Датчик Холла. Принцип работы, физические процессы

Датчик Холла. Принцип работы, физические процессы

Датчиком Холла называют магнитоэлектрическое устройство, работа которого основана на эффекте Холла и которое предназначено в основном для измерений величин магнитных полей, а также для создания различных преобразователей использующих электромагнитные поля.

Эффект Холла заключается в том, что при помещении проводящей пластинки (Рис.1) с током в магнитное поле в пластинке в направлении перпендикулярном току возникает электрическое поле и соответственно напряжение - напряжение Холла (ЭДС Холла). Эффект назван в честь ученого Эдвина Холла открывшего эффект.

Будем считать, что свободными носителями заряда в пластинке являются электроны, и они обеспечивают проводимость пластинки. При отсутствии магнитного поля электроны движутся в электрическом поле E источника напряжения под действием силы Кулона (Fk = eE, e - заряд электрона) в целом прямолинейно в направлении положительного электрода (против направления электрического поля E источника напряжения в пластинке) (Рис.2). После появления магнитного поля величиной индукциии B на движущиеся со скоростью V электроны начинает действовать сила Лоренца (Fl = eVB) и изменять их траекторию приближая ее к окружности, отклоняя электроны к одной из граней пластинки (Рис.3). Отклонение электронов происходит до тех пор, пока кулоновская сила поля Холла Fх не уравновесит силу Лоренца Fl.

Таким образом, возле одной из граней пластинки скапливается избыточное количество электронов, и она заряжается отрицательно относительно противоположной грани. Возникает электрическое поле Ex (поле Холла) и соответственно на электрических контактах противоположных граней напряжение Холла Ux (ЭДС Холла) (Рис.4).

Рассматривая кинетические явления в пластинке можно получить формулу определяющую величину напряжения Холла:

ε х ≈ Ux = A/ne ⋅ IB/d, (1)

где коэффициент A ≈ 1 ÷ 2 (зависит от механизма рассеяния), n - концентрация носителей заряда, I - величина тока, d - толщина пластинки.

Более подробный анализ формулы (1) показывает, что практически основным параметром материала пластинки датчика, который определяет чувствительность датчика Холла (γ = ΔUx/ΔB) является подвижность носителей тока μ (I = μne). Поэтому чувствительные элементы датчиков Холла изготавливают из полупроводниковых материалов с высокой подвижностью носителей тока: InSb, GaAs, Si, Ge. У некоторых подвижность может достигать десятков тысяч см2/В⋅с.

Чувствительные элементы датчиков Холла изготавливаются в виде различной формы пластинок с четырьмя контактными площадками и электрическими выводами. Форма пластинки может быть различной. Чаще всего близкой к крестообразной (рис.5). Размеры пластинки влияют на чувствительность, линейность характеристики. Поэтому размеры оптимизируют при разработке датчика. Как правило, длина чувствительного элемента не менее чем в три раза превышает ширину.

В настоящее время при изготовлении используют микроэлектронные планарные технологии, что позволяет создавать чувствительные элементы с размерами рабочей области на уровне 100х100 мкм. Чувствительность современных датчиков Холла может достигать нескольких тысяч мВ/Тл.

Смотри также:

Криогенные датчики Холла