Гальваномагнитные датчики Холла

Эффект Холла возникает в тонкой полупроводниковой пластинке или пленке, по которой идет ток. Если эта пластина или пленка находится в магнитном поле, направленном перпендикулярно ее поверхности, то носители зарядов отклоняются из-за действия силы Лоренца, равной F = e×v×B, где e - заряд носителя, движущегося со скоростью v перпендикулярно магнитному потоку, индукция которого равна B. Сила Лоренца действует перпендикулярно направлению движения носителей заряда и перпендикулярно направлению магнитного поля. В результате на одной боковой стороне пластины количество носителей зарядов увеличивается, а на другой - уменьшается, и между ними возникает разность потенциалов (ЭДС Холла).

Для того, чтобы плотность тока была равномерной по ширине пластины, электроды, подводящие ток, припаиваются или привариваются по всей ширине пластины. Электроды, с помощью которых с боковых сторон снимается ЭДС Холла (Холловы электроды), привариваются к серединам сторон так, чтобы при отсутствии магнитного поля они оказались на эквипотенциальной линии. Диаметр контактной площадки этих электродов с пластиной обозначим через a. Остальные размеры: l - длина пластины, b - ширина пластины, d - толщина пластины (см. рис. 79, на котором магнитное поле направлено от читателя). Если l/b = 2 и a/l < 0.1, то ЭДС Холла равна

,

где  - постоянная Холла, зависящая от свойств материала пластины (пленки), d - толщина материала, I - сила тока, B - магнитная индукция, a - угол между вектором магнитного поля и магнитной осью пластины, близко совпадающей с нормалью к ее плоскости.

Из этого выражения видно, что при постоянном токе через полупроводниковую пластину или пленку и при a = 0 ЭДС Холла определяется значением магнитной индукции B, для измерения которой и применяется этот датчик. Кроме того из этого же выражения следует, что датчик Холла может применяться и для перемножения двух величин: тока и магнитной индукции (или величины, которая может быть преобразована в нее).

Основные полупроводниковые материалы, из которых изготавливаются серийные датчики Холла, это арсенид индия InAs, антимонид индия InSb или арсенид галлия GaAs. Делаются также датчики Холла из германия и кремния. Датчики выполняются в виде тонких пластин или пленок на подложках из слюды, ультрафарфора или стекла. Толщина d этих пленок составляет от 10 мкм до 200 мкм. Размеры l и b поверхностей датчиков составляют единицы миллиметров.

С помощью датчиков Холла обычно измеряется индукция магнитного поля в труднодоступных местах, подход к которым возможен с одной стороны. Поэтому все четыре проводника подходят к датчику также с одной стороны, как это показано на рис. 79.

Входное сопротивление датчика Холла - это сопротивление между токовыми электродами, оно может составлять от 0.5 Ом до нескольких килоом. Выходное сопротивление датчиков Холла - это сопротивление между Холловыми электродами. У серийно выпускаемых датчиков значения этих сопротивлений близки. Вследствие того, что в условиях применения датчиков Холла в полупроводнике возникает и эффект Гаусса, входное и выходное сопротивление с ростом магнитной индукции увеличиваются.

Основные характеристики датчиков Холла.

Основными характеристиками датчиков Холла, как любого средства измерений, являются метрологические характеристики, и первыми среди них - характеристики погрешности. Из-за большого количества причин, порождающих погрешности, они будут рассмотрены подробно в следующем пункте. Здесь будут представлены характеристики чувствительности и динамические характеристики датчиков Холла, а также варианты использования этих датчиков для измерения мощности и силы электрического тока.

Гальваномагнитная чувствительность при a = 0 определяется выражением

,

и для различных типов датчиков составляет (0.3 - 10) В/(А×Тл).

Чувствительность датчиков Холла к магнитной индукции определяется при номинальном значении тока , как . Для серийно выпускаемых датчиков Холла значение этой чувствительности лежит в пределах (0.03 - 1) В/Тл. Значение силы номинального тока у различных датчиков различно. Ограничение силы тока определяется температурой перегрева датчика. Для высокоомных датчиков допустимая сила тока не превышает 50 мА, для низкоомных - 200 мА. В сильных полях появляется нелинейность, которая для лучших датчиков составляет (0.1 - 1.0)%.

Чувствительность к току определяется при постоянном значении магнитной индукции, как . При индукции 1 Тл чувствительность датчиков Холла к току лежит в пределах (0.3 - 50)В/А.

Остаточное напряжение датчика Холла действует между Холловыми электродами при прохождении по датчику электрического тока, но при отсутствии магнитного поля. Причиной возникновения остаточного напряжения является неточное расположение Холловских электродов на эквипотенциальной линии. Причиной возникновения остаточного напряжения является также термоЭДС, которая при градиенте температуры между Холловскими электродами в 0.1 °С может достигать от 10 мкВ до 100 мкВ. Для уменьшения температурного градиента датчик Холла располагают либо на теплопроводной подложке, либо на подложке с помощью теплопроводной, но электроизолирующей пасты.

Динамические характеристики датчиков Холла определяются временем установления ЭДС Холла при ступенчатом изменении индукции магнитного поля или силы тока. Для обычно используемых материалов это время лежит в пределах  с, поэтому датчик Холла может быть использован и для измерения индукции переменного магнитного поля, а также для перемножения переменных тока и индукции. В частности, если частота переменного тока и магнитной индукции совпадают и равна w, то ЭДС Холла

.

Постоянная составляющая этого выражения может быть отделена от переменной составляющей путем фильтрации, и тогда с помощью датчика Холла может быть построен ваттметр для измерения активной и реактивной мощности электрического тока. Ток в нагрузке должен быть преобразован в индукцию магнитного поля, как это показано на рис. 80, а напряжение на нагрузке - в ток через датчик Холла. Сила тока нагрузки, как правило, велика и составляет от десятков до десятков и сотен тысяч ампер. Удобным способом преобразования сильных токов в индукцию является концентрация магнитного потока, окружающего проводник с током, с помощью магнитопровода, охватывающего этот проводник, как это схематически показано на рис 80 и как это делается в токовых клещах. В зазор магнитопровода, индукция в котором пропорциональна силе тока, вводится датчик Холла, и через него пропускается ток, пропорциональный напряжению.

Подобное преобразование тока в индукцию магнитного поля с последующим применением датчика Холла применяется, например, фирмой ABB для измерения и регистрации больших постоянных токов (см. рис. 80). Кроме того этот прием позволяет обеспечить гальваническую развязку средства измерений от мощной электрической цепи, что способствует эффективной борьбе с помехами (см. п. 6.4) и обеспечивает безопасность персонала.