Гальваномагнитные датчики Холла, принцип действия, материалы.

Эффект Холла возникает в тонкой полупроводниковой пластинке или пленке, по которой идет ток. Если эта пластина или пленка находится в магнитном поле, направленном перпендикулярно ее поверхности, то носители зарядов отклоняются из-за действия силы Лоренца, равной F = evB, где e - заряд носителя, движущегося со скоростью v перпендикулярно магнитному потоку, индукция которого равна B. Сила Лоренца действует перпендикулярно направлению движения носителей заряда и перпендикулярно направлению магнитного поля. В результате на одной боковой стороне пластины количество носителей зарядов увеличивается, а на другой - уменьшается, и между ними возникает разность потенциалов (ЭДС Холла).

,

где - постоянная Холла, зависящая от свойств материала пластины (пленки), d - толщина материала, I - сила тока, B - магнитная индукция,  - угол между вектором магнитного поля и магнитной осью пластины, близко совпадающей с нормалью к ее плоскости.

Из этого выражения видно, что при постоянном токе через полупроводниковую пластину или пленку и при  = 0 ЭДС Холла определяется значением магнитной индукции B, для измерения которой и применяется этот датчик. Кроме того, из этого же выражения следует, что датчик Холла может применяться и для перемножения двух величин: тока и магнитной индукции (или величины, которая может быть преобразована в нее).

Основные полупроводниковые материалы, из которых изготавливаются серийные датчики Холла, это арсенид индия InAs, антимонид индия InSb или арсенид галлия GaAs. Делаются также датчики Холла из германия и кремния. Датчики выполняются в виде тонких пластин или пленок на подложках из слюды, ультрафарфора или стекла. Толщина d этих пленок составляет от 10 мкм до 200 мкм. Размеры l и b поверхностей датчиков составляют единицы миллиметров.

С помощью датчиков Холла обычно измеряется индукция магнитного поля в труднодоступных местах, подход к которым возможен с одной стороны. Поэтому все четыре проводника подходят к датчику также с одной стороны.

Основными характеристиками датчиков Холла, как любого средства измерений, являются метрологические характеристики (характеристики погрешности, характеристики чувствительности и динамические характеристики) датчиков Холла

Гальваномагнитная чувствительность при  = 0 определяется выражением , и для различных типов датчиков составляет (0.3 - 10) В/(АТл).

Чувствительность датчиков Холла к магнитной индукции определяется при номинальном значении тока , как . Для серийно выпускаемых датчиков Холла значение этой чувствительности лежит в пределах (0.03 - 1) В/Тл.

Чувствительность к току определяется при постоянном значении магнитной индукции, как . При индукции 1 Тл чувствительность датчиков Холла к току лежит в пределах (0.3 - 50)В/А.

Остаточное напряжение датчика Холла действует между Холловыми электродами при прохождении по датчику электрического тока, но при отсутствии магнитного поля.

Динамические характеристики датчиков Холла определяются временем установления ЭДС Холла при ступенчатом изменении индукции магнитного поля или силы тока. Для обычно используемых материалов это время лежит в пределах с.