Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Датчики магнитного поля. Учебное пособие
.pdf
направленного цилиндра, как на рисунке 10. Большинство слитков
германия или кремния получают именно таким методом.
Типовой процесс получения датчика Холла или
магниторезистора состоит из следующих операций:
нарезка пластины;
обработка поверхности;
пайка или сварка электродов;
герметизация.
Нарезка пластин осуществляется на типовых станках для резки
полупроводниковых материалов. Как правило, это станки с
вращающимся абразивным кругом толщиной 0,2-0,3 мм, иногда
применяются режущие полотна или проволока с использованием тех
же порошков. Также широкое применение находит резка
полупроводников лазерными установками. Ширина зоны
термического влияния лазерного пучка составляет от 20 до 30 мкм.
Резка осуществляют в несколько этапов, пока не получатся
пластины с соотношением сторон 1:2 или 1:3.
Шлифовка полученных пластин осуществляется в несколько
этапов. Первым этапом выступает механическая шлифовка и
полировка, которая применяется для устранения дефектов,
полученных в результате резки. Если необходимо, на этом этапе
пластины доводят до необходимой толщины. Второй этап –
химическое травление, применяется не всегда. Для травления
применяются стандартные травящие смеси либо кипящая вода.
Следующим этапом является пайка электродов к пластине.
Простейшим способом изготовления контактов у датчика Холла
является приваривание проводов к пластине при помощи
пропускаемого импульса тока от соответствующего источника.
В качестве альтернативного метода применяется метод
Крушевского [8]. Впервые согласно этому методу был изготовлен
датчик Холла из германия.
Из слитка германия вырезается брусок, сечение которого равно
соответствующей площади датчика Холла. Длинные грани
полученного бруска шлифуются, после чего на местах, где будут
располагаться холловские контакты, при помощи специального
31
приспособления нарезаются шлицы. Затем в шлицы вдавливается
олово, а на плоские грани, где будут токовые контакты,
накладывается оловянная фольга. Полученная конструкция
помещается в патрон из листового тантала, а олово вплавляется в
вакуумной печи при температуре 5500 С. Далее брусок разрезается на
пластины, которые доводятся до необходимой толщины с помощью
шлифовки. Ключевые этапы процесса проиллюстрированы на
рисунке 13.
Датчики, изготовленные данным методом, имеют значительное
остаточное напряжение, которое снимают осторожно, подпиливая
один из выступов пластины с целью деформации линий тока.
Технология изготовления магниторезисторов не имеет
принципиальных отличий от технологии изготовления датчиков
Холла. Основное отличие заключается в форме пластин, которые
применяются для изготовления.
Главным отличием изготовления пленочных датчиков Холла от
кристаллических заключается в том, что основные параметры датчика
тут задают не только свойства материала, но и способ их
изготовления. Пленочные датчики Холла за счет малой толщины
имеют большую чувствительность к магнитному полю.
Рис. 13. Стадии процесса изготовления датчика Холла по Крушевскому:
а – полупроводниковый брусок после шлифовки до нужных размеров;
б – нарезка шлицев для холловских контактов; в – брусок в держателе,
подготовленный к вплавлению
32
Для напыления полупроводниковых пленок используют два
основных метода: двухтемпературный и трехтемпературный.
В случае первого метода температура обоих соединяемых
элементов доводится до температуры T1. Вещества испаряются и
осаждаются на подложку, где кристаллизуются при температуре T2.
Этим методом получают пленки из HgTe, HgSe.
Согласно второму методу изготовления (трехтемпературному)
составляющие интерметаллического соединения напыляются из
различных источников. В результате получаются слои
стереохимического состава за счет подбора температур испарения
отдельных элементов T1 и T2, при которых давление паров каждого
будет одинаковым. Оптимально подобранная температура подложки
даёт полупроводнику возможность правильно кристаллизироваться.
В качестве материала подложки могут выступать различные
изоляционные пластины, такие как слюда, феррит или керамика.
Главными требованиями при этом являются обеспечение хорошего
сцепления с напыленным полупроводником, а коэффициенты
температурного расширения всех материалов не должны сильно
различаться. Для соединений HgSe и HgTe предпочитают слюду, а
для InSb и InAs применяют стекло и керамику.
В качестве материалов металлических контактов чаще всего
напыляют два материала, из которых один обеспечивает постоянный
контакт с полупроводником, а второй – уменьшает сопротивление
контакта.
3.7. Применение датчиков Холла
Датчики Холла нашли широкое применение в различных
отраслях.
Зонд для измерения магнитной индукции представляет собой
полупроводниковую пластину (датчик Холла), помещенную на конце
тонкой металлической трубки (рис. 14), выводы с которой
подключены к тесламетру. Тесламетр переводит значение
напряженности Холла в единицы измерения индукции (теслы). Если
датчик Холла установлен параллельно сечению трубки, то зонд
33
регистрирует продольную составляющую магнитного поля. Если же
датчик Холла находится перпендикулярно сечению трубки, то зонд
регистрирует поперечную составляющую магнитного поля.
Рис. 14. Зонды для измерения магнитного поля
Ещё одним способом измерения магнитного поля является
применение пробора, который называется «сканирующий
магнитометр». Сканирующий магнитометр предназначен для
измерения магнитного поля на поверхности образца. Он состоит из
системы сканирования, холловского измерителя и платы сопряжения.
В холловском измерителе используется метод компенсации
остаточного напряжения датчика Холла. Управление комплексом
осуществляется на базе персонального компьютера.
Крепление датчика Холла осуществлено шарнирным
соединением с системой сканирования, что позволяет прижимать его
к поверхности исследуемого образца.
Такой магнитометр позволяет сканировать образцы с площадью
до 280 мм
2
за 3 с.
Датчики Холла нашли самое разнообразное применение в
технике. Помимо непосредственно измерения магнитного поля, они
могут применяться в бесконтактных преобразователях (датчиках)
положения или позиции. Схема использования датчика, а также его
характеристики приведены на рисунке 15.
34
Рис. 15. Структурная схема и функция датчика холла
как преобразователя позиции
Рассмотрим два способа применения: изменение позиции
относительно оси x и относительно изменения размера d. В обоих
случаях функция ЭДС Холла нелинейна. Такие датчики в основном
применяются в качестве сигнализаторов предельного положения.
В варианте исполнения датчика предельного положения,
приведенном на рисунке 16, в качестве рабочей зоны используется
нелинейная часть функции. Для того чтобы использовать линейную
часть характеристики, необходимо развернуть магнит на 900 либо
использовать дифференциально включенные два датчика.
Конструктивное исполнение в этом случае, а также рабочая
характеристика таких датчиков приведены на рисунке 16.
Рис. 16. Структурная схема и функция датчика Холла
как преобразователя позиции с линейным рабочим участком
35
Если датчик Холла необходимо использовать как
бесконтактный сигнализатор малых перемещений, то, помимо
постоянного магнита, в область действия преобразователя вводят
ферромагнитное тело (рис. 17).
Рис .17. Функция преобразования и конструкция
датчика малых перемещений
Датчики Холла нередко применяются и в качестве счетчиков
оборотов. В этом случае в качестве дополнительного
ферромагнитного тела используются непосредственно шестеренка
или тело, обороты которого необходимо подсчитать. Конструкция
такого датчика приведена на рисунке 18.
Датчики Холла нашли применение в качестве детекторов
ферромагнитных тел, датчиков вибрации, детекторов приближения,
считывателей магнитных карточек или ключей, датчиков расхода. В
автомобильной промышленности датчики Холла контролируют
дроссель, педали, электронное рулевое управление и т. д. [9-10].
36
Рис. 18. Функция преобразования и конструкция датчика оборотов
Расходомер на датчике Холла построен на следующем
принципе: каждое измерение магнитного потока через датчик
соответствует некоторой порции жидкости или газа, проходящей
через трубопровод. Один из примеров такого датчика приведен на
рисунке 19.
Магнитное поле создаётся постоянными магнитами,
установленными на лопастях рабочего колеса. Проходя через трубу,
поток вращает лопасти. Датчик выдаёт два импульса за оборот.
Рис 19. Устройство расходомера на датчике Холла
37
Наибольший прирост сопротивления в магнитном поле
соответствует диску Корбино. Однако при этом у таких
магниторезисторов при толщинах пластин от 100 до 200 мкм
сопротивление очень мало и может составлять десятые доли ома.
С целью решения этой проблемы была предложена
конструкция, согласно которой магниторезистор состоит из
нескольких последовательно соединенных пластин, соотношение
сторон которых очень мало. Пластины для этой конструкции
получают методом электролитического травления. Для закорачивания
в них напряжения Холла пластины имеют углубление, в которое
вплавляется индий.
Магниторезистивные датчики нашли применение:
в измерении слабых магнитных полей (электронные
компасы, системы навигации, магнитное поле Земли);
контроле перемещений объектов в робототехнике;
измерении частоты вращения (КПП, управление
двигателем);
измерении угловой координаты (в системах рулевого
управления).
Одной из ведущих мировых компаний по производству
датчиков Холла является компания Honeywell (рис. 20), устройства
которой нашли применение в промышленной автоматике [11].
Рис. 20. Внешний вид датчиков Холла компании Honeywell
Применение нашли и трехкоординатные датчики Холла, в
качестве примера 3D-датчика на РХС можно привести датчик
TLV493D-A1B6 компании Infineon. Сенсор TLV493D-A1B6 дает
38
возможность одновременного измерения магнитного поля по трем
осям X, Y и Z. Датчики Холла размещены на гранях одного
полупроводникового кристалла (вертикально ориентированные
датчики фиксируют составляющие магнитного поля по осям X и Y, а
горизонтально ориентированный датчик фиксирует магнитного поле
по оси Z). Геометрические параметры 3D-датчика составляют
2,9×1,6 мм.
Помимо непосредственно измерения магнитного поля, эти
датчики могут применяться в джойстиках, органах управления в
бытовой технике, счетчиках электрической энергии (с защитой от
хищений) и в любых других применениях, которые требуют точных
угловых измерений магнитного поля.
Диапазон измеряемой индукции магнитного поля датчика
TLV493D-A1B6 по всем осям составляет -150…+150 мТ при
погрешности в пределах ±2 %.
39
4. ЭФФЕКТ ГИГАНТСКОГО
МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЯ
4.1. Физические основы эффекта ГМС
Гигантское магнитосопротивление (ГМС) было впервые
обнаружено в 1988 г. физиками Альбертом Фертом и Петером
Грюнгбергом в искусственно созданной сверхрешетке Fe/Cr, за что в
2007 году они получили Нобелевскую премию по физике. Величина
относительного изменения сопротивления при T=4.2 K в магнитном
поле H=20 кЭ превышала 90 %[11].
Открытый ими эффект заключается в существенном изменении
сопротивления тонкой металлической пленки, состоящей из
чередующихся ферромагнитных и немагнитных проводящих слоёв,
при приложении внешнего магнитного поля. Эффект имеет квантовомеханическую природу, зависит от направления спинов электронов и
связан с изменением направления намагниченности соседних слоёв.
В опытном образце (рис. 21) слои железа с толщиной 30 А
чередовались с неферромагнитными слоями хрома толщиной 9-18 А.
Рис. 21. Атомные слои железа Fe и хрома Cr.
Стрелками указаны направления магнитных моментов атомов
Изначально магнитные моменты атомов железа в пределах
одного слоя были параллельны, а в соседних слоях – ориентированы
антипараллельно. После приложения к структуре магнитного поля
угол между намагниченностями соседних ферромагнитных слоёв с
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]