Файл: Холл.doc

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.

Преобразователь Холла (ПХ) представляет собой четырехполюсник, обычно выполняемый в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала (рис.1). Токовые электроды 1 и 2 выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению преобразователя.

Потенциальные (холловские) электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней.

В магнитном поле носители заряда под действием сил Лоренца Fл = e  v  B

изменяют свою траекторию, вследствие чего на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, в то время как на противоположной грани – уменьшается. Возникающая при этом разность потенциалов Ех (ЭДС Холла) определяется выражением

E_x = R_x   ( К геом.,  )    B  cos L / d , ( 1 )

где R_x - постоянная Холла, зависящая от свойств материала преобразователя;

 ( К геом.,  ) – функция, зависящая от геометрии преобразователя и так называемого угла Холла  между векторами плотности тока и напряженности вызывающего его электрического поля, определяемого подвижностью носителей зарядов и значением магнитной индукции (при L / b = 2 и a / L  0,1 функция   1) ;

L – угол между вектором магнитной индукции и магнитной осью преобразователя, совпадающей в первом приближении с нормалью к плоскости преобразователя.

Особенно сильно эффект Холла проявляется в германии (Ge), кремнии (Si) и в полупроводниках, состоящих из элементов III и V групп периодической системы.

Как видно из выражения (1), выходная величина преобразователя Холла Е_х пропорциональна произведению двух входных величин – тока  и магнитной индукции В. Таким образом, преобразователь Холла является множительным преобразователем.

При постоянных во времени  и В ЭДС Холла Е_х является постоянной величиной. Если одна из входных величин (В или ) постоянна, а другая переменная, то ЭДС Холла будет переменной величиной той же частоты, что и частота входной величины. В случае, если обе входные величины имеют одну и ту же частоту  и сдвинуты по фазе на угол j , ЭДС Холла будет состоять из постоянной и переменной двойной частоты составляющих

Е_х = R_x / d  B    cos j + R_x / d  B    cos ( 2 t + j )

Если ток изменяется с частотой ₁, а магнитная индукция – с частотой ₂, то ЭДС Холла содержит две составляющие, одна из которых имеет частоту (₁ - ₂), а другая (₁ + ₂).

Использование различных режимов работы преобразователя Холла (ПХ) позволяет применять его в различных технических устройствах.

Назначением ПХ в устройствах первой группы является индикация магнитного поля. Управляющий ток  через преобразователь в этом случае неизменен, при чем он может быть как постоянным, так и переменным. Как правило ток имеет максимальное значение, ограничиваемое условиями допустимого нагрева прибора. Функция преобразования может быть и нелинейной, однако чувствительность к магнитному полю должна быть высокой. К первой группе устройств относятся бесконтактные реле, индикаторы, индикаторы положения перемещающихся деталей, бесконтактные клавиши, считывающие устройства в твердотельных запоминающих устройствах, переключающих и логических элементах, бесконтактные коммутаторы и др.

Ко второй группе относятся устройства, в которых преобразователи Холла служат для измерения магнитного поля. В этом случае через преобразователь должен протекать управляющий ток  постоянного значения, а выходной сигнал должен быть прямо пропорционален значению магнитной индукции В, т.е. требуется высокая линейность функции преобразования. К этой группе устройств относятся измерители напряженности магнитных полей, измерители электрических токов, устройства для магнитодефектоскопии и др.

К третьей группе относятся устройства, в которых используется свойство преобразователей Холла для перемножения аналоговых сигналов, подаваемых на его вход. Перемножающее свойство ПХ эффективно используется в аналоговых математических блоках, реализующих операции перемножения двух величин, операции возведения в степень, извлечение корня, деления. К этой же группе относятся измерители мощности, смесители и преобразователи частот, анализаторы периодических и случайных процессов.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ХОЛЛА

Входное сопротивление Rвх. Значение входного сопротивления измеряется между управляющими электродами (1,2) ПХ при разомкнутых холловских электродах (3,4) и при В = 0. Это сопротивление увеличивается с ростом магнитной индукции В, действующей на преобразователь. Поэтому при использовании ПХ для измерений напряженности магнитного поля необходимо питать его от источника тока (генератора тока).

Выходное сопротивление Rвых. Значение Rвых измеряется между холловскими электродами при разомкнутых управляющих электродах и при отсутствии магнитного поля (В = 0). Это сопротивление также как и Rвх зависит от значения магнитной индукции, воздействующей на преобразователь Холла. Вследствие магниторезистивного эффекта Rвх и Rвых увеличиваются с ростом магнитной индукции.

Остаточное напряжение Uост. Это напряжение, которое возникает между холловскими электродами при прохождении через преобразователь тока  в отсутствии магнитного поля (В = 0). Значение Uост зависит от направления и значения управляющего тока .

Погрешность направленности обусловлена зависимостью выходного сигнала ПХ 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.

Номинальное значение управляющего тока  ном. – значение управляющего тока, протекание которого через преобразователь Холла, не вызывает его нагрева выше, чем на 1015 С температуры окружающей среды.

Номинальное значение индукции управляющего магнитного поля Вном – представляет собой то предельное значение управляющего магнитного поля до достижения которого гарантируется заданная линейность ПХ. С ростом индукции управляющего поля растет Rвх. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы при высоких индукциях (В2Тл) значение управляющего тока не вызывало перегрева преобразователя.

Удельная чувствительность  уд.- определяется как отношение ЭДС Холла (Е_х) к соответствующим этой ЭДС значениям управляющего тока  и индукции В

уд = Е_х / (   В ) В/(АТл)

Магнитная чувствительность- представляет собой отношение ЭДС Холла к значению индукции (В) при номинальном управляющем токе (_ном.)

м.= Ех / В при  =  _ном.

Сопротивление линеаризации Rл. Характер зависимости напряжения Ех от магнитной индукции при прочих равных условиях определяется также значением сопротивления нагрузки Rн, подключенной к холловским электродам. Значение сопротивления нагрузки ПХ, при котором погрешность спрямления минимальна, называется сопротивлением линеаризации. Значение Rл может быть определено расчетным путем или экспериментально, путем последовательного снятия характеристик преобразования при различных значениях нагрузки.

Характеристика преобразования – это зависимость нормированного напряжения Холла (Ех / ) от магнитной индукции В (рис.2).

Погрешность спрямления (линейности) . Даже при оптимальном выборе геометрии ПХ и подключении его выхода к линеаризуещему сопротивлению Rл, характеристика преобразования Ех /  = f ( B ) имеет нелинейный характер (рис.2).

Для определения значения погрешности спрямления необходимо через характеристику преобразования и начало координат провести прямую таким образом, чтобы максимальное отклонение  над и под прямой были одинаковыми. Погрешность спрямления (нелинейность ПХ) определяется

 =  / (Ех /  ) _max  100 %