Преобразователи на магнитном эффекте.

Рассмотрим два вида преобразователей, которые используются для измерения напряженности магнитного поля. Это устройства на эффекте Холла и приборы, принцип действия которых основан на зависимости сопротивления от напряженности магнитного поля.

Преобразователи на эффекте Холла.

Хотя эффект Холла наблюдается в очень большом количестве материалов, он не очень ярко проявляется в проводниках, поэтому все серийные преобразователи Холла изготавливаются из полупроводников.

Если тонкая пластина полупроводника толщиной t, помещается в магнитное поле с индукцией B, а управляющий ток I течет так вдоль нее так, что электрическое поле составляет прямой угол с магнитным, то на концах пластины возникает напряжение. Значение напряжения Холла в разомкнутой цепи определяется выражением.

У полупроводников n почти в десять млн. раз меньше, чем у проводников. Отсюда видно, что у полупроводников напряжение Холла соответственно больше. Эффективная длина l и ширина W – пластины Холла, должны быть такими, чтобы их соотношение находилось в интервале . Так как эмпирически доказано, что для малых значений этого соотношения напряжение Холла снижается, вследствие поверхностных и внешнеэлектрических эффектов, а при увеличении этого соотношения сокращается время наработки, хрупкость датчика увеличивается. Кроме того, пластина для датчика Холла должна быть, как можно более тонкой, что ухудшает ее механические свойства, но позволяет получить большое значение напряжения Холла. Для производства преобразователей Холла в основном используются два материала: арсенид индия и фосфид арсенид индия.

Полупроводниковая пластина Холла изготавливается по одной из трех технологий.

Первая: пластина полупроводника отрезается от бруска материала и травится до получения толщины от 5 до 100 мкм. Затем она приклеивается к подложке слоем эпоксидной смолы толщиной в 1-2 мкм, которая заполняет трещины в материале, которые образуются в процессе травления и также выполняет радиаторную (теплоотводную) функцию.

Вторая: полупроводниковый материал осаждается из паров на подложку, при этом толщина датчика составляет 2-3 мкм, в результате чего образуется единая кристаллическая система. Этот прибор удобен для использования при очень низких и очень высоких температурах.

Третья: слой арсенида индия (арсенид галлия) толщиной 10 мкм выращивается в виде монокристалла из газовой фазы. При этом получается прибор с высокой стабильностью и низким температурным коэффициентом.

Подложка для пластин Холла должна быть жесткой и иметь малую толщину, при этом она должна обладать высоким удельным сопротивлением, а также высокой теплопроводимостью, чтобы отводить тепло, генерируемое в пластине Холла. Температурный коэффициент пластины Холла и подложки должны быть согласованы.

Магниторезисторные датчики.

Магниторезисторные элементы действуют согласно закону электродинамики, в соответствии с которым на подвижные носители зарядов в магнитном поле действует сила Лоренца, заставляющая электроны двигаться по искривленным траекториям, таким образом, удлиняя путь тока и увеличивая сопротивление материалов.

Степень отклонения электронов зависит от их подвижности, она максимальна в полупроводнике ≈10⁴-8*10⁴ см²/(В*с). По сравнению с металлом ≈50 см²/(В*с). Магниторезистор чувствителен к общему магнитному полю, а не к скорости его изменения. Это важно для переносных датчиков, которые могут двигаться с неопределенной скоростью. Магниторезистивный эффект возникает с уменьшением длины к ширине прибора.

R_м – сопротивление в магнитном поле;

R – сопротивление без приложения магнитного поля;

Для получения высокого внутреннего сопротивления при отсутствии магнитного поля и большого изменения сопротивления с ростом магнитного поля несколько приборов с неудачным соотношением l/W могут соединяться последовательно. Это может быть сделано нанесением магнитной пленки на длинный кусок полупроводника и последующим травлением части ее поверхности до образования растра с коротко замыкающими перемычками.

Растр – полоса, решетка.

1)

2)

1. Линии тока в растровом магнитном элементе без магнитного поля;

2. Линии тока в растровом магнитном элементе с магнитным полем;

Когда прикладывается магнитное поле, токовые линии поворачиваются на угол Холла, так как поверхность металлического проводника лучше проводит электрический ток, чем сам полупроводник, то ток возвращается по ним к противоположной стороне кристалла, а в каждой следующей полупроводниковой секции течет под углом θ. Внутреннее сопротивление устройства можно менять в самых широких пределах выбором длины к ширине. Вместо применения внешних металлических коротко замкнутых перемычек, поперек полупроводника, для датчика может быть использован полупроводниковый материал с введенными в него параллельно ориентированными кристаллами металлического материала. Эти кристаллы действуют как внутренние коротко замкнутые линии. Без магнитного поля линии тока располагаются по прямой и эквипотенциальны поверхностям металлических кристаллов, но под действием приложенного поля линии тока поворачиваются на угол Холла и образуют зигзагообразную траекторию в материале.

1)

2)

Магниторезисторы изготавливаются осаждением пленки около 25 мкм на подложку толщиной до 0,1 мкм. Пленка изолируется от подложки, которая может изготавливаться из магнитовосприимчивого материала. Подложка имеет покрытие из керамики или пластмассы. Магниторезисторы имеют очень низкие шумы, если только в материале не возникает трещин из-за ошибочного монтажа. Так как устройство обладает объемным сопротивлением оно не подвержено воздействию внешних воздействий и обладает очень малым старением. Старение же происходит из-за порчи эпоксидных смол применяемых при изготовлении и монтаже.