3.5 Эффект Холла

Большинство современных датчиков, которые используются в автомобилестроениях для измерения скорости, основаны на эффекте Холла.

Эффектом Холла называется появление в проводнике с током плотностью j, помещённом в магнитное полеН, электрического поляЕ_х, перпендикулярногоНиj. При этом напряжённость электрического поля, называемого ещё полем Холла, равна

E_x = RHj sin , (1):

Рис 1.1

где угол между векторамиНиJ (<180°). КогдаHj, то величина поля ХоллаЕ_х максимальна:E_x = RHj. ВеличинаR, называемая коэффициентом Холла, является основной характеристикой эффекта Холла. Эффект открыт Эдвином Гербертом Холлом в 1879 в тонких пластинках золота. Для наблюдения Холла эффекта вдоль прямоугольных пластин из исследуемых веществ, длина которыхlзначительно больше шириныbи толщиныd, пропускается ток:

I = jbd(см. рис.);

здесь магнитное поле перпендикулярно плоскости пластинки. На середине боковых граней, перпендикулярно току, расположены электроды, между которыми измеряется ЭДС Холла V_x:

V_x = Е_хb = RHjd. (2)

Так как ЭДС Холла меняет знак на обратный при изменении направления магнитного поля на обратное, то Холла эффект относится к нечётным гальваномагнитным явлениям.

Простейшая теория Холла эффекта объясняет появление ЭДС Холла взаимодействием носителей тока (электронов проводимости и дырок) с магнитным полем. Под действием электрического поля носители заряда приобретают направленное движение (дрейф), средняя скорость которого (дрейфовая скорость) v_др0. Плотность тока в проводникеj = n*ev_др, гдеn — концентрация числа носителей,е — их заряд. При наложении магнитного поля на носители действует Лоренца сила:F = e[Hv_дp], под действием которой частицы отклоняются в направлении, перпендикулярномv_дриН. В результате в обеих гранях проводника конечных размеров происходит накопление заряда и возникает электростатическое поле — поле Холла. В свою очередь поле Холла действует на заряды и уравновешивает силу Лоренца. В условиях равновесияeE_x = еНv_др,E_x =1/ne Hj, отсюдаR = 1/ne(cм^з/кулон). ЗнакRсовпадает со знаком носителей тока. Для металлов, у которых концентрация носителей (электронов проводимости) близка к плотности атомов (n10²²См^-3),R~10^-3(см³/кулон), у полупроводников концентрация носителей значительно меньше иR~10⁵(см³/кулон). Коэффициент ХоллаRможет быть выражен через подвижность носителей заряда = е/m*и удельную электропроводность = j/E = еnv_лр/Е:

R=/ (3)

Здесь m*— эффективная масса носителей, — среднее время между двумя последовательными соударениями с рассеивающими центрами.

Иногда при описании Холла эффекта вводят угол Холла между токомjи направлением суммарного поляЕ:tg= E_x/E=, где— циклотронная частота носителей заряда. В слабых полях(<<1)угол Холла, можно рассматривать как угол, на который отклоняется движущийся заряд за время. Приведённая теория справедлива для изотропного проводника (в частности, для поликристалла), у которогоm*иих— постоянные величины. Коэффициент Холла (для изотропных полупроводников) выражается через парциальные проводимости_эи_ди концентрации электроновn_эи дырокn_д:

(a) для слабых полей

(4)

(б) для сильных полей.

При n_э = n_д, = nдля всей области магнитных полей :

а знак Rуказывает на преобладающий тип проводимости.

Для металлов величина Rзависит от зонной структуры и формы Ферми поверхности. В случае замкнутых поверхностей Ферми и в сильных магнитных полях(»1)коэффициент Холла изотропен, а выражения дляR совпадают с формулой 4,б. Для открытых поверхностей Ферми коэффициентRанизотропен. Однако, если направлениеНотносительно кристаллографических осей выбрано так, что не возникает открытых сечений поверхности Ферми, то выражение дляR аналогично 4,б.

Заключение

В работе были рассмотрены общие свойства датчиков измерения скорости и область их применения. Более подробно затрагиваются датчики скорости, объясняется принцип действия на примере конкретных моделей.

Сегодня индустрия полупроводниковых датчиков уже использует второе поколение активных сенсорных технологий, включающих схемы компенсации ошибок и обработки сигнала. Новейшее направление развитие новых цифровых интерфейсов для аналоговых линейных датчиков, оснащенных блоком управления, которые характеризуются как повышенной помехоустойчивостью, так и большей эффективностью коммуникации в реальном времени. Преимуществом датчиков, созданных на основе новых технологий, является их бесконтактность, но, несмотря на это, потенциометры очень не скоро сдадут свои рыночные позиции, поскольку имеют низкую цену и увеличенную надежность.

Список используемой литературы.

«Современные датчики. Справочник» Под ред. Дж. Фрайден,— Млсква: Техносфера,2006.
http://www.freepatent.ru;
Пат. 2150114 Российская Федерация, МПК G01P3/48. Датчик измерения скорости/ Дремов М.В. , Каплунов Г.В., Россия; заявитель и патентообладатель ООО «Счетмаш» . - ; заявл. 30.06.1998; опубл. 20.04.2000.
Пат. 2270452Российская Федерация, МПК G01P3/488. Бесконтактный датчик скорости автомобиля/ Захаров И.С., Яцун С.Ф., Россия; заявитель и патентообладатель «ГОУ КурскГТУ». - ; заявл. 26.01.2004; опубл. 20.02.2006.
Пат. 2260188Российская Федерация, МПК G01P3/488. Бесконтактный датчик скорости автомобиля/ Сысоева С.С., Яцун С.Ф., Россия; заявитель и патентообладатель «ГОУ КурскГТУ» . - ; заявл. 26.01.2004; опубл. 10.09.2005.
http://www.luksavtoservis.ru/ds.html;
https://blamper.ru/auto/wiki/salon/spidometr-3660
https://wikipedia.ru/wiki/