Датчики Холла и магнитосопротивления

Глава 14

ДАТЧИКИ ХОЛЛА И МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЯ

§ 14.1. Физические основы эффекта Холла и эффекта магнитосопротивления

Эффект Холла — это физическое явление, которое заклю­чается в следующем. Рассмотрим пластинку (рис. 14.1) из прово­дящего материала, вдоль которой проходит ток I. Если перпенди­кулярно плоскости пластинки и направлению тока действует маг­нитное поле напряженностью Я, то в пластине возникает ЭДС, пропорциональная и току, и напряженности магнитного поля:

                                                 Е=КIН,                                  (14.1)

где K=k_x /d — коэффициент, зависящий от материала и толщины пластины d; k_x — постоянная Холла.

Направление этой ЭДС, которая называется ЭДС Холла, пер­пендикулярно току и полю, т. е. ее можно замерить между боко­выми продольными гранями пластины (рис. 14.1) с помощью элек­троизмерительного прибора. Причина появления ЭДС Холла в том, что на движущиеся заряды в магнитном поле действует сила Ло­ренца. Ток в пластине — это и есть упорядоченное движение за­рядов (в металле — электронов). Под действием магнитного поля они смещаются перпендикулярно на­правлению своего движения и вблизи одной продольной грани возникает из­быток зарядов, а вблизи другой — недо­статок. В обычных проводниковых ма­териалах ЭДС Холла очень мала, что объясняется малой скоростью (точнее — подвижностью) носителей тока из-за их большой концентрации.

Рекомендуемые материалы

Хотя эффект Холла известен уже более ста лет, прак­тическое применение его началось лишь в итоге развития технологии получения полупроводников. Имен­но в чистых полупроводниках обеспечивается высокая подвиж­ность носителей тока, поэтому постоянная Холла для чистых по­лупроводников во много раз больше, чем для металлов.

Эффект магнитосопротивления — это другое физическое явле­ние, заключающееся в изменении сопротивления проводящих тел в магнитном поле. Объясняется это тем, что в присутствии магнит­ного поля на носители тока действует сила Лоренца, изменяющая траекторию их движения. Если бы не было магнитного поля, то под действием приложенного к проводящему телу напряжения носи­тели тока перемещались бы по кратчайшему направлению. Изме­нение траектории под действием магнитного поля всегда удлиняет путь носителей тока, что проявляется как увеличение сопротивле­ния. В сильных поперечных магнитных полях некоторые вещества могут иметь относительное увеличение сопротивления а=Д/?//? в десятки раз. Чаще всего величина а связана с напряженностью магнитного поля Я квадратичной зависимостью

                                                                                 (14.2)

где k_R — коэффициент, зависящий от материала и размеров.

Эффекты Холла и магнитосопротивления используются в дат­чиках, с помощью которых могут быть измерены различные элект­рические и магнитные величины. Кроме того, они могут исполь­зоваться для математической обработки электрических сигналов: сложения, умножения, деления, возведения в квадрат и извлече­ния корня; для различных преобразований электрических сигна­лов.

§ 14.2. Материалы для датчиков Холла и датчиков магнитосопротивления

Использование датчиков Холла для целей автоматиче­ского измерения будет рациональным в том случае, если они име­ют достаточно высокую чувствительность и мало подвержены влия­нию температуры. Чувствительность датчика зависит от выходной ЭДС, т. е. от постоянной Холла, которая, в свою очередь, опреде­ляется подвижностью носителей тока. В проводящих телах носи­телями тока являются электроны. При обычных температурах электроны находятся в хаотическом тепло­вом движении с самыми различными скоростями. Однако если вдоль тела соз­дать электрическое поле Е, приложив напряжение U, то все электроны начнут передвигаться в направлении поля с некоторой средней скоростью v (при этом отдельные электроны могут иметь как большую, так и меньшую скорости). Подвижность носителей тока (р) опре­деляется как отношение скорости v к на­пряженности электрического поля Е:

                   (14.3)

Подвижность зависит от того, как часто электрон при своем движении сталкива­ется с решеткой твердого тела. Следует особо отметить, что большое значение ЭДС Холла еще не означает, что в этом веществе велик эффект Холла и оно годится для технических при­менений. Большое значение ЭДС может быть полученj за сче* большого напряжения U, т. е. больших затрат электрической энергии. В то же время в другом материале такая же ЭДС Холла и те же скорости носителей тока могут быть получены при мень­шем напряжении только за счет большей подвижности. Такой ма­териал выгоднее для применения в датчике Холла.

Короче говоря, основным требованием, предъявляемым к мате­риалам для датчиков, является сочетание большой подвижности носителей тока с минимальными температурными зависимостями.

В зависимости от технологии изготовления различают кристал­лические (в форме пластинки) и пленочные датчики.

В качестве материала кристаллических датчиков используются различные соединения индия: мышьяковистый индий IriAs, фосфид индия 1nР, сурьмянистый индий InSb, а также германий Ge и крем­ний Si.

Наибольшее значение постоянной Холла у материала InSb, но оно сильно зависит от температуры. На рис. 14.2 показаны зависимости постоянной Холла от температуры для разных материалов (1 — InSb, 2 — InAs, 3 —твердый раствор InAs и 1пР). Для гер­мания постоянная Холла в десятки раз меньше, но он обладает значительно большим удельным сопротивлением. Из германия можно делать датчики с сопротивлением в несколько килоом. Еще ббльшим удельным сопротивлением обладает кремний, но его труд­нее очистить от примесей. Высокую степень очистки полупроводни­ковых материалов получают при плавке в космических лаборато­риях.

Для размещения в узких зазорах очень удобны пленочные дат­чики Холла. Для их изготовления используется метод испарения в вакууме исходного вещества с последующим осаждением на под­ложку из слюды. Толщина пленочных датчиков составляет 10— 30 мкм, что в сотни раз меньше, чем у кристаллических датчиков. Материалом для пленочных датчиков служат соединения ртути: селенид ртути HgSe и теллурид ртути HgTe. Чем тоньше пленка, тем меньше постоянная Холла. По своим возможностям примене­ния в системах автоматики пленочные датчики примерно равно­ценны с германиевыми и даже лучше по температурной стабильно­сти. Но они очень дорогие. В настоящее время проводятся иссле­дования   новых   материалов,   пригодных   для   использования   в датчиках Холла и магнитосопротивления.

§ 14.3. Применение датчиков Холла и датчиков магнитосопротивления

Основное применение датчики Холла и датчики магнито­сопротивления находят для измерения магнитных полей. Они при­меняются в очень широком диапазоне напряженности магнитного поля: от 1 до 10⁹ А/м. С их помощью можно определять кривые намагничивания магнитных материалов, распределение магнитных полей в электрических машинах и электромагнитных устройствах. При измерениях в сильных магнитных полях (H>10⁷ А/м) ЭДС Холла составляет десятые доли вольт и  может быть  измерена вольтметром с  большим  внутренним сопротивлением  или с по­мощью   компенсационной   схемы.   Регулировка   чувствительности производится изменением напряжения, питающего датчик. Для уве­личения выходного сигнала  используют последовательное соеди­нение нескольких датчиков Холла. При измерениях в средних маг­нитных полях (10⁵ А/м<H<10⁷ А/м) требуется усиление выход­ного напряжения датчика. При измерениях в слабых магнитных полях (H<10⁵ А/м)  используют так называемые концентраторы магнитного поля.  В  качестве таких концентраторов  используют круглые длинные стержни с узким зазором между ними, куда и по­мещается датчик. Стержни изготовляют из материалов с высокой магнитной проницаемостью, чаще всего из пермаллоя. При длине стержней в 1 метр, диаметре 5 мм и зазоре в 0,3 мм можно полу чить коэффициент усиления магнитного поля в 1500 раз. Датчики Холла с концентраторами магнитного поля способны чувствовать напряженность магнитного поля в 0,1 А/м. С их помощью можно исследовать даже очень слабое магнитное поле Земли. Однако на­до отметить, что измерения средних и слабых магнитных полей с помощью датчиков Холла пока целесообразны лишь в лаборатор­ных, а не промышленных условиях.

   В средних и слабых магнитных • полях датчики Холла очень чувствительны к колебаниям температуры и нуждаются в стабиль-ном питании и сложных измери­тельных схемах. Например, тер-моЭДС между материалом дат­чика и его выводами соизмери­ма с выходным сигналом. Да и при измерениях в сильных маг­нитных полях используют схемы термокомпенсации погрешности с помощью терморезисторов, а по­рой даже и термостатироваиие, т. е. измерения проводят в каме­ре, где автоматически поддержи­вается постоянная температура.

По   существу,   датчик   Холла является элементарным умножающим устройством, поскольку его выходной сигнал пропорциона­лен произведению напряженности на ток. На этом, в сущности, и основаны все возможные применения датчика Холла. При посто­янном токе через датчик выходной сигнал пропорционален напря­женности магнитного поля. А поместив датчик в постоянное маг­нитное поле, можно измерять ток, проходящий через него, по зна­чению ЭДС Холла. Это единственный способ определения распре­деления токов в электролитических ваннах.

5.1. Краткая характеристика источников воды - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Датчики магнитосопротивления также вначале использовались для измерения магнитных полей, но затем были вытеснены более совершенными датчиками Холла на новых полупроводниковых ма­териалах. Однако датчики магнитосопротивления по устройству проще датчиков Холла. Наилучшей формой для датчика магнито­сопротивления является диск с одним выводом в центре и дру­гим — на окружности. Зависимости относительного изменения со­противления датчиков магнитосопротивления разной формы от маг­нитной индукции показаны на рис. 14.3.

Основным достоинством датчика магнитосопротивления являет­ся возможность бесконтактного изменения активного сопротивле­ния.

Одним из возможных применений датчиков магнитосопротив­ления является создание бесконтактных клавишных выключателей. При нажатии на кнопку такого выключателя перемещается магнити изменяется магнитный поток, воздействующий на датчик магни-тосопротивления.

Известны также применения датчиков Холла и магнитосопро-тивления в системах автоматики в качестве измерителей тока в токоведущих шинах, бесконтактных потенциометров для преобра­зования механического перемещения (линейного или углового) в пропорциональный электрический сигнал. Удобно применять дат­чики Холла в автоматических устройствах, контролирующих состоя­ние стальных канатов.

Пока еще датчики Холла и датчики магнитосопротивления срав­нительно мало применяются в системах промышленной автомати­ки. Но бурное развитие полупроводниковой технологии ведет к расширению их применения.

Следует отметить, что в последнее время к таким датчикам при­бавились еще и близкие по принципу действия магнитодиодные и гальваномагнитно-рекомбинационные преобразователи.