Эффект Холла: в чём заключается явление, измерения датчиками, основанными на элементах Холла, формула расчетов

Открытие эффекта Холла

Будущий физик Эдвин Герберт Холл родился в американском городе Горем в 1855 году. Получив начальное образование, он в 1875 году поступил в университет, где и ставил свои первые эксперименты. Так, изучая труды Максвелла об электричестве и магнетизме, Холл заинтересовался двумя фактами.

Первый заключался в том, что силы, возникающие в проводнике, расположенном поперечно линиям магнитной индукции, прикладываются непосредственно к веществу. Второй же сообщал, что значение этих сил зависит от скорости движения зарядов. В 1879 году вышла статья учёного Эдмунда Холла, доказывающая факт, что магнитное поле действует с одинаковым усилием как на подвешенный, так и зафиксированный объект.

Анализируя, какая сила может управлять движением заряженных частиц, он пришёл к выводу, что это может быть только напряжение. Для первого опыта физик использовал согнутую в спираль проволоку зажатую между диэлектриков. Эту конструкцию он поместил между двумя магнитами и запитал её от химического элемента тока. В качестве регистратора использовался мост Витстона с гальванометром Кельвина. В совокупности было проведено около тринадцати экспериментов и более четырёхсот измерений с разными условиями. Результатами экспериментов стало утверждение, что магнитный поток может изменять сопротивление материала.

По совету профессора Роуланда было выработано направление нового эксперимента, заключающее в следующем:

К проводящей пластине подводился электрический ток.
Гальванометр подключался к краям проводника.
Включался электромагнит так, чтобы линии напряжённости поля лежали перпендикулярно плоскости пластины.

Предполагалось обнаружить условия для изменения протекания тока. Но опыт не получался, пока в качестве пластины не попробовали использовать тонкий лист из золота. Поставленный новый опыт оказался удачным. Гальванометр чётко зафиксировал появившееся напряжение.

В результате был обнаружено, что при подаче на проводник электрического тока заряд в ней распределяется равномерно по всей её поверхности.

Но как только на пластину воздействует магнитное поле, линии индукции которой перпендикулярны направлению тока, заряд перераспределяется к краям, и возникает разность потенциалов. В этом и заключается эффект Холла, на базе которого были после построены одноимённые датчики.

Первый датчик Холла

Первый датчик Холла сконструирован профессором Роуландом. В той же форме, в которой устройство применяется поныне. Видя, что опыты Эдвина (и его собственные) не приводят к результату, лектор предложил старую модель эксперимента, проделанного годами ранее (описана конструкция датчика Холла):

В электрическую цепь включается проводящий диск (либо пластина другой формы).
При помощи гальванометра находятся две эквипотенциальные точки по бокам фигуры.
Включается электромагнит, линии напряжённости поля которого лежат в перпендикулярной диску плоскости.
Фиксируются изменения показаний гальванометра.

Предполагалось засечь признаки изменений при изменении условий протекания тока. В эксперименте использовался датчик Холла в нынешнем исполнении, но опыт не удался. Принято считать, что виновата слишком большая толщина диска. Профессор довёл это до сведения Эдвина и высказал мнение, что ситуация поправима, если использовать тонкий золотой лист, смонтированный на стеклянном основании (для исключения деформации металла полем). Поставленный 28 октября опыт полностью удачный, удалось зафиксировать стабильное отклонение иглы гальванометра при действии магнитного поля на пластинку с током.

И хотя движение оказывалось перманентным, быстро пропадало, нельзя было отнести это на магнитную индукцию (из опытов Фарадея). Быстро исключили погрешность, вносимую поле электрических соленоидов. На горизонте явно маячило открытие. Замечательно, что при изменении полярности магнита эффект инвертировался. Для установления количественных зависимостей аппарат слегка усовершенствовали:

Прочный контакт источника питания обеспечивался с каждой стороны пластинами латуни, хорошо отполированными и тщательно припаянными к золоту (9х2 см).
В центре остался чистый металл: область длиной 5,5 см и по всей ширине. Здесь через золото проходили линии магнитного поля.
Контакты высокоомного гальванометра Томсона подходили по краям, равноудалённо от латунных пластин.

Результаты измерений Холла

В ходе эксперимента измерялись магнитное поле соленоидов, токи через пластину и гальванометр. Результат оформлялся в виде таблицы, представленной на рисунке, показывающей, что Эдвину Холлу удалось получить первые закономерности. Это случилось 12 ноября 1879 года. Несмотря на то, что выражение справа имеет значения, отличающиеся на 8%, очевидно, что порядок цифр одинаковый. А отклонения спишем на погрешности экспериментаторов и оборудования.

Точные значения важны далеко не всегда. Сегодня датчики Холла активно применяются в качестве индикаторов отсутствия или наличия магнитного поля. К примеру, в клавиатурах или двигателях стиральных машин.

Физико-математическое определение

Эффект Холла — это явление, которое можно наблюдать при помещении вещества проводящего электрический ток под действие магнитного поля. Физик Холл открыл, что в проводнике, при пропускании по нему постоянного тока появляется электродвижущая сила (ЭДС) если его поместить в поперечное магнитное поле. Физически это обозначает возникновение напряжения на боковых гранях проводящего вещества при поднесении к нему магнита. Используя это, можно регистрировать магнитное излучение. Возникшее напряжение зависит от трёх факторов:

силы тока;
напряжённости поля;
типа проводника.

Вам это будет интересно Устройство термопары, ее виды и принцип работы

Сила, с которой электромагнитное поле действует на точечный заряд в веществе, называется силой Лоренца. Частным её случаем является сила Ампера. Математически напряжённость электрического поля описывается выражением:

E h = R*H*j*sinα, где:

H — напряжённость магнитного поля;
j — плотность тока;
α — векторный угол между силовыми линиями H и j;
R — постоянная Холла.

Если к пластине прямоугольной формы, имеющую длину L, которая намного будет превышать ширину b и толщину d, подвести ток, то его значение будет определяться формулой: I = j*b*d. Когда же её переместить в магнитное поле, направленное перпендикулярно этому току, то на боковых гранях пластины возникнет ЭДС, равная:

V h = E h* b = R*H*I/d.

Так как эффект объясняется влиянием поля на элементарные частички (дырки или электроны) то сила действующая на них описывается законом Лоренца: F =e * [H*υ], где υ — усреднённая скорость носителей зарядов, зависящая от концентрации и величины носителей. Под влиянием этой силы носители начинают прижиматься к боковым поверхностям пластины перпендикулярно j и H. Там они накапливаются, и возникает явление Холла, уравновешивающее силу Лоренца.

При этом коэффициент Холла равен: R = 1/n*e. Например, для металлов он составляет около 10-3 см3/Кл, а у полупроводников от 10 до 105 см3/Кл.

Постоянную Холла также можно выразить через способность носителей заряда реагировать на внешнее воздействие (подвижность). Так, она равна: R = µ/σ, где: µ — дрейфовая скорость носителей, а σ — удельная электропроводность. Но это в большей мере справедливо для поликристаллов. В то же время для анизотропных проводников будет верней формула: R = r/e*n. Здесь r принимается равной единице и обозначает оценку силы магнитного поля.

Теория

Качественная картина явления

Установка для измерения эффекта Холла для электронов. Первоначально электроны движутся по изогнутой стрелке из-за магнитной силы (силы Лоренца). На некотором расстоянии от токоподводящих контактов электроны скапливаются с левой стороны и убегают с правой стороны, что создаёт электрическое поле ξy

в направлении заданного
V
H. Напряжение
V
H отрицательно для некоторых полупроводников, где кажется, что текут «дырки». В установившемся режиме
ξy
будет достаточно сильным, чтобы точно нейтрализовать действие силы Лоренца, поэтому электроны движутся вдоль в среднем вдоль прерывистой прямой стрелки.

Эффект Холла связан с природой носителей тока в проводнике. Ток представляется как направленное движение множества крошечных носителей заряда, обычно электронов — отрицательно заряженных частиц, но в твёрдом теле могут появляться и другие квазичастицы — дырки, которые несут положительный заряд. В присутствии магнитного поля, движущиеся заряды испытывают силу, называемую силой Лоренца[8]. Когда такое магнитное поле отсутствует, заряды следуют приблизительно по прямым путям между столкновениями с примесями, фононами и другими дефектами. Время между столкновениями называется временем свободного пробега[9]. При приложении магнитного поля с перпендикулярной к направлению тока составляющей, их пути между столкновениями искривляются, таким образом, что в конечном образце заряды определённого знака накапливаются на одной из его сторон, а заряд с противоположным знаком накапливается на другой стороне. Результатом является асимметричное распределение плотности заряда по образцу, возникающее из-за силы, перпендикулярной как направлению тока, так и приложенному магнитному полю. Разделение зарядов противоположного знака создаёт электрическое поле, которое препятствует диффузии и дальнейшему накоплению заряда на границах образца, поэтому постоянный электрический потенциал устанавливается пока течёт ток[10].

В классическом электромагнетизме электроны движутся в направлении, противоположном направлению тока I

(по соглашению «ток» описывает теоретический поток положительно заряженных частиц). В некоторых металлах и полупроводниках
кажется, текут положительно заряженные частицы
— «дырки», потому что знак холловского напряжения противоположный приведённому ниже для электронов.

Воспроизвести медиафайл

Анимация демонстрирующая простой принцип.

Для простого металла, в котором есть только один тип носителя заряда (электроны), напряжение Холла V

H получается с помощью силы Лоренца и, условия, что в стационарном состоянии заряды не должны двигаться вдоль оси
y
. Таким образом, магнитная сила, действующая на каждый электрон в направлении оси
y
скомпенсирована за счёт электрического поля вдоль оси
y
из-за накопления зарядов. Член
vx
— это дрейфовая скорость тока, которая в этой точке по соглашению считается дыркой. Член
vxBz
отрицателен по направлению
y
-оси согласно правилу правой руки.
F = q ( E + v × B ) {\displaystyle \mathbf {F} =q{\bigl (}\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} {\bigl )}}
В установившемся режиме F

=
0
, поэтому 0 =
Ey
−
vxBz
, где
Ey
задаётся в направлении
y
(а не со стрелкой индуцированного электрического поля
ξy
как на изображении (указывает в направлении −
y
), который сообщает, куда указывает поле, вызванное электронами).

В проводах текут электроны вместо дырок, поэтому нужно произвести замены vx

→ −
vx
и
q
→ −
q
. Также
Ey
= −
V
H
w
V H = v x B z w {\displaystyle V_{\mathrm {H} }=v_{x}B_{z}w}

Обычный «дырочный» ток направлен в отрицательном направлении электронного тока и отрицательного электрического заряда, что даёт Ix

=
ntw
(−
vx
)(−
e
) где
n
— плотность носителей заряда,
tw
— площадь поперечного сечения, а −
e
— заряд каждого электрона. Решая для w {\displaystyle w} и подставляя в вышеупомянутое выражение даёт напряжение Холла:
V H = I x B z n t e {\displaystyle V_{\mathrm {H} }={\frac {I_{x}B_{z}}{nte}}}
Если бы накопление заряда было положительным (как в некоторых металлах и полупроводниках), то значение V

H на изображении было бы отрицательным (положительный заряд образовался бы на другой — левой стороне).

Коэффициент Холла определяется как

R H = E y j x B z {\displaystyle R_{\mathrm {H} }={\frac {E_{y}}{j_{x}B_{z}}}} или E = − R H ( J c × B ) {\displaystyle \mathbf {E} =-R_{\mathrm {H} }(\mathbf {J} _{c}\times \mathbf {B} )}

где j

— плотность тока электронов-носителей, а
Ey
— индуцированное электрическое поле. В единицах СИ это можно записать в виде
R H = E y j x B = V H t I B = 1 n e . {\displaystyle R_{\mathrm {H} }={\frac {E_{y}}{j_{x}B}}={\frac {V_{\mathrm {H} }t}{IB}}={\frac {1}{ne}}.}
(Единицы измерения R

H обычно выражаются в м3/Кл, Ом · см/ или в других вариантах. В результате эффект Холла очень полезен как средство измерения плотности носителей заряда или величины и направления магнитного поля.

Одна очень важная особенность эффекта Холла состоит в том, что он различает положительные заряды, движущиеся в одном направлении, и отрицательные, движущиеся в противоположном. На диаграмме выше представлен эффект Холла с отрицательнымы носителями заряда (электронами). Но если в тех же условиях: магнитного поля и тока, использовать другой знак носителей тока, то эффект Холла сменит знак. Конечно, частица должна двигаться в направлении, противоположном электрону, чтобы ток был одинаковым — вниз на диаграмме, а не вверх, как электрон. И, таким образом, мнемонически говоря, ваш большой палец в законе силы Лоренца, представляющий (условный) ток, будет указывать в том же

направлении, что и раньше, потому что ток такой же — электрон, движущийся вверх, имеет тот же ток, что и положительный заряд, движущийся вниз. И с теми же пальцами (магнитное поле),
носитель заряда отклоняется влево на диаграмме, независимо от того, положительный он или отрицательный.
Но если положительные носители отклоняются влево, они создают относительно
положительное напряжение
слева, тогда как отрицательные носители (а именно электроны) создают отрицательное напряжение слева, как показано на схеме. Таким образом, для одного и того же тока и магнитного поля полярность напряжения Холла зависит от внутренней природы проводника и полезна для выяснения его зарядовых свойств.

Это свойство эффекта Холла стало первым реальным доказательством того, что электрические токи в большинстве металлов переносятся движущимися электронами, а не протонами. Он также показал, что в некоторых веществах (особенно в полупроводниках p-типа), наоборот, более уместно рассматривать ток как движущиеся положительные «дырки», а не как отрицательные электроны. Обычный источник путаницы с эффектом Холла в таких материалах заключается в том, что дырки, движущиеся в одну сторону, на самом деле являются электронами, движущимися в противоположную сторону, поэтому можно ожидать, что полярность напряжения Холла будет такой же, как если бы электроны были носителями заряда, как в большинстве металлов и полупроводники n-типа. Тем не менее, наблюдается противоположная полярность напряжения Холла, что указывает на положительность носителей заряда. Однако, конечно, в полупроводниках p-типа нет реальных позитронов или других положительных элементарных частиц, несущих заряд, отсюда и название «дырки». Точно так же, как чрезмерно упрощенная картина света в стекле как фотонов, поглощаемых и повторно испускаемых для объяснения рефракции, разрушается при более внимательном рассмотрении, это очевидное противоречие также может быть разрешено только современной квантовой теорией квазичастиц, в которой коллективное квантованное движение нескольких частиц можно, в реальном физическом смысле, рассматривать как отдельную частицу (хотя и не элементарную)[11][уточнить

Вне связи с этим неоднородность в проводящем образце может привести к ложному признаку эффекта Холла даже при идеальной ван дер Пау конфигурации электродов. Например, эффект Холла, соответствующий положительным носителям, наблюдался, очевидно, в полупроводниках n-типа[12]. Другой источник артефактов в однородных материалах возникает, когда форматное отношение длины к ширине образца недостаточно велико: полное напряжение Холла возникает только вдали от токоподводящих контактов, поскольку на контактах поперечное напряжение закорочено.

Эффект Холла в полупроводниках

Когда полупроводник с током находится в магнитном поле, носители заряда полупроводника испытывают силу в направлении, перпендикулярном как магнитному полю, так и току. В состоянии равновесия на краях полупроводника появляется холловское напряжение.

Приведённая выше простая формула для коэффициента Холла обычно является хорошим объяснением, когда в проводимости преобладает один носитель заряда. Однако для полупроводников и многих металлов теория более сложна, потому что в этих материалах проводимость может включать значительные одновременные вклады как электронов, так и дырок, которые могут присутствовать в разных концентрациях и иметь разную подвижность. Для умеренных магнитных полей коэффициент Холла[13][14] вычисляется по формуле

R H = p μ h 2 − n μ e 2 e ( p μ h + n μ e ) 2 {\displaystyle R_{\mathrm {H} }={\frac {p\mu _{\mathrm {h} }^{2}-n\mu _{\mathrm {e} }^{2}}{e(p\mu _{\mathrm {h} }+n\mu _{\mathrm {e} })^{2}}}}

или эквивалентно

R H = p − n b 2 e ( p + n b ) 2 {\displaystyle R_{\mathrm {H} }={\frac {p-nb^{2}}{e(p+nb)^{2}}}}

с заменой

b = μ e μ h . {\displaystyle b={\frac {\mu _{\mathrm {e} }}{\mu _{\mathrm {h} }}}.}

где n

— концентрация электронов,
p
— концентрация дырок,
μ
e — подвижность электронов,
μ
h — подвижность дырок и
e
— элементарный заряд.

Для больших прикладных полей справедливо более простое выражение, аналогичное выражению для одного типа носителей.

Квантовый эффект Холла

Основная статья: Квантовый эффект Холла

В сильных магнитных полях в плоском проводнике (то есть в квазидвумерном электронном газе) в системе начинают сказываться квантовые эффекты, что приводит к появлению квантового эффекта Холла: квантованию холловского сопротивления. В ещё более сильных магнитных полях проявляется дробный квантовый эффект Холла, который связан с кардинальной перестройкой внутренней структуры двумерной электронной жидкости.

Разновидности явления

По мере исследования эффекта был обнаружен ряд особенностей появления электрического поля, отличающий от классического понимания. Так, учёными были выявлены факторы, приводящие к появлению напряжения без пропускания через пластинку тока. Такие явления получили название:

аномальное;
квантовое;
спиновое.

Для аномального эффекта необходимым условием является нарушение T-симметрии, то есть уравнений, описывающих физические законы при обращении времени. Наиболее часто этот эффект наблюдается в материалах, имеющих остаточную намагниченность (ферромагнетики).

Квантовое же отклонение возникает в квазидвумерном электронном газе, где пренебрегают кулоновским взаимодействием. В нём носители заряда обладают слабой связью с ионами кристаллической решётки. В такой системе работают законы квантовых теорий.

При этом чем сильнее магнитное поле, тем более выражено дробное явление Холла, связанное с трансформированием структуры всего электронного газа.

В 1971 году учёные Дьяконов и Перель, изучающие механизм спиновой релаксации, обнаружили, что перпендикулярно направлению линий электромагнитного поля наблюдается отклонение носителей зарядов, имеющих противоположные спины. Этот эффект был связан со спин-гальваническим рассеянием и взаимодействием между спиновыми и орбитальными магнитными моментам.

Вам это будет интересно Расчёт и таблицы подбора сечения кабеля по мощности и току

Способы использования явления

На основе эффекта Холла создаются устройства и приборы, обладающие нужными и часто уникальными свойствами. Эти приборы занимают важное место в измерительно-контрольной технике, автоматизации, радиотехнике и т. д. Приспособления, использующие в своей работе явление Холла, называются элементами Холла (датчиками).

Эти датчики дают возможность измерять силу магнитного поля, так как при неизменной величине тока электродвижущая сила прямо пропорциональна линиям магнитной индукции. Прямая зависимость этих величин для элементов Холла является неоспоримым преимуществом перед другими типами измерителей индукции, основанных на контроле магнетосопротивления.

Приборы Холла позволяют проводить измерения электрических и магнитных характеристик не только металлов, но и полупроводников. Из-за простоты своего действия, несложности в изготовлении, а также высокой точности и надёжности они широко применяются в различных отраслях науки и техники. Датчики используются для измерения силы, давления, углов, перемещения и других неэлектрических величин. Этот эффект используют и при изготовлении полупроводников для контроля подвижности носителей зарядов и подсчёта их концентрации.

Для этого используется формула эффекта Холла: V h = j*B*H / n*q = B*I / (q*n*α) = R*B*I/α,

из которой число носителей находится как N = (I*B) / (q*α* V h). Таким образом, можно определить не только количество носителей, но и также их тип (знак).

Элементы Холла применяются в автомобилестроении из-за их невысокой стоимости, точности показаний, надёжности и способности не зависеть от условий окружающей среды. Их используют в конструкции бесконтактных однополярных и биполярных прерывателей. Благодаря их миниатюрному исполнению электронные гаджеты можно автоматически включать или выключать экран при открытии или закрытии чехла с магнитом. Они помогают в GPS-навигации, улучшая геопозирование.

С каждым годом эффект Холла находит всё более новое применение. Свидетельством тому служит появление устройства виртуальной реальности — Google Card Board, в основе работы которого лежит взаимодействие магнита с датчиком Холла.

Устройство и примеры использования

Простейшая система с датчиком Холла включает в свой состав следующие элементы:

Постоянный магнит (его функция – создание магнитного поля).
Подвижный ротор с лопастями или зубцами.
Особый стержень из магнитного материала (магнитопровод).
Пластиковый корпус.

Помимо этого, техническая характеристика датчика предусматривает применение микросхем, задействованных в измерительном процессе.

Понять принцип работы этого прибора удается, если ознакомиться с подробной схемой включения датчика Холла в зоне проведения измерений. Схема подключения и суть работы сенсора может быть представлена следующим образом:

В зазоре, образованном половинками магнитопровода, перемещаются металлические лопасти ротора.
При их вращении происходит периодическое шунтирование магнитного потока.
Встроенной микросхемой предусмотрено определение нулевого показателя индукции (в эти моменты напряжение на ее выходе максимально).
По частоте таких всплесков, подсчитываемой той же микросхемой, судят о скорости вращения контролируемого объекта (двигательного вала в мотоцикле, например).

Чтобы этот процесс протекал нормально – при включении сенсора в измерительную цепь должна учитываться цоколевка данного образца (она бывает разной).

Обобщая рассмотренную схему, следует предположить, что датчики этого класса способны измерять скорость вращения коленвала любого движущегося средства. Универсальность сенсора, не исключающая возможности его установки в скутере, например, позволяет применять датчик Холла не только в сложных технических устройствах, но и в обычной бытовой технике.

Применение в системе зажигания и стиральных машинах

При использовании датчика Холла в системе зажигания автомобиля с его помощью удается фиксировать момент размыкания трамблера. В данном случае он работает как аналоговый преобразователь, определяющий мгновения прерывания бортового питания. На этом же принципе базируется его применение в рабочих модулях стиральной машины, что позволяет по скорости вращения барабана определять увеличение веса белья.

Датчики Холла устанавливаются и в некоторых образцах измерительной аппаратуры. Чаще всего ими комплектуются бесконтактные клещи, применяемые для измерения тока в проводниках. Встроенный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля, образующегося вокруг силового кабеля. Кроме того, он подходит для ручки газа электровелосипеда, позволяя контролировать угол ее поворота.

В бытовых условиях

В клавиатурах компьютеров эти приборы обеспечивают бесконтактный способ снятия информации. Сенсор, входящий в состав кулера бытового ПК, способен управлять полярностью обмоток ротора, то есть менять направление его вращения.

При использовании такого элемента в смартфоне, в частности, он обеспечивает выключение устройства при помещении его в чехол с «магнитной» застежкой.

Рассматривая области применения датчики Холла простыми словами можно сказать, что его использование в технической сфере практически ничем не ограничено. В электронном конструкторе Ардуино, например, имеется набор с таким датчиком, позволяющий на практике проиллюстрировать эффект Холла.

Это не единственный пример его использования в целях обучения, помогающий начинающим пользователям понять, как подключить и использовать сенсоры полевых структур.

В заключение отметим, что к недостаткам датчиков Холла относят их чувствительность к электромагнитным помехам, нередко возникающим в рабочих цепях. Кроме того, использование сложных электронных модулей в конструкции прибора в какой-то мере влияет на его надежность, несколько снижая ее. Эти минусы сенсора не рассматриваются как его дефекты, а просто учитываются при работе с аппаратурой.

Теперь вы знаете, что такое датчик Холла, как он работает и зачем нужен. Надеемся, предоставленная информация была для полезной и интересной!

Магнитные датчики

Основное преимущество использования датчиков магнитного поля, заключается в их бесконтактной работе. Они бывают аналоговыми и дискретными. Первый тип считается классическим. В его основе лежит принцип, что чем сильнее будет магнитное поле, тем больше будет величина напряжения. В современных приборах и устройствах такой тип уже практически не используется из-за значительных размеров. Цифровой же датчик построен на режиме работы «ключ» и имеет два устойчивых положения. Если сила индукции недостаточна он не срабатывает.

Вам это будет интересно Формула для определения напряжённости электрического поля

Разделяются дискретные элементы Холла на два типа:

униполярные — срабатывание которых зависит от полюса магнитного поля;
биполярные — переключения состояния датчика происходит при изменении магнитного полюса;
омниполярные — реагируют на действие магнитной индукции любого направления.

Конструктивно датчик представляет собой электронный прибор с тремя выводами. Он может выпускаться как в стандартном исполнении DIP, DFN или SOT, так и в герметичном: например, 1GT101DC (герметичный), A1391SEHLT-T (DNF6), SS39ET (SOT), 2SS52M (DIP).

Характеристики устройства

Выпускаемые датчики, использующие явление Холла, как и любые электронные радиокомпоненты характеризуются своими параметрами. Главным из них является тип прибора и напряжение питания. Но, кроме этого, выделяют следующие технические характеристики:

Величина измеряемой индукции. Измеряется она в гауссах или миллитеслах.
Чувствительность — определяется значением магнитного потока, на который реагирует датчик, единица измерения мВ/Гс или мВ/мТл.
Нулевое напряжение магнитного поля — значение разности потенциалов, соответствующее отсутствию магнитного поля.
Дрейф нуля — изменение напряжения, зависящее от температуры. Указывается в процентном отклонении от температуры 25 °C.
Дрейф чувствительности — изменение чувствительности, вызванное изменением температуры.
Полоса пропускания — уровень снижения чувствительности с шагом в 3 дБ.
Индукция включения и выключения — это значение напряжённости поля, при котором датчик устойчиво срабатывает.
Гистерезис — разность между индукциями включения и выключения;
Время срабатывания — характеризуется промежутком времени перехода из одного устойчивого состояния в другое.

Изготовление приборов

Материал, из которого выполняется элемент Холла, должен обладать большой подвижностью носителей зарядов. Для получения наибольшего значения напряжения вещество не должно иметь высокую электропроводностью. Поэтому при производстве устройств используется: селенид, теллурид ртути, антимонид индия. Тонкопленочные датчики получаются методом испарения вещества и осаждения его на подложку. В качестве её служит слюда или керамика.

Изготавливают датчики также из полупроводников — германия и кремния. Их легируют мышьяком или фосфорной сурьмой. Такие устройства обладают низкой зависимостью от изменения температуры, а величина образуемой на них ЭДС может достигать одного вольта.

Типовой процесс производства пластинчатого датчика Холла состоит из следующих операций:

обрезка пластины нужного размера;
шлифовка поверхности;
формирование с помощью пайки либо сварки симметричных выводов;
герметизация.

Таким образом, применение эффекта Холла нашло широкое применение в магнитометрии, смартфонах, автомобилях, выключателях и охранных системах.

Одним из главных преимуществ датчиков, выполненных на этом эффекте, является электрическая изоляция (гальваническая развязка) делающие их применение удобным и безопасным.