Sławoir TUMAŃSKI Polithnika Warzawka, Intytut Elktrothniki Tortyznj i Mirnitwa Elktryzngo Czujniki pola agntyzngo tan obny i kirunki rozwoju Strzzni. Przdtawiono porównani najzęśij obni używanyh zujników pola agntyzngo. Opiano główn właśiwośi zujników: indukyjngo, tranduktorowgo, rzonanowgo, SQUID, zujników agntorzytanyjnyh typu AMR, GMR i MTJ oraz hallotronów. Abtrat. (Magnti fild nor th rviw). Th rviw and oparion of variou agnti fild nor i prntd. Th prforan of ot iportant nor ar dribd. Following nor ar prntd in or dtail: indution nor, flugat nor, ronan nor, SQUID, agntoritiv AMR, GMR and MTJ nor, all nor. Słowa kluzow: zujniki, pol agntyzn, zujniki pola agntyzngo. Ky word: nor, agnti fild, agnti fild nor. Wtęp Czujniki pola agntyzngo prztwarzają ygnał proporjonalny do indukji lub natężnia pola agntyzngo w powitrzu na ygnał lktryzny: napięi, zianę rzytanji, zętotliwość. Poniważ indukja pola agntyzngo w powitrzu lub próżni jt śiśl powiązana z natężni tgo pola: (1) = μ B 0 (gdzi μ 0 = 4π 10-7 V/A), to jt w zaadzi obojętn w jakih jdnotkah pol agntyzn jt irzon. Spotyka ię agntotry wykalowan w jdnotkah natężnia pola agntyzngo A/, al powzhnijz jt kalowani w jdnotkah indukji pohodnyh tli, najzęśij w μt. W Pol obowiązuj układ SI (a wię A/ lub T) al w litraturz arykańkij i w środowiku fizyków wiąż używan ą tar jdnotki: gau G jako jdnotka indukji, i ortd O jako jdnotka natężnia pola agntyzngo. Tabla 1 przdtawia konwrję idzy tyi jdnotkai. Tabla 1. Wpółzynniki konwrji iędzy najzęśij używanyi jdnotkai agntyznyi tla T A/ gau G ortd O A/ 1,56 10-6 1 1,56 10-3 1,56 10-3 O 10-4 79,6 1 1 T 1 7,96 10 5 10 4 10 4 G 10-4 79,6 1 1 Przy zybkih przlizniah podtawowyh jdnotk ożna toować natępująą rgułę: Wbrw nazwi zujniki pola agntyzngo tylko w niwilki topniu wykorzytywan ą bzpośrdnio do poiaru paratrów pola agntyzngo. Podtawow zatoowani zujników pola agntyzngo (zzgólni hallotronów i agntorzytorów) to bztykow poiary przunięć, prędkośi obrotowj, kąta i prądu. Czujniki agntorzytanyjn w prakty zdoinowały zatoowani jako głowi odzytow przy zapii inforaji, w paięiah dykowyh i taśowyh. Tabla przdtawia typow zakry poiarow głównyh zujników pola agntyzngo [1-6]. Pol agntyzn środowika Z wyjątki poiarów w pjalnyh poizzniah kranowanyh (toowanyh główni w badaniah bioagntyznyh) więkzośi poiarów pola agntyzngo towarzyzy pol środowika, naturaln ziki oraz wytwarzan przz złowika. o 65 19 μt 49 μt 1 O 1 G 100 μt 79,6 A/ 0,796 A/ Tabla. Typow zakry poiarow głównyh zujników pola agntyzngo Czujnik SQUID SWIATŁOWÓD POMPOWANIE OPTYCZNE REZONANS PROTONOWY CZUJNIK INDUKCYJNY AMR TRANSDUKTOR GMI TMI ALLOTRON GMR Mirzon pol agntyzn 1nT 1 μt 1 T 1 T POLE ZIEMSKIE Ry.. Pol agntyzn ziki w pobliżu Warzawy kładow pola, ziana pola w yklu dobowy Na ryunku a przdtawiono pol agntyzn ziki w pobliżu Warzawy. Pol to kirowan jt pod kąt około 65 do dołu tak wię przy wartośi tgo pola 1
rzędu 49 μt kładowa pozioa wynoi tylko 19 μt. Polka jt w doyć korzytnj ytuaji, gdyż kopa wkazuj rzzywiśi półno pol agntyzn odhylon jt tylko około na whód (dokładni na półno pol agntyzn kirowan jt w pobliżu nazj zahodnij graniy). Na ryunku 3a przdtawiono apę ilutrująa kirunk pola agntyzngo (dklinaję). godzinah 4 4, a wię kidy prztają kurować trawaj. Warto zauważyć, ż t trawaj kurowały bliko kilotr od ija poiaru. Takż złowik, przd wzytki jgo yt nrwowy, wytwarza pola agntyzn. Na ryunku 5 przdtawiono typow zakry tyh pól. Wpółzn tody poiarow uożliwiają poiar pola ózgu (agntonfalografi nawt poniżj pojdynzyh ft (fntottli 10-15 T). Jak nizirni zuł ą naz urządznia nih świadzy prot oblizni pol rzędu 10 fntotli powtaj w odlgłośi 0 k od przwodu przz który przpływa prąd zaldwi 1 A. B [T] 10-4 pol zi ki 10-8 zu y w iś i 10-10 10-1 10-14 10-16 pol ra pol oka pol ózgu pol iatkówki oka Ry.5. Pola agntyzn gnrowan przz złowika Ry.3. Kirunk pola agntyzngo zikigo odhylni od półnoy, wartość kładowj pozioj Rozkład pola agntyzngo ni jt jdnorodny w kali globu (ry.3, gdyż na jgo wartość ają wpływ takż złoża inraln podza gdy w Pol kładowa pozioa jt około 0 μt, to już w pobliżu Indonzji a ona wartość bliko dwukrotni więkzą. Jak to pokazuj ryunk b pol agntyzn ziki zinia ię (około 0 nt w yklu dobowy i około 30 nt rozni). W zai burzy agntyznj ziany hwilow ogą być nawt rzędu pojdynzyh μt. Czujniki indukyjn Z danyh przdtawionyh w tabli wynika, ż najbardzij uniwralny jt zujnik indukyjny. I rzzywiśi zujnik tn (ang. arh oil, pik-up oil, B- oil, indution nor) haraktryzuj ię wiloa zaltai. Najważnijzą jt protota działania i kontrukji. Jt to w zaadzi jdyny zujnik, który łatwo ożna wykonać w włany zakri wytarzy nawinąć wkę. B Ry.6. Czujnik indukyjny Czujnik indukyjny wykorzytuj prawo Faraday a. Napięi indukowan w w zalży od indukji zinngo pola agntyzngo BBωt E dφ dt () = z = πfzb oωt Ry.4. Pol agntyzn wolnozinn zirzon na trni Polithniki Warzawkij Obok pola agntyzngo zikigo ały za towarzyzy na pol agntyzn wytwarzan przz złowika główni o zętotliwośi 50 z (i jj haroniznyh). Ryunk 4 przdtawia wyznazon przz autora ziany pola agntyzngo wolnozinngo (do około 10 z) zirzon agntotr tranduktorowy na trni Polithniki Warzawkij. Jt ono o wartośi około 50 nt przy zy alj poniżj dziięiu nt w Warto zwróić uwagę, ż w wzorz () ni wytępują paratry atriałow (na ogół będą źródł błędów tpraturowyh) tała prztwarzania zalży jdyni od wyiarów (powirzhni ), lizby zwojów z oraz zętotliwośi f. Paratry t ożna utalić z dużą dokładnośią, a wię zujnik indukyjny jt dokładny zzgólni w przypadku badania pól tałyh kidy zętotliwość f jt zętotliwośią wyuzongo ruhu zujnika (np. prędkość obrotowa ilnizka zy zętotliwość drgań podłoża kwarowgo). Inn ważn zalty zujnika indukyjngo to brak prądu wzbudznia i lntów frroagntyznyh o pozwala na badania pola agntyzngo praktyzni bzinwazyjn. Wady zujnika indukyjngo to, rlatywni ała zułość (w porównaniu z innyi zujnikai), poiar tylko ygnałów przinnyh oraz zalżność ygnału wyjśiowgo od
zętotliwośi indukji, o twarza itotn probly przy analizi przbigów odkztałonyh. Sygnał wyjśiowy zujnika ni zalży wprot od indukji B, al od jj pohodnj db/dt. Konizn jt wię toowani układu ałkujągo na wyjśiu zujnika układy taki ogą być źródł dodatkowyh błędów. W lu otrzyania dużj zułośi nalży zwiękzać wyiary zujnika i lizbę zwojów. Tak na przykład pirwzy udany kprynt z przprowadzni agntokardiograu przprowadzono wykorzytują zujnik indukyjny, w który wka lizyła bliko ilion zwojów. Ozywiśi lizby zwojów ni ożna zwiękzać bz ogranizń rozdzilzość zujnika jt bowi liitowana zuai iplnyi zalżnyi od rzytanji wki. Możliw jt przprowadzni optyalizaji kontrukji zujnika [4]. Szuy zujników indukyjnyh ogą oiągać wartośi nawt poniżj 5 pt/ z. Czułość zalży od zętotliwośi typowa zułość optyalizowango zujnika wynoi 10 V/T przy f = 0.01 z oraz 500 V/nT przy f = 00 z. U wy dla =ont rlatywni ała rzytanją. Na ryunku 8b przdtawiono przykład prztwornika prąd/napięi tanowiągo obiążni zujnika ałą rzytanją. Czujnik tranduktorowy Czujnika tranduktorowy (ang. flu-gat nor) był opatntowany w 1931 roku i do dziś jt podtawowy zujniki łabyh pól agntyznyh. W zai drugij wojny światowj był używany do wykrywania łodzi podwodnyh, a w 1958 roku znalazł ię w kooi (na pokładzi Sputnika 3) jako zujnik pola agntyzngo. ' " ' " α 0 = 0 α 1 < α 0 α < α 1 α 3 < α f r Ry.7. Zalżność zułośi zujnika indukyjngo od zętotliwośi ygnału i rzytanji obiążnia R 0 (α = R /R,R rzytanja zujnik Gnralni przyjuj ię, ż zujnik indukyjny niruhoy pozwala na dtkj tylko pól przinnyh. Stoowan obni zuł wzaniaz pozwalają na wykorzytywani zujników indukyjnyh nawt przy zętotliwośi 0,01 z, a wię do poiaru pól quai-tałyh. f Ry.9. Rozwiązania układow zujnika tranduktorowgo Rdzń frroagntyzny (w potai paka ry.9a lub pirśinia ry.9 jt agnowany do naynia (pol ). Jśli zwnętrzn pol agntyzn jt równ zru ( = 0) to obi połówki okru napięia wtórngo ą dokładni taki a. Napięi wtórn kłada ię wię tylko z kładowyh niparzytyh. Przy założniu, ż napięi agnują a kztałt trójkąta napięi wtórn dla = 0 opiuj równani [6]: (3) 16 π π = = zfμ o t ω + π 16 3π 3π + zfμ o t +... 3ω 3π gdzi: f,z, jak w wzorz (), a, paratry pętli hitrzy odpowidnio natężni naynia, tzw. kolano, oraz natężni korji. Jśli traz pojawi ię zwnętrzn pol agntyzn to punkt pray na haraktryty agnowania ulgni przunięiu o wartość. Obi połówki okru napięia wtórngo będą różn, o powoduj pojawini ię w ygnal haroniznyh parzytyh. Napięia wyjśiow będą traz opiywan równaniai Ry.8. Czujnik indukyjny; z korktor ałkująy, obiążony ałą rzytanją. Na ryunku 7 przdtawiono typową haraktrytykę zętotliwośiową zujnika indukyjngo. W tani jałowy (α = 0) zułość wzrata w przybliżniu liniowo aż do zętotliwośi rzonanowj f r. Powzhni toowaną todą unizalżninia ię od zian zętotliwośi jt dołązni na wyjśiu zujnika układu ałkujągo (ry.8. Jak wynika w haraktrytyk przdtawionyh na ryunku 7 inną (nij znaną) todą unizalżniania ię od wpływu zętotliwośi na zułość zujnika jt obiążni zujnika (4) 16 = zfμ π 8zfμ 8zfμ 16 = zfμ π π o ωt π ωt π ωt π +... π o ωt π +... π + π + 3
Druga haronizna ygnału wtórngo oż być wię iarą pola. Jśli połązyć uzwojnia wtórn prziwobni (jak na ryunku 9) to kładow haronizn niparzyt kopnują ię i na wyjśiu pozotaną tylko kładow parzyt. Aplituda drugij haroniznj będzi opiana równani: (5) E = 16zfμ π Wprowadzają do równania (5) wpółzynnik odagnowania N otrzyujy: μ (6) E = 16zfμ0 π 1 + Nμ Z równania (6) wynika ważny praktyzni wniok. Jśli tylko prznikalność atriału rdznia będzi dotatzni duża to równani to przyji potać: (7) E = zfμ 1 16 0 π N Tak wię ygnał wyjśiowy ni zalży od właśiwośi atriału, w ty jgo zian tpraturowyh. Podtawiają do równania przybliżoną zalżność na N rdznia w kztałi paka (N 5/l gdzi l jt długośią pak oraz typowa wartość = otrzyujy (8) E 1, zfμ l 5 0 Z równania (8) wynika, ż hą otrzyać dotatzni dużą zułość nalży zwiękzać lizbę zwojów z, al przd wzytki zwiękzać długość rdznia l. W litraturz ożna znalźć opi ondy o długośi 0,5, lizbi zwojów z = 4000 i zętotliwośi pray f = 10 kz która haraktryzowała ię zułośią 10 V/nT. Typow paratry ondy to: z 1 = z = 1000, l = 6, = 3 0,1, f = 3 kz, I za = 10 A. Taka onda uożliwia otrzyani zułośi 10 μv/nt. Najważnijzą zaltą ondy tranduktorowj jt fakt, ż ygnał wyjśiowy jt ygnał przinny o okrślonj zętotliwośi. Można wię go łatwo oddzilić od ygnałów tpraturowgo płzania zra, jak i zuów. Uożliwia to poiar pól agntyznyh w zakri 10 nt 100 μt z błęd ni więkzy niż %. Przy pozornj protoi kontrukji zujnika i zaady działania zułość i błędy poiaru bardzo zalżą od jakośi atriału agntyzngo (zuy agntyzn) i pryzji wykonania. Czujnik nadprzwodnikowy SQUID SQUID (Suponduting Quantu Intrfrn Dvi) tworzy pirśiń nadprzwodząy z jdny lub dwoa złązai Jophona (złązai dwóh nadprzwodników przdzilonyh bardzo inką wartwa izolaji). Jako atriał nadprzwodnika najzęśij wykorzytuj ię niob uizzony w ikły hlu. Jśli przz SQUID przpływa prąd o odpowidnij wartośi to napięi na ty lni zalży od truinia agntyzngo objętgo pirśini w przybliżniu uoidalni, z okr równy kwantowi truinia (ry.10). Kwant truinia (fluon) jt równy Φ 0 = h/ =,07 10-15 Wb. Przy powirzhni SQUIDu rzędu kilku okr zian napięia wyjśiowgo odpowiada indukji 0,1 1 T. Wykorzytują tylko zboz haraktrytyki okrowj U = f(φ) uzykuj ię zułośi rzędu kilkudziięiu μv/nt. φ I Ry.11. Zaada działania SQUIDu d U Mirzony truiń agntyzny dotarzany jt do złąza za pośrdnitw tranforatora truinia, którgo wka pirwotna ą dwi (lub więj) wki w układzi gradiotru. Stoowan ą dwi kontrukj SQUID rf (z jdny złąz Jophon i SQUID d z dwoa złązai. Napięi z pirśinia nadprzwodzągo dołązan jt do wzaniaza. Aby liinować zuy i polpzyć rozdzilzość touj ię wzaniaz hoodynowy z dtktor fazozuły wzaniająy jdyni ygnał o zętotliwośi gnratora odulujągo. Wyjśiowy ygnał prądowy wytwarza pol agntyzn przężnia zwrotngo SZ (ry.11) zujnik SQUIDowy działa wię jak dtktor zra. Shat blokowy typowgo agntotru z SQUID DC przdtawiony jt na ryunku 11. Zailaz DC Kriorgion φ wki gradiotru φ z Wz AC U φ 0 Dtktor fazozuły Gnrator Ry.11. Shat blokowy agntotru z SQUID d φ Intgrator O rozdzilzośi zujnika dydują zuy. W dobryh kontrukjah ą on rzędu 10 ft/ z. Pozwala to na poiar pól agntyznyh o wartośiah nawt nijzyh niż 1 ft. Czujnik rzonanowy Czujnik agntotru rzonanu protonowgo tanowi nazyni wypłnion izą o dużj zawartośi atoów wodoru, na przykład woda. Nazyni uizzon jt wwnątrz wki o oi kirowanj protopadl do irzongo pola agntyzngo. W pirwzy yklu poiaru przz wkę przpuzza ię prąd tały polaryzująy iz pol o natężniu rzędu kilku ka/. Natępni po wyłązniu prądu wkę podłąza ię do wzaniaza (ry.1). Mont agntyzny protonów wraa do położnia wyjśiowgo (zgodni z kirunki irzongo pola agntyzngo) o objawia ię indukowani w w napięia o aljąj aplitudzi i tałj zętotliwośi. Czętotliwość ta zalży od wartośi irzongo pola przy zy wpółzynniki proporjonalnośi jt wpółzynnik żyroagntyzny równy dla rzonanu protonowgo γ =4,576375 Mz/T. 4
Przy poiarz pola agntyzngo zikigo zętotliwość prji jt równa zaldwi kilka kz. Wytarza to jdnak do poiaru indukji pola agntyzngo z rozdzilzośią lpzą niż 1 nt. Ponadto dzięki dokładnj znajoośi wartośi wpółzynnika żyroagntyzngo ożliwy jt poiar indukji z bardzo dobrą dokładnośią, nawt lpza niż 0,00%. Typow agntotry protonow uożliwiają odzyt zśiu yfr z otatnia yfrą 1nT lub 0,1 nt. (10) ϑ = + y gdzi: kładowa pola protopadła do oi paka, y kładowa pola wzdłuż oi paka, k pol anizotropii (( k = ko +Mt/w), ko pol anizotropii atriału wartwy (dla praloju ok. 50 A/), t grubość wartwy, w zrokość paka, M agntyzaja. k I 0 GEN lktrody Barbr-pol wartwa pralojowa MR B WZM LICZNIK Ry.1. Zaada działania agntotru protonowgo Magntotry protonow ą powzhni toowan w gofizy oraz przy wykonywaniu ap rozkładu pola (np. przy wykrywaniu złóż lub łodzi podwodnyh). Ih wada jt tounkowo duży roziar zujnika (nazyni o pojnośi 0,5 l lub 1 l). Inną wadą jt, ż w todzi tj irzy ię tylko oduł wktora indukji pola agntyzngo. Nio bardzij złożon kontrukyjni, al i zulz ą zujniki wykorzytuja zjawiko Zana, tzw. zujniki z popowani optyzny. Spolaryzowan kołowo światło jt przpuzzan przz nazyni wypłnion parai izotopu zu, rubidu lub hlu. Czętotliwość zwiękzonj aborpji tgo światła zalży od wartośi zwnętrzngo pola agntyzngo. Tak na przykład wpółzynnik żyroagntyzny dla Rb 87 wynoi γ = 6996 Mz/T. Czujniki agntorzytanyjn AMR Anizotropow zjawiko agntorzytanyjn (AMR) zotało odkryt w 1857 roku przz Thoona (lorda Klvin, al zatoowani w kontrukji zujników znalazło dopiro w latah zśćdziiątyh XX wiku w wyniku rozwoju thnologii inkowartwowyh. Opraowano wil różnyh kontrukji zujników inkowartwowyh [3]. Dziś praktyzni tylko kontrukja typu Barbr-pol (ry.13) jt wykorzytywana. Zaada działania zujnika AMR Barbr-pol jt natępująa. Jśli pol zwnętrzn = 0 inka wartwa jt naagnowana w kirunku paka (na kutk wpływu anizotropii indukowanj w proi wytwarzania wartwy). Mirzon pol jt kirowan protopadl do oi paka (w płazzyźni wartwy) i powoduj obrót wktora naagnowania. Ziana rzytanji ΔR/R zalży od kąta ϑ iędzy kirunki wktora naagnowania a kirunki przpływu prądu: ΔR Δρ (9) = ϑ R ρ Wpółzynnik agntorzytywnośi Δρ/ρ dla typowj inkij wartwy pralojowj (81/19 NiF) jt równy ok. %. Kirunk wktora naagnowania zlży od wartośi pola agntyzngo : Ry.13. Magntorzytory typu AMR zujnik Barbr-pol, zujnik w układzi otkowy Na podtawi równań (9) i (10) zalżność ziany rzytanji od pola ożna napiać w potai: (11) Δ R Δρ = o ε o ε R ρ + ε 1 ( + ) + + y k y k y k gdzi ε jt kąt iędzy kirunki wktora naagnowania a kirunki prądu dla = 0. Czujnik jt wię liniowy jśli ε = 45, gdyż równani (11) przyjuj wtdy potać: (1) ΔR R Δρ ρ + y k dla < ( y + k ) Kontrukja Barbr-pol płnia warunk ε = 45, gdyż dodatkow lktrody z atriału dobrz przwodzągo (złoto lub aluiniu) wyuzają kirunk prądu jak to pokazano na ryunku 13a. Prąd przpływająy przz lktrody płnia dodatkową rolę, wytwarzają pol agntyzn yo wtępni podagnowują wartwę i zabzpizają ja przd rozagnowani. Zwykl ztry agntorzytory łązy ię w układ otkowy (ry.13, i wówza ygnał wyjśiowy zujnika jt ziana napięia (ry.14). 5
Ry.14. Charaktrytyka prztwarzania typowgo zujnika typu Barbr-pol (zujnik KMZ10B prod. Philip) Czujniki agntorzytanyjn GMR zawory pinow Gigantyzny agntoopór (GMR giant agntoritan) wytępuj w zujniku złożony z dwóh inkih wartw przdzilonyh bardzo inką przkładką (wartwą) z atriału przwodzągo. W tani pozątkowy (dla = 0)obi wartw naagnowan ą antyrównolgl. Uizzni zujnika w polu agntyzny powoduj, ż obi wartwy ą naagnowan równolgl. Przjśiu od tanu antyrównolgłgo naagnowania do równolgłgo naagnowania towarzyzy duża zian rzytanji nawt rzędu kilkut %. Stan pozątkowgo naagnowania antyrównolgłgo ożna uzykać w poób naturalny w agntorzytorah w któryh przkładka jt bardzo inka o grubośi kilku atoów. Wówza na kutk przężnia iędzy dwoa wartwai agnują ię on antyrównolgl. W tgo typu kontrukjah wykryto zjawiko GMR po raz pirwzy. Al wartw ilni przężon wyagają znaznyh wartośi pola agntyzngo do pokonania tgo przężnia. Czujniki taki były wię o ałj zułośi. Dlatgo w innj kontrukji, zawór pinowy (pin valv) zwiękzono grubość przkładki a naagnowani antyrównolgl uzykuj ię w poób ztuzny artifiial nanozą na jdna z wartw dodatkowa wartwę podagnowująa z antyfrroagntyka (najzęśij FMn). Czujniki t ą obni najzęśij toowanyi zujnikai typu GMR. Ni wykazują on tak znaznj ziany rzytanji jak klayzn - naturaln zujniki GMR. Zian rzytanji jt rzędu kilku do kilkunatu %, al wytępuj ona przy pola bliko dziięć razy nijzyh niż w przypadku zujników klayznyh GMR. Kilkanaśi pront to i tak kilkakrotni więj w porównaniu z zujnikai AMR. Obni duż nadzij wiąż ię z pwna nowa odiana zujnika typu zawór pinowy z zujnikai typu TMJ (tunnl agnti juntion). W zujnikah tyh przkładkę z atriału przwodzągo zatępuj ię przkładka z izolatora (najzęśij utlniongo aluiniu Al O 3 ). W agntyznyh złązah tunlowyh ziana rzytanji jt rzędu kilkanaśi pront, al do jj uzykania potrzbn jt pol agntyzn znazni nijz niż w przypadku zaworów pinowyh. Czujniki typu TMJ oiągają zułośi konkurnyjn w porównaniu z zujnikai AMR. Wiąż jdnak kozty produkji zujników TMJ ą znazn uzykani wartwy izolatora o grubośi kilku atoów ni jt bowi łatw. Pwn nadzij wiązano z zujnikai CMR oloal agntoritan. Zjawiko koloalngo agntooporu wytępuj w atriałah z grupy zi rzadkih (lantanowah). Jt ono rzzywiśi koloaln ziana rzytanji w prakty od tanu izolaji do tanu przwodznia. Nitty zjawiko to fktywni wytępuj tylko w nikih tpraturah i przy ilnyh polah agntyznyh. Czujniki typu GMI gigantyzna agntoipdanja W zujnikah typu GMI (giant agntoipdan) wykorzytuj ię zianę ipdanji inkij wartw lub inkigo drutu zailango prąd o zętotliwośi kilkadziiąt kilkat Mz. Ta ziana ipdanji wynika z ziany głębokośi fktu nakórkowgo i ziany prznikalnośi atriału agntyzngo wraz z zianą zwnętrzngo pola agntyzngo. nor V E out Ry.16. Czujnik GMI w układzi gnratora ( oraz haraktrytyka wyjśiowa układu ( Ry.15. Kontrukja i haraktrytyka prztwarzania typowgo zujnika typu zawór pinowy Na ryunku 15 przdtawiono kontrukję i haraktrytykę typowgo zujnika typu zawór pinowy. Czujnik GMI ożna bzpośrdnio włązać w układ gnratora Colpitta (ry.16. Ziana indukyjnośi zujnika powoduj zianę napięia wyjśiowgo rzędu kilkut % (ry.16. Ponadto do uzykania tj ziany wytarzy niwilki pol zwnętrzn. Dzięki tu zujniki GMI pozwalają uzykać zułośi porównywaln z 6
zujnikai tranduktorowyi przy znazni tańzj i protzj kontrukji. allotrony Nazwa hallotron pohodzi od nazwika odkrywy zjawika E.. alla, który opiał j po raz pirwzy w 1879 roku. allotrony ą zujnikai pola agntyzngo produkowanyi w ilośi ilionów ztuk hoiaż więkzość tj produkji, to tani lnty ygnałow, a ni zujniki poiarow. Najważnijz zalt hallotronów to ał wyiary, w prakty niinwazyjny haraktr poiaru (a lnt jt niagntyzny), względna protota kontrukji. Przy rlatywni protj produkji ni udaj ię jdnak uzykać odpowidnij powtarzalnośi haraktrytyk i liinaji błędów tpraturowyh dlatgo dobr hallotronow zujniki poiarow ą wiąż drogi. Ry.17. Zaada działania hallotronu Mhaniz zjawika alla polga na wykorzytaniu ziany drogi przpływu prądu w lni na kutk oddziaływania pola agntyzngo (oddziaływania iły Lornz. W wyniku tgo oddziaływania na jdny brzgu lntu groadzą ię ładunki dodatni, na drugi ujn. Powtała różnia potnjału jt ira pola agntyzngo, gdyż: (13) E = -R [J B] gdzi R jt wpółzynniki alla (R = 1/n, n konntraja lktronów, ładunk lktronu). Jako atriał nalży wi wykorzytywać związki haraktryzują ię dużą wartośią R dużą ruhliwośią nośników nrgii. allotrony najzęśij wytwarza ię z odpowidnio doizkowanyh InSb, InGaA, Si, GaA. Czułość hallotronu jt rzędu 0.1 1 V/T o powoduj, ż najwiękz zatoowani znajdują on w obzarz pól ilnyh, powyżj 1 T. Rozdzilzość ogranizona jt zuai i tpraturowy płzani zra poiar pól nijzyh niż 10μT wyaga już toowania dość wyrafinowanyh tod poiarowyh. Itotną zaltą hallotronów jt łatwość ih intgraji z innyi lntai lktroniznyi w jdny obwodzi alony. Dlatgo obni oraz zęśij potyka ię hallotrony zintgrowan z wzaniaz, układai korkji zy konntratorai truinia. Czujniki agntooptyzn W zujnikah agntooptyznyh wykorzytuj ię zjawiko Faraday'a (kręni płazzyzny polaryzaji światła przhodzągo przz atriał w wyniku oddziaływania pola agntyzngo) lub zjawiko Krra (ziana kąta odbiia światł. Szzgólni zjawiko Krra znalazło zroki zatoowani w badaniu atriałów agntyznyh poniważ jt to w prakty jdyna toda niinwazyjngo badania rozkładu indukji (naagnowani. Pwn nadzij wiązano z wykorzytani światłowodów w lntah agntolatyznyh. Poiarowi podlga ziana drogi światła w światłowodzi uizzony w płazzu z atriału agntolatyzngo. Poniważ todai intrfrotryznyi ożna irzyć długość drogi światła z olbrzyią rozdzilzośią zujnik taki uożliwia poiar indukji w zakri zbliżony do najzulzyh tod SQUIDowyh. Stworzyło to ożliwość dtkji bardzo łabyh pól bz koniznośi toowania kriotatów. Ni wię dziwngo, ż główny zaintrowany takii zujnikai jt przył ilitarny do wykrywania łodzi podwodnyh. Poduowani W przdtawiony wyżj przglądzi przdtawiono nial wzytki najzęśij aktualni używan zujniki pola agntyzngo. Zaadniza nowośią otatnih lat ą zujniki z grupy giant GMR, MTJ i GMI. Rzzywiśi zujniki t odnioły pktakularny uk naukowy i koryjny, al to za prawą wykorzytania ih jako głowi dykowyh paięi agntyznyh i lnty paięi agntyznyh typu MRAM. W zatoowaniah poiarowyh zujniki t w zaadzi ą ało konkurnyjn w tounku do zujników typu AMR, tranduktorowyh zy hallotronów. Al trzba odnotować, ż konrn Sin zrzygnował otatnio z produkji agntorzytorów półprzwodnikowyh zatępują j zujnikai GMR. Dzięki bardzo dużj ziani rzytanji zujniki t ogą praować jako zujniki kąta lub prędkośi obrotowj bz koniznośi toowania wzaniaza (ygnał wyjśiowy rzędu kilkut V). Można ię podziwać, ż zujniki GMI będą poważny konkurnt zujników tranduktorowyh dzięki porównywalnj zułośi i protzj kontrukji (ożliwa aowa produkj. Wyraźni dotrzgalny kirunki rozwoju zujników pola agntyzngo jt ih iniaturyzaja i intgrowani z lktroniką. Na rynku pojawiły ię na przykład zujniki tranduktorow w potai układu hybrydowgo zawirajągo obok lntu zujnika (wykonango w thni inkowartwowj) takż układ gnratora i dtktora fazozułgo. Podobni hallotrony wytępują już doś zęto w potai zintgrowanj np. z układi wzaniaza zy układi korkji. W zaadzi utalił ię pwin tały obzar zatoowań różnyh zujników. Do poiarów pól bardzo ałyh (nt i nij) oraz powzhnij touj ię tody nadprzwodnikow. Magntotry SQUIDow tają ię oraz tańz i ih używani whodzi do powzhnj praktyki (nowośią na przykład ą zatoowania tyh zujników w dfktokopii). Pola ał (od nt do μt) to obzar zatoowań zujników tranduktorowyh i tod rzonanowyh. Pola śrdni (tki μt) to zatoowani zujników agntorzytanyjnyh AMR. I wrzi pola duż (powyżj 1 T) to zatoowani hallotronów (i wntualni zujników GMR). LITERATURA [1] Ripka P. (d) Magnti nor and agntotr, Arth ou, 001 [] Boll R, Ovrhott K.J. (d) - Magnti nor, VC Publ, 1989 [3] Tuańki S. Thin fil agntoritiv nor, IOP Publ., 001 [4] Tuańki S. Analiza ożliwośi zatoowania agntotrów indukyjnyh do poiaru indukji łabyh pól agntyznyh, Przgl. Elktr,. N.4 (1986), 137-141 [5] Tuańki S. Właśiwośi tranduktorowyh irników łabyh pól agntyznyh, Rozpr. Elktr., 3 (1986), 813-834 [6] Popovi R.S., Flanagan J.A., B P.A. Th futur of agnti nor, Snor and Atuator, A56 (1996), 39-55 Autor: prof. dr hab. inż. Sławoir Tuańki, Polithnika Warzawka, Intytut Elktrothniki Tortyznj i Sytów Inforayjno-Poiarowyh, E-ail: tula@i.pw.du.pl 7