|
|
Датчики Холла. Преобразователи холла содержание
1.6. Динамические характеристики преобразователей Холла. Время установления ЭДС Холла характеризуется временем релаксации τ=ε/γ, где ε — диэлектрическая проницаемость, а γ — удельная проводимость материала преобразопателя. Для обычно используемых материалов τ=10-11÷10-13 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, eинд=ωBmScosωt, где ω — частота; Bm— 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 γ — электрическая проводимость материала преобразователя; μ — маспитиая проницаемость среды, окружающей преобразователь; φ = arctg ωμγb2/8 — 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 (μ≈2000 μ0) 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.
2.1. 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 Rви 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. М агнитосопротивление 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 RB=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 RR/R0от удельной проводимости в InSb. Наибольшее значение достигается при использовании материала с удельной проводимостью = 250 (Омсм)-1. Х арактеристики 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. 2.2. 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 кконтактным 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 магниторе-зистор. М аксимальная толщина магниторезистора сучетом 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. 2.3. 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. 2.4. 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 SB=dR/dB. Обычно для характеристики магниторезистивных преобразователей используют зависимости ∆RB/R0=F(B), где ∆RB=RB-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.
3. 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.
Новицкий П.В. Методы измерения физических величин. - М, 1989.
|
|
|
Скачать 1.8 Mb.