Snímače magnetického poľa

   Typickým znakom používania magnetických snímačov je, že meranie samotného magnetického poľa nie je obvykle primárnym cieľom. Magnetické snímanie umožňuje nepriamo a bezkontaktne merať charakteristiky smeru, orientáciu, prítomnosť, rotáciu, uhol i elektrický prúd na základe vyhodnocovania zmien, ktoré v magnetickom poli pozorovaný objekt pri svojej činnosti vyvoláva. Preto sú magnetické merania využiteľné vo veľmi širokom aplikačnom spektre.

   Základný popis indukčných senzorov poskytuje Faradayov zákon. Typický snímací element magnetometra s indukčnou cievkou je kruhový závit, alebo štíhly solenoid. Vzduchové cievky sú stabilné a s teoreticky úplnou linearitou. Ich citlivosť je však obmedzená, a naviac pre jednosmerné, alebo pomaly sa meniace pole je nulová. S rastúcou frekvenciou sa lineárne zvyšuje, preto sú vhodné na meranie rýchlych zmien magnetických polí.

   Typická optimalizácia vzduchových cievok je riešená zväčšovaním priemeru a ich relatívnym skracovaním. Cievky s feromagnetickým jadrom majú väčšiu citlivosť, ale sú menej tepelne stabilné a zvyknú zaviesť nelinearitu a šumy do energetického prevodu. Môžu byť dlhé a štíhle, aby mali nízku demagnetizáciu, teda vysoké μef. Moderné nízkošumové indukčné cievky zvyčajne pracujú v režime nakrátko, teda s prúdovým výstupom. Nízkošumové napäťové, alebo prúdové predzosilňovače sú zvyčajne umiestnené v tesnej blízkosti indukčnej cievky a tak môžu byť považované za súčasť senzora. Indukčné senzory sú pasívne a treba ich odlíšiť od induktančných senzorov, ktoré sú založené na zmene indukčného odporu a ktoré potrebujú budenie. Sú ale aj zdrojom rušených magnetických signálov, ktoré môžu ovplyvňovať iné citlivé meracie zariadenia.

   Indukčné snímače v geofyzike slúžia na meranie krátkodobých pulzácií zemského magnetického poľa (v rozsahu 1 mHz - 1 Hz). V audiofrekvenčných aplikáciách sú využité v magnetických nahrávacích prístrojoch. Geofyzikálny prieskum môže tiež využívať prirodzené elektromagnetické pole s kolísaním v rozsahu od 1 Hz do 20 kHz [3]. Vo vesmírnom výskume indukčné sú cievky použité v experimentoch s plazmou. Magnetické antény sa používajú pre navigáciu a komunikáciu v ponorkách, vlakoch a pod. Jednými z veľmi dôležitých aplikácií sú merania elektromagnetickej kompatibility (EMC) a nízkofrekvenčných magnetických polí (ELF) (50 alebo 60 Hz). Cievky so vzduchovým jadrom sa používajú tiež hlavne ako zdroje stimulačných magnetických signálov. Konštanta cievky môže byť spoľahlivo vypočítaná len pre veľmi jednoduchú cievku so vzduchovým jadrom s presne definovanými rozmermi.

   Fluxgate snímače merajú veľkosť a smer jednosmerného magnetického toku, alebo nízko frekvenčného magnetického toku v rozsahu približne od 10-10 do 10-4 T. Základný princíp snímačov je zobrazený na obr. 2. Mäkký magnetický materiál v jadre snímača je periodicky magnetizovaný v oboch polaritách AC excitačným poľom, ktoré je vytvárané excitačným prúdom Iexc cez excitačnú cievku. Vonkajšie magnetické pole B0 je superponované v jadre k budiacemu poľu a spôsobuje jeho moduláciu „privieranie“ alebo „hradlovanie“ (fluxgating) magnetického toku, čo dáva tejto metóde aj názov. Obr.3 zobrazuje zjednodušený zodpovedajúci časový priebeh vlny. Výstup snímača je zvyčajne napätie Ui druhej (a všetkých párnych harmonických) harmonickej zložky indukované do snímacej cievky. Toto napätie je úmerné meranému poľu.

   princíp bol použitý skôr v magnetických modulátoroch a magnetických zosilňovačoch, ale v týchto prípadoch meranou veličinou bol DC elektrický prúd, ktorý pretekal cez primárnu cievku. Komplexná bibliografia prác o skorších fluxgate snímačoch bola zostavená pánom profesorom Primdahlom [4 - 6]. Prvý patent na fluxgate senzor (v 1993) bol priznaný H. P. Thomasovi [7]. Aschenbrenner a Goubau pracovali na fluxgate senzoroch od konca roka 1920; do roku 1936 oznámili 0,3 - nT rozlíšenie na snímači s kruhovým jadrom [8]. Citlivé a stabilné senzory pre detekciu ponoriek boli rozvinuté v priebehu druhej svetovej vojny. Fluxgate magnetometre boli použité pre geofyzikálne hľadanie, letecké mapovanie polí a neskôr pre vesmírne aplikácie. Počnúc obdobím Sputnika 3 1958, boli vypustené stovky fluxgate magnetometrov (zväčša trojzložkových). Fluxgate magnetometre pracovali na Mesiaci [9] a v hlbokom vesmíre [10]. Od roku 1980 boli použité stanice pre meranie magnetických variácií vybavené fluxgate snímačmi, podporované protónovým magnetometrom [11] na sledovanie zmien v Zemskom magnetickom poli [12]. Fluxgate kompasy sú široko používané pre navigáciu lietadiel a automobilov. Förster [13] začal používať princíp fluxgate v nedeštruktívnych testoch feromagnetických materiálov. Princíp fluxgate je tiež použitý v prúdových snímačoch a prúdových komparátoroch [14]. Kompaktné fluxgate magnetometre sú použité v navigácii, detekcii a vyhľadávaní, v diaľkových meraniach DC prúdov a na čítanie magnetických kariet a znakov.

   Fluxgate snímače sú prístroje bez akýchkoľvek pohyblivých časí a pracujú v širokej tepelnej škále. Sú odolné a spoľahlivé a vykazujú nízku spotrebu energie. Dokážu dosiahnuť rozlíšenie 10 pT, dlhodobú stabilitu 1 nT s rozlíšením 100 pT a absolútnu presnosť 10 nT, čo je štandardom v komerčne vyrábaných prístrojoch. Väčšina DC fluxgate magnetometrov má hraničnú frekvenciu niekoľko Hz, ale v prípade potreby fluxgat - y dokážu pracovať až do frekvencií rádovo kHz. Fluxgate snímače sú teplotne stabilné: offsetový posun môže byť 0,1 nT/ºC a citlivostné tempco je obyčajne okolo 30 ppm/ºC, ale niektoré fluxgate magnetometre sú kompenzované až do 1 ppm/ºC. Väčšina fluxgate snímačov pracuje v režime spätnej väzby; výsledná linearita magnetometra je typicky 30 ppm.

   Fluxgate snímače sú najlepšou alternatívou, ak sa vyžaduje rozlišovacia schopnosť v rozsahu nT. Môžu vykazovať šumovú hladinu porovnateľnú k vysokoteplotným supravodivým kvantovo - interferenčným prístrojom (SQUID), ale pri oveľa väčšom dynamickom rozsahu. Ak sa merajú polia o hodnotách len niekoľko pT, alebo aj slabšie, mal by sa použiť nízkoteplotný SQUID. Pre vyššie polia, konkurenciu fluxgate - om robia magnetorezistory, najmä anizotropné magnetorezistančné (AMR) senzory (časť 2.3). Komerčne prístupné AMR magnetorezistory majú rozlišovaciu schopnosť horšiu ako 10 nT, ale sú menšie, lacnejšie a spotrebujú menej energie ako fluxgate snímače.

   Gordon a Braun [15] a Primdahl [16] napísali vynikajúce recenzie o fluxgate snímačoch. Najdôležitejším, zdrojom informácií o vývoji fluxgate snímačov v Rusku a bývalom ZSSR sú knihy napísané Kolachevskym [17] a Afanasievom [18]. Posledný prehľad o fluxgate - och bol publikovaný v roku 1992 [19]. Zaujímavý pokročilý fluxgate magnetometer bol skonštruovaný pre satelit Oersted vypustený v roku 1999 za účelom mapovania magnetického poľa Zeme [20].

   Typický moderný nízkošumový fluxgate magnetometer je paralelným typom snímača s kruhovým jadrom. Fázovo citlivý detektor extrahuje druhú harmonickú v indukovanom napätí, a snímacia cievka slúži aj pre spätnú väzbu. Iné druhy konštrukcií sú používané pre špecifické účely, ako sú napríklad miniatúrne tyčové snímače pre nedeštruktívne snímanie pozície/polohy [1].

   Magnetorezistívne snímače sú založené na párovaní elektrónov, ktoré závisí na smere ich spinu s ohľadom k spontánnej magnetizácii feromagnetických materiálov. Anizotropná magnetorezistivita (AMR) je používaná v tenkých filmoch a gigantická magnetorezistivita (GMR) je jav založený na výmennom párovaní vo viacvrstvových ultratenkých magnetických a nemagnetických vrstvách (supermriežka). Nedávno objavená kolosálna magnetorezistivita (CMR) bude tiež potenciálom pre budúce senzorové aplikácie.

   Magnetorezistívny efekt bol objavený v roku 1857 Thomsonom [36], ale len posledné tri desaťročia výskumov a vývoja umožnili túto aplikáciu použiť v priemyselných senzoroch a čítacích hlavách záznamových zariadeniach. Súčasný pokrok je založený na modernej mikroelektronickej technológii a požiadavkách miniaturizácie. Magnetorezistívne snímače sú teda vhodné pre stredne silné magnetické pole ako napríklad navigácia v zemskom magnetickom poli a poloha meracích systémov. Môžu byť vyrobené technológiou integrovaných obvodov malých rozmerov a za nízku cenu, ktorá je ich hlavnou a nevyhnutnou požiadavkou pre prijatie širokými distribučnými sieťami. [1]

   Existujú tri odlišné fyzikálne javy, ktoré jednotlivo ovplyvňujú elektrický odpor pevného vodiča vloženého do magnetického poľa. Prvý princíp - Hallov jav je založený na Lorentzovej sile. Zvyšovanie odporu je dosiahnuté v širokom a krátkom vodiči alebo lepšie polovodiči vďaka odchýleniu toku prúdu, čo spôsobuje Lorentzova sila (Hallov jav). Táto sila je úmerná pohyblivosti elektrónov μe a indukcii vonkajšieho magnetického poľa. Druhý princíp nájdeme v paramagnetických a diamagnetických polovodičoch a kovoch, napr. bizmut. Využíva ohyb energetických pásov pri Fermiho hladine, ktorý je úmerný indukcii vonkajšieho magnetického poľa. Tretí princíp sa prejavuje odlišne vo feromagnetických a ferimagnetických tenkých filmoch s rovnakou orientáciou spontánnej magnetizácie, ktorá je paralelná do ľahkej osi minima jednoosovej anizotropnej energie pri neprítomnosti vonkajšieho magnetického poľa. To je AMR.

   Veľa aplikácií v magnetickom snímaní a detekcii vyžaduje vysokú citlivosť a rýchlosť, pri nízkej spotrebe prevodníkov, ktoré môžu byť integrované na kremíkovom čipe. GMR materiály tvoria univerzálny základ pre takéto použitie. Môžu byť vyrobené pre široký rozsah budiacich polí s rôznymi odporovými hodnotami, tvarom a veľkosťou. A taktiež môžu byť realizované priamo v integrovanom obvode. Ich vysoká citlivosť, presné výsledky a malé rozmery ich predurčujú na magnetické aplikácie. Ich rozmery sú malé a cena nízka, pretože môžu byť vyrobené priemyselnou polovodičovou technológiou. Ukážkovým príkladom toho sú všadeprítomné integrované čítacie hlavy v pevných diskoch počítačov.

   GMR efekt bol objavený koncom roka 1980 niekoľkými odlišnými výskumnými skupinami [37 - 39] a jeho základné vlastnosti boli značne rozsiahle [40 - 42]. Pretože ide o mladú technológiu, je relatívne nevyvinuté jej porovnanie s inými magnetickým snímacím technológiám ako sú Hallov jav, AMR a fluxgate magnetometre. Ale pretože má niektoré kľúčové výhody oproti iným typom snímacích materiálov je kladený veľký dôraz na vývoj senzorov GMR pre širokú škálu aplikácií. Najrýchlejší vývoj je pre komerčné aplikácie (napr. čítacie hlavy) [43].

   Snímače magnetického poľa založené na Hallovom jave sa používajú pre merania silnejších polí, sú však jednoduché, miniatúrne a lacné. Preto patria medzi najpoužívanejšie magnetometre. Merací efekt spočíva v registrácii miery separácie kladných a záporných voľných nosičov náboja v polovodičovej doštičke pod vplyvom zložky magnetického poľa kolmej na smer ich pohybu. Meraná veličina je určená meraním Hallovho napätia, pri znalosti driftovej rýchlosti a koncentrácie voľných nosičov náboja, geometrie polovodičovej doštičky. Merací rozsah sa pohybuje od 10 T do 10 T pri presnosti 0,2 % v celom rozsahu merania. [2]

   Hallové magnetické snímače sa používajú na meranie magnetických polí najčastejšie od rádovo militesiel nahor. Často sa používajú ako kľúčová zložka v bezkontaktných senzoroch pre lineárnu polohu, uhlovú polohu, rýchlosť, otáčanie a elektrický prúd. V roku 2000 presiahol trend 2 bilióny predaných Hallových magnetikých senzorov vo svete. Dnes asi ťažko nájdete vo svete nové auto, ktoré by nemalo použitých niekoľko Hallových magnetických senzorov, používaných hlavne ako senzory polohy. Milióny ventilátorov a diskových mechaník osobných počítačov využívajú motory bez trenia s Hallovými magnetickými senzorami vo vnútri. A milióny prúdových senzorov v rôznych výrobkoch sú tiež realizované na Hallových magnetických senzoroch. Okrem toho svetová produkcia Hallových magnetických senzorov narastá a oblasť využitia sa patrične rozširuje.

   Odhliadnuc od ich jednoduchosti a dobrých charakteristík, dôležitou vlastnosťou Hallových magnetických snímačov je ich výborná kompatibilita s mikroelektronickou technológiou. Optimálne materiálové charakteristiky, štruktúra a rozmery zariadenia, proces vytvorenia sú podobné ako pri výrobe polovodičov. Z toho dôvodu vývoj Hallových magnetických senzorov nevyžadoval zvláštne investície do výrobných procesov, na rozdiel od všetkých ostatných magnetických snímačov.

   Hallove magnetické snímače pracujú zvyčajne dobre v oblasti magnetického toku s hustotou väčšou ako 1 mT, pri teplote v rozmedzí od -100 ºC do +100 ºC a pri frekvenčnom rozsahu od 0 Hz (DC) do 30 kHz. Samozrejme presné hodnoty týchto parametrov závisia na materiáloch a tvare Hallovho zariadenia, a môžu sa značne líšiť v konkrétnych prípadoch [1].

   V optickej metóde merania, parametre svetelného lúča sa menia podľa vplyvu meraného magnetického poľa - Kerrov jav. Výsledky merania sú viazané v optickom lúči a môžu byť prenášané na veľké vzdialenosti voľným vzduchom, alebo optickým káblom. Výhodami optickej metódy sú bezkontaktnosť, vysoká stabilita s ohľadom na magnetickú interferenciu a bezproblémové oddelenie, v prípade merania v prostredí s vysokým napätím. Naviac, optické metódy sú často spájané s veľkou presnosťou a meranie môže byť vykonávané v širokom frekvenčnom a dynamickom rozsahu, aj keď meranie je viazané iba na povrch magnetického materiálu.

   Magnetická optika sa zaoberá interakciou svetla s médiom, ktoré je vystavené externému magnetickému poľu, ktorá zahŕňa zmeny v polarizácii a šírení svetla. To značne prispelo k vývoju modernej optickej meracej techniky. Magneto-optika tiež umožňuje meranie magnetického poľa prostredníctvom jeho priameho vplyvu na svetlo. Toto môže byť kombinované s inými optickými metódami meraní používanými na meranie parametrov svetelných lúčov, napríklad ich moduláciu, alebo ich snímanie. [1]

   Nukleárna magnetická rezonancia (NMR) je fyzikálny princíp, ktorý využívajú protónové magnetometre, ktoré merajú skalárnu veličinu magnetického poľa. Tieto snímače sú orientačne nezávislé. Pri meracom rozsahu od 20 T do 15 T majú presnosť - 0,0002 % a dnes sú najrozšírenejším typom meradiel absolútneho typu. Metóda spočíva v periodickej magnetickej excitácii protónov vhodného média (napr. voda a pod.) a meraní frekvencie precesnej rezonančnej odozvy pomocou cievky obklopujúcej médium. Meraná veličina je určená nepriamo meraním času - periódy precesnej rezonančnej odozvy po excitácii, pri znalosti počiatočného gyromagnetického podielu protónov média. [2]

   Tieto prístroje sú určené na meranie jednosmernej zložky magnetického poľa a meranie trvá rádovo niekoľko sekúnd. Použitie tohto typu magnetometrov je v spomenutých súvislostiach odôvodnené len v špeciálnych podmienkach typu geofyzikálnych observatórií, metrologických observatórií, na diagnostikovanie v medicíne, spektroskopické vyšetrovanie materiálov, zloženia látok v chémii a absolútne meranie slabého magnetického poľa, kde tieto prístroje slúžia ako etalóny. [2]

   Supervodivý quantovo-interferenčný prístroj je veľmi citlivý magnetometer, ktorý sa používa na meranie extrémne malých magnetických polí, menších ako 1 fT (femto - 10-15 T). Jeho princíp je založený na možnosti registrácie diskrétnych zmien indukovaného prúdu v supravodivej slučke s Josephsonovým prechodom. Supervodivé cievky nemajú v podstate žiadny elektrický odpor, preto veľkosť prúdu indukovaného vo vnútri cievky okamžite vyrovnáva veľmi malé zmeny veľkosti meraného magnetického toku. SQUID pracuje ako vysoko ziskový konvertor prúdu na napätie, ktoré je periodickou funkciou magnetického toku. Stacionárna zložka poľa sa dá potom určiť len nepriamo, integráciou diskrétnych kvantizačných prúdových skokov pri znalosti počiatočných podmienok integrácie. Meraná veličina sa určuje nepriamo meraním času (registrácia kvantového preskoku a integrácia v čase), pri znalosti plochy slučky. Týmto meracím systémom sa dosahuje presnosť 0,2 % v celom rozsahu merania. [2]

   Tradičným supervodivým materiálom pre SQUID - y je čistý niób, alebo zliatina s 10 % zlata prípadne india. Ako čistý je nestabilný pri meniacej sa teplote. Na udržanie supervodivosti sa používa tekuté hélium, ktoré obklopuje celý prístroj a udržiava ho pri teplote niekoľko stupňov nad absolútnou nulou (približne 4 K) [44].

   Magnetické anorfné a nanokryštalické mikrodrôty sú jedným z najnovších výsledkov výskumu a zvládnutia mikro a nano technológií v oblasti magnetických materiálov. Sú mimoriadne ľahké, pružné (ohybné), odolné, antikorózne a najmä vhodné pre aplikácie v senzorovej technike so širokou aplikačnou škálou. Na základe javu magnetoimpedancie alebo dynamiky doménových stien umožňujú meranie magnetických a množstva odvodených veličín ako meranie pnutí a podobných magnetických veličín, alebo teploty s rozmermi rádovo mikrometre. Samotné mikrodrôty sú pritom relatívne ľahko dostupné a veľmi lacné. Z jedného kg základného materiálu je možné vyrobiť až 40.000 km mikrodrôtu. Základným materiálom je amorfná zliatina s dominantnými zložkami železa a kobaltu. Ďalšie prímesi ako nikel, kremík a iné formujú špecifické vlastnosti mikrodrôtu pre danú aplikáciu. Mikrodrôty sa skladajú z jadra, ktoré je tvorené amorfnou kovovou zliatinou a zo skleneného plášťa. Preto sú potom chemicky veľmi odolné a použiteľné v agresívnych prostrediach a v prostrediach silných elektrických polí.

   Špecifickou vlastnosťou mikrodrôtov je ich extrémne malý prierez, ktorý má rozmery od jednotiek po stovky mikrometrov. Tento malý prierez spôsobuje, že zmena magnetizácie v jadre sa deje jedným mohutným skokom jedinej doménovej steny obzvlášť v prípade axiálnej magnetickej anizotropie. Táto diskrétna zmena magnetizácie sa udeje pri takzvanom kritickom vonkajšom poli. Teda magnetický mikrodrôt môže slúžiť ako precízny komparátor vonkajších magnetických polí. Jednoduché snímacie vinutie potom môže detekovať tieto diskrétne skoky doménovej steny a cez vyhodnotenie času získame informáciu o veľkosti vonkajšieho magnetického poľa. Budiace vinutie je napájané zo zdroja prúdu väčšinou v tvare trojuholníka, alebo harmonického priebehu. Konštrukciou magnetometrov tohto typu sa zaoberá viacero rozpracovaných dizertačných prác na Katedre leteckej technickej prípravy v spolupráci s katedrou Fyziky UPJŠ Košice.