В последние годы большое внимание уделяется созданию механоэлектрических преобразовательных устройств в миниатюрном исполнении с использованием эффекта Холла. Их преимуществом является отсутствие механического контакта между объектом контроля или измерения и органом преобразования, что значительно повышает надежность таких систем. Основной принцип действия — бесконтактное превращение индукции магнитного поля в электрический выходной сигнал, его преобразование и обработка [1].

Создание таких устройств позволяет осуществить групповое изготовление миниатюрных элементов Холла стандартными методами микроэлектроники (фотолитография, скрайбирование, приварка контактов, герметизация), использовать взаимозаменяемые группы источников магнитных полей и малогабаритных корпусов, унифицированные платы усиления и обработки сигнала. В качестве источников магнитного поля применяются миниатюрные системы постоянных магнитов из редкоземельных материалов.
Магниточувствительные элементы Холла выполняются из разработанных нами гетероэпитаксиальных структур антимонида индия на полуизолирующем арсениде галлия с высокой подвижностью носителей заряда n-типа. Эти мини-устройства могут объединяться в двухкомпонентные или трехкомпонентные магниточувствительные зонды, собираться в виде матриц, предусмотрено планарное или торцевое их крепление. При изготовлении двухкомпонентных зондов элементы Холла располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а в трехкомпонентных зондах, соответ¬ственно, в трех.
Такие зонды широко используются в различных отраслях — от устройств контроля в автоматике и автомобильном транспорте до разработок в медицине и лечебных технологиях — и предназначены для измерения магнитной индукции в диапазоне от 0,001 до 10000 мТл в узких зазорах (>100 мкм) при температуре от 1,5 до 473 К. Зонды могут применяться для проведения уникальных научных исследований и при создании малогабаритных (активная область 100х100 мкм) электронных датчиков преобразования механических величин в электрический сигнал.
Одно- и двухкомпонентные зонды на эффекте Холла широко задействованы в машиностроении. В основе функционирования ряда устройств, таких как измеритель уровня топлива УТ-90 большегрузных карьерных самосвалов белорусского производства, электронных педалей газа и тормоза, инклинометров и других изделий, лежит использование датчиков угла поворота на эффекте Холла.
Магниточувствительные зонды производства Отдела твердотельной электроники (ОТЭ) Научно-практического центра НАН Беларуси по материаловедению были установлены на летательном аппарате «Марс-экспресс» и хорошо зарекомендовали себя в космосе, где выполняли функцию угловой ориентации сложного спектрометрического оборудования. Матрицы из элементов Холла применяются во внутритрубных диагностических снарядах для диагностики магистральных нефте- и газопроводов. Они способны различать трещины, коррозию и другие дефекты.
Датчики, показанные на рис. 2, предназначены для преобразования угла поворота вала в аналоговый электрический выходной сигнал бесконтактным способом за счет изменения индукции магнитного поля в области расположения чувствительного зонда при повороте вала. Устройство выполнено в виде цилиндрического корпуса с фланцем и вращающимся валом. Для точной фиксации имеется шлицевое самоцентрирующее крепление. Датчик может быть как полнооборотным, так и секторным. Для секторного используется однокомпонентный зонд, а для полнооборотного — двухкомпонентный.
Сигнал с магниточувствительного элемента подается на встроенный усилитель, выполненный в виде интегральной схемы. Датчики способны функционировать в условиях повышенных температур и агрессивных сред (соляной туман, кислотные и щелочные воздействия и др.), радиационностойки, имеют пожаро-взрыво-безопасное исполнение и большую износостойкость (количество рабочих циклов — более 106), по характеристикам точности и надежности предназначены для работы в составе сложных микропроцессорных систем. Они могут применяться для устройств военной и космической техники, авиационных и автотракторных систем управления и контроля, станкостроения и др. В отличие от существующих аналогов с иными принципами функционирования (потенциометрических, индукционных), датчик имеет на порядок более высокую надежность, простоту конструкции, современную элементную базу, гораздо меньшие габариты.
Еще одним направлением, где особенно эффективны миниатюрные элементы Холла, являются бесконтактные измерения электрических параметров, таких как ток и электрическая мощность. В ОТЭ разработан и производится типоряд бесконтактных датчиков электрического тока (рис. 3, 4), предназначенных для нахождения величины постоянного, переменного или импульсного электрического тока, осциллографирования токовых сигналов, обеспечения гальванической развязки силовых электрических цепей с измерительными. Принцип действия основан на измерении с помощью преобразователя Холла величины и направления магнитного поля, создаваемого контролируемым электрическим током в зазоре магнитной системы. В зависимости от этих показателей используются различные конструктивные исполнения.
При измерении электрического тока токопроводящую шину охватывает кольцо из магнитомягкого феррита, в узком разрезе которого размещается магниточув¬ствительный элемент Холла. Проходящий ток вызывает появление магнитного поля, которое усиливается ферритовым кольцом и детектируется данным элементом. В ОТЭ выпускаются датчики тока на различные диапазоны — от (0—10) мА до (0—1) кА. При измерениях электрической мощности в устройствах используется два датчика Холла и два магнитопровода. Один датчик вырабатывает ЭДС, пропорциональную току нагрузки, а второй выполняет функцию перемножения величин, пропорциональных напряжению (разности потенциалов) и току нагрузки. При этом выдается сигнал, прямо пропорциональный измеряемой мощности.
Устройства рассчитаны на различные уровни мощности вплоть до 400 кВт и имеют гальваническую развязку по току и напряжению с цепью измерения, чем и обеспечивается высокая их надежность. Так, датчик электрической мощности ДМПХ-400М предназначен для работы в тиристорно-импульсной системе элект¬ропривода троллейбуса.
В ОТЭ начиная с 90-х гг. проводятся работы в области создания прецизионных механоэлектрических преобразователей для контроля положения подвижных исполнительных механизмов сканирующих систем космической аппаратуры [2]. Многолетний опыт сотрудничества с Институтом космических исследований РАН показал высокую перспективность использования эффекта Холла для изготовления прецизионных механоэлектрических преобразователей. Разработанные устройства хорошо себя зарекомендовали на стадии предполетных испытаний в космическом аппарате «Марс-96», в реальном полете «Марс-экспресс». Их уникальность проявилась в прецизионном соблюдении всех функциональных технических характеристик на протяжении длительной эксплуатации в сложных космических условиях. Изделия прошли опытные испытания в вакууме и при сверхнизких температурах.
Повышенная надежность и стабильность функционирования механоэлектрических преобразователей в первую очередь обусловливается тем, что связь между первичным чувствительным сенсором и подвижными механическими частями осуществляется по магнитному полю. Миниатюрность элементов Холла позволяет оснащать устройства дублирующими каналами измерений. Сенсоры изготавливаются по групповой технологии микроэлектроники, что значительно уменьшает их стоимость. Блоки усилений сигналов и обработки информации создаются по модульному принципу и взаимозаменяемы. Кроме того, проектирование механоэлектрических преобразователей, а также их оптимизация выполняются с привлечением теории решения изобретательских задач и функ¬ционально-стоимостного анализа.
Использование миниатюрных магнитных систем на основе редкоземельных магнитов позволило значительно уменьшить массу и габариты устройств контроля положения подвижных исполнительных механизмов космической аппаратуры. Сочетание микроминиатюрности сенсоров с микромагнитными системами для них дало возможность получить новое качество приборов контроля — высокую разрешающую способность. Для достижения высокой временной стабильности технических характеристик была разработана специальная технология магнитной стабилизации микромагнитов с помощью термообработки в печи и трехкратной циклической выдержки при заданной температуре, зависящей от химического состава магнитов, с последующим медленным охлаждением. Таким образом, данный комплекс технологических операций обеспечивает высокую прецизионность определения положения подвижных исполнительных механизмов космической аппаратуры.
На рис. 1 представлен прибор «Омега» с механоэлектрическими преобразователями положения, созданными специалистами ОТЭ, который уже свыше трех лет успешно функционирует на марсианской орбите в составе научного комплекса европейского космического аппарата «Марс-экспресс». Функционирование сенсоров обеспечило получение большого объема научной видеоинформации высокого качества, что позволило изучить ряд новых явлений в составе атмосферы, в геологии поверхности огненной планеты.
В настоящее время в ОТЭ разрабатываются прецизионные механоэлектрические преобразователи положения исполнительных механизмов для ряда приборов, которые будут установлены а российских космических аппаратах, а именно: сенсоры положения сканирующих узлов для геостационарных спутников, датчиков положения исполнительных органов измерительных приборов для научных программ «Фобос», «Меркурий» и др.