Многие происходящие явления и процессы , так или иначе, связаны с магнитным полем (МП). В современной технике существует немало различных объектов и устройств, работа которых основана на взаимодействии с МП или в которых последнее используется в качестве управляющей среды.

Влияние магнитных полей настолько велико, что весьма актуальными являются задачи по контролю МП, их изучению и эффективному применению в науке, технике и быту.

Основным элементом объектов и устройств, использующих магнитное поле, является ,преобразователь магнитного поля (ПМП), который обеспечивает преобразование магнитного потока в электрический сигнал.

При создании ПМП используются различные физические явления, происходящие (возникающие) в полупроводниках и металлах при взаимодействии с магнитным полем.

Эти явления, известные как эффекты Холла и Гаусса, были открыты в конце девятнадцатого векав (в 1879 г.). Однако в практической деятельности их начали использовать спустя три четверти века, когда успехи в материаловедении и технологии позволили наладить промьппленный вьшуск дискретных преобразователей магнитного поля, (в основном, так называемых монолитных датчиков Холла и магниторезисторов), которые стали широкое применяться в науке и технике.

Использование преобразователей магнитного поля первого поколения позволило существенно повысить надежность и эксплуатационные характеристики многих устройств автоматики и вьгаислительной техники, уменьшить их габариты и стоимость [16].

Стремительное развитие в последние три десятилетия точного машиностроенияе и точной металлургии, автоматикиа и телемеханики, вьгаислительной и информационной техники, наряду с достижениями в области технологии изготовления полупроводниковых приборов, привело к возникновению нового направления техники, которое по аналогии с фотоэлектроникой [2] назвали магнитоэлектроникой.

Интенсивное развитие магнитоэлектроники объясняется такими достоинствами ПМП, как возможность полной электрической развязки входных и выходных цепей аппаратуры, бесконтактное преобразование малых механических перемещений в электрические сигналы, детектирование величины и направления индукции магнитного поля с высокой локальностью, создание бесконтактных ( неискрящих ) коммутаторов электрических цепей, бесконтактное измерение токов и напряжений и т.д.

Благодаря успехам магнитоэлектроники было создано второе поколение дискретных преобразователей магнитного поля и, освоено их промышленное производство. К устройствам второго поколения, характеризующимся высокими магнитоэлектрическими и эксплуатационными характеристиками, широкой номенклатурой приборов и значительными объемами их производства, относятся интегральные элементы Холла, тонкопленочные магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотранзисторы и т.п.

Каждый из перечисленных дискретных преобразователей магнитного поля имеет определенный набор параметров и характеристик, обладает установленными преимуществами и особенностями, которые учитьшаются при проектировании магнитоэлектронной аппаратуры в зависимости от конкретных условий ее применения.

Общим для всех указанных приборов (дискретных ПМП) является то, что каждый из них, по совокупности параметров и возможностей, является всего-навсего магниточувствительным элементом электронного датчика, то есть Частью электронного датчика, осуществляющей функцию восприятия контролируемых параметров среды или объекта и адекватного преобразования их значений в значения собственных электрических параметров [1].

Функции дискретных ПМП существенно ограничены, практически все они требуют специального источника питания. Напряжение сигнала (или ток сигнала), снимаемое с выхода этих приборов, как правило, характеризуется минимальной величиной (от долей до десятков милливольт или микроампер), что затрудняет их использование в высокочувствительной аппаратуре и оборудовании.

Магнитная чувствительность ПМП в составе аппаратуры во многом зависит от правильного выбора его режима работы и степени согласования преобразователя с последующим электронным трактом. Наличие открытого входа электронного тракта, протяженных электрических соединений ПМП со схемой усиления сигнала, неудачно выбранные температурный и электрический режимы, а также неоптимальное согласование с нагрузкой часто не позволяют реализовать потенциально высокую чувствительность преобразователя магнитного поля.

С повьппением требований к параметрам и эксплуатационным характеристикам современной аппаратуры и приборов в последние годы, на преобразователи магнитного поля нового поколения стали возлагаться функции, которые ранее вьшолнялись элементами и узлами самой аппаратуры.

Совмещение нескольких функций в одном изделии, имеющем, как правило, единую конструкцию, дает вьшгрыш не только в реализуемой магнитной чувствительности ПМП, но и приводит к значительному уменьшению габаритов магнитоэлектронной аппаратуры, повьппению надежности и снижению ее стоимости.

В настоящее время в сфере деятельности сложных преобразователей магнитного поля отсутствуют

многиех термины и понятия, обычно устанавливаемыех нормативными (государственными, отраслевыми) документами. Однако, по аналогии с фотоприемными устройствами (ФПУ), вьшолняющими в ряде случаев сходные с ПМП функции [2], попытаемся дать определение этому устройству.

Устройства, которые вьшолняют кроме преобразования магнитного поля и иные функции, и в которых в одном корпусе размещаются магниточувствительный элемент, электронная схема обработки сигнала, а также другие элементы, расширяющие функции указанных изделий, будем называть магнитоэлектронными устройствами.

Па рис. 1.1 в качестве примера приведена обобщенная функциональная схема простого одноканального магнитоэлектронного устройства (МЭУ).

В данном устройстве происходят последовательные преобразования магнитного поля в выходной электрический сигнал. В общем случае в простом МЭУ основные структурные элементы, вьшолняют следующие функции:

Магнитная система формирует магнитный поток в соответствии с назначением устройства и (или) обеспечивает защиту ПМП от воздействия посторонних магнитных полей.

Преобразователь магнитного поля осуществляет преобразование поля в изменение электрофизических свойств или состояния магниточувствительного элемента.

Согласующий каскад обеспечивает оптимальное согласование ПМП с выходом электронного тракта устройства и (или) предварительное усиление сигнала ПМП.;

Усилитель осуществляет дальнейшее усиление сигнала и его предварительную обработку (фильтрацию, обеспечение заданной полосы пропускания и т.д).

Пороговое устройство осуществляет дискриминацию уровня сигнала (формирование сигнала с прямоугольными фронтами).

Усилитель мощности обеспечивает усиление сигнала по току (или по напряжению) и оптимальное согласование МЭУ с внешней нагрузкой.

Схема управления обеспечивает установку (регулировку) порога срабатьшания (индукции срабатьшания/ отпускания) и (или) регулировку магнитной чувствительности МЭУ.

Стабилизатор режимов работы обеспечивает стабильность параметров МЭУ при питании его от нестабильного источника и неконтролируемом изменении температуры окружающей среды.

В современных, более сложных МЭУ могут содержаться и другие элементы, которые, кроме перечисленных функций, осуществляют термостабилизацию магниточувствительного элемента; защиту устройства от воздействия сверхнизких и сверхвысоких напряжений и коротких замьпсаний по выходу, защиту от перегрева и ошибочного изменения полярности источников питания, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование сигналов ПМП и сигналов управления магнитоэлектронным устройством и др.

Дальнейшее развитие технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схем привело к созданию третьего поколения преобразователей магнитного поля.

Технология изготовления подавляющего большинства современных преобразователей магнитного поля, в одноэлементном и в многоэлементном исполнении базируется на тех же принципах, что и производство полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (с использованием процессов диффузии, ионного легирования, фотолитографии, микросварки и т.п.).

Преобразователь магнитного поля МЭУ третьего поколения и схемы электронного обрамления указанных устройств, изготавливаются полностью с использованием технологии микроэлектроники, как на отдельных полупроводниковых структурах, так и в одном кристалле с интегральным ПМП (магниточувствительным элементом).

Сложные МЭУ кроме магниточувствительных элементов, могут содержать и элементы, реагирующие на иные физические воздействия, например, фотоприемники, регистрирующие оптическое излучение. В этом случае электронный тракт МЭУ реализует параметры двух чувствительных элементов. Кроме того, отдельные типы ПМП сами являются фотоприемниками (например, элементы Холла, магнитодиоды и магнитотранзисторы).

Кроме того, в состав сложных МЭУ могут входить, магнитные системы, а также электронные схемы, производящие полную обработку поступившей информации: усиление сигнала ПМП, фильтрацию, аналого-цифровое преобразование, математическую обработку и согласование с аппаратурой потребителя (полный интерфейс).

Таким образом, направление техники, возникшее на основе синтеза современной микроэлектроники, интегральных магниточувствительных элементов (преобразователей магнитного поля), точного машиностроения и микротехнологий, можно назвать микромагнитоэлектроникой.

Микромагнитоэлектроника является базой для разработки и производства современных магнитоэлектронных устройств.

Это направление позволяет реализовать высокие параметры магниточувствительных элементов в аппаратуре, расширить функции ПМП, а также успешно решать задачи микроминиатюризации магнитоэлектронных приборов и оборудования, повьппения их надежности, уменьшения габаритов, массы.

i1 i

о

ж

Схема стабилизации режимов

МЭУ

пит

о

Схема управления

к

и

о

Ubhx

------------i;-------

отп

Вотп Всраб