10.5 Датчики, работающие на эффекте Холла.

Во многих датчиках, используемых в мехатронных системах, используется эффект Холла.

Холл открыл это физическое явление в 1879 году. Первоначально этот эффект при­менялся для изучения электропроводности металлов, полупроводников и других токопроводящих материалов. В настоящее время датчики Холла используются

для обнаружения магнитных полей и определения положения и перемещения объектов .

Эффект Холла основан на взаимодействии между движущимися носителями электрического заряда и внешним магнитным полем. В металлах носителями за­рядов являются электроны. При движении электронов в магнитном поле на них действует отклоняющая сила:

Рис. 10.8. Датчик Холла. Магнитное поле отклоняет движущийся электри­ческий заряд

где q = 1,610⁹Кл — величина заряда элект­рона, v — его скорость, а В — магнитная ин­дукция. Выделенный шрифт указывает на то, что F и В являются векторами. Направление силы и ее величина зависят от пространствен­ного расположения магнитного потока и на­правления движения электрона. Единицей измерения В является тесла: 1 Тесла = 1 Нью-тон/(амперхметр) = 10⁴ Гаусс.

Предположим, что электроны двигаются внутри электропроводной пластины, помещен­ной в магнитное поле В (рис. 10.8). На две сто­роны пластины нанесены дополнительные электроды, подключенные к вольтметру. Еще два электрода расположены сверху и снизу пласти­ны, они подсоединены к источнику электричес­кого тока. Из-за действия внешнего магнитно­го поля возникает отклоняющая сила, смещаю­щая электроны ближе к правому краю пласти­ны, поэтому эта сторона становится более от­рицательно заряженной, чем левая. Очевидно, что вследствие взаимодействия магнитного поля и электрического тока возникает поперечная раз­ность потенциалов, получившая название напря­жение Холла V_H Знак и амплитуда этого напря­жения зависят как от величины, так и направления магнитного и электрического по­лей. При фиксированной температуре оно определяется выражением:

V_H=hiBsin

где  — угол между вектором магнитного поля и плоскостью пластины Холла (рис. 10.9), a h — полная чувствительность датчика, на значение которой влияют тип материала пластины, ее геометрия (площадь активной зоны) и температура.

Полная чувствительность датчика Холла зависит от коэффициента Холла, ко­торый определяется градиентом поперечного электрического потенциала на еди­ницу интенсивности магнитного поля и на единицу плотности тока. В соответ­ствии с теорией свободных электронов в металлах, коэффициент Холла можно найти при помощи выражения:

где N — число свободных электронов в единице объема, а c — скорость света. В зависимости от кристаллической структуры материала заряды могут быть либо электронами (отрицательными), либо дырками (положительными). Поэтому и эффект Холла бывает либо положительным, либо отрицательным

Рис. 10.9. А — выходной сигнал датчика Холла зависит от угла между вектором магнитного поля и плоскостью пластины, Б — четыре вывода датчика Холла

Рис. 10.10. Эквивалентная схема датчика Холла

Линейный датчик Холла обычно размещается в корпусе с четырьмя выво­дами. Два вывода для подключения тока управления называются управляющими выводами, а сопротивление между ними — сопротивлением управляющей цепи R Выводы для измерения выходного напряжения называются дифференциальными выходами, а сопротивление между ними — выходным дифференциальным сопро­тивлением R0. Эквивалентную схему датчика Холла (рис. 10.10) можно представить в виде узлового соедине­ния 4-х резисторов и двух источни­ков напряжения, включенных после­довательно с выходными выводами. Знак  на рис. 10.9Б и 10.10 указывает на то, что вектор В направлен от на­блюдателя.

Датчик характеризуется следую­щими параметрами: сопротивления­ми R_i и R_o , напряжением смещения при отсутствии магнитного поля, чувствительностью и температурным коэффициентом чувствительности.

Большинство датчиков Холла изготавливаются из кремния, и их можно разде­лить на две основные категории: простые и интегрированные. Для построения чувствительных элементов на основе эффекта Холла применяются InSb, InAs, Ge и GaAs. Кремниевые сенсоры могут быть интегрированы на одной подложке с интерфейсными электронными схемами. Такая интеграция особенно важна при построении прецизионных датчиков, поскольку напряжение Холла обычно до­вольно мало. В таблице 10.2 приведены основные характеристики простого крем­ниевого линейного датчика Холла UGN-3605K, выпускаемого кампанией Sprague.

Таблица 10.2

Типовые характеристики линейного датчика Холла

Управляющий ток	3 мА
Сопротивление управляющей цепи	2 2 кОм
Температурный коэффициент чувствительности сопротивления управляющей цепи	+0 8%/°С
Дифференциальное выходное сопротивление	4 4 кОм
Выходное напряжение смещения	5 0 мВ (при В = 0 Гс)
Чувствительность	60 мкВ/Гс
Температурный коэффициент чувствительности	+0 1%/°С
Полная чувствительность	20 В/(ОмхкГс)
Максимальная плотность магнитного потока	ограничений нет

Рис. 10.11. А и Б — кремниевый датчик Холлa с n-зоной, В — его эквивалентная схема в виде резистивного моста.

Встроенная интерфейсная схема может иметь в своем составе пороговый де­тектор, превращающий датчик в устройство с двумя положениями: его выходной сигнал будет равен нулю, когда магнит­ное поле ниже порогового значения, и единице — когда плотность магнитного потока становится значительной.

Поскольку кремний обладает пьезорезистивными свойствами, датчики, реализованные на его основе, реагиру­ют на механические напряжения, по­этому необходимо минимизировать на­грузки на корпус датчика и на подво­дящие провода. Датчики Холла также являются чувствительными к колеба­ниям температуры, приводят к измене­нию сопротивления сенсорных эле­ментов. Если чувствительный элемент подключен к источнику напряжения, изменения температуры будут влиять на значение сопротивления, а, следо­вательно, и на ток в цепи управления.

Поэтому предпочтительнее управляющие выводы подключать к источнику тока, а не источнику напряжения.

На рис. 10.11А приведена схема датчика Холла, реализованного на кремниевой подложке p-типа с зоной n-типа, полученной методом ионной имплантации. Элек­трические контакты обеспечивают подсоединение к источнику питания и форми­руют выходные выводы датчика. Элемент Холла представляет собой квадрат с уг­лублением с четырьмя электродами, включенными по диагоналям (рис. 10.11Б). На рис. 10.11В приведена его эквивалентная схема в виде резистивного моста. Посколь­ку мосты являются самыми популярными электрическими цепями с хорошо про­работанными методами расчета, они чаще всего используется на практике.