6–3,5 В) Широкий диапазон рабочих температур (–40…+85 °C) Встроенная цепь компенсации влияния температуры |
| Датчики высокого напряжения | |
|
MRSS29DR |
Широкий диапазон рабочего напряжения (3,5–30 В) Широкий диапазон рабочих температур (–40…+85 °C) Встроенный регулятор напряжения Чувствительность магнитного поля по двум осям |
Широкий диапазон рабочих температур дает возможность применения датчиков на высокотемпературных объектах, а встроенная цепь компенсации влияния температуры гарантирует стабильное функционирование при перепадах внешних воздействий. Также чувствительность магнитного поля по двум осям позволяет точно определять состояние вращения.
В зависимости от применения возможен подбор датчиков с наиболее подходящими в конкретной ситуации характеристиками (табл. 2).
ТАБЛИЦА 2. ВЫБОР ДАТЧИКОВ МURATA ПО КЛЮЧЕВЫМ ОСОБЕННОСТЯМ
|
Наименование |
Внешний вид |
Габариты, мм |
Ключевые особенности |
Описание |
|
MRSS21-E MRSS27H |
|
2,8×2,9×1,1 |
Датчики общего назначения Высокоскоростные Биполярные |
Биполярные датчики высокого напряжения. Поддерживают широкий рабочий диапазон напряжений питания |
|
MRMS541D |
|
1,45×1,45×0,55 |
Сверхмалые габариты Узкий диапазон |
Миниатюрные датчики, позволяющие добиться наибольшей компактности переключателей. Очень узкий диапазон чувствительности (±0,4 мТл) |
|
MRUS73C |
|
1,5×1,8×0,8 |
2 выхода (Bi-CMOS) |
Имеет 2 выходных вывода. Особенно подходит для переключателей |
|
MRMS751A |
|
1,5×1,8×0,8 |
Регулируемая чувствительность (Bi-CMOS) |
Чувствительность датчика регулируется в широком диапазоне, путем изменения параметров внешнего резистора. Один магниторезистивный датчик способен поддерживать работу нескольких переключателей |
Заключение
Новое поколение магниторезистивных датчиков Murata характеризуется собственной высокой чувствительностью, эффективной температурной компенсацией, широким диапазоном рабочих температур и напряжений, высокой скоростью работы и низкой потребляемой мощностью. Кроме того, они способны осуществлять полноценное трехмерное обнаружение магнитного поля в одном малогабаритном устройстве.
Все это говорит об их высокой конкурентоспособности по сравнению с другими современными датчиками, причем достаточно высокого уровня. А для инженеров‑разработчиков это означает, что у них появилась хорошая возможность создавать более компактные устройства при минимальных затратах.
Литература