Датчики на эффекте Холла

Датчики на эффекте Холла

Эффект Холла лежит в основе одной из распространенных технологий бесконтактной регистрации приближения, перемещения и скорости вращения ферромагнитных объектов.

Эдвин Герберт ХОЛЛ

Edwin Herbert Hall, 1855–1938

Американский физик. Родился в г. Грейт-Фолз (ныне Горем), штат Мэн. Поступил в первый набор на физический факультет только что открытого Университета Джонса Гопкинса в Балтиморе — первого американского научно-исследовательского и учебно-образовательного учреждения, смоделированного по образцу немецких научно-исследовательских заведений. Эффект, названный впоследствии его именем, Холл открыл при подготовке докторской диссертации по электричеству и магнетизму. Защитив ее, ученый перешел в Гарвардский университет, где затем прославился инновациями в области преподавания физики в высшей и особенно средней школе.

Немного об эффекте Холла

Эффект Холла открыт американским физиком Эдвином Холлом в 1879 году.
Сущность эффекта Холла состоит в том, что при прохождении тока через пластину в продольном направлении под влиянием магнитного поля возникает на краях пластинки в поперечном направлении разность потенциалов, обусловленная законом Лоренца (под влиянием магнитного поля токоносители смещаются к краю пластины). Эта разность потенциалов (ЭДС) пропорциональна величине векторного произведения напряженности поля и тока H•I.

При отсутствии магнитного поля поток электронов не искажается. При наличии магнитного поля силы Лоренца отклоняют электроны и искривляют их траектории. Это направление траекторий приводит к появлению отрицательных зарядов на одной стороне пластины. На противоположной стороне накапливается нескомпенсированный положительный заряд. Накопление зарядов на противоположных гранях пластинки приводит к появлению поперечного электрического поля, которое получило название поле Холла. Такое накопление зарядов продолжается, пока возникающая поперечная ЭДС не скомпенсирует силы, создаваемые магнитным полем. После этого установится стационарный процесс, при котором электроны движутся параллельно граням пластины, как и при отсутствии магнитного поля.

Материалы для изготовления датчиков Холла

Полупроводниковый материал, предназначенный для изготовления ДХ, должен обладать не только высокими, но и по возможности мало зависящими от температуры значениями постоянной Холла и подвижности носителей тока. Выбор полупроводникового материала для ДХ диктуется областью его применения.

Как правило, используются полупроводники с электронной проводимостью, поскольку они имеют значительно бóльшую подвижность носителей заряда, чем полупроводники с дырочной проводимостью. Необходимо подчеркнуть, что свойства каждого из указанных полупроводниковых материалов могут существенно изменяться в зависимости от рода и количества примесей, вводимых в них.

Кристаллические датчики обычно изготавливают из германия, кремния, полупроводниковых соединений элементов третей и пятой групп периодической системы Менделеева – антимонида индия, арсенида индия, арсенида галлия, а также твердого раствора – тройного соединения In(As0,8P0,2).

Технология изготовления датчиков Холла

При получении полупроводниковых пластин для ДХ в настоящее время используются следующие технологии:
1. Выпиливание кристаллической пластины Холла требуемой конфигурации из монокристаллического бруска. В этом случае типовой технологический процесс состоит из следующих операций:
1) вырезка пластины
2) обработка поверхности пластин
3) изготовление контактов к пластине
4) герметизация

2. Получение пластин Холла путем напыления на подложку тонких слоев полупроводниковых материалов.

Технология КНИ

В КНИ технологии, в отличии от традиционной микроэлектроники, не используют монолитные пластины кремния. Стартовым материалом в этом случае являются структуры КНИ, т. е. пластины кремния, в которых скрытый в их объеме диэлектрический слой отделяет от подложки тонкий слой кремния. В качестве скрытого диэлектрика ис­пользуют, как правило, слои диоксида или оксинитрида кремния. При этом в КНИ структурах, используемых для изготовления микроэлектронных приборов, характерные значения толщин отделенного слоя кремния, в котором формируются рабочие элементы приборов; и скрытого диэлектрического слоя составляют 0,05…0,2 и 0,2…0,4 мкм, соответственно.

Вообще говоря, идея КНИ технологии была высказана еще при создании первого транзистора. Но успешно удалось ее реализовать только в 70-х годах прошлого века, используя эпитаксиальные пленки кремния, выращенные на сапфире. Что же касается упомянутых КНИ-структур, то их успешное применение в разработке и производстве приборов дело, главным образом, последнего десятилетия.

Где применяются такие датчики?

Перечень возможных применений этих датчиков далеко не ограничивается примерами, предложенными вниманию читателя.

Линейные датчики Холла:
- датчики тока;
- приводы переменной частоты вращения;
- схемы управления и защиты электродвигателей;
- датчики положения;
- датчики расхода;
- бесколлекторные двигатели постоянного тока;
- бесконтактные потенциометры;
- датчики угла поворота;
- детекторы ферромагнитных тел;
- датчики вибрации;
- тахометры.

Логические датчики Холла:
- датчики частоты вращения;
- устройства синхронизации;
- датчики систем зажигания автомобилей;
- датчики положения (обнаруживают перемещение менее 0,5 мм);
- счётчики импульсов (принтеры, электроприводы);
- датчики положения клапанов;
- блокировка дверей;
- бесколлекторные двигатели постоянного тока;
- измерители расхода;
- бесконтактные реле;
- детекторы приближения;
- считыватели магнитных карточек или ключей;
- датчики бумаги (в принтерах).

Датчики постоянного и переменного тока:

Датчики тока предназначены для измерения постоянного или переменного токов с гальванической развязкой силовой цепи и цепей контроля.
Конструкция датчиков тока включает в себя магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, датчик Холла и электронную плату обработки сигналов. Магниточувствительный датчик Холла закреплен в зазоре магнитопровода и соединен с входом электронного усилителя.
При протекании измеряемого тока по шине, охватываемой магнитопроводом, в последнем наводится магнитная индукция. Датчик Холла, реагирующий на возникшее магнитное поле, вырабатывает напряжение, пропорциональное величине наведенной магнитной индукции. Выходной сигнал с датчика усиливается электронным усилителем и подается в компенсационную обмотку. В результате, по обмотке течет компенсационный ток, пропорциональный измеряемому току по величине и соответствующий ему по форме. Возникающее при этом магнитное поле компенсационной обмотки компенсирует магнитное поле измеряемого тока, и датчик Холла работает как нуль-орган. При этом полоса частот, пропускаемая таким датчиком тока, составляет от 0 Гц (постоянный ток) до 200 кГц.

Датчики переменного тока:
С целью удешевления приборов, была разработана и серийно изготавливается линейка датчиков для измерения только переменных токов промышленной частоты 50 Гц. Такие датчики состоят из трансформатора тока и электронной платы обработки сигнала. Для удобства потребителей могут быть изготовлены различные варианты датчиков, отличающиеся формой выходного сигнала:
1 вариант — на выходе датчика напряжение, пропорциональное измеряемому току;
2 вариант — на выходе датчика напряжение, пропорциональное действующему значению измеряемого тока;
3 вариант — стандартный токовый выход 4/20 мА (0/20 мА), пропорциональный действующему значению измеряемого тока.

Разъемные датчики тока:
При проведении мониторинга действующего электрооборудования, при ремонтных работах на предприятиях с непрерывным циклом работы и в ряде других случаев требуются датчики тока, которые бы допускали их установку без разрыва токовых цепей. Для этих целей нами были разработаны и выпускаются разъемные датчики измерения тока, т.е. датчики, которые непосредственно собираются и устанавливаются на токовой шине. В настоящее время серийно изготавливаются 2 типа таких датчиков:
1. Датчик измерения постоянного и переменного токов до 1500 А, предназначенный для монтажа на плоскую шину 80х10 мм;
2. Датчик измерения переменного тока с окном 19х19 мм.

Микросборки для снарядов-дефектоскопов:
Микросборки предназначены для использования в конструкции снарядов-дефектоскопов, контролирующих состояние трубопроводов в процессе движения снарядов по трубопроводу.