Ім'я файлу: Датчики Холла, принцип дії та застосування_Микитченко Дмитро_ЕП-
Розширення: docx
Розмір: 840кб.
Дата: 02.05.2022
скачати
Пов'язані файли:
метод рек.pdf
Ксьонов. ІТІР-19-1. ПтРІС. Реферат.docx
Попов. ІТІР-19-1. ПтРІС. Презентація.Паралельні структури обчисл



МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Факультет електроніки та інформаційних технологій

Кафедра електроніки, загальної та прикладної фізики


КУРСОВАЯ РАБОТА

з дисципліни «Датчики неелектричних величин»

Тема: Датчики Холла, принцип дії та застосування


Студент гр. ЕП-81 Д. О. Микитченко
Науковий керівник

к.ф.-м.н., доцент Н. І. Шумакова
Завідувач кафедри ЕЗПФ

д-р фіз.-мат. наук, професор І. Ю. Проценко

Суми - 2022

ЗМІСТ

С.

ВСТУП………………………………………………………………………...

2

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ………………………………….

3

РОЗДІЛ 2. ДАТЧИКИ ХОЛЛА……………………………………………..

7

2.1. Технологія виготовлення датчиків Холла…………………………….

8

2.2. Можливості застосування датчиків Холла…………………………...

11

2.3. Применение датчиков Холла………………………………………….

14

2.3.1 Датчики струму…………………………………………………..

18

2.3.2 Витратомір………………………………………………………..

19

ВИСНОВКИ………………………………………………………………….

21

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………………………….

22


ВСТУП
Кінетичні явища, що виникають у твердих тілах при спільній дії на них електричного та магнітного полів, називаються гальваномагнітними явищами. Розглянемо одне з найбільш вивчених гальваномагнітних явищ, що отримало назву ефекту Холла.

Ефект відкритий в 1879 р. американським фізиком Едвіном Гербертом Холлом (англ. Edwin Herbert Hall; 7 листопада 1855 - 20 листопада 1938), коли він працював над своєю докторською дисертацією. Свій експеримент Холл проводив на золотій пластинці, розміщеній на склі, при пропусканні через яку електричного струму виникала різниця потенціалів на бокових краях пластини (не обов'язково золотої, використовувалися і напівпровідникові матеріали). Різниця потенціалів виникала внаслідок застосування магнітного поля перпендикулярно до площини пластинки (холлівського елемента).

Нині з урахуванням ефекту Холла працюють датчики Холла: прилади, що вимірюють напруженість магнітного поля.[1]
1. Теоретичні відомості
Нехай по напівпровіднику у формі паралелепіпеда тече струм вздовж осі x, а магнітне поле направлено вздовж y (рисунок 1). Густина струму:
, (1)


де - питома електрична провідність;

Е - напруженість електричного поля;

n - концентріція електронів;

е - елементарний заряд;

vd - швидкысть дрейфу.


Рисунок 1 - Геометрія експерименту зі спостереження ефекту Холла
Дрейфова швидкість електронів у напрямку проти поля , а дірок – по полю. При включенні магнітного поля на носії діє сила Лоренца:
(2)

оскільки

,

де - рухливість носіїв заряду;

𝜏 - ефективний час життя носіїв струму;

m - маса частинки.
(4)
1. Отже, напрямок сили Лоренца визначається лише й і не залежить від знака носіїв заряду. Електрони та дірки відхиляються в один бік, якщо їхня швидкість визначається тільки електричним полем.

2. У нескінченному зразку під дією та дірки за рахунок зіткнень рухаються по траєкторії циклоїди під кутом до вихідного вектора (рисунок 2а, б).


Рисунок 2 – Ефект Холла у зразку: нескінченних розмірів (а, б); кінцевих розмірів (в, г) (а, n – тип; б, г p – тип)
3. У напівпровіднику кінцевих розмірів відбувається накопичення носіїв заряду на відповідних гранях, надлишковий заряд породжує поперечне поле по відношенню до . Ефект Холла – виникнення поля Холла під впливом магнітного поля (рисунок 2в, г).

4. Напрямок поля Холла залежить від знаку заряджання.
, сумарне поле

(5)
Холл знайшов емпіричне співвідношення:
(6)
5. Величину R можна знайти з умови компенсації полем Холла сили Лоренца:



(7)
Таким чином (малюнок 1),
(8)
де b і t – ширина та товщина зразка відповідно.

Коефіцієнт Холла обернено пропорційний концентрації носіїв заряду та його знак збігається зі знаком носіїв заряду.

6. Облік механізму розсіювання носіїв заряду вимагає включення до (8) коефіцієнтів (акустичні фонони), (розсіювання на іонах), А = 1 (нейтральна домішка).
(9)
Кількість носіїв обох знаків у своєму напівпровіднику зменшує R:

(10)
7. Ефект Холла – непарний (стосовно ) ефект, тобто під час зміни напрямку поля змінюється знак ефекту Холла.

Для зменшення рівня впливу струмових контактів на величину ефекту Холла використовують вузькі та довгі зразки.

Ефект Холла – прямий метод визначення n, μ та визначення ширини зон (ΔЕ) та енергії активації локальних рівнів. [2]
2. Датчики Холла
Перші пропозиції щодо технічного використання ефекту Холла були висловлені на рубежі XIX і XX ст. Реальна база для цього виникла, проте, значно пізніше, а саме з часу розробки технології одержання напівпровідникових матеріалів, що характеризуються значною рухливістю носіїв струму. До цих матеріалів відносяться: германій Ge, кремній Si, антимонід та арсенід індія InSb та InAs, арсенід - фосфід індія InAsP, арсенід галію GaAs, селенід та телурид ртуті HgSe та HgTe. За останні роки в технологічних лабораторіях розроблено кілька нових матеріалів, наприклад, кадмій-ртуть-телур CdHgTe, арсенід кадмію Cd3As2, які також можуть бути придатними для технічних застосувань ефекту Холла.

Одночасно з розвитком технології напівпровідникових матеріалів, в яких ефект Холла проявляється в сильній мірі, відзначається прогрес і в області напівпровідникових приладів, робота яких ґрунтується на цьому ефекті. Для електродного елемента, в основі роботи якого лежить ефект Холла і який є напівпровідниковою пластиною з контактами та захисною оболонкою, в українській літературі прийнято назву датчик Холла.

Вимоги до датчиків Холла різноманітні і залежать від їх призначення. До цього часу немає такого матеріалу, який мав би всі необхідні параметри. Ряд матеріалів відповідає лише деяким вимогам. Тому з множини напівпровідникових матеріалів, в яких спостерігається ефект Холла, для датчиків Холла вибирається той чи інший матеріал залежно від конкретної застосування застосування датчика.

Зазвичай для елементів холу використовуються матеріали n-типу тобто з електронною провідністю, тому що рухливість носіїв струму в них у кілька разів (від двох до декількох десятків) більша, ніж у матеріалах р-типу. Основними параметрами напівпровідникових матеріалів, що використовуються для виготовлення датчиків Холла, вважаються: питомий опір (іноді зручно використовувати питому електричну провідність ), коефіцієнт Холла і рухливість. Всі ці параметри є залежними від концентрації носіїв струму, температури та магнітної індукції; може також виявлятися анізотропія цих залежностей. Крім того, існує ціла низка ефектів, що супроводжують явища Холла такs як термо-е. д. с, гальвано- та термомагнітні ефекти.

Ідеальний датчик Холла повинен мати наступні властивості:

1) велику чутливість;

2) велику вихідну напругу;

3) велике к.п.д. і велику потужність, що знімається з електродів Холла;

4) незалежність параметрів від температури;

5) лінійність щодо Ix, Вz та R (активний опір навантаження).

З властивостей напівпровідникових матеріалів, випливає, що ці вимоги є, загалом, суперечливими і всі одночасно не можуть бути виконані. Тому проектування датчиків Холла необхідно проводити з урахуванням їх конкретного призначення, не звертаючи особливої ​​уваги на менш істотні параметри і намагаючись отримати відповідні значення заданих параметрів.

У ряді конкретних застосувань з'являються додаткові вимоги, такі як:

1) мала товщина датчика Холла – у разі роботи у вузьких зазорах;

2) малі розміри активної поверхні – у разі дослідження розподілу неоднорідності магнітного поля.
2.1 Технологія виготовлення датчиків Холла
Вихідним матеріалом для виготовлення датчиків Холла може бути напівпровідниковий матеріал полі- або монокристалічний. Залежно від способу отримання матеріал може бути у вигляді злитка, що набув форми тигля, як це показано на рисунку 3а, якщо він отриманий у вигляді полікристалу, або у вигляді монокристалу, вирощеного методом спрямованої кристалізації, якщо це монокристал, вирощений за методом Чохральського, то злиток має вигляд неправильного циліндра, як на рисунку 3б. Злиток може бути також у вигляді довгого (20-30 см) циліндра, якщо він отриманий методом безтигельного вертикального плавлення.

Типовий технологічний процес пластини датчика Холла складається з наступних операцій:

1) вирізка пластини,

2) обробка поверхні,

3) паяння або зварювання електродів,

4) герметизація.

Опишемо послідовно окремі етапи технологічного процесу.


а) б)

Рисунок 3 – Зовнішній вигляд а) германієвого полікристалічного злитка, отриманого зонною плавкою; б) монокристалічного германію, отриманого методом Чохральського
1. Пластини вирізаються на типових верстатах для різання напівпровідникових матеріалів. Зазвичай це верстати з абразивним колом, що обертається, яким ріжуть за допомогою карборундового або алмазного порошку.

Щоб зменшити втрати напівпровідникового матеріалу, застосовують абразивні круги завтовшки 0.2-0,3 мм. Незважаючи на це, при товщині пластин, що вирізаються, в 200-300 мкм втрати матеріалу при різанні залишаються дуже великими. У рівній мірі сказане стосується також різання за допомогою полотен або дроту з використанням карборундового або алмазного порошку. З вирізаних брусків подальшою різкою отримують прямокутні пластини із співвідношенням довжин сторін (1:2) -(1:3), що надходять подальші операції.

2. Обробка поверхні пластин складається із двох етапів. Перший - це механічне шліфування та полірування, що мають на меті усунення дефектів, що виникли при різанні пластин, і одночасно доведення товщини пластин до заданої величини. Товщина вирізаних пластин зазвичай буває не менше ніж 200-300 мкм (це обумовлено крихкістю напівпровідникових матеріалів), однак кінцева товщина пластин знаходиться в межах від 60 до 200 мкм, а в деяких випадках і тонше. Прикладом є технологія виготовлення кристалічного датчика Холла ВН201 фірми Белл, який у корпусі досягає товщини 130 мкм.

Шліфування проводиться типовим для напівпровідників способом за допомогою порошків - карборундових (SiC), алундових (Al2O3) або алмазних з відповідним діаметром зерен (від 30 до 0,1 мкм) на плитах скляних, металевих, а в кінці - на плитах, покритих спеціальними тканинами. Якщо потрібно шліфувати пластини до товщин менших ніж 150 мкм, слід попередньо приклеїти пластини до керамічного елемента корпусу, щоб захистити їх від розтріскування. Потім до пластин на керамічних підкладках приєднуються інші елементи датчика.

Другим етапом обробки поверхні, який не завжди застосовується, є хімічне травлення, що має на меті остаточне очищення поверхні пластин. Для травлення германію і кремнію застосовуються типова в технології виготовлення транзисторів суміш для травління СР4 (суміш HF: HNO3: СН3СООН: Вr), а також кипляча H2O2 та ін. Однак з точки зору даних роботи слід прагнути до того, щоб травлення германію або кремнію не давало поверхні із малою швидкістю поверхневої рекомбінації. Для інтерметалевих сполук травлення є менш істотним процесом і не застосовується.

3. Наступною операцією є виготовлення контактів пластини. Контакти метал - напівпровідниковий матеріал повинні мати наступні властивості:

а) контакти повинні мати малий опір у порівнянні з опором пластини датчика;

б) контакти повинні бути лінійними по струму;

в) холлівські контакти за відсутності магнітного поля повинні знаходитися на еквіпотенційній поверхні.

Перша умова може бути виконана завдяки підбору матеріалу контакту, а також технології виготовлення. Для напівпровідникових матеріалів з великим питомим опором можна легко виконати цю умову завдяки великій різниці у питомих опорах напівпровідника та металу контакту. Зате у випадку антимоніду та арсеніду індія це набагато важче, тому що тут різниця у питомих опорах матеріалів контакту та пластини у 1000 - 10 000 разів менша, ніж у випадку германію та кремнію. Це призводить до значно більшого впливу опору контактів на загальний опір датчика Холла, виготовленого з інтерметалевих з'єднанні, порівняно з датчиками Холла, виготовленими з германію та кремнію. В результаті мають місце відносно великі втрати вхідної та вихідної потужності.

Друга вимога до електродів - відсутність випрямлення та інжекції носіїв струму - найважче реалізувати в германію та кремнію. На цих матеріалах порівняно легко одержати нелінійні контакти; в той же час в антимоніді індія, наприклад, будь-який контакт буде випрямляючим лише при температурі рідкого азоту (78 К), тоді як при кімнатній температурі той самий контакт є вже лінійним.

Простим та вигідним способом виготовлення контактів до датчиків Холла є безпосереднє приварювання дротів до пластини за допомогою пропускання імпульсу струму від відповідного джерела. Перевагою цього методу є можливість отримання симетричних холівських контактів після приварювання двох дротів струмових та одного холлівського.
2.2 Можливості застосування датчиків Холла
Швидкий та різнобічний розвиток застосування датчиків Холла став результатом тих численних переваг, які мають ці датчики, найважливіші з них такі:

1) датчик Холла - це статичний елемент, що, наприклад, при виконанні вимірювань магнітної індукції дасть йому переваги перед вимірами, що проводяться балістичним або методом індукції;

2) датчик Холла є спрямований елемент, так як вихідна напруга пропорційно до нормальної складової вектора магнітної індукції; це дозволяє визначати екстремальні значення та розподіл магнітних полів у просторі;

3) датчик Холла може бути зроблений рухомим елементом; ця перевага у зв'язку зі сказаним у п. 2 дозволяє побудувати, наприклад, генератор синусоїдальних коливань інфранизьких частот;

4) мала площа поверхні (мінімальні розміри кристалічних датчиків Холла 0,7x0,7 мм2, а плівкових порядку 10x10 мкм2), що дозволяє проводити вимірювання у глибоких отворах малого діаметра;

5) мала товщина (у кристалічних датчиків Холла разом з корпусом - близько 1 мм, а у плівкових разом з підкладкою - близько 0,1 мм), що дозволяє виконувати вимірювання у дуже малих зазорах;

6) лінійна (у великих діапазонах) залежність вихідної напруги від керуючих величин (поля чи струму);

7) проста залежність вихідної напруги від добутку двох вхідних велич;

8) передача сигналів без спотворень;

9) широкий частотний діапазон сигналів, що передаються - теоретично від 0 до

1012 Гц;

10) безконтактна (за допомогою магнітного поля) передача сигналів;

11) можливість застосування керуючих полів та струмів постійних, змінних або імпульсних та отримання відповідної напруги або струму на виході, що дає можливість детектувати, модулювати і потім отримувати на виході сигнали відповідної форми та потужності, тобто перетворювати сигнали;

12) можливість різноманітного з'єднання датчиків Холла (послідовного та паралельного, послідовного та зустрічного, вхідними та вихідними ланцюгами, гальванічного або за допомогою магнітного поля);

13) відносно проста та малопотужна схема електроживлення (постійним, змінним або імпульсним струмом);

14) майже необмежений термін служби.

До основних недоліків ставляться:

1) відносно складна технологія (однорідність матеріалу, контакти);

2) великий розкид параметрів у межах однієї партії датчиків Холла, що змушує визначати характеристики кожного датчика окремо та ускладнює взаємозамінність датчиків Холла;

3) залежність опору та коефіцієнта Холла від температури;

4) залежність опору та коефіцієнта Холла від магнітного поля;

5) наявність залишкової напруги, у тому числі резистивної та термічної, а також напруги, що створюється на контактах змінними полями;

6) нестабільність нуля як наслідок пп. 3.-5;

7) відсутність загального заземлення біля входу та виходу датчика Холла, що ускладнює його спільну роботу з ламповими (і транзисторними) схемами;

8) маленька величина ККД; цей недолік суттєвий лише у деяких випадках.

Недоліки ці, однак, у достатньому для практичних рішень ступені можна усунути відповідним вибором електричної схеми, систем компенсації тощо.

Наприкінці 1964 р. можна було назвати кілька десятків різних застосувань датчиків Холла у багатьох галузях науки та техніки.

Ці застосування можна систематизувати за декількома критеріями, а саме:

1. За характером мінливості величини керуючого струму та магнітної індукції B:

1) , а B – змінюється, наприклад, при зміні магнітного поля;

2) B = const, а - змінюється, наприклад, у гіраторах;

3) і B змінюються, наприклад, при вимірюваннях потужності та в розмножувальних пристроях.

2. За родом B (постійний, змінний):

1) ;

2) ;

3) ;

4) або .

3. За відносним положенням датчика Холла щодо джерела магнітного поля:

1) датчик Холла нерухомий, наприклад, у сердечнику при вимірюванні великих постійних струмів;

2) положення датчика Холла можна змінювати довільним способом, наприклад, вимірювання магнітного поля;

3) датчик Холла обертається в магнітному полі або джерело поля (постійний магніт) обертається навколо датчика Холла, наприклад, в низькочастотних генераторах коливань;

4) датчик Холла або джерело магнітного поля рухається вздовж прямої лінії, наприклад, у вимірювачах переміщень;

5) датчик Холла або джерело поля коливаються, наприклад, під час вимірювання вібрацій (віброприскорень).

4. Відповідно в конкретних прикладах використання, як, наприклад:

1) вимір магнітних величин;

2) вимір електричних величин;

3) вимір не електричних величин і т. п.[3]
2.3 Применение датчиков Холла
Датчики Холла є основою багатьох типів датчиків, таких як датчики лінійного або кутового переміщення, датчики магнітного поля, датчики струму, датчики витрати та ін. Зручність безконтактного спрацьовування (повна відсутність механічного зносу) , авіаційної та інших галузях промисловості. Інтегральні датчики Холла виробляють такі фірми, як Honeywell, Melexis, Allegro Microsystems, Micronas Intermetall, Siemens, Analog Devices та ін.


Рисунок 4 - Внутрішня схема ІМС лінійного датчика Холла (а) и графік його характеристик перетворення (б)
Перша група інтегральних датчиків Холла – це лінійні пристрої, що застосовуються у вимірювальних пристроях напруженості магнітного поля. Як правило, ці пристрої містять схеми посилення сигналу датчика. Необхідна попередня обробка сигналу зазвичай полягає у посиленні та температурній компенсації. Може знадобитися також стабілізація напруги живлення. За відсутності магнітного поля вихідна напруга датчика повинна дорівнювати нулю, тому потрібен диференціальний підсилювач (рисунок 4).



Рисунок 5 - Логічні характеристики датчика Холла
Друга група включає мікросхеми компараторного типу з логічними рівнями напруги на виході. Ця група більш численна через більшу кількість можливих застосувань. Мікросхеми з логічним виходом поділяються на дві підгрупи: перемикачі та тригери. Уніполярний перемикач спрацьовує тільки за наявності магнітного поля однієї полярності та гарантує вимкнений стан без магнітного поля; магнітне поле протилежної полярності не має на нього жодного впливу (рисунок 5а). Біполярний тригер, навпаки, реагує на обидві полярності: включається при наближенні північного або південного полюсів магніту і вимикається тільки в тому випадку, якщо поле з протилежним знаком досягне певного рівня (рисунок 5б). Омніполярний перемикач це той самий уніполярний перемикач ае який реагує на будь-яке поле. Такі перемикачі переходять у включений стан за наявності магнітного поля, а вимикаються при зниженні рівня тієї ж полярності, відсутності поля або у присутності поля з протилежним знаком (рисунок 5в). Наявність ступеня гістерезиса, який є різницею між величинами магнітного поля в точках вмикання та вимикання, підвищує перешкодостійкість пристрою.

Нижче розглядаються деякі найпопулярніші застосування інтегральних датчиків Холла. Перелік можливих застосувань цих датчиків не обмежується прикладами, представленими нижче.

Лінійні датчики Холла:

датчики струму;

приводи змінної частоти обертання;

схеми управління та захисту електродвигунів;

датчики положення;

датчики витрати;

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;

вимірники витрати;

безконтактні реле;

детектори наближення;

зчитувачі магнітних карток чи ключів;

датчики паперу (у принтерах).
2.3.1 Датчики струму

Лінійні датчики Холла можуть бути використані у складі вимірювачів сили струму від 250 мА до тисяч ампер. Найважливішою перевагою таких датчиків є повна відсутність електричного зв'язку з вимірюваним ланцюгом. Лінійні датчики дозволяють вимірювати постійні та змінні струми, зокрема струми досить високої частоти. Якщо лінійний датчик Холла розташований поблизу провідника зі струмом, то вихідна напруга датчика пропорційна до індукції магнітного поля, що оточує провідник. Розмір індукції, своєю чергою, пропорційна струму. У найпростішому випадку датчик струму є конструкцією, в якій датчик Холла встановлюється біля дроту, по якому тече струм, що вимірюється (рисунок 6а).

Такі датчики застосовуються для вимірювання великих струмів, особливо в лініях електропередач. Індукція визначається за формулою:



де r - відстань від центру чутливої області датчика до осі симетрії провідника в метрах.



Рисунок 6 - Конструкції датчиків струму
Чутливість датчика струму може бути значно збільшена шляхом використання концентратора магнітного потоку у вигляді магнітопроводу з прорізом, в який поміщається лінійний датчик Холла (рисунок 6б). У цьому випадку індукція магнітного потоку через датчик розраховується за формулою:

2.3.2 Витратомір

Існують різні методи вимірювання витрати з використанням цифрових датчиків Холла, але принцип у них, як правило, загальний: кожна зміна магнітного потоку через датчик відповідає певній порції рідини або газу, що пройшла через трубопровід. У прикладі, показаному на рисунку 7, магнітне поле створюється постійними магнітами, встановленими на лопатях робочого колеса.

холл эффект датчик расходомер



Рисунок 7 - Датчик витрат
Робоче колесо обертається за допомогою потоку води. Датчик утворює два імпульси за повний оберт колеса. [4]
Висновки
В цій роботі розглянуто ефект Холла. Визначено як саме виникає даний ефект та які явища його спричиняють.

В наш час датчики Холла стали необхідними в багатьох сферах науки та техніки. Прилади на основі цього ефекту використовуються для безконтактного вимірювання струму у провіднику. Також датчики Холла використовуються для виміру газу або рідини, що проходить через витратомірна.

Коли стало можливим комбінувати різні логічні елементи з датчиком Холла, тоді цей датчик став популярним в цифровій електроніці. Найбільшого розповсюдження набули три види: уніполярний, біполярний та омніполярный.

Можна з упевненістю сказати, що ефект Холла став основою для багатьох технологічний вдосконалень та винаходів, що допомагають людству кожного дня.


Список літератури
1. Рембеза С.И., Каргин Н.И. Фізика твердого тіла. Оптичні, діелектричні та магнітні властивості твердих тіл: Курс лекций. Ставрополь: Изд-во СевКавГТУ, 2003. Ч. III.

2. А. Кобус, Я. Тушинский Датчики Холла і магніторезистори. Пер. с польск. В.И. Тихонова и К. Б. Макидонской, под ред. О.К. Хомерики, М., «Энергия», 1971.

3. Георгий Волович Інтегральні датчики холла. Сучасна електроніка, СТА-ПРЕСС Декабрь 2004.

4. В. Н. Богомолов Прилади з датчиками Холла та магніторезисторами, 1965.
скачати

© Усі права захищені
написати до нас