Измерения с помощью датчиков, преобразователей, сенсоров
Датчики Холл - эффекта (основы)

   До сравнительно недавнего времени эффект Холла использовался лишь для изучения электрических свойств веществ. С открытием элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений, таких, как, например, Gе, НgSе, InSb, НgТе, InАs, обладающих большой подвижностью носителей тока - электронов или дырок, этот эффект нашел ряд весьма важных применений для ряда приборов.
   Главным элементом любого из этих приборов служит так называемый датчик холл - эффекта (Холла). Он представляет собой небольшую по величине полупроводниковую пластинку прямоугольной формы с припаянными к ней четырьмя проволочными электродами, из которых два токовых, а два холловских. Этот тип датчика получил название кристаллического. Существуют также и пленочные датчики. На тонкую изоляционную пластинку, например слюду, накладывается тонкий слой полупроводникового вещества, обычно методом испарения в вакууме. Так же как и в предыдущем случае, с полупроводником контактируют проволочные выводы.
   В Советском Союзе первые типы кристаллических и пленочных датчиков, а также некоторые приборы на их основе были разработаны в Институте полупроводников АН СССР В. Н. Богомоловым, В. П. Жузе, А. Р. Регелем и О. Д. Елпатьевской.
а) Магнитометр. Начнем рассмотрение приборов с измерителя магнитных полей, называемых магнитометрами, которые состоят из датчика холл - эффекта и потенциометра.
   Холловская разность потенциалов пропорциональна напряженности магнитного поля, ее можно измерить при помощи полупроводниковой пластинки, помещенной в магнитном поле. Для измерения магнитных полей в тонких зазорах лучше воспользоваться не полупроводниковой пластинкой, а тонкой пленкой.
   Датчик холл - эффекта (рис. 1) состоит из тонкой слюдяной подложки прямоугольной формы, на которую наносится слой полупроводника, обладающего соответствующими электрическими параметрами. На этот слой наносятся четыре металлических электрода, из которых два - токовые. Другая пара электродов предназначена для снятия холловской разности потенциалов. К электродам подводятся тонкие проводники. Пластинка с полупроводниковым слоем может иметь толщину от 10 до 100 мк. Провода от холловских электродов датчика идут к переносному потенциометру. Чувствительность датчика колеблется в пределах 20-100 мкв/эрстед.
   Безынерционность холл - эффекта дает возможность при помощи датчика измерять переменные магнитные поля до частот в 10^12 гц. Датчики могут быть весьма малых размеров, что позволяет применять их для исследования топографии поля.

   В принципе подобными датчиками можно измерять как очень малые (Н =10^-5 эрстед), так и весьма большие (Н = 10^5 эрстед) поля. Регулировкой силы тока, текущего сквозь полупроводниковый слой, достигается разная чувствительность датчика. Последняя определяется практически уровнем шумов. Поэтому в пленочных датчиках достаточно надежные измерения целесообразно проводить в полях от 1 эрстед и выше.
   Устройство с датчиком холл - эффекта используют и для измерения напряженности постоянного магнитного поля. Такой магнитометр - лишь один из вариантов прибора, предназначенного для магнитных измерений. Эти измерения проводятся далеко не в одинаковых условиях. Поэтому магнитометр для изучения переходных процессов в электрических машинах должен быть иначе сконструирован, чем тот же прибор для исследований, допустим, кривых намагничивания магнитных материалов и т. д. Точно так же различны и условия, предъявляемые к самому материалу датчика. Они в значительной мере зависят от целей, для которых предназначается измеритель магнитных полей.
   Использование эффекта Холла для нужд практики выходит далеко за пределы одних лишь измерений магнитных полей. Датчики холл - эффекта, соответственным образом конструктивно оформленные, у которых вместо полупроводниковой пленки помещена поли- или монокристаллическая полупроводниковая пластинка, могут решать различные технические задачи.

Рис.1. Внешний вид пленочного датчика Холл - эффекта

первые датчики Холла
Современный датчик на основе эффекта Холла.

   Датчики Холла выпускаются многими компаниями в мире, например, компанией Honeywell. В России наиболее просто можно приобрести датчик ДХК-0.5А.
   Датчик Холла ДХК-0.5А предназначен для измерения величины магнитной индукции на основе преобразования магнитной индукции в выходное напряжение. Датчик выполнен на основе планарной топологической структуры, сформированной на поверхности кремниевого кристалла.
   Основные технические характеристики:
Номинальный управляющий ток - 3 мА;
Напряжение Холла при магнитной индукции 0.25 Т и номинальном управляющем токе - 70 мВ (чувствительность K = 280 мВ/Т);
Остаточное напряжение при номинальном управляющем токе - не более 7 мВ (значение этого параметра зависит от условий поставки);
Входное сопротивление - 1.8 ... 3 кОм (сопротивление между выводами Iх);
Выходное сопротивление - не более 3 кОм (сопротивление между выводами Uх);
Масса - не более 2.5 г.
-Iх и +Iх - выводы для подключения источника управляющего тока (токовые выводы);
-Uх и +Uх - выводы выходного сигнала (холловские выводы);
сопротивление между токовыми выводами меньше, чем между холловскими.

Выходное напряжение в мВ:
+Uх - (-Uх) = K · (Iх / 3) · B,
где
     Iх - значение управляющего тока в мА,
     K - чувствительность в мВ/Т (около 280 мВ/Т),
     B - величина магнитной индукции в Т.
   Датчик ДХК-0.5А является знакочувствительным как по отношению к направлению магнитной индукции, так и по отношению к полярности управляющего тока.

Смотри также:
Криогенные датчики Холла
схема датчика Холла
    Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал  © 2011 - 2017                          Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки 
русский / english
Главная  >> Магнитные поля  >>  Датчики Холл - эффекта (основы)
  НОВОСТИ, РЕКЛАМА 
датчики, сенсоры, измерительные преобразователи
Датчик магнитного поля
Датчики, преобразователи. Sensors, transducers
Loading...