Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

6.3. Методы измерения напряженности магнитного поля

При различных исследованиях физических свойств необходимо точно знать напряженность магнитного поля, которая создается при помощи различных катушек и электромагнитов. В большинстве случаев напряженность магнитного поля определяют экспериментальным путем. Для этих целей используют различные методы измерения, к наиболее важным из которых относят: баллистический, магнитных зондов, электродинамический, магнитных потенциалметров, метод, основанный на эффекте Холла и др. Рассмотрим некоторые из них.

6.3.1.Использование датчика Холла

Впоследнее время основным методом измерения напряженности магнитного поля стал метод, основанный на применении датчиков э. д. с. Холла. Датчиками э.д.с. Холла можно измерять как постоянные, так и переменные магнитные поля.

Эффект Холла состоит в том, что на боковых гранях образца, через который пропускают постоянный ток, при наличии внешнего магнитного поля возникает поперечная разность потенциалов. Для образца, сделанного из полупроводника в форме параллелепипеда, эта разность потенциалов определяется уравнением

где R – коэффициент Холла, ix - сила тока в образце, HZ – напряженность магнитного поля, d – толщина образца.

Таким образом, при пропускании постоянного тока через образец в нем возникает разность потенциалов, которая будет пропорциональна напряженности магнитного поля. У датчиков э.д.с. Холла пропорциональность между U и Н соблюдается с точностью до нескольких процентов для напряженности

296

магнитного поля 16 105 А/м. В настоящее время для изготовления датчиков применяют элементарные полупроводники Si, Ge, а также некоторые бинарные соединения со структурой цинковой обманки: HgSe, HgTe, InAs, InSb, PbSe, PbTe, т.е.

полупроводниковые материалы, обладающие высокой подвижностью носителей заряда и наивысшим значением коэффициента Холла.

Интервал рабочих температур для элементов Холла, изготовленных из германия, составляет от – 60 до + 70 оС, из кремния – от – 60 до + 120 оС. Предельная рабочая температура для элементов Холла из арсенида галлия составляет 250-300 оС . Датчики Холла из InSb и InAs могут применяться при температурах 4.2-300 К.

При использовании датчиков Холла возникает необходимость компенсации остаточного напряжения, для чего применяют специальные схемы питания. В простейшем случае для этих целей используют дополнительный переменный резистор, который включают в различных вариантах исполнения (рис. 6.1).

Чувствительность отожженных датчиков в течение одного года изменяется только на 2 – 3 %. Для предохранения датчиков

Рис. 6.1. Схемы компенсации остаточного напряжения датчиков Холла

297

от различных механических повреждений пленки полупроводника покрываются тонким слоем клея БФ2. При изготовлении датчиков э. д. с. Холла большое внимание уделяют получению хорошего электрического контакта с полупроводником.

6.3.2. Другие методы измерения напряженности магнитного поля

В последние годы разработаны различные варианты магнитных датчиков, позволяющих с высокой точностью измерять напряженность магнитного поля. Примерами таких датчиков могут служить магниторезисторы, феррозондовые датчики, датчики Виганда и др.

Наиболее простым датчиком магнитного поля может быть магниторезистор – электронный компонент, действие которого основано на изменении электрического сопротивления при воздействии на него магнитного поля. Выделяют две большие группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные».

Действие «монолитных» магниторезисторов основано на эффекте Гаусса, который характеризуется возрастанием электрического сопротивления проводника (или полупроводника) при помещении его в магнитное поле. Такой магниторезистор представляет собой магниточувствилельный элемент, размещенный на подложке (рис. 6.2). В качестве магниточувствительного элемента обычно используют сплав InSb-NiSb, легированный теллуром. Зависимость электрического сопротивления от напряженности магнитного поля такого датчика в области слабых полей близка к квадратичной, а в области сильных полей – практически линейна. Наиболее известным отечественным магниторезистором является

СМ4-1, устойчиво работающий в интервале температур – 60 - + 85 оС.

Действие «пленочных» магниторезисторов, получивших распространение в последние годы, основано на анизотропном магниторезистивном эффекте. Такие датчики изго-

298

тавливают из тонких одно- и многослойных ферромагнитных пленок никель-кобальтовых, никель-железных и других сплавов. В качестве подложек применяют стекло, ситалл или кремний. Для тонкопленочных магниторезисторов на основе ферромаг-нитных пленок (см. рис. 6.3) электрическое сопротивление r магниточувствительного элемента в зависимости от угла между направлением электрического тока и направлением напряженности магнитного поля выражается следующей формулой Фойгта-Томпсона

Рис. 6.2. Конструкция монолитного магниторезистора

Рис. 6.3. Схема работы тонкопленочного магниторезистора

299

где rо – электрическое сопротивление магниточувствительного элемента при = 0о; r90 – электрическое сопротивление магниточувствительного элемента при = 90о .

Наибольшую известность получили тонкопленочные магниторезисторы серии КМZ10, выпуск которых освоен зарубежными фирмами.

В последние годы разработана новая серия тонкопленочных магниторезисторов, принцип работы которых основан на спин-вентильном эффекте, и получивших название «гигантских» магниторезисторов. Магниточувствительный слой таких резисторов представляет собой многослойную тонкопленочную структуру с нанометровой толщиной (рис. 6.4). Величина электрического сопротивления таких датчиков зависит от напряженности магнитного поля и ориентации поля в плоскости датчика (рис. 6.5).

«Монолитные» магниторезисторы целесообразно использовать при измерении напряженности «сильных» магнитных

300