ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 8 page

а) Б)

Рис. 8-56

Ш Г1 п

а

кладная измерительная катушка, распределение магнитного потока в ферромагнит­ном роторе и импульс ЭДС в катушке. Амплитуда импульса может быть оценена как е = —ьуДФ/т, где w — число витков обмотки; ДФ — приращение магнитного потока, вызванное скачком Баркгаузена; т — длительность скачка. Измерительные катушки располагаются в области максимального градиента магнитного поля и со­единяются последовательно, при этом дисперсия выходного сигнала увеличивается в п раз, где п — число уста­новленных систем. а) 1 2 3

Тахометр позволяет из­мерять угловые скорости в диапазоне 10~³--10~* рад/с (10~²—1 об/мин) с погрешно­стью не более 1%. При бо­лее высоких скоростях про­исходит захват доменов, т. е. увеличение размера естест­венной метки, и уменьшение чувствительности преобразо­вателя.

Принцип действия пре­образователя с ферромагне­тиком, перемагничиваемым переменным магнитным полем, показан на рис. 8-57, а. Устройство 1 служит для создания циклически меняющегося во времени магнитного потока, перемагничиваю- щего неподвижный ферромагнетик 2. В измерительной обмотке 3 наводятся им­пульсы ЭДС, для измерения информативных параметров которых используются те же узлы, что и в схеме, показанной на рис. 8-55, а. Характер ЭДС, наводимой в об­мотке З_у показан на рис. 8-57, б. При циклическом прохождении петли гистерезиса наибольшее число скачков приходится на крутую часть гистерезисной петли, на по­
лого"? паста они практически отсутствуют. Этим определяется периодически неста­ционарный характер магнитного шума и индуктируемой им ЭДС. Так же как в слу­чае стационарного процесса, математическое ожидание периодически нестационар­ного'случайного процесса (ПНСП) постоянно и равно нулю, средняя за период пере- магничивания Т частота выбросов, превышающих заданный уровень, а также усред­ненная за период и текущая дисперсия являются информативными параметрами при измерении характеристик внешнего магнитного поля, а также при измерении тока и напряжения, определяющих напряженность поля.

При постоянстве функции, описывающей изменение магнитного поля в течение цикла, параметр магнитного шума зависит от объема образца и структурных свойств ферромагнетика, и эффект Баркгаузена может быть положен в основу преобразова­теля неразрушающего контроля для измерения толщины гальванических покрытий и содержания в них ферромагнетика.

Конструктивно преобразователь представляет собой соленоид, длина которого для обеспечения равномерности магнитного поля в 5—10 раз превышает средний диа­метр. В центре соленоида помещается измерительная обмотка, в которую вводится исследуемый образец.

Мощность магнитного шума в преобразователе зависит от числа доменных об­ластей, участвующих в перемагничивании образца при постоянном режиме пере- магничивания. Число доменных областей определяется как толщиной покрытия, так и содержанием ферромагнетика в нем. Влияние толщины выражается в измене­нии дисперсии случайного процесса без изменения вида ПНСП. Изменение состава гальванического покрытия приводит к изменению вида петли гистерезиса (при умень­шении содержания ферромагнетика петля становится уже и прямоугольнее) и, следовательно, характера ПНСП.

Можно выбрать такое сочетание режима перемагничивания образца и регистра­ции информативных параметров, при котором разделяется информация о толщине покрытия и о содержании в нем ферромагнетика.

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

9-1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ХОЛЛА

Гальваномагнитные преобразователи (ГМП) основаны на физических эффектах, возникающих в находящихся в магнитном поле твердых телах при движении в них заряженных частиц. В качестве измерительных преобразователей практическое при­менение получили главным образом полупроводниковые ГМП, основанные на исполь­зовании эффектов Холла и Гаусса. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины, а эф­фект Гаусса, или магниторезистивный эффект, проявляется в изменении электриче­ского сопротивления пластаны. Оба эффекта обусловлены изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле, возникают одновременно и свя­заны между собой так, что каждый из них приводит к ослаблению другого. Выбирая определенным образом конструкцию и состав материала преобразователя, можно усилить один из эффектов и ослабить другой, Создавая таким образом преобразова­тели Холла, или магниторезистивные преобразователи.

Преобразователь Холла представляет собой четырехполюсник, обычно выпол­няемый в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала. Токовые электроды / и 2 (рис. 9-1) выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению преобразо­вателя. Потенциальные (Холловые) электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней.

В магнитном поле носители заряда под действием сил Лоренца F = evB изме­няют свою траекторию, вследствие чего на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, в то время как на противоположной грани — уменьшается. Возникающая при этом разность потенциалов (ЭДС Холла) опреде­ляется выражением

^ХЛ == ДхлФ (Кгеош 6) IB cos a/d, (9-1)

где R_XJl — постоянная Холла, зависящая от свойств материала преобразователя; ф (^геом» ^е) — функция, зависящая от геометрии преобразователя и так называе­мого угла Холла 6 между векторами плотности тока и напряженности вызывающего его электрического поля, оп­ределяемого подвижностью № носителей зарядов и значе­нием магнитной индукции (при l/b = 2 и аЦ ^ 0,1 функ­ция ф 1); а — угол между вектором магнитной индук­ции и магнитной осью пре­образователя, совпадающей в первом приближении с нор­малью к плоскости преобра­зователя.

^ Особенно сильно эффект Холла проявляется в гер­мании (Ge), кремнии (Si) и в полупроводниках, состоя­щих из элементов III и V групп периодической системы. Постоянные Холла для полупроводниковых материалов имеют порядок 10 ²—10 ⁴м³/(А-с|, в то время как для чистых металлов, например для меди, R_xn = 6-10 ¹¹ м³/(А-с).

Кристаллические преобразователи Холла выполняются в виде тонких пласти­нок (d = 0,01 ~ 0,2 мм), которые вырезаются из монокристаллов и шлифовкой до­водятся до необходимой толщины. Выводы укрепляются на боковых гранях путем

пайки или сварки. Пластин­ки наклеиваются на подлож­ки из радиотехнической слю­ды, ультрафарфора или си- талла.

Хорошими метрологиче­скими характеристиками от­личаются пленочные преоб­разователи Холла из тонких поли кристаллических пленок InAs и InSb на стеклянных подложках и преобразовате­ли на основе гетероэпитак- сиальных структур InSb и GaAs на подложках из полу­изолирующего арсенида гал­лия. Чувствительный элемент преобразователя выполняет­ся в виде тонкой пленки (5—10 мкм) способом фотолитографии. Такие преобразо­ватели можно выполнять сложной формы с малой площадью чувствительной зоны (0,2 X 0,05 мм и менее). На рис. 9-2 показано устройство серийно выпускаемых пре­образователей Холла типа ПХЭ, где 7 и 2 — токовые, а 3 и 4 — потенциальные выводы.

Рис. 9-1

Рис. 9-2

Выходная величина преобразователя Холла, как видно из выражения (9-1), пропорциональна произведению двух входных величин — тока и магнитной индук­ции. Таким образом, преобразователь Холла является множительным преобразо­вателем. При постоянных во времени I я В ЭДС Холла является постоянной вели­чиной. Если одна из. входных величин (В или /) постоянная, а другая — переменная, то ЭДС Холла будет переменной величиной той же частоты, что и частота входной
величины. В случае если обе входные величины имеют одну и ту же частоту и сдви­нуты по фазе на угол ф, ЭДС Холла будет состоять из постоянной и переменной двой­ной частоты составляющих:

Е_хл BI cos<p+^p BI cos (2сог+<р).

Если ток изменяется с частотой со_г, а магнитная индукция — с частотой со₂, то ЭДС Холла содержит две составляющие, одна из которых имеет частоту gjj — со₂, а другая со_х + <о_а.

Входное сопротивление R_BX преобразователя Холла определяется как сопроти­вление между токовыми электродами, а выходное сопротивление /?_вых равно сопро­тивлению между Холловыми электродами. У серийно выпускаемых преобразовате­лей Холла R_KX и R_Bhlx близки по значению и лежат в пределах от 0,5 Ом до несколь­ких килоом. Вследствие магниторезистивного эффекта R_BX и R_BЬ1Х увеличиваются с ростом магнитной индукции.

Гальваномагнитная чувствительность преобразователя Холла при а = 0 опре­деляется выражением

Sbi- ^e «JI ^b ')-R _uФ(К_геом, V)/d

и для различных типов преобразователей составляет 0,3—10 В/(А«Тл).

Чувствительность к магнитной индукции S_B определяется при номинальном значении входного тока /_нон — const как S_B ~ R_xJ_KOMу/d и для серийно выпускае­мых преобразователен составляет 0,03—I В/Т л. Значение тока / ном ограничено до­пустимой температурой перегрева преобразователя. Для высокоомных преобразова­телей допустимые- значения токов составляют 5—50 мА, для низкоомных 100— 200 мА. Гальваномагнитная чувствительность S_BI и чувствительность к магнитной индукции S_J3 зависят от магнитной индукции В, так как R = fi (В) и ф = /₂ (5). Эти зависимости главным образом определяют нелинейность характеристик пре­образователей Холла в сильных полях.

Чувствительность к. току S_f определяется при постоянном значении магнитной индукции В = const как Sj — R_xjBq>/d. При индукции В = I Тл чувствительность к току для различных типов преобразователей составляет 0,3—50 В/А.

Характеристики серийно выпускаемых преобразователей Холла - приведены в табл. 9-1 и 9-2. Лучшими метрологическими характеристиками обладают преобра­зователи Холла типа ПХЭ на основе гетероэпитаксиальных структур антимонида индия, которые в зависимости от метрологических характеристик разделяются на классы А, Б и В. Некоторые разновидности этих преобразователей характеризуются очень малым температурным коэффициентом чувствительности (5-г 10) 10"^ К^-1, малым остаточным напряжением (10—70 мкВ), малой погрешностью линейности при магнитных индукциях до 15 Тл и широким диапазоном рабочих температур (от —271,5 до +100 °С). Для работы при повышенных температурах (до 127—327 °С) наиболее пригодны преобразователи Холла из арсенида галлия, которые имеют от­носительно малые температурные коэффициенты постоянной- Холла и удельные сопротивления.

Остаточным напряоюением преобразователя Холла называется напряжение, которое возникает между Холловыми электродами при прохождении через преобра­зователь тока в отсутствии магнитного поля. Причиной остаточного напряжения в первую очередь является расположение Холловых электродов в неэквипотенциаль- пых точках пластины.

При наличии температурного градиента между Холловыми контактами, каждый из которых является соединением медного вывода с полупроводниковым материа­лом, в цепи возникает термо-ЭДС. При разности температур между контактами 0,1 °С возникает термо-ЭДС е_Т = 10 -ь 100 мкВ. Для уменьшения градиента темпе­ратур преобразователь следует укреплять на подложке из материала с хорошей теп­лопроводностью. Суммарное остаточное напряжение может составлять от единиц микровольт до десятков милливольт. У серийно выпускаемых преобразователей значения U_OCT/I лежат в пределах Ю"^с—0,4 Ом.

Схемы коррекции остаточного напряжения приведены на рис. 9-3, а, б. Сопро­тивления резисторов Ri и R₂ должны быть на два порядка больше входного сопро-

тивления преобразователя. Коррекцию остаточного напряжения также можно осуществить при совместном использовании преобразователя Холла и операцион­ного усилителя с дифференциаль­ным входом (рис. 9-4). Особенно пригодны для этой цели операцион­ные усилители типа. К551УД1, ко­торые имеют малый температурный дрейф (менее I мкВ/К) и независи­мую цепь коррекции выходного сме­щения, при помощи которой осу­ществляется компенсация остаточ­ного напряжения.

Погрешность нуля, обусловлен­ная дрейфом остаточного напряже­ния, является одной из наиболее трудно устраняемых составляющих погрешности преобразователей Холла. Дрейф главным образом связан с колеба­ниями температуры преобразователя и наличием градиента температур между его электродами. Одной из причин возникновения градиента температур является эффект Пельтье (см. § 13-2), который имеет место при питании преобразователя постоянным током.

Погрешность нуля является основной ха­рактеристикой, определяющей применимость преобразователей Холла для измерения слабых магнитных полей.

Погрешность линейности у различных ти­пов преобразователей при изменении магнитной индукции от 0 до 10 Тл составляет 1—10%. Хорошей линейностью характеристик отличают-.ся преобразователи Холла из антимонида индия, у которых погрешность линейно­сти составляет 0,1—1% в диапазоне в — 0 -f- 2 Тл и 1% при в = 0,1 -f- 10 Тл. Малую погрешность линейности (0,2%) при магнитной индукции до I Тл имеют преобразователи из арсенида-фосфида индия (InAsP).

Рис. 9-4

Погрешность от собственного магнитного поля преобразователя. При прохож­дении через преобразователь тока возникает магнитное поле. Если это поле асим-

метрично, то интегральное по площади пластины значение индукции не будет равна нулю, а составит некоторую величину В_ас. Асимметрия поля может иметь место, если обратный провод токового вывода расположен вблизи преобразователя и асим­метрично по отношению к нему (рис. 9-5, а). Возникающая в результате взаимодей­ствия индукции В_ас и тока / дополнитель­ная ЭДС Холла пропорциональна квадра­ту тока /. Правильное расположение вы­водов показано на рис. 9-5, б. Если пре­образователь находится на значительном расстоянии от ферромагнитных ^Деталей, то магнитная индукция собственного по­ля преобразователя обычно не превы­шает 10"⁶—КГ⁴ Тл. При нахождении пре­образователя вблизи полюсных наконеч­ников индукция этого поля может дости­гать 5- 1СГ⁴—10~³ Тл, что приводит к су­щественной погрешности. Основной путь уменьшения влияния собственного магнит­ного поля — правильный монтаж преоб­разователя.

Погрешность направленности обуслов­лена зависимостью выходного сигнала

преобразователя Холла от его пространственного расположения по отношению к век­тору магнитной индукции. Напряжение Холла имеет максимальное значение, когда вектор магнитной индукции направлен параллельно магнитной оси преобразователя, указывающей направление наибольшей чувствительности. В идеальном случае маг­нитная ось совпадает с нормалью к плоскости преобразователя [9].

Вопросы стабильности преобразователей Холла еще недостаточно изучены. По имеющимся данным, нестабильность чувствительности у некоторых типов пре­образователей составляет 0,1—1% в год. Существенное влияние на стабильность могут оказать механические напряжения, возникающие в процессе изготовления преобразователя и при его монтаже в датчике, а также температурные деформации. Преобразователи без подложки более стабильны, чем наклеенные на подложку.

Рис. 9-5

Температурная погрешность преобразователей Холла обусловлена зависимо­стью от температуры постоянной Холла, сопротивления преобразователя и остаточ­ного напряжения. Температурный коэффициент чувствительности у лучших типов
преобразователей составляет (5 -4- 10) 10~5 К"¹. Малые значения температурной по­грешности характерны для преобразователей на основе гетероэнитаксильных струк­тур InSb тройного соединения InAs_0i8P_0i2 (y_Q ^ 0,0003 К^-1), из арсенида галлия (V© ^ 0,0006 К"^д в диапазонах температур 20—300 °С), а также для некоторых топов преобразователей из германия (v_e 0,0003 КГ*), предназначенных для работы в относительно узком диапазоне температур.

Если температурные коэффициенты постоянной Холла и сопротивления имеют одинаковые знаки и близки по значению, коррекцию температурной погрешности можно осуществить при питании преобразователя от источника стабильного напря­жения. Такой режим питания целесообразно применять для преобразователей Холла из антимонида индия. Уменьшение температурной погрешности достигается также при применении схем коррекции с использованием терморезисторов (см. § 11-4). Однако, поскольку напряжение Холла сложным образом зависит от ряда темпера- турно-зависимых параметров, осуществить точную коррекцию температурной по­грешности практически невозможно, особенно для широкого диапазона рабочих температур.

Динамические характеристики преобразователей Холла. Время установления ЭДС Холла характеризуется временем релаксации т — е/у, где е — диэлектрическая проницаемость, а у — удельная проводимость материала преобразователя. Для обычно используемых материалов т = 10"¹¹ I0~^J3 с, поэтому постоянная Холла частотно-независима при частотах до 10^й Гц. Межэлектродные емкости у преобра­зователей Холла составляют единицы пикофарадов, поэтому их влияние сказывается при частотах порядка десятков и сотен мегагерц.

Динамические свойства непосредственно преобразователя Холла, казалось бы, позволяют использовать его при измерениях индукции в переменных магнитных по­лях очень высокой частоты. Однако при работе в переменных магнитных полях возникают ограничения несколько иного рода. В переменном магнитном поле в выходной цепи преобразователя появляется дополнительная ЭДС, индуктируемая переменным магнитным полем, е_инд = соB_mS cos со/, где со — частота; В_т — ампли­туда индукции и 5 — площадь контура, пронизываемого магнитным потоком. Ин­дуктируемая ЭДС сдвинута по отношению к ЭДС Холла на 90°. Уменьшение индук­тируемых ЭДС осуществляется рациональным расположением выводов преобразо­вателя и включением дополнительных компенсационных обмоток (см. § 3-5). Воз­можно также питание преобразователя переменным током, частота которого зна­чительно больше частоты переменного магнитного поля, и использование узкополос­ных усилителей для усиления выходного напряжения. Кроме того, в переменном магнитном поле в пластине преобразователя возникают вихревые токи, магнитное поле которых изменяет основное поле и тем самым ЭДС Холла. Вектор наведенной магнитной индукции сдвинут относительно вектора индукции внешнего поля при­мерно на 90°, и поэтому изменение ЭДС Холла происходит не только по значению, но и по фазе. Вихревые токи приводят также к дополнительному разогреву преобра­зователя. При питании преобразователя Холла постоянным током и нахождении его в переменном магнитном поле с частотой до 1,5 МГц и индукцией до 0,5 Тл зависи­мость ЭДС Холла от частоты имеет вид

Ехл = ]/!+(сое¹' <^ю< +

где v — электрическая проводимость материала преобразователя; — магнитная проницаемость среды, окружающей преобразователь; <р — arctg щхуЬ²/8 — фазовый сдвиг.

Как видно, характеристика ЭДС Холла сильно зависит от ширины преобразо­вателя Ь. Так, например, при расположении преобразователя Холла толщиной 100 мкм и шириной 6 мм между двумя ферритовыми наконечниками (]и 2000 щ) ЭДС Холла увеличивается в 1,5 раза при изменении частоты магнитного поля от 0 до 1,5 МГц, а сдвиг фазы между ЭДС Холла и магнитной индукцией достигает 57°. При уменьшении ширины преобразователя в два раза (Ь = 3 мм) и неизменных про­чих условиях увеличение ЭДС Холла составляет всего 3%.

При питании преобразователей током высокой частоты имеет место поверхност­ный эффект, который приводит к уменьшению эффективной толщины преобразова­теля и к увеличению его чувствительности. Для серийно выпускаемых преобразова­телей поверхностный эффект мало сказывается при частотах до 10⁷ Гц. Для работы гфи более высоких частотах питающего тока необходимо использовать пленочные преобразователи толщиной 5—10 мкм.

Анализ основных метрологических характеристик преобразователей Холла показывает, что основная погрешность большинства приборов, в которых исполь­зуются преобразователи Холла, составляет 0,5—1,0 % и более. Только при приме­нении сложных методов коррекции можно снизить погрешность измерения до 0,1— 0,2 % при работе в узком диапазоне температур.

Наиболее широкое применение преобразователи Холла получили для измере­ний 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 (электрические токи, угловые и линейные перемещения и др.) [8].

9-2. МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Сопротивление проводящего канала при наличии носителей заряда двух знаков определяется выражением

R = l/[Se(nu_n+pu_D)],

где е — заряд электрона; п и и_п —- соответственно средняя концентрация и подвиж­ность электронов (анионов); р и и_р — средняя концентрация и подвижность дырок (катионов); / и S — соответственно длина и сечение проводящего канала.

При воздействии на канал магнитного поля изменяется его электрическое со­противление вследствие изменения подвижности носителей заряда, их средней кон­центрации и изменения соотношения размеров проводящего канала. Магниторези- стивный эффект можно наблюдать в чистых металлах, в полупроводниках, а также в электролитах.

К магниторезистивньш преобразователям относятся магниторезисторы, магни- тодиоды, биполярные магнитотранзисторы, гальваномагниторекомбииационные пре­образователи и полевые магнитотриоды. В настоящее время для создания средств измерений практическое применение нашли магниторезисторы и гальваномагнито- рекомбинационные преобразователи. Остальные типы магниторезиставных пре­образователей, за исключением магнитодиодов, находятся еще в стадии развития. Магнитодиоды применяются главным образом в качестве бесконтактных переменных резисторов.

Магниторезисторы представляют собой гальваномагнитные преобразователи (ГМП), изменение сопротивления которых обусловлено изменением подвижности носителей заряда. Под действием магнитного ноля траектории носителей искрив­ляются, вследствие чего скорость их движения в направлении электрического поля уменьшается. Уравнение' преобразования магниторезистора имеет вид R_B= = Я^^оП + А | иВ |^т], где и — подвижность носителей заряда; сопро­

тивление преобразователя при В = 0; А — магниторезистивньш коэффициент, за­висящий от свойств материала и формы преобразователя; т — показатель степени, равный 2 в слабых магнитных полях (В ^ 0,2 0,5 Тл), для которых иВ ^ 1, и равный 1 в сильных магнитных полях, для которых иВ ^ 1.

Как видно из рис. 9-6, а, функция преобразования магниторезисторов является четной, поэтому как в постоянном магнитном поле любой полярности, так и в пере­менном магнитном поле их сопротивление увеличивается. Максимум приращения сопротивления при данном значении магнитной индукции имеет место, если угол между вектором магнитной индукции и осью направленности магниторезистора ра­вен 0 или 180°.

Первые магниторезисторы выполнялись из висмута (висмутовые спирали). В на­стоящее время магниторезисторы изготовляются из полупроводниковых материалов группы A^InB^v — антимонида индия (InSb), арсенида индия (InAs) и др., в' которых сильно проявляется магниторезиставный эффект вследствие большой подвижности носителей заряда.

Магниторезистивный коэффициент А зависит от формы магниторезистора. Чем меньше отношение длины резистора к площади его сечения, тем больше коэффи­циент Л. В этом отношении оптимальна конструкция в виде диска Корбино (рис.9-6, б),