Виготовлення та застосування датчиків Холла.

Для виготовлення датчиків Холла необхідно домагатися наступних основних показників:

а) високого значення R _x, коли необхідно отримати високе значення е.р.с. Холла в режимі холостого ходу;

б) високої провідності при заданому значенні коефіцієнта Холла, коли датчик працює на зовнішнє навантаження, що споживає струм, і частина е.р.с. Холла падає на внутрішньому опорі датчика між електродами Холла, обумовлюючи шкідливі втрати;

в) низького температурного коефіцієнта, коефіцієнта Холла і провідності.

Матеріал, з якого виготовляють датчик Холла, повинен мати максимальну рухливість носіїв заряду з мінімальними температурними залежностями рухливості і концентрацій носіїв заряду.

Для отримання найбільшого значення е.р.с. Холла необхідно вибирати матеріал з невеликою електропровідністю. Для цього ланцюга використовують плівки селеніду і телуриду ртуті, антимоніду індію та тверді розчини цих сполук. Вони володіють високою рухливістю носіїв заряду навіть в тонких монокристалічних плівках. Тонкоплівкові датчики, отримані методом випаровування з цих матеріалів, володіють слабкою залежністю коефіцієнта Холла і опору від температури і від напруженості магнітного поля, що визначило їх широке застосування, незважаючи на порівняно низьку е.р.с. Холла.

Для виготовлення датчиків Холла застосовують також монокристалічний германій і кремній, леговані миш'яком, фосфором і сурмою. Датчики, виготовлені з цих матеріалів, мають високий коефіцієнт Холла і низький температурний коефіцієнт (особливо кремнієві). Максимальна величина е.р.с. Холла досягає 1В.

Застосовується для виготовлення датчиків Холла антимонід індію, арсенід індію, а також сплав антимоніду індію та антимоніду галію. Датчики, виготовлені з цих матеріалів, мають сильну залежність опору та коефіцієнта Холла від температури і магнітного поля. Це обмежує їх застосування.

З формули (6) видно, що е.р.с. Холла буде тим вище, чим тонше зразок напівпровідника. Тому датчики е.р.с. Холла виготовляють у вигляді пластинок або тонких плівок, тим більше, що з їх допомогою виконується вимірювання магнітних полів в малих зазорах.

Для отримання високого коефіцієнта передачі геометричні розміри необхідно вибирати в співвідношенні l / b = 2 ¸ 3.

Напівпровідниковий злиток розрізається на пластини, які за допомогою шліфовки доводяться до необхідної товщини. Далі пластини розрізають на прямокутники потрібних розмірів, які постачають чотирма омічними контактами. Два з них призначені для підведення до датчика напруги від зовнішнього джерела. Вони виконуються по всій ширині пластини, щоб отримати рівномірний розподіл вхідного струму по перерізу пластини на всій її довжині. Два інших електрода призначені для реєстрації е.р.с. Холла.

Ці контакти повинні бути розташовані строго в одному перерізі, в іншому випадку між ними буде виникати різниця потенціалів і при відсутності магнітного поля за рахунок протікання струму.

Враховуючи, що вихідний струм дуже малий, іноді вихідні електроди виконують точковими. З телуриду і селеніду ртуті датчики Холла можуть бути виготовлені також пресуванням порошків при температурі близько

500 К.

Плівкові датчики виготовляють за допомогою нанесення тонких плівок на підкладку методом вакуумного випаровування вихідного матеріалу.

Матеріалом підкладки можуть служити слюда, кераміка або інші ізоляційні матеріали. Матеріал підкладки повинен забезпечити хорошу адгезію матеріалу, який напилюється і мати з ним близький температурний коефіцієнт лінійного розширення.

Контакти плівкових датчиків наносять випаровуванням у вакуумі.

Для стабілізації параметрів готову плівку протягом декількох годин піддають термостарінню при температурі 100 ° С. Плівкові датчики тонше пластинкових. Їх товщина визначається в основному підкладкою. Перевагою їх є високий опір, що зручно при узгодженні з навантаженням.

Отримали розвиток два нових прогресивних методи виготовлення датчиків Холла. Це метод дифузії домішки і метод епітаксійного вирощування. Обидва ці методи широко застосовують при виготовленні діодів і транзисторів.

За допомогою дифузії домішки на матеріалі p-типу утворюється p - n-перехід. На дифузійному n-шарі розміщуються електроди, а p-n-перехід служить ізолюючим шаром (рис. 4).

При епітаксійному вирощуванні підкладкою може бути як монокристалічна пластина того ж матеріалу, так і ізоляційні матеріали.

Датчики Холла, отримані цими методами, мають переваги монокристалічних датчиків (високий коефіцієнт Холла і хорошу стабільність) і переваги плівкових (високу чутливість). Товщина робочого шару у них не більше, ніж у плівкових.

Для захисту від механічних і кліматичних впливів виготовлений датчик покривають синтетичною смолою і приклеюють до ізоляційної підкладки або поміщають в бронзовий корпус. Останній сприяє відведенню від датчика тепла.

На рис. 5 наведено кілька конструктивних виконань датчика Холла. На рис. 5, а показаний датчик, що випускається без корпусу і підлягає заливці компаундом після установки в повітряний зазор магнітопроводу. На рис. 5, в наведено датчик з оболонкою з епоксидної смоли. На рис. 5, б показаний датчик, укладений в феритову оболонку з симетричною магнітною системою.

Феритова підставка 1 і кришка 4 мають однакові розміри. Напівпровідникова пластина 6 наклеєна прямо на феритове підставу. Феритовий стержень 3 концентрує магнітний потік на поверхню датчика. Стінки 5 і 2 виконані з немагнітного матеріалу та забезпечують необхідний зазор між феритовим стрижнем і напівпровідникової пластиною (зазвичай 2-3 мкм).

Рис. 2222. Дифузійний датчик Холла

На основі ефекту Холла можна створити ряд пристроїв і приладів, що володіють цінними унікальними властивостями і займають важливе місце у вимірювальній техніці, автоматиці, радіотехніці і т. д.

Так як е.р.с. Холла пропорційна струму I і індукції магнітного поля, то при постійній величині струму величина е.р.с. буде пропорційна тільки індукції магнітного поля. Це дозволяє використовувати датчики Холла для вимірювання індукції магнітних полів.

Одним з приладів, в яких використовується це властивість, є магнітометр, який вимірює як малі, так і великі поля.

Крім того, датчики е.р.с. Холла застосовують для вимірювання струмів та потужностей. Якщо підтримувати постійною напруженість магнітного поля, то е.р.с. Холла буде змінюватися пропорційно величині струму, що протікає через датчик. Якщо датчик Холла помістити в магнітне поле, пропорційне струму, що протікає через навантаження, і на вхід його подати напругу, пропорційну напрузі на навантаженні, то е.р.с. Холла буде пропорційна потужності, що виділяється на навантаженні.

Датчики Холла можуть застосовуватися для вимірювання сили, тиску, кутів, переміщень і інших неелектричних величин.

Якщо, наприклад, датчик Холла переміщати в неоднорідному магнітному полі, підтримуючи вхідний струм постійним, то е.р.с. Холла буде змінюватися пропорційно напруженості магнітного поля, а отже, і місцю розташування датчика.

У напівпровідниковому виробництві ефект Холла використовується для вимірювання рухливості і концентрації носіїв напівпровідникового матеріалу. Для цієї мети на спеціальному підготовленому зразку вимірюють е.р.с. Холла і за його величиною судять про рухливості і концентрації носіїв заряду матеріалу, використовуваного для виготовлення напівпровідникових приладів.

Перелік можливих застосувань цих датчиків далеко не обмежується прикладами, запропонованими увазі читача.

Лінійні датчики Холу:

- Датчики струму;

- Приводи змінної частоти обертання;

- Схеми управління та захисту електродвигунів;

- Датчики положення;

- Датчики втрати;

- Безколекторні двигуни постійного струму;

- Безконтактні потенціометри;

- Датчики кута повороту;

- Детектори феромагнітних тіл;

- Датчики вібрації;

- Тахометри.

Логічні датчики Холла:

- Датчики частоти обертання;

- Пристрої синхронізації;

- Датчики систем запалювання автомобілів;

- Датчики положення (виявляють переміщення менше 0, 5 мм);

- Лічильники імпульсів (принтери, електроприводи);

- Датчики положення клапанів;

- Блокування дверей;

- Безколекторні двигуни постійного струму;

- Вимірювачі витрати;

- Безконтактні реле;

- Детектори наближення;

- Зчитувачі магнітних карток або ключів;

- Датчики паперу (в принтерах).