ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ МИП ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ХОЛЛА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ГАУССА (МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЕ)

ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ МИП ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ХОЛЛА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ГАУССА (МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЕ)

ГМП основаны на физических эффектах, которые возникают в твердых телах находящихся в магнитном поле при движении в них заряженных частиц. В качестве ИП практическое применение получили полупроводниковые ГМП, основанные на использовании эффекта Холла (ЭХ) и эффекта Гаусса (ЭГ). ЭХ заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины. ЭГ (магниторезистивный эффект) проявляется в изменении электрического сопротивления пластины. Оба эффекта обусловлены изменением траектории движения заряженных частиц в поле. Эти эффекты возникают одновременно и каждый из них приводит к ослаблению другого. Выбирая определенным способом конструкцию и состав материала ГМП можно усилить один эффект и ослабить другой создавая таким образом преобразователи Холла (ПХ) или магниторезистивные преобразователи (МРП).

Преобразователи Холла ПХ представляют собой четырехполюсник, выполненный в виде тонкой пластины или пленки из п/п материала. Токовые электроды выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению ПХ. Потенциальные (Холловые) электроды расположены в центральной части продольных граней. В магнитном поле носители заряда под действием сил Лоренца изменяют свою траекторию, вследствие чего на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, а на другой грани уменьшается.

Возникающая при этом разность потенциалов (ЭДС Холла) определяется выражением: где Rхл – постоянная Холла зависит от свойств материала, φ - функция, зависящая от геометрии преобразования и угла Холла, θ - угол между вектором плотности тока и напряженности, вызывающего электрического поле, α – угол между вектором В и магнитной осью преобразования (нормалью), d – толщина пластины.

Кристаллические ПХ выполняются в виде тонких пластинок толщиной 0, 01 -0, 2 мм, которые вырезаются из моно кристаллов и шлифовкой доводятся до необходимой толщины. Пластинки наклеиваются на подложки из слюды, фарфора или ситалла. Выводы припаиваются или приваются к боковым граням. Серийно выпускаются ПХ типа ПХЭ, Х, ДХГ, ДХК. Выходная величина ПХ пропорциональна произведению двух входных величин - тока и магнитной индукции. ПХ такого рода являются множительными. Если ток и магнитная индукция постоянны во времени, ЭДС Холла является постоянной величиной. Если одна из них переменна, то ЭДС Холла будет переменной величиной той же частоты. Более сложная ситуация, когда обе переменные с разной частотой. Выходная величина имеет 2 составляющие, одна из которых имеет ω1 - ω 2, другая - ω 1+ ω 2.

• Входное сопротивление ПХ определяется как сопротивление между токовыми электродами, а выходное сопротивление равно сопротивлению между Холловыми электродами. У серийно выпускаемых ПХ они близки по значению и лежат в пределах от 0, 5 Ом до нескольких к. Ом. С ростом магнитной индукции увеличиваются

Гальваномагнитная чувствительность ПХ определяется выражением: Чувствительность к магнитной индукции определяется: Чувствительность к току определяется:

Остаточным напряжением ПХ называется напряжение, возникающее между потенциальными электродами прохождении через преобразователь тока в отсутствии магнитного поля (причина - расположение электродов в неэквипотенциальных точках пластины). ПХ характеризуются погрешностью нуля, погрешностью линейности, погрешностью от собственного магнитного поля ПХ, погрешностью направленности и температурной погрешностью.

• Динамические характеристики ПХ: • Время установления ЭДС Холла характеризуется временем релаксации: • где ε – диэлектрическая проницаемость, γ – удельная проводимость.

• Наиболее широкое применение ПХ получили для измерения параметров постоянных, переменных и импульсных магнитных полей и для определения характеристик ферромагнитных материалов. Кроме этого они используются для измерений ряда других физических величин, которые легко преобразуются в изменение магнитной индукции (токи, угловые и линейные перемещения и др. ).

Магниторезистивные преобразователи (МРП) К МРП относятся магниторезисторы, магнитодиоды, биполярные магнито- транзисторы, полевые магнитотриоды, гальваномагниторекомбинационные преобразователи (ГМРП). МР представляют собой ГМП, изменение сопротивление которых обусловлено изменением подвижности носителей заряда. Под действием магнитного поля траектория носителей искривляется, вследствие чего скорость их движения в направлении электрического поля уменьшается.

• Уравнение преобразования МРП имеет вид: • • где А – магниторезистивный коэффициент - зависит от свойств материала и формы преобразователя, М – степенной коэффициент – принимает значения 1 или 2, u – подвижность носителей заряда.

Функция преобразования МРП показанная на рисунке, является четной, поэтому в магнитном поле любой полярности и в переменном магнитном поле их сопротивление увеличивается. Магниторезистивный коэффициент А зависит от формы МРП. Чем меньше отношение длины резистора к площади его сечения, тем больше коэффициент А. Основными метрологическими характеристиками МРП являются начальное сопротивление и магниторезистивная чувствительность. МРП находит применение в качестве бесконтактных переменных резисторов и делителей напряжения с плавно регулируемым коэффициентом деления, модуляторов малых постоянных токов и напряжений, а также используются для создания теслометров для работы при сверхнизких температурах и датчиков для измерения ряда электрических величин, легко преобразуемых в изменение магнитной индукции и бесконтактного измерения токов.

Магнитодиоды представляют собой диоды с несимметричным р-п-переходом, в котором под действием магнитного поля уменьшается подвижность и концентрация носителей зарядов, вследствие чего увеличивается прямое сопротивление перехода и при заданном токе увеличивается падение на р-п-переходе. Их преимуществом является высокая чувствительность, однако метрологические характеристики (нелинейность, чувствительность к температуре, трудность ориентации в магнитном поле) затрудняют их применение для измерения параметров магнитных полей. Магнитодиоды применяют в качестве бесконтактных потенциометров, переключателей и реле.

ГМРП основаны на изменении средней концентрации носителей зарядов под действием магнитного поля. Эффект имеет место в проводниках, в которых поверхности с разными скоростями рекомбинации носителей зарядов. ГМРП представляет собой тонкую полупроводниковую пластину, одна из боковых поверхностей грубая, другая – отполированная. У первой (шершавой) поверхности скорость рекомбинации носителей зарядов в 2 -3 раза выше. Если ГМРП находится в магнитном поле таким образом, что вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно вектору плотности тока и параллельно плоскостям рекомбинации, тогда под действием силы Лоренца произойдёт смещение носителей заряда к одной из боковых поверхностей.