Преобразователи Холла

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ХОЛЛА

Содержание

1. Эффект Холла

2. Параметры и характеристики датчиков Холла

3. Изготовление и применение датчиков Холла

4. Точностные характеристики датчиков Холла

5. Погрешности преобразователей Холла

6. Динамические характеристики преобразователей Холла

7. Магниторезистивный эффект

8. Изготовление магниторезисторов

9. Применение магниторезисторов

10. Основные метрологические характеристики магниторезисторов

Вывод

Контрольные вопросы

Список литературы

1. Эффект Холла

В основе датчиков э. д. с. Холла лежит явление искривления пути носителей заряда в полупроводниках, находящихся в магнитном поле. Это явление впервые было открыто американским физиком Эдвином Холлом в 1876 г.

Рассмотрим прямоугольную пластину полупроводника с электропроводностью n-типа, расположенную, как показано на рис. 1, а.

В направлении оси х протекает ток I_x от внешнего источника. Пластина помещена в магнитное поле Н_y, перпендикулярное направлению тока.

В отсутствие магнитного поля электроны двигаются в пластине в направлении электрического поля Е_x. В магнитном поле электроны отклоняются под действием силы Лоренца:

, (1)

где е - заряд электрона; В_y -индукция магнитного поля, направленного вдоль оси у; v_x= -_nE_x - скорость электрона в направлении тока; _n - подвижность электронов. Эта сила направлена перпендикулярно как направлению магнитного поля, так и направлению тока (вдоль оси Z, рис. 1). Поэтому электроны смещаются перпендикулярно направлению их первоначального движения. При условиях, показанных на рис. 1, на зажиме А должен быть отрицательный потенциал относительно зажима Б, так как верхняя поверхность полупроводника, к которой отклоняются электроны, будет заряжаться отрицательно, а противоположная поверхность - положительно. Заряды создают в пластине поперечное электрическое поле, названное по имени ученого полем Холла. Процесс образования объемных зарядов у поверхностей прекратится лишь тогда, когда напряженность поля Холла будет полностью компенсировать действие на электроны силы Лоренца. Условие равенства сил, действующих на электрон со стороны электрических и магнитных полей, может быть записано в виде

, (2)

откуда может быть определено поле Холла

(3)

или э. д. с. Холла

, (4)

где d -- толщина пластины (рис. 1, б). Возникновение э. д. с. Холла называется эффектом Холла.

Протекающий через образец с шириной b и сечением S ток плотностью j_x, обусловленный действием электрического поля, связан с концентрацией и скоростью электронов соотношением:

. (5)

Решая совместно уравнения (4) и (5), получим

, (6)

где R_x=-1/en - коэффициент Холла, связывающий поперечную разность потенциалов с индукцией магнитного поля. Величина его зависит от материала пластины, содержания примесей и температуры.

Из выражения (6) следует, что величина э. д. с. Холла зависит от физических свойств материала пластины, от ее размеров, а также, от величины протекающего через нее тока и от воздействующего на этот ток магнитного поля.

Если пластина имеет электропроводность p-типа, то основная часть тока создается дырками, движущимися слева направо, тогда в левой части уравнения (2) следует поставить знак плюс. Траектории дырок в этом случае будут смещаться вверх, верхняя поверхность будет накапливать положительный заряд и э. д. с. Холла будет положительной.

Вывод выражения для э. д с. Холла сделан без учета хаотического теплового движения электронов и их распределения по скоростям. Более строгий расчет дает формулу для коэффициента Холла в полупроводнике с электропроводностью n-типа:

и в полупроводнике с электропроводностью р-типа

.

преобразователь датчик магниторезистивный

Для полупроводников, имеющих собственную электропроводность или содержащих носители заряда обоих типов в сравнимых концентрациях, коэффициент Холла описывается выражением

(9)

Если концентрации электронов и дырок в образце равны и равны их подвижности, то э. д. с. Холла будет равна нулю, так как направление движения дырок противоположно направлению движения электронов и электроны и дырки будут смещаться магнитным полем в одну и ту же сторону. В действительности в полупроводниках подвижность электронов больше подвижности дырок, поэтому в собственном полупроводнике э.д. с. Холла соответствует по знаку электронному образцу .При переходе от собственной электропроводности к дырочной э. д. с. Холла проходит через нуль и изменяет знак.

2. Параметры и характеристики датчиков Холла

Датчик Холла представляет собой магнитоэлектрический полупроводниковый прибор, основанный на использовании эффекта Холла, На рис. 2 показаны схемы включения датчика Холла.

Напряжение, подаваемое на управляющие электроды U₁, называется входным напряжением датчика Холла, а сопротивление R₁ между этими электродами называется входным сопротивлением.

Величина этого сопротивления при отсутствии магнитного поля определяется по формуле

, (10)

где р -- удельное сопротивление полупроводника.

С ростом напряженности магнитного поля входное сопротивление

увеличивается.

Напряжение между двумя другими (холловскими) контактами называется выходным и обозначается U₂ (рис. 2). Сопротивление между холловскими контактами называется выходным и обозначается R₂ . Величина его при отсутствии магнитного поля определяется выражением

. (11)

Здесь не учтена неравномерность распределения тока по сечению датчика. Выходное сопротивление, так же как и входное, с увеличением магнитного поля растет.

На рис. 3 приведено семейство вольт-амперных характеристик датчика для одного и того же значения входного тока и для нескольких значений индукции магнитного поля. С возрастанием поля крутизна возрастает вследствие того, что возрастает внутреннее сопротивление датчика R₂.

Одной из важных характеристик датчика, позволяющей оценить его эффективность, является коэффициент передачи К. Он определяется как отношение выходного напряжения к входному при заданном значении управляющего магнитного поля:

. (12)

Учитывая выражения (8), (6) и что I₁ = U₁/R₁, можно найти коэффициент передачи:

. (13)

Коэффициент передачи с увеличением индукции магнитного поля возрастает.

Обычно датчик э. д. с. Холла работает на внешнюю нагрузку. Схема включения показана на рис. 2 (нижний рисунок). Подводимая к датчику мощность от внешнего источника тока равна

(14)

Ток, протекающий в выходной цепи датчика Холла,

; (15)

где R_Н -- сопротивление нагрузки. Мощность, отдаваемая в нагрузку,

. (16)

При согласовании выходного сопротивления и нагрузки достигается максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку,

. (17)

Учитывая (6), получим

(18)

Максимальная отдаваемая мощность ограничивается предельно допустимой мощностью рассеяния на датчике. Коэффициент полезного действия датчика Холла определяется как отношение мощности, отдаваемой в нагрузку Р_Н к мощности на его входе:

.

При согласованной нагрузке, учитывая (12) и (16), к. п. д. датчика

(19)

К. п. д. датчика Холла обычно не превышает 20%. Величина его не зависит от входного тока.

Для увеличения э. д: с. Холла и выходной мощности необходима увеличивать входную мощность.

Важной характеристикой датчика Холла является чувствительность . Определяется она как э. д. с., возникающая на холловских контактах при единичном управляющем токе и единичном значении магнитной индукции:

(20)

Выражение (6) с учетом (18) примет вид

(21)

Важным параметром датчика Холла является отношение, характеризующее э. д. с. Холла, приходящееся на единицу магнитной индукции. Этот параметр называется магнитной чувствительностью:

(22)

3. Изготовление и применение датчиков Холла

Для изготовления датчиков Холла необходимо добиваться следующих основных показателей:

а) высокого значения R_x, когда необходимо получить высокое значение э. д. с. Холла в режиме холостого хода;

б) высокой проводимости при заданном значении коэффициента Холла, когда датчик работает на внешнюю нагрузку, потребляющую ток, и часть э. д. с. Холла падает на внутреннем сопротивлении датчика между электродами Холла, обусловливая вредные потери;

в) низкого температурного коэффициента, коэффициента Холла и проводимости.

Материал, из которого изготовляют датчик Холла, должен иметь максимальную подвижность носителей заряда с минимальными температурными зависимостями подвижности и концентраций носителей заряда.

Из формулы (6) видно, что для получения наибольшего значения э. д. с. Холла необходимо выбирать материал с небольшой электропроводностью.

Для этой цепи используют пленки селенида и теллурида ртути, антимонида индия и твердые растворы этих соединений. Они обладают высокой подвижностью носителей заряда даже в тонких монокристаллических пленках. Тонкопленочные датчики, полученные методом испарения из этих материалов, обладают слабой зависимостью коэффициента Холла и сопротивления от температуры и от напряженности магнитного поля, что определило их широкое применение, несмотря на сравнительно низкую э. д. с. Холла.

Для изготовления датчиков Холла применяют также монокристаллический германий и кремний, легированные мышьяком, фосфором и сурьмой. Датчики, изготовленные из этих материалов, имеют высокий коэффициент Холла и низкий температурный коэффициент (особенно кремниевые). Максимальная величина э. д. с. Холла достигает 1В.

Применяется для изготовления датчиков Холла антимонид индия, арсенид индия, а также сплав антимонида индия и ангимонида галлия. Датчики, изготовленные из этих материалов, имеют сильную зависимость сопротивления и коэффициента Холла от температуры и магнитного поля. Это ограничивает их применение.

Из формулы (6) видно, что э. д. с. Холла будет тем выше, чем тоньше образец полупроводника. Поэтому датчики э. д. с. Холла изготовляют в виде пластинок или тонких пленок, тем более, что с их помощью производится измерение магнитных полей в малых зазорах.

Для получения высокого коэффициента передачи геометрические размеры необходимо выбирать в соотношении l/b = 23.

Полупроводниковый слиток разрезается на пластины, которые посредством шлифовки доводятся до требуемой толщины. Далее пластины разрезают на прямоугольники нужных размеров, которые снабжают четырьмя омическими контактами. Два из них предназначены для подведения к датчику напряжения от внешнего источника. Они выполняются по всей ширине пластины, чтобы получить равномерное распределение входного тока по сечению пластины на всей ее длине. Два других электрода предназначены для регистрации э. д. с. Холла.

Эти контакты должны быть расположены строго в одном сечении, в противном случае между ними будет возникать разность потенциалов и при отсутствии магнитного поля за счет протекания тока.

Учитывая, что выходной ток очень мал, иногда выходные электроды выполняют точечными. Из теллурида и селенида ртути датчики Холла могут быть изготовлены также прессованием порошков при температуре около 500 К.

Пленочные датчики изготавливают посредством нанесения тонких пленок на подложку методом вакуумного испарения исходного материала.

Материалом подложки могут служить слюда, керамика или другие изоляционные материалы. Материал подложки должен обеспечить хорошую адгезию напыляемого материала и иметь с ним близкий температурный коэффициент линейного расширения.

Контакты пленочных датчиков наносят испарением в вакууме.

Для стабилизации параметров готовую пленку в течение нескольких часов подвергают термостарению при температуре 100° С. Пленочные датчики тоньше пластиночных. Их толщина определяется в основном подложкой. Преимуществом их является высокое сопротивление, что удобно при согласовании с нагрузкой.

Получили развитие два новых прогрессивных метода изготовления датчиков Холла. Это метод диффузии, примеси я метод эпитаксиального выращивания. Оба эти метода широко применяют при изготовлении диодов и транзисторов.

Посредством диффузии примеси на материале p-типа образуется p- n-переход. На диффузионном n-слое размещаются электроды, а p- n-переход служит изолирующим слоем (рис. 4).

При эпитаксиальном выращивании подложкой может быть как монокристаллическая пластина того же материала, так и изоляционные материалы.

Датчики Холла, полученные этими методами, имеют преимущества монокристаллических датчиков (высокий коэффициент Холла и хорошую стабильность) и преимущества пленочных (высокую чувствительность). Толщина рабочего слоя у них не более, чем у пленочных.

Для защиты от механических и климатических воздействий изготовленный датчик покрывают синтетической смолой и приклеивают к изоляционной подложке или помещают в бронзовый корпус. Последний способствует отводу от датчика тепла.

На рис. 5 приведено несколько конструктивных исполнений датчика Холла. На рис. 5, а показан датчик, выпускаемый без корпуса и подлежащий заливке компаундом после установки в воздушный зазор магнитопровода. На рис. 5, в приведен датчик с оболочкой из эпоксидной смолы. На рис. 5, б показан датчик, заключенный в ферритовую оболочку с симметричной магнитной системой.

Ферритовое основание 1 и крышка 4 имеют одинаковые размеры. Полупроводниковая пластина 6 наклеена прямо на ферритовое основание. Ферритовый стержень 3 концентрирует магнитный поток на поверхность датчика. Стенки 5 и 2 выполнены из немагнитного материала и обеспечивают необходимый зазор между ферритовым стержнем и полупроводниковой пластиной (обычно 2--3 мкм).

На основе эффекта Холла можно создать ряд устройств и приборов, обладающих ценными и даже уникальными свойствами и занимающих важное место в измерительной технике, автоматике, радиотехнике и т. д.

Так как э. д. с. Холла пропорциональна току I и индукции магнитного поля, то при постоянной величине тока величина э. д. с. будет пропорциональна только индукции магнитного поля. Это позволяет использовать датчики Холла для измерения индукции магнитных полей.

Одним из приборов, в которых используется это свойство, является магнитометр, измеряющий как малые, так и большие поля (10 -- 10б А/м).

Кроме того, датчики э. д. с. Холла применяют для измерения токов и мощностей. Если поддерживать постоянной напряженность магнитного поля, то э. д. с. Холла будет изменяться пропорционально величине тока, протекающего через датчик. Если датчик Холла поместить в магнитное поле, пропорциональное протекающему через нагрузку току, и на вход его подать напряжение, пропорциональное напряжению на нагрузке, то э. д. с. Холла будет пропорциональна мощности, выделяемой в нагрузке.

Датчики Холла могут применяться для измерения силы, давлений, углов, перемещений и других неэлектрических величин.

Если, например, датчик Холла перемещать в неоднородном магнитном поле, поддерживая входной ток постоянным, то э. д. с. Холла будет изменяться пропорционально напряженности магнитного поля, а следовательно, и местоположению датчика.

В полупроводниковом производстве эффект Холла используется для измерения подвижности и концентрации носителей полупроводникового материала. Для этой цели на специальном подготовленном образце измеряют э. д. с. Холла и по его величине судят о подвижности и концентрации носителей заряда материала, используемого для изготовления полупроводниковых приборов.

4. Точностные характеристики датчиков Холла

Характеристики серийно выпускаемых преобразователей Холла приведены в табл. 1 и 2. Лучшими метрологическими характеристиками обладают преобра зователи Холла типа ПХЭ на основе гетероэпитаксиальных структур антимонида индия, которые в зависимости от метрологических характеристик разделяются на классы А, Б и В. Некоторые разновидности этих преобразователей характеризуются очень малым температурным коэффициентом чувствительности (5ч10)?10^-5 К^-1, малым остаточным напряжением (10--70 мкВ), малой погрешностью линейности при магнитных индукциях до 15 Тл и широким диапазоном рабочих температур (от --271,5 до +100°С). Для работы при повышенных температурах (до 127-327 °С) наиболее пригодны преобразователи Холла из арсенида галлия, которые имеют относительно малые температурные коэффициенты постоянной Холла и удельные сопротивления.

Остаточным напряжением преобразователя Холла называется напряжение, которое возникает между Холловыми электродами при прохождении через преобразователь тока в отсутствии магнитного поля. Причиной остаточного напряжения в первую очередь является расположение Холловых электродов в неэквипотенциальных точках пластины.

При наличии температурного градиента между Холловыми контактами, каждый из которых является соединением медного вывода с полупроводниковым материалом, в цепи возникает термо-ЭДС. При разности температур между контактами 0,1 °С возникает термо-ЭДС е_т = 10ч100 мкВ. Для уменьшения градиента температур преобразователь следует укреплять на подложке из материала с хорошей теплопроводностью. Суммарное остаточное напряжение может составлять от единиц микровольт до десятков милливольт. У серийно выпускаемых преобразователей значения U_ост/I лежат в пределах 10^-6--0,4 Ом.

Коррекцию остаточного напряжения также можно осуществить при совместном использовании преобразователя Холла и операционного усилителя с дифференциальным входом. Особенно пригодны для этой цели операционные усилители типа К551УД1, которые имеют малый температурный дрейф (менее 1 мкВ/К) и независимую цепь коррекции выходного смещения, при помощи которой осуществляется компенсация остаточного напряжения.

Таблица 1

Тип преобразователя	Номинальный ток, мА	Чувствительность при номинальном токе, В/Тл	Входное сопротивление, Ом	Температурный коэффициент сопротивления, К-1	Температурный коэффициент чувствительно-сти, К-1	Диапазон рабочих температур, °С	Размеры преобразователя, мм	Материал
Х111 Х210	10 100	0,45-0,2 0,06-0,12	30-180 0,5-5	0.005 0.002	0.003-0.005 0.0015	-40…+80 -60…+80	1.5Ч0.8Ч0.2 0.85Ч0.55Ч0.2	Германий
Х211 Х213 Х221 Х222 Х224	100 160 120 180 210	0,06-0,15 0,09-0,32 0,07-0,18 0,1-0,32 0,12-0,48	0,5-5 0.5-5 0.5-5 0.5-5 0.5-9	0.002 0.002 0.002 0.002 0.002	0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015	-60…+90 -60…+100 +40…+80 -60…+100 -60…+120	1.5Ч0.8Ч0.2 5Ч3Ч0.2 1.5Ч1Ч0.2 4Ч2Ч0.2 8Ч4Ч0.2	Арсенид индия (InAs)
Х510 Х511	90 100	0,036-0,2 0,04-0,32	1-6 1-6	0.0004 0.0004	0.0009 0.0009	-100…+60 -100…+80	0.85Ч0.56Ч0.2 1.5Ч1Ч0.15	Арсенид-фосфид индия (InAsP)
ДХГ-2 ДХГ-2С ДХГ-2М ДХГ-0,5 ДХГ-0,5М	13-15 20-23 6-8 25-30 10-12	0,45 0,8 0,2 0,25 0,12	220-320 220-360 200-350 40-90 40-120	0.004 0.004 0.004 0.006 0.006	0.002 0.002 0.002 0.0002 0.0002	-60…+70 -60…+70 -60…+70 -60…+90 0…-70	6Ч3Ч0.15 12Ч6Ч0.16 2.6Ч1.6Ч0.15 1.8Ч0.6Ч0.16 6Ч3Ч0.15	Германий
ДХК-7 ДХК-14	13-15 6-9	0,5 0,6	500-1000 500-1000	0.013 0.013	0.0008 0.0008	-156…+200 -156…+200	6Ч3Ч0.15 6Ч3Ч0.2	Кремний

Таблица 2

Тип преоб-разователя

Чувствительность при токе 100 мА, В/Тл

Остаточное напряжение, мкВ

Температурный коэффициент чувствительности, К-1

Погрешность линейности при В=0ч2 Тл, %

Температурный коэффици-ент оста-точного напряже-ния, мкВ/К

Размеры преобразователя, мм

Размеры чувствительной зоны, мм

Входное и выход-ное со-против-ления, Ом

Класс преобразователя

А

Б

В

А

Б

В

А

Б

В

А

Б

В

ПХЭ 602 117

0,5

0,3

0,2

110

50

20

±0,002

±0,001

±0,0005

-

-

-

5

5Ч3Ч0,8

2Ч0,5

10

ПХЭ 602 817 ПХЭ 605 817 ПХЭ 606 817

0,1

0,08

0,06

30 30 50

20 20 30

10 10 20

±0,0003

±0,0002

±0,0001

- ±2 -

±1,5 - ±1,0

±1,0 - ±0,5

2

5Ч3Ч0,8 3Ч2Ч0,8 2Ч1,5Ч0,8

2Ч0,5 1Ч0,25 0,5Ч0,15

3

ПХЭ 602 118 ПХЭ 605 118

0,075

0,05

0,03

30

20

10

±0,0002

±0,0001

±0,00005

±1

±0,5

±0,3

1

5Ч3Ч0,8 3Ч2Ч0,8

2Ч0,5 2Ч0,25

2

ПХЭ 603 118 ПХЭ 606 118

100 50

75 30

50 20

±2

±1,0

±0,5 ±0,05

2

2Ч3Ч0,8 2Ч1,5Ч0,8

0,2Ч0,05 0,5Ч1,15

5. Погрешности преобразователей Холла

Погрешность нуля, обусловленная дрейфом остаточного напряжения, является одной из наиболее трудно устраняемых составляющих погрешности преобразователей Холла. Дрейф главным образом связан с колебаниями температуры преобразователя и наличием градиента температур между его электродами. Одной из причин возникновения градиента температур является эффект Пельтье, который имеет место при питании преобразователя постоянным током.

Погрешность нуля является основной характеристикой, определяющей применимость преобразователей Холла для измерения слабых магнитных полей.

Погрешность линейности у различных типов преобразователей при изменении магнитной индукции от 0 до 10 Тл составляет 1--10%.

Хорошей линейностью характеристик отличаются преобразователи Холла из антимонида индия, у которых погрешность линейности составляет 0,1--1% в диапазоне В=0ч2 Тл и 1% при В=0,1ч10 Тл. Малую погрешность линейности (0,2%) при магнитной индукции до 1 Тл имеют преобразователи из арсенида-фосфида индия (InAsP).

Погрешность от собственного магнитного поля преобразователя. При прохождении через преобразователь тока возникает магнитное поле. Если это поле асимметрично, то интегральное по площади пластины значение индукции не будет равна нулю, а составит некоторую величину B_ас. Асимметрия поля может иметь место, если обратный провод токового вывода расположен вблизи преобразователя и асимметрично по отношению к нему. Возникающая в результате взаимодействия индукции В_ас и тока I дополнительная ЭДС Холла пропорциональна квадрату тока I. Если преобразователь находится на значительном расстоянии от ферромагнитных деталей, то магнитная индукция собственного поля преобразователя обычно не превышает 10^-6--10^-4 Тл. При нахождении преобразователя вблизи полюсных наконечников индукция этого поля может достигать 5·10^-4--10^-3 Тл, что приводит к существенной погрешности. Основной путь уменьшения влияния собственного магнитного поля -- правильный монтаж преобразователя.

Погрешность направленности обусловлена зависимостью выходного сигнала преобразователя Холла от его пространственного расположения по отношению к вектору магнитной индукции. Напряжение Холла имеет максимальное значение, когда вектор магнитной индукции направлен параллельно магнитной оси преобразователя, указывающей направление наибольшей чувствительности. В идеальном случае магнитная ось совпадает с нормалью к плоскости преобразователя.

Вопросы стабильности преобразователей Холла еще недостаточно изучены. По имеющимся данным, нестабильность чувствительности у некоторых типов преобразователей составляет 0,1 -- 1% в год. Существенное влияние на стабильность могут оказать механические напряжения, возникающие в процессе изготовления преобразователя и при его монтаже в датчике, а также температурные деформации. Преобразователи без подложки более стабильны, чем наклеенные на подложку.

Температурная погрешность преобразователей Холла обусловлена зависимостью от температуры постоянной Холла, сопротивления преобразователя и остаточного напряжения. Температурный коэффициент чувствительности у лучших типов преобразователей составляет (5ч10)·10^-5 К^-1. Малые значения температурной погрешности характерны для преобразователей на основе гетероэпитаксильных структур InSb тройного соединения InAs_0,8P_0,2 (г_И?0,0003 К^-1), из арсенида галлия (г_И?0,0006 К^-1 в диапазонах температур 20--300 °С), а также для некоторых типов преобразователей из германия (г_И?0,0003 К^-1), предназначенных для работы в относительно узком диапазоне температур.

Если температурные коэффициенты постоянной Холла и сопротивления имеют одинаковые знаки и близки по значению, коррекцию температурной погрешности можно осуществить при питании преобразователя от источника стабильного напряжения. Такой режим питания целесообразно применять для преобразователей Холла из антимонида индия. Уменьшение температурной погрешности достигается также при применении схем коррекции с использованием терморезисторов. Однако, поскольку напряжение Холла сложным образом зависит от ряда температурно-зависимых параметров, осуществить точную коррекцию температурной погрешности практически невозможно, особенно для широкого диапазона рабочих температур.

6. Динамические характеристики преобразователей Холла

Время установления ЭДС Холла характеризуется временем релаксации ф=е/г, где е -- диэлектрическая проницаемость, а г -- удельная проводимость материала преобразопателя. Для обычно используемых материалов ф=10^-11ч10^-13 с, поэтому постоянная Холла частотно-независима при частотах до 10¹¹ Гц. Межэлектродные емкости у преобразователей Холла составляют единицы пикофарадов, поэтому их влияние сказывается при частотах порядка десятков и сотен мегагерц.

Динамические свойства непосредственно преобразователя Холла, казалось бы, позволяют использовать его при измерениях индукции в переменных магнитных нолях очень высокой частоты. Однако при работе в переменных магнитных нолях возникают ограничения несколько иного рода. В переменном магнитном ноле в выходной цепи преобразователя появляется дополнительная ЭДС, индуктируемая переменным магнитным полем, e_инд=щB_mScosщt, где щ -- частота; B_m -- амплитуда индукции и S -- площадь контура, пронизываемого магнитным потоком. Индуктируемая ЭДС сдвинута по отношению к ЭДС Холла на 90°. Уменьшение индуктируемых ЭДС осуществляется рациональным расположением выводов преобразователя и включением дополнительных компенсационных обмоток. Возможно также питание преобразователя переменным током, частота которого значительно больше частоты переменного магнитного поля, и использование узкополосных усилителей для усиления выходного напряжения. Кроме того, в переменном магнитном поле в пластине преобразователя возникают вихревые токи, магнитное поле которых изменяет основное поле и тем самым ЭДС Холла. Вектор наведенной магнитной индукции сдвинут относительно вектора индукции внешнего ноля примерно на 90°, и поэтому изменение ЭДС Холла происходит не только по значению, но и по фазе. Вихревые токи приводят также к дополнительному разогреву преобразователя. При питании преобразователя Холла постоянным током и нахождении его в переменном магнитном поле с частотой до 1,5 МГц и индукцией до 0,5 Тл зависимость ЭДС Холла от частоты имеет вид

,

где г -- электрическая проводимость материала преобразователя; м -- маспитиая проницаемость среды, окружающей преобразователь; ц = arctg щмгb²/8 -- фазовый сдвиг.

Как видно, характеристика ЭДС Холла сильно зависит от ширины преобразователя b. Так, например, при расположении преобразователя Холла толщиной 100 мкм и шириной 6 мм между двумя ферритовыми наконечниками (м?2000 м₀) ЭДС Холла увеличивается в 1,5 раза при изменении частоты магнитного поля от 0 до 1,5 МГц, а сдвиг фазы между ЭДС Холла и магнитной индукцией достигает 57°. При уменьшении ширины преобразователя в два раза (b=3 мм) и неизменных прочих условиях увеличение ЭДС Холла составляет всего 3%.

При питании преобразователей током высокой частоты имеет место поверхностный эффект, который приводит к уменьшению эффективной толщины преобразователя и к увеличению его чувствительности. Для серийно выпускаемых преобразователей поверхностный эффект мало сказывается при частотах до 10⁷ Гц. Для работы при более высоких частотах питающего тока необходимо использовать пленочные преобразователи толщиной 5--10 мкм.

Анализ основных метрологических характеристик преобразователей Холла показывает, что основная погрешность большинства приборов, в которых используются преобразователи Холла, составляет 0,5--1,0 % и более. Только при применении сложных методов коррекции можно снизить погрешность измерения до 0,1-- 0,2 % при работе в узком диапазоне температур.

7. Магниторезистивный эффект

Магниторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, основное свойство которого заключается в способности изменять свое электрическое сопротивление под действием магнитного поля.

Магниторезистивный эффект, или эффект Гаусса, заключается в изменении удельной проводимости полупроводника при изменении воздействующего на него магнитного поля.

Пластина полупроводника помещается во внешнее поперечное магнитное поле, и вдоль нее пропускается ток. Действие силы Лоренца вызывает искривление траектории носителей заряда и приводит к удлинению пути, проходимого носителями между электродами, к которым приложено внешнее электрическое поле, что эквивалентно возрастанию удельного сопротивления полупроводника.

Увеличение сопротивления полупроводника происходит и когда магнитное поле направлено перпендикулярно направлению протекания электрического тока, и когда направление магнитного поля параллельно направлению тока. В первом случае мы имеем дело с поперечным эффектом магнитосопротивления, получившем практическое применение. Второй случай носит название продольного эффекта магнитосопротивления. Практического применения он не нашел из-за слабого изменения сопротивления в магнитном поле.

Магнитосопротивление можно определить как разность между сопротивлением магниторезистора в магнитном поле R_в и без магнитного поля (начальное сопротивление). Начальное сопротивление R₀ определяется материалом и используемой конструкцией.

К факторам, влияющим на магнитосопротивление, относятся геометрия полупроводниковой пластины, концентрация и подвижность носителей. Приращение удельного сопротивления полупроводника в области слабых магнитных полей пропорционально квадратам подвижности и магнитной индукции:

где А -- постоянная, зависящая от материала полупроводника; р0 -- удельное сопротивление полупроводника при отсутствии магнитного поля. В более сильных полях показатель степени в выражении лежит в пределах 12. Магнитосопротивление зависит также от формы образца.

Установлено, что магнитосопротивление увеличивается при уменьшении отношения длины пластины к ее ширине. Чем длиннее путь носителя заряда в полупроводнике без соударений с другими частицами, тем больший поток носителей отклоняется. Это означает, что подвижность электронов в полупроводнике играет важную роль для повышения сопротивления. Поэтому при использовании магниторезистивного эффекта чаще всего применяют антимонид индия InSb и арсенид индия InAs, характеризующиеся высокой подвижностью электронов.

Причем второй имеющих конфигурацию диска (диск Корбино). Дело в том, что относительный рост сопротивления в имеет прирост сопротивления примерно на порядок меньший. В настоящее время разработаны магниторезисторы на основе эвтектического сплава InSb--NiSb.



Магнитосопротивление наибольшее у образцов, магнитном поле тем больше, чем выше отношение длины пластины к ее ширине. В диске Корбино ток подводится к центру, а отводится при помощи электрода, опоясывающего диск по окружности. Линии тока будут иметь вид радиальных лучей, расходящихся от центра диска (рис. 6, а). При помещении диска в магнитное поле электрическое поле Холла не возникает и под действием силы Лоренца линии тока образуют не кратчайший путь от электрода к электроду, а имеют форму кривых (рис. 6, б).

В плоской полупроводниковой пластине при воздействии магнитного поля в направлении, перпендикулярном плоскости пластины, поле Холла оказывается ослабленным за счет шунтирующего действия токовых электродов. В результате сила Лоренца, воздействующая на электроны, оказывается скомпенсированной не полностью, и траектории их движения искривляются.

Однако магниторезисторы в форме диска и прямоугольника имеют низкое начальное сопротивление.

Лишены этого недостатка конструкции составных магниторе-зисторов, являющихся последовательным соединением многих прямоугольных магниторезисторов с малым отношением длины пластины к ее ширине.



Одной из основных характеристик магниторезистора является зависимость R_B=f(В). Эта зависимость (рис. 7) при малой магнитной индукции квадратична относительно В, а при больших линейна.

На рис. 8 представлена зависимость относительного изменения сопротивления R_R/R₀ от удельной проводимости в InSb. Наибольшее значение достигается при использовании материала с удельной проводимостью = 250 (Омсм)^-1.

Характеристики магниторезистора сильно зависят от температуры.

Зависимость сопротивления магниторезисторов от индукции внешнего магнитного поля при различных температурах окружающей среды приведены на рис. 9. Как видно из рисунка, при увеличении индукции от 0 до 1T сопротивление при нормальной температуре изменяется приблизительно в 6--12 раз. Поэтому при использовании магниторезисторов в широком интервале температур необходимо предусматривать температурную компенсацию их характеристик.

8. Изготовление магниторезисторов

На рис. 10 показаны магниторезисторы, изготовленные из InSb: дисковый в корпусе из эпоксидной смолы и прямоугольные на стеклянно-керамических подложках. Изготовляются они следующим образом. На изоляционную подложку толщиной 0,5 мм наклеивается пластинка толщиной 20 мкм из полупроводникового материала. На поверхность пластинки наносят проводящие электроды.

Если требуется высокое начальное сопротивление матниторезистора, то методом фотолитографии пластине придается форма, показанная на рис. 11. Благодаря такой форме удельное сопротивление магниторезистора может достигать нескольких сотен ом.

Подобную конструкцию имеют отечественные магниторезисторы СМ 1-1, выполненные из сплава InSb--NiSb.

Высокие магниторезистивйые свойства сплава InSb--NiSb обусловлены большой подвижностью носителей заряда в фазе InSb и наличием включений хорошо проводящей фазы NiSb.

Вместе с тем сравнительно высокая проводимость сплава (200--250 Ом^-1см^-1) вызывает необходимость использования тонких и длинных образцов для получения практически приемлемых значений сопротивления магниторезисторов. Поэтому проводящая дорожка этих приборов выполнена в форме «меандра» с контактными площадками. Ширина дорожки около 100, толщина 60--100 мкм.

Для реализации сопротивления в диапазоне 22--220 Ом созданы три различных конструктивных варианта. При этом в магниторезисторах с номинальными сопротивлениями 150 и 220 Ом резистивный элемент выполнен в виде двух одинаковых проводящих дорожек с сопротивлением, вдвое меньшим номинального.

Для механической прочности магниторезисторов их резистивные дорожки закреплены на основании из пермаллоя и изолированы от него слоем лака; гибкие проволочные выводы, припаянные к контактным площадкам резистивных дорожек, и сами дорожки для защиты от внешних воздействий также покрыты лаком. Использование пермаллоя, обладающего высокими значениями магнитной проницаемости и индукции насыщения, обеспечивает малую эффективную вели чину зазора магнитной системы, в которой используется магниторезистор.

Максимальная толщина магниторезистора с учетом толщин участков пайки не превышает 0,6 мм.

Уменьшение температурных коэффициентов сопротивления и магниторезистивного отношения может быть достигнуто использованием сплавов InSb -- NiSb, легированных Те, правда, за счет существенного уменьшения величины магниторезистивного отношения.



Максимальное изменение сопротивления магниторезисторов СМ1-1 в магнитном поле достигается при направлении магнитного поля, перпендикулярном плоскости магниторезистора. Его отклонение от это

гонаправления приводит к уменьшению магниторезистивного отношения от направления магнитного поля. Это свойство его использовано при создании датчиков угла поворота.

9. Применение магниторезисторов

Магниторезисторы применяются преимущественно в измерительной технике; для измерения магнитной индукции, мощности, в качестве анализатора гармоник. Магниторезисторы находят применение также в схемах удвоения частоты, преобразователей постоянного тока в переменный, в схемах усилителей и генераторов.

Магниторезисторы применяются также в качестве чувствительных элементов бесконтактных переключателей, датчиков линейных перемещений, бесконтактных потенциометров и во многих других областях электронной техники.

10. Основные метрологические характеристики магниторезисторов

Основными метрологическими характеристиками магниторезисторов являются начальное сопротивление R₀, которое лежит в пределах от долей ома до десятков килоом, и магниторезистивная чувствительность S_B=dR/dB. Обычно для характеристики магниторезистивных преобразователей используют зависимости ?R_B/R₀=F(B), где ?R_B=R_B-R₀. Для работы при

низких температурах весьма перспективны магниторезисторы из антимонида индия.

Температурный коэффициент сопротивления магниторезисторов (ТКС) зависит от состава материала, магнитной индукции и температуры. Чем больше чувствительность магниторезистора, тем больше его ТКС. Значения ТКС различных типов магниторезисторов имеют пределы 0,0002--0,012 К^-1.

Частотные характеристики магниторезисторов в основном определяются межэлектродными емкостями. У дисков Корбино частотная погрешность меньше, чем у прямоугольных преобразователей, для которых при изменении частоты от 0 до 10 МГц магниторезистивная чувствительность уменьшается на 5--10%.

Магниторезистивные преобразователи находят применение в качестве бесконтактных переменных резисторов и делителей напряжения с плавно регулируемым коэффициентом деления, модуляторов малых постоянных токов и напряжений, используются для создания тесламетров для работы при сверхнизких температурах и датчиков для измерения ряда неэлектрических величин, легко преобразуемых в изменение магнитной индукции, и бесконтактного измерения токов.

Вывод

Гальваномагнитные преобразователи (ГМП) основаны на физических эффектах, возникающих в находящихся в магнитном поле твердых телах при движении в них заряженных частиц. В качестве измерительных преобразователей практическое применение получили главным образом полупроводниковые ГМП, основанные на использовании эффектов Холла и Гаусса. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины, а эффект Гаусса, или магниторезистивный эффект, проявляется в изменении электрического сопротивления пластины. Оба эффекта обусловлены изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле, возникают одновременно и связаны между собой так, что каждый из них приводит к ослаблению другого. Выбирая определенным образом конструкцию и состав материала преобразователя, можно усилить один из эффектов и ослабить другой, создавая таким образом преобразователи Холла, или магниторезистивные преобразователи.

Контрольные вопросы

Сущность эффекта Холла.

Принцип действия датчиков Холла.

Какие параметры датчиков Холла Вы знаете.

Каким образом изготавливаются датчики Холла.

Где они применяются.

Какие типы датчиков Холла вы знаете.

Сущность магниторезистивного эффекта.

Принцип действия магниторезисторов.

Где применяются магниторезистивные преобразователи.

Какие характеристики магниторезисторов Вы знаете.

Список литературы

1. Новицкий П.В. Методы измерения физических величин. - М, 1989.

Размещено на Allbest.ru

...