Полупроводниковый Датчик магнитного поля
И. К. Камилов, Ш. М. Алиев, М. Ш. Алиев
Институт физики Дагестанского научного центра РАН, Махачкала
Получена 2 июля
2008 г.
Предложен чувствительный датчик магнитного поля на механоэлектрическом эффекте в полупроводниках.
Изменение вольт-амперной характеристики (ВАХ) полупроводниковых приборов под действием механического давления, известное в литературе как механоэлектрический эффект, используется для создания различных датчиков давления, микрофонов, звукоснимателей, акселерометров [1,2]. В качестве тензочувствительного элемента в механоэлектрических преобразователях используется p-n-переход, диод с барьером Шоттки, туннельный диод, а давление обычно создается одноосно [1,2].
В данной работе показано, что на механоэлектрическом эффекте можно создать чувствительный датчик магнитного поля. Рассмотрим магнитный диполь с центральной осью вращения, на полюсах которого закреплены боковые иглы, которые могут оказать механическое давление на неподвижные тензочувствительные полупроводниковые элементы (рис.1,а).
Рис.1. a- схематическая конструкция датчика магнитного поля на механоэлектрическом эффекте: 1 - магнитный диполь; 2 - ось вращения диполя; 3 - неподвижные тензочувствительные полупроводниковые элементы; 4 - иглы; 5 - электрические выводы; b , c - пара сил, действующих на магнитный диполь при взаимно противоположных направлениях магнитного поля.
Если внести такой диполь в магнитное поле Н, то на него будет действовать вращающий момент пары сил [3]:
, (1)
где M -
магнитный момент диполя, a - угол между
направлением Н и
направлением М. Момент сил всегда стремится повернуть диполь в направлении поля, поэтому от взаимной
ориентации векторов М и
Н будет зависеть направление пары сил, действующих на диполь (рис.1,b,c). Заметим, что 
и 
, где
F- сила,
действующая на плечо диполя, l- расстояние
между полюсами диполя, m - магнитный
заряд[1] полюса. С учетом этого для давления, оказываемого
иглой на полупроводниковый элемент, получим
где S - площадь соприкосновения иглы с полупроводниковым элементом.
В изготовленном нами датчике использовался магнитный диполь длиной 15 mm и сечением 1.5×1.5mm, вырезанный из самарий-кобальтового магнита марки КС 37. Диполь, к полюсам которого прикреплены покрытые индием вольфрамовые иглы, устанавливался на часовом маятниковом механизме из немагнитного материала. Диаметр острия игл составлял 60 mm. В качестве полупроводникового материала использовались пластины германия размером 2×2 mm и удельным сопротивлением 40 W·cm. На одну сторону пластин наносились омические контакты из сплава Pb-Sb. Соприкосновение острия иглы с полупроводниковым кристаллом и соответствующие ВАХ точечных диодов наблюдались на экране осциллографа. Для улучшения выпрямительных свойств и создания механически прочного контакта металл-полупроводник, диод подвергался элекроформовке, заключающейся в пропускании через него нескольких импульсов тока амплитудой 1А и длительностью 10 ms. Готовый датчик помещался в корпус из оргстекла для защиты от пыли и влаги электрических контактов и подвижных частей датчика. На рис. 2 приведены ВАХ датчика, помещенного в центр длинного соленоида. Напряженность магнитного поля и ее направление регулировались подбором величины тока, пропускаемого через соленоид, и изменением его направления. Угол a подбирался равным 90°. Видно, что изменение поля в несколько эрстед приводит к заметному изменению ВАХ диодов, причем изменение направления поля на противоположное перемещает ВАХ в противоположную сторону относительно ВАХ при Н = 0. Это объясняется изменением направления пары сил, действующих на диполь с изменением направления поля (рис.1,b,c).По аналогии с магнитодиодом [4] чувствительность датчика можно оценить из выражения
(3)
где 
— изменение
напряжения на диоде при помещении датчика в магнитное поле, I - ток, проходящий
через диод.
Рис. 2. Вольт-амперные характеристики диодов датчика в магнитном поле: 1- H=0;2-H= 5 Ое; 3 - Н= 20 Ое;4 - Н = -5 Ое;5 - Н = -20 Ое.
В поле H=5Ое для прямой ветви ВАХ (I=0.4mА) g = 50 V/АОе, для обратной ветви (I=0.1 mA) - g = 3.0·103 V/АОе, т.е. обратная ветвь более чувствительна к магнитному полю, чем прямая. Из приведенных ВАХ также следует, что g зависит от величины измеряемого поля, ─ датчик более чувствителен к слабым полям. Чувствительность датчика можно регулировать в ту или другую сторону, варьируя параметрами S и m , входящими в формулу (2). Однако необходимо иметь в виду, что верхний предел измеряемых полей ограничивается коэрцитивной силой магнитного диполя, которая должна быть значительно выше, чем величина измеряемых полей. Поэтому в датчике предпочтительно использовать диполь из высококоэрцитивного магнита.
Литература
1. Полякова А. Л. Деформация полупроводников и полупроводниковых приборов.- М.: Энергия, 1979
2. Кривоносов И. И. Полупроводниковые электроакустические преобразователи в радиосхемах.- М.: Энергия, 1977.
3. Тикадзуки С. Физика ферромагнетизма -М.: Мир, 1983.
4. Викулин И. М., Стафеев В. И. Полупроводниковые датчики. -М.: Сов. радио, 1975.
[1] Понятие магнитный заряд обычно вводится для удобства, по аналогии с электрическим зарядом.Магнитный заряд имеет размерность магнитного потока - Wb.