|
|
|
ЭФФЕКТ ХОЛЛАПервоначально 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 [25, 26]. 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: F = qvB где q = 1.6x10 |9Кл — 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. 3.30). 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 Vp Знак и амплитуда этого напряжения зависят как от величины, так и направления магнитного и электрического полей. При фиксированной температуре оно определяется выражением:
Рис. 3.30. Датчик Холла. Магнитное поле отклоняет движущийся
электрический заряд
где а — угол между вектором магнитного поля и плоскостью
пластины Холла (рис. 3.31), a h — полная чувствительность датчика, на значение
той 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 с — 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. 3.31. А — выходной сигнал датчика Холла зависит от угла
между вектором магнитного поля и плоскостью пластины, Б — четыре вывода 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. 3.32) можно представить в виде
деталейого соединения 4-х резисторов и двух источников напряжения, включенных
последовательно с выходными выводами. Знак <8> на рис. 3.31Б и 3.32
указывает на то, что вектор В направлен от наблюдателя.
Датчик характеризуется следующими параметрами»,
сопротивлениями Л и Rg , напряжением смещения при отсутствии магнитного поля,
чувствительностью и температурным коэффициентом чувствительности.
Рис. 3.32 Эквивалентная схема датчика Холла
Большинство сенсоров 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 сенсоров, поскольку напряжение Холла обычно довольно
мало. В таблице 3.2 приведены основные характеристики простого кремниевого
линейного датчика Холла UGN-3605K, выпускаемого кампанией Sprague.
Таблица 3.2. Типовые характеристики линейного датчика Холла
Рис. 3.33. А и Б — кремниевый датчик Холла с и-зоной, В — его
эквивалентная схема в виде резистивного моста
Поэтому предпочтительнее управляющие выводы подключать к
источнику тока, а не источнику напряжения.
На рис. З.ЗЗА приведена схема датчика Холла, реализованного
на кремниевой подложке/ьтипа с зоной я-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. Холл открыл это физическое явление в 1879 году. З.ЗЗБ). На рис. 3.33В приведена его эквивалентная схема в виде резистивного
моста. Поскольку мосты являются самыми популярными электрическими цепями с
хорошо проработанными методами расчета (раздел 5.7 главы 5), они чаще всего
используется на практике.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
