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 сплав материала преобразователя, можно усилить один из эффектов и ослабить другой, создавая таким образом преобразователи Холла, или магниторезистивные преобразователи.
Преобразователь Холла представляет собой четырехполюсник, обычно выполняемый в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала[1].
|
|
В магнитном поле носители заряда под действием сил Лоренца F=evB 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 (ЭДС Холла) определяется выражением
,
где R ХЛ – постоянная Холла, зависящая от свойств материала преобразователя; j(К ГЕОМ, θ) – функция, зависящая от геометрии преобразователя и так называемого угла Холла θ между векторами плотности тока и напряженности вызывающего его электрического поля, определяемого подвижностью носителей зарядов и значением магнитной индукции; a – 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. Постоянные Холла для полупроводниковых материалов имеют порядок 10-2 – 10-4 м3/(А·с), в то время как для чистых металлов, например для меди, R ХЛ = 6·10-11 м3/(А·с).
Кристаллические преобразователи Холла выполняются в виде тонких пластинок (d =0,01–0,2 мм), которые вырезаются из монокристаллов и шлифовкой доводятся до необходимой толщины. Выводы укрепляются на боковых гранях путем пайки или сварки. Пластинки наклеиваются на подложки из радиотехнической слюды, ультрафарфора или ситалла.
|
|
Хорошими метрологическими характеристиками отличаются пленочные преобразователи Холла из тонких поликристаллических пленок InAs и InSb на стеклянных подложках и преобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур InSb и GaAs на подложках из полуизолирующего арсенида галлия. Чувствительный элемент преобразователя выполняется в виде тонкой пленки (5–10 мкм) способом фотолитографии. Такие преобразователи можно выполнять сложной формы с малой площадью чувствительной зоны (0,2´0,05 мм и не менее).
Выходная величина преобразователя Холла пропорциональна произведению двух входных величин – тока и магнитной индукции. Таким образом, преобразователь Холла является множительным преобразователем. При постоянных во времени I и В ЭДС Холла является постоянной величиной. Если одна из входных величин (В или I) постоянная, 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:
Если ток изменяется с частотой w1, а магнитная индукция – с частотой w2, то ЭДС Холла содержит две составляющие, одна из которых имеет частоту w1 – w2, а другая w1 + w2.
Входное сопротивление R ВХ преобразователя Холла определяется как сопротивление между токовыми электродами, а выходное сопротивление R ВЫХ равно сопротивлению между Холловыми электродами. У серийно выпускаемых преобразователей Холла R ВХи R ВЫХблизки по значению и лежат в пределах от 0,5 Ом до нескольких килоом. Вследствие магниторезистивного эффекта R ВХ и R ВЫХ увеличиваются с ростом магнитной индукции.
Гальваномагнитная чувствительность преобразователя Холла при a = 0 определяется выражением
и для различных типов преобразователей составляет 0,3–10 В/(А∙Тл).
Чувствительность к магнитной индукции SB определяется при номинальном значении входного тока I НОМ= const как и для серийно выпускаемых преобразователей составляет 0,03–1 В/Тл. Значение тока I НОМ ограничено допустимой температурой перегрева преобразователя. Для высокоомных преобразователей допустимые значения токов составляют 5–50 мА, для низкоомных 100–200 мА. Гальваномагнитная чувствительность SBI и чувствительность к магнитной индукции SB зависят от магнитной индукции В, так как R ХЛ = ¦ 1 (В) и j = ¦ 2 (В). Эти зависимости главным образом определяют нелинейность характеристик преобразователей Холла в сильных полях.
Чувствительность к току SI определяется при постоянном значении магнитной индукции В =const как . При индукции В =1 Тл чувствительность к току для различных типов преобразователей составляет 0,3–50 В/А.
Лучшими метрологическими характеристиками обладают преобразователи Холла типа ПХЭ на основе гетероэпитаксиальных структур антимонида индия, которые в зависимости от метрологических характеристик разделяются на классы А, Б и В. Некоторые разновидности этих преобразователей характеризуются очень малым температурным коэффициентом чувствительности (5 ¸ 10) 10-5 K-1, малым остаточным напряжением (10–70 мкВ), малой погрешностью линейности при магнитных индукциях до 15 Тл и широким диапазоном рабочих температур (от -271,5 до +100°С). Для работы при повышенных температурах (до 127–327°С) наиболее пригодны преобразователи Холла из арсенида галлия, которые имеют относительно малые температурные коэффициенты постоянной Холла и удельные сопротивления.
Остаточным напряжением преобразователя Холла называется напряжение, которое возникает между Холловыми электродами при прохождении через преобразователь тока в отсутствии магнитного поля. Причиной остаточного напряжения, в первую очередь, является расположение Холловых электродов в неэквипотенциальных точках пластины.
|
|