Изготовление и применение датчиков Холла

Для изготовления датчиков Холла необходимо добиваться следую­щих основных показателей:

· высокого значения , когда необходимо получить высокое зна­чение ЭДС Холла в режиме холостого хода;

· высокой проводимости при заданном значении коэффициента Хол­ла, когда датчик работает на внешнюю нагрузку, потребляющую ток, и часть ЭДС Холла падает на внутреннем сопротивлении датчика между электродами Холла, обусловливая вредные потери;

· низкого температурного коэффициента, коэффициента Холла и проводимости.

Материал, из которого изготовляют датчик Холла, должен иметь максимальную подвижность носителей заряда с минимальными темпе­ратурными зависимостями подвижности и концентраций носителей заряда.

Из формулы (2.56) видно, что для получения наибольшего зна­чения ЭДС Холла необходимо выбирать материал с небольшой элек­тропроводностью. Для этой цепи используют пленки селенида и теллурида ртути, антимонида индия и твердые растворы этих соединений. Они обладают высокой подвижностью носителей заряда даже в тонких монокрис­таллических пленках. Тонкопленочные датчики, полученные методом испарения из этих материалов, обладают слабой зависимостью коэффициента Холла и сопротивления от температуры и от напряженности магнитного поля, что определило их широкое применение, несмотря на сравнительно низкую ЭДС Холла.

Для изготовления датчиков Холла применяют также монокристал­лический германий и кремний, легированные мышьяком, фосфором и сурьмой. Датчики, изготовленные из этих материалов, имеют вы­сокий коэффициент Холла и низкий температурный коэффициент (осо­бенно кремниевые). Максимальная величина ЭДС Холла достигает 1В.

Применяется для изготовления датчиков Холла антимонид индия, арсенид индия, а также сплав антимонида индия и ангимонида галлия. Датчики, изготовленные из этих материалов, имеют сильную зависи­мость сопротивления и коэффициента Холла от температуры и магнит­ного поля. Это ограничивает их применение.

Из формулы (6) видно, что ЭДС Холла будет тем выше, чем тоньше образец полупроводника. Поэтому датчики ЭДС Холла из­готовляют в виде пластинок или тонких пленок, тем более, что с их помощью производится измерение магнитных полей в малых зазорах.

Для получения высокого коэффициента передачи геометрические размеры необходимо выбирать в соотношении l/b = 2¸3. Полупроводниковый слиток разрезается на пластины, которые посредством шлифовки доводятся до требуемой толщины. Далее пластины разрезают на прямоугольники нужных размеров, которые снабжают четырьмя омическими контактами. Два из них предназна­чены для подведения к датчику напряжения от внешнего источника. Они выполняются по всей ширине пластины, чтобы получить равно­мерное распределение входного тока по сечению пластины на всей ее длине. Два других электрода предназначены для регистрации ЭДС Холла. Эти контакты должны быть расположены строго в одном сечении, в противном случае между ними будет возникать разность потенци­алов и при отсутствии магнитного поля за счет протекания тока.

Учитывая, что выходной ток очень мал, иногда выходные электроды выполняют точечными. Из теллурида и селенида ртути датчики Холла могут быть изготовлены также прессованием порошков при температу­ре около 500 К. Пленочные датчики изготавливают посредством нанесения тонких пленок на подложку методом вакуумного испарения исходного мате­риала. Материалом подложки могут служить слюда, керамика или другие изоляционные материалы. Материал подложки должен обеспечить хо­рошую адгезию напыляемого материала и иметь с ним близкий темпе­ратурный коэффициент линейного расширения.

Контакты пленочных датчиков наносят испарением в вакууме. Для стабилизации параметров готовую пленку в течение несколь­ких часов подвергают термостарению при температуре 100° С. Пленочные датчики тоньше пластиночных. Их толщина определяется в основном подложкой. Преимуществом их является высокое сопротивление, что удобно при согласовании с нагрузкой.

Получили развитие два новых прогрессивных метода изготовления датчиков Холла. Это метод диффузии, примеси и метод эпитаксиального выращивания. Оба эти метода широко применяют при изготовле­нии диодов и транзисторов.

Посредством диффузии примеси на материале p-типа образуется p- n-переход. На диффузионном n-слое размещаются электроды, а p- n-переход служит изолирующим слоем. При эпитаксиальном выращи­вании подложкой может быть как монокристаллическая пластина то­го же материала, так и изоляцион­ные материалы.

Датчики Холла, полученные этими методами, имеют преиму­щества монокристаллических дат­чиков (высокий коэффициент Хол­ла и хорошую стабильность) и преимущества пленочных (высо­кую чувствительность). Толщина рабочего слоя у них не более, чем у пленочных.

Рисунок. 2.33. Диффузный датчик Холла.

 

Для защиты от механических и климатических воздействий изготовленный датчик покрывают синтетической смолой и приклеивают к изоляционной подложке или помещают в бронзовый корпус. Послед­ний способствует отводу от датчика тепла.

Рисунок 2.34. Варианты конструктивного исполнения датчиков Холла.

 

На рис. 2.34, а показан датчик, выпускаемый без кор­пуса и подлежащий заливке компаундом после установки в воздушный зазор магнитопровода. На рис. 2.34, в приведен датчик с оболочкой из эпоксидной смолы. На рис. 2.34, б показан датчик, заключенный в ферритовую оболочку с симметричной магнитной системой.

Ферритовое основание 1 и крышка 4 имеют одинаковые размеры. Полупроводниковая пластина 6 наклеена прямо на ферритовое осно­вание. Ферритовый стержень 3 концентрирует магнитный поток на по­верхность датчика. Стенки 5 и 2 выполнены из немагнитного материала и обеспечивают необходимый зазор между ферритовым стержнем и по­лупроводниковой пластиной (обычно 2—3 мкм).

На основе эффекта Холла можно создать ряд устройств и прибо­ров, обладающих ценными и даже уникальными свойствами и занимаю­щих важное место в измерительной технике, автоматике, радиотехни­ке и т. д.

Так как ЭДС Холла пропорциональна току I и индукции магнит­ного поля, то при постоянной величине тока величина ЭДС будет про­порциональна только индукции магнитного поля. Это позволяет ис­пользовать датчики Холла для измерения индукции магнитных полей.

Одним из приборов, в которых используется это свойство, являет­ся магнитометр, измеряющий как малые, так и большие поля (10 — 1Вб А/м).

Кроме того, датчики ЭДС Холла применяют для измерения токов и мощностей. Если поддерживать постоянной напряженность магнит­ного поля, то ЭДС Холла будет изменяться пропорционально величине тока, протекающего через датчик. Если датчик Холла поместить в магнитное поле, пропорциональное протекающему через нагрузку то­ку, и на вход его подать напряжение, пропорциональное напряжению на нагрузке, то ЭДС Холла будет пропорциональна мощности, выде­ляемой в нагрузке.

Датчики Холла могут применяться для измерения силы, давлений, углов, перемещений и других неэлектрических величин. Если, например, датчик Холла перемещать в неоднородном магнит­ном поле, поддерживая входной ток постоянным, то ЭДС Холла бу­дет изменяться пропорционально напряженности магнитного поля, а, следовательно, и местоположению датчика.

В полупроводниковом производстве эффект Холла используется для измерения подвижности и концентрации носителей полупроводнико­вого материала. Для этой цели на специальном подготовленном об­разце измеряют ЭДС Холла и по его величине судят о подвижности и концентрации носителей заряда материала, используемого для из­готовления полупроводниковых приборов.

Рисунок 2.35 Схема включения датчика Холла.

 

В сильных магнитных полях (В > 0,3Тл) под действием силы Лоренца может возникнуть циклотронное движение электронов по круговой орбите. При частоте поля, близкой к частоте циклотронного резонанса:

,                              (2.57)

возникает аномальное увеличение поглощения энергии поля.

Для наблюдения квантового эффекта Холла гетероструктуру со сформированным двумерным электронным газом помещают в однородное магнитное поле, перпендикулярное плоскости электронного газа. При пропускании тока через образец измеряют ток, а также возникающее напряжение вдоль и поперек образца.

Прецизионные измерения показали, что на точности квантования сопротивления проводящей среды не сказываются такие существенные параметры эксперимента, как размеры образцов, влияние границ, а также степень совершенства структур, то есть наличие большого количества примесей и дефектов, тип материала, в котором находится 2D-электронный газ, температура и сила измерительного тока. Экспериментальная точность квантования так высока, что встал вопрос о метрологических применениях данного эффекта: проверке формул квантовой электродинамики с помощью прецизионного определения постоянной тонкой структуры или создания нового эталона сопротивления.

В измерительной технике данный эффект применяется для создания как эталонных, так и рабочих средств измерений. Высокая точность средств измерений, реализующих данный эффект, определяется отсутствием какого-либо влияния внешних факторов на значение сопротивления холловского контакта. 

⇐ Предыдущая16171819202122232425Следующая ⇒

Поделиться: