СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-1

Проблема создания электронных датчиков электромагнитных полей (ЭМП), позволяющих контролировать вектор индукции магнитного поля в диапазоне частот 0 ≤ f ≤ 5 МГц и ампли# туд 0,01мкТ…2мТл (уровень слабых по# лей), приобрела дополнительную акту# альность в конце 1990#х годов, когда многими исследователями было уста# новлено, что у животных и людей, дли# тельно находившихся в зоне ЭМП, напряженность которых превышала напряженность природных ЭМП, уве# личилась агрессивность, ухудшалось состояние иммунной системы, возрас# тала частота возникновения злока# чественных опухолей, а также были выявлены признаки ускоренного ста# рения [1]. Как результат, были разрабо# таныи введены в практику СанПИНыи другие нормативные документы, огра# ничивающие пребывание людей в зо# нах воздействий ЭМП. Хорошо известно, что электромаг# нитные поля биологически активны. Длительное воздействие на человека электромагнитных полей промыш# ленной частоты (50 Гц) приводит к расстройствам, которые субъективно выражаются жалобами на головную боль в височной и затылочной облас# ти, вялость, расстройство сна, сниже# ние памяти, повышенную раздра# жительность, апатию, боли в сердце, нарушение ритма сердечных сокра# щений. Могут наблюдаться функ# циональные нарушения централь# ной нервной системы, а также измене# ния в составе крови. При воздействии квазистатических магнитных полей могут наблюдаться нарушения функций нервной, сердеч# нососудистой и дыхательной систем, пищеварительного тракта, изменения в составе крови. При локальном дейст# ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2011 Датчики слабых магнитных полей на эффекте Холла Игорь Буслов, Валерий Бауткин, Александр Драпезо, Вячеслав Ярмолович (Минск, Беларусь) Проанализировано современное состояние датчиков слабых электромагнитных полей. Рассмотрена возможность использования микроминиатюрных преобразователей Холла с ферромагнитными концентраторами магнитного потока для регистрации вектора индукции магнитного поля. Приведены расчёты коэффициентов усиления концентраторов различной формы и размеров. вии магнитных полей (прежде всего, на руки) появляется ощущение зуда, бледность и синюшность кожных по# кровов, отёчность и уплотнение, а иногда ороговение кожи. При длительном воздействии ЭМП радиочастотного диапазона даже уме# ренной интенсивности могут прои# зойти расстройства нервной системы, обменных процессов, изменения со# става крови. На ранней стадии нару# шения носят обратимый характер, но в дальнейшем происходят необратимые изменения в состоянии здоровья, стой# кое снижение работоспособности и жизненных сил. В настоящее время проводятся ис# следования по воздействию искусс# твенного электромагнитного излуче# ния на человека в медицинских и воен# ных целях. Например, установлено, что ЭМП сверхдлинного диапазона с частотами 0,001…100 Гц воздействуют на мозг и сердце, а ЭМП диапазона 100…1000 Гц – на мышцы человека. Для регистрации магнитного поля Земли и слабых квазистатических маг# нитных полей широко используются феррозонды, которые не могут быть изготовлены групповыми методами микроэлектроники и являются инди# видуальными изделиями, причём со сложной схемой регистрации гармо# ник и обработки сигнала, а также СКВИДы, для функционирования ко# торых требуются очень низкие темпе# ратуры. Вследствие низкой магнитной чув# ствительности полупроводниковых плёночных датчиков Холла их непо# средственное применение для регист# рации слабых магнитных полей явля# ется малоэффективным. Например, элемент Холла из лучшего материала – полупроводниковой эпитаксиальной плёнки n#InSb – обладает чувствитель# ностью 300…500 мкВ/мТл при разме# рах чувствительной области 0,1 × 0,1 × × 0,003 мм [2, 3]; при этом нижний по# рог регистрации величины индукции магнитного поля в зависимости от ка# чества применяемой электроники со# ставляет неменее 0,01…0,1мТл, что явно недостаточно. Использование плёнок широкозонных полупроводников, на# пример, легированных GaAs, позволя# ет повысить чувствительность в 2–3 раза, но возрастает как временная не# стабильность, так и уровень шумов. Значительно большей магнитной чувствительностьюобладают полупро# водниковые магниторезисторы на ос# нове ГМР#эффекта. Например, герма# ниевый магниторезистор с размерами чувствительной области 8 × 0,6 × 0,2 мм при токе питания 3 мА имеет чувстви# тельность 50 мВ/мТл. Кроме больших размеров такой магниторезистор име# ет узкий частотный диапазон измеря# емых сигналов (до 1 кГц) и значитель# ный уровень шумов [4]. Относительновысокаямагнитнаячув# ствительность магнитодиода 5…10 В/Тл реализуется только в сочетании с под# магничивающим полем В п ≈ 0,3 Тл, что неприемлемо при регистрации слабых магнитных полей. Средимагнитотранзисторов лучшей магнитной чувствительностью обла# дают двухколлекторные магнитотран# зисторы с вертикальными коллектора# ми (современныемагнитотранзисторы изготавливаются многоколлекторны# ми). Спектральная плотность шума в них зависит от частоты, достигая мак# симума на низких частотах, но не пре# вышает 1…5мкТл в зависимостиот типа транзистора [4]. Пермаллоевые тонкоплёночные маг# ниторезистивные элементы обладают чувствительностью порядка 10 В/Тл; в полосе частот до 1МГц при комнатной температуре отношение ЭДС сигнала к ЭДС теплового шума составляет при# мерно 97 дБ. Пермаллоевые магни# точувствительные элементы, функ# ционирующие на планарном эффек# те Холла, при эквивалентном уровне собственных шумов 0,1 мкТл имеют © СТА-ПРЕСС