Измерения с помощью датчиков, преобразователей, сенсоров
    Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал  © 2011 - 2019                          Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки 
русский / english
Главная  >> Магнитные поля  >>  Датчик холла. Принцип действия, физические процессы
Датчики, сенсоры, измерительные преобразователи. Sensors, transducers
Датчики, преобразователи. Sensors, transducers
Датчики, преобразователи, sensors, gauge
Датчик холла. Принцип действия, физические процессы
Датчиком Холла называют магнитоэлектрическое устройство, основанное на эффекте Холла и предназначенное в основном для измерения магнитных полей, а также для создания различных преобразователей с использованием электромагнитных полей.
Эффект Холла заключается в том, что в проводящей пластине (рис.1) с током в магнитном поле в пластине в направлении, перпендикулярном току возникает электрическое поле и, соответственно, напряжение Холла (ЭДС Холла). Эффект назван в честь ученого Эдвина Холла, который открыл этот эффект.
Hall effect is that when a conducting plate
Физические процессы, приводящие к эффекту Холла, можно продемонстрировать с помощью следующих рисунков фиг. 1-4.
Hall sensor. Most often, cross-shaped
Hall effect, EMF
Electrons start to act the Lorentz force
Hall. Carriers in the plate are electrons
Мы предполагаем, что свободные носители заряда в пластине электроны, обеспечивающие проводимость пластины. При отсутствии магнитного поля электроны движутся в электрическом поле Е источника напряжения под действием силы Кулона (Fk = eE, e-заряд электрона) в общем случае прямолинейно в направлении положительного электрода (против направления электрического поля Е источника напряжения в пластине) (фиг.2). После появления магнитного поля B, на движущеися со скоростью V, электроны начинает действовать сила Лоренца (Fl = eVB), и они изменяют свою траекторию, приближая ее к окружности, отклоняя электроны в сторону одной из граней пластины (рис.3). Отклонение электронов происходит до тех пор, пока кулоновское силовое поле Холла Fx не уравновесит силу Лоренца Fl.

Таким образом, вблизи одного из краев пластины накапливается избыточное количество электронов, она отрицательно заряжена относительно противоположной грани. Появляется электрическое поле Ex (поле Холла) и, соответственно, на электрических контактах противоположных граней напряжение Ux (ЭДС Холла) (фиг.4).
Анализируя кинетические явления в пластине, можно получить формулу, определяющую напряжение Холла:

ε x Ux = A/ne • IB/d, (1)
где коэффициент A 1 ÷ 2 (зависит от механизмов диссипации), N - концентрация носителей заряда, I-ток, d-толщина пластины.

Анализ Формулы (1) показывает, что практически основным параметром, определяющим чувствительность датчика Холла (γ = ΔUx/ΔB), является подвижность носителей μ (I = μne). Поэтому чувствительные элементы датчиков Холла выполнены из полупроводниковых материалов: InSb, GaAs, Si, Ge. В некоторых подвижность может достигать десятков тысяч см2/в•с.

Чувствительные элементы датчиков Холла изготовлены в различных формах пластин с 4 контактными площадками и электрическими выводами. Форма пластины может быть различной. Чаще всего крестообразные (рис.5). Размеры влияют на чувствительность, линейность. Поэтому размеры оптимизируют при проектировании датчика. Как правило, длина чувствительного элемента не менее чем в три раза превышает ширину.
В настоящее время при изготовлении в микроэлектронике используется планарная технология, позволяющая создавать чувствительные элементы с размером рабочего пространства на уровне 100х100 мкм. Чувствительность современного датчика Холла может достигать нескольких тысяч мВ/Т.