Hall-sensor

The Hall spenningen U H oppstår på grunn av en strøm I og en magnetisk flukstetthet B

En Hall-sensor [ 'hɔːl -] (også Hall-probe eller Hall-sensor , ifølge Edwin Hall ) bruker Hall-effekten til å måle magnetiske felt .

Struktur og funksjonalitet

Kretssymbol for en Hall-sensor

Hall-sensorer består av de tynneste mulige krystallinske dopede halvlederlagene , som vanligvis har fire elektroder på sidene. En strøm blir matet inn gjennom de to motstående elektroder , de to elektrodene som ligger ortogonalt tjener til å redusere Hall-spenningen. Hvis et magnetfelt som løper vinkelrett på laget strømmer gjennom en slik Hall-sensor, tilfører den en utgangsspenning som er proporsjonal med (signert) mengden av vektorproduktet med magnetisk fluktetthet og strøm. Årsaken er Lorentz-styrken på de bevegelige flertalladebærerne i laget. Vektorproduktet er proporsjonalt med strømmen, med ladningsbærermobiliteten og omvendt proporsjonal med lagtykkelsen (jo tynnere laget er, desto større er ladebærerhastigheten og jo større Lorentz-kraften). Det elektriske feltet som er etablert mellom måleelektrodene, er i likevekt med Hall-spenningen og forhindrer ytterligere ladningsbærerseparasjon.

Hall-spenningen er også temperaturavhengig og kan ha en forskyvning . På grunn av Hall-spenningens proporsjonalitet med ladningsbærermobiliteten og konsentrasjonen av de fleste ladebærere, er Hall-effekten en etablert metode for å bestemme disse parametrene i halvlederteknologi.

En Hall-sensor leverer også et signal når magnetfeltet den er plassert i er konstant. Dette er fordelen sammenlignet med en enkel spole som magnetfeltsensor (f.eks. Induksjonssløyfe, Rogowski-spole), som bare kan bestemme avledningen av magnetfeltet over tid. En annen viktig fordel med Hall-sensorer er at ingen ferromagnetiske eller ferrimagnetiske materialer (som nikkel eller jern) er nødvendige for implementeringen. Dette betyr at magnetfeltet som skal måles ikke endres bare ved å bringe sensoren inn i den. Magnetoresistive sensorer eller fluxgate magnetometers har ikke denne egenskapen.

Design og typer

Analoge eller ratiometriske Hall-sensorer leverer et signal som er proporsjonalt med magnetfeltet eller en digitalisert verdi.

I Hall-sensorer som nærhetsbrytere konverteres signalet fra en analog Hall-sensor til et ja / nei-signal via en komparator .

Diskrete Hall-sensorer

Hall-sensor i gapet til en toroidal kjerne for likestrømsmåling
Hall-sensor for posisjonsbestemmelse

Uniaxial Hall-sensorer er laget av tynne halvlederlag . I silisium (Si), med en ladningsbærermobilitet på ca. 1500 cm / Vs, oppnås følsomheter på 0,2–0,25 V / T. B. indiumantimonid (InSb) med en ladningsbærermobilitet på 80.000 cm / V, til og med følsomheter på opptil 16 V / T oppnås. Typiske design er:

  • Rektangulær form
  • Sommerfuglform
  • Kryssform

For å kompensere for signalets nåværende avhengighet, betjenes sensorene med konstant strøm. En instrumentforsterker (differensialforsterker) brukes til å redusere Hall-spenningen, slik at differensialspenningen kan måles med høy inngangsmotstand, som ikke forekommer potensialfri ved sensoren på nivået med halv driftsspenning. For bedre prosessering henvises det til jord ved hjelp av differensialforsterkeren.

Integrerte hallsensorer

Hallelementer er vanligvis integrert i kretser der signalforsterkning , analog-digital konvertering , digital signalbehandling , forskyvning og temperaturkompensasjon og følsomhetskorrigering finner sted.

Hall-sensor med integrert signalbehandling

Ulempen med den lavere følsomheten til CMOS- integrerte Hall-sensorer blir mer enn kompensert av den integrerte signalbehandlingen, og sensor-IC er tilgjengelig der den komplette signalbehandlingen skjer automatisk. Forskyvningen av Hall-sensorene reduseres av en spesiell driftsmodus for sensorelementet, den såkalte spinnestrømmodusen . Ikke-lineariteter kompenseres av korreksjonsfunksjoner som er lagret i IC i form av verditabeller. Sensoren trenger bare å være tilkoblet og gir et digitalt eller analogt utgangssignal.

Med integrerte Hall-sensorer, mellom

  • laterale Hall sensorer (måling av magnetisk fluks tetthet vinkelrett på chip overflaten) og
  • vertikale Hall-sensorer (måling av magnetisk flytdensitet parallelt med chip-overflaten).

Laterale Hall sensorer

De typiske designene til de laterale Hall-sensorene tilsvarer de av de diskrete Hall-sensorene.

Vertikale hall sensorer

Siden Hall-elementene bare kan kontaktes på overflaten i CMOS- prosesser, skiller vertikale Hall-sensorer seg betydelig fra laterale Hall-sensorer. Den typiske utformingen er en såkalt 5-pin, som har 5 kontakter på rad.

5-pinner

Vertikale Hall-elementer har eksistert i over 30 år, men de dårligere egenskapene har gjort dem sjelden brukt i industrielle applikasjoner. Bare de siste årene har en lang rekke tiltak som B. den tvungne symmetriiseringen lyktes i å forbedre egenskapene deres i en slik grad at de nå kan bli funnet i de første serieproduktene.

Oppretting av en vertikal Hall-sensor

3D Hall sensorer

Hvis laterale og vertikale Hall-elementer plasseres sammen på en brikke, kan den tredimensjonale vektoren av den magnetiske fluktettheten (Bx, By, Bz) måles. For dette formål brukes flere Hall-elementer (vanligvis 4) i hver retning og ordnet punktsymmetrisk rundt et midtpunkt. 3D Hall-sensoren kan så å si måle punktlignende. Et annet prinsipp bruker flere enaksige Hall-sensorer for å måle alle de tre komponentene i magnetfeltet ved hjelp av en liten (med integrert) flukskonsentrator .

Gradient Hall sensorer

Hvis to Hall-elementer plasseres ved siden av hverandre i en viss avstand, kan Hall-sensoren gjøres robust mot homogene interferensfelt ved differensial evaluering av Hall-sensorsignalene. Den derivasjonskvotient er forstått som gradienten av det magnetiske felt. Disse Hall-sensorer er spesielt egnet for målesystemer som kan fungere på en gradient, for eksempel F.eks .: posisjonsmålesystemer og strømfølere. En Hall-sensor IC med ni 3D Hall-sensorer kan ikke bare måle den tredimensjonale vektoren til magnetisk fluks tetthet, men også det første og andre derivatet av magnetfeltet på et punkt.

applikasjoner

Hall-sensor (rød plate) i magnetkretsen for strømmåling
Brukseksempel på en Hall-sensor for posisjonsbestemmelse

Hall-sensorer brukes i et bredt spekter av applikasjoner i bilindustrien , f.eks. B. i beltespenne , som hjulhastighetssensorer, i dørlåsesystemet, i pedalstatusdeteksjonen, i girskiftet eller for å oppdage antennelsespunktet. Den største fordelen er ufølsomhet for (ikke-magnetisk) smuss og vann. I kraftverksteknologi brukes Hall-sensorer, for eksempel for å registrere turbinhastigheten.

De finnes også i børsteløse motorer . B. med PC-vifter og diskettstasjoner.

Det er også datatastatur med Hall-sensorer under hver tast.

Hall-sensorer med analoge signalutganger brukes til å måle svært svake magnetiske felt (geomagnetisk felt), f.eks. B. brukt som kompass i navigasjonssystemer .

Som strømfølere brukes de i gapet i jernkjernen til en spole eller en leder som målestrømmen strømmer gjennom. Slike strømfølere tilbys som en komplett komponent, er veldig raske, kan, i motsetning til strømtransformatorer, også brukes til å måle direkte strømmer og tilby potensiell separasjon mellom strømkretsene, som vanligvis er koblet til strømforsyningen, og styringen elektronikk.

Som posisjonsdeteksjonssensorer eller kontaktløse knapper fungerer de sammen med permanente magneter og har en integrert terskelverdibryter .

Hall-sensorer kan også brukes i forbindelse med en magnetiseringsspole i stedet for en mottakerspole i metalldetektorer .

Spinnestrømoperasjon med Hall-sensorer

For å undertrykke offset-spenningen forårsaket av geometrifeil, piezoresistive effekter , inhomogene temperaturer, etc., er Hall-sensorer med flere tilkoblinger (vanligvis 4) designet for å være rotasjonssymmetriske. Hallkontakter implementeres dermed identisk når det gjelder formen som nåværende kontakter. To av disse tilkoblingene fungerer som strømforsyning, to som Hall-spenningsopptakere. Koblingsfunksjonene byttes etter tur. Offset-spenningen reduseres betydelig ved å evaluere måleresultatene tilsvarende. Det er mulig å realisere denne spinnestrømoperasjonen både romlig og temporalt. Romlig betyr at flere Hall-sensorer er implementert i tett romlig nærhet og drives samtidig med forskjellige strømretninger. Temporal betyr at en Hall-sensor betjenes etter hverandre med forskjellige strømretninger. Den endelige målte verdien er middelverdien fra de individuelle måleverdiene for de forskjellige driftsstrømretningene. I Hall-sensorer av høy kvalitet brukes begge tilnærminger til og med i kombinasjon. Disse metodene brukes hovedsakelig for integrerte sensorer og bruker periodisiteten til de piezoresistive konstantene i chipnivået for å redusere den ellers veldig store forskyvningen av sensorene ekstremt (ca. faktor 1000 til 10000).

Karakteristiske verdier

Følsomheten til ratiometriske Hall-sensorer er gitt i volt per Tesla (V / T) eller i millivolt per Gauss (mV / G).

1  Tesla = 10.000  Gauss (1 G = 10 −4  T).

I tillegg brukes også mV / VT, mV / AT, mV / mA-mT etc. Forsynings- / testspenningen eller strømmen er inkludert i spesifikasjonen for følsomhet.

Se også

litteratur

Individuelle bevis

  1. ↑ https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4990470 Florian Werner: Hallmålinger på tynne filmer med lav mobilitet , i Journal of Applied Physics Vol. 122 utgave 13 (oktober 2017), åpnet 18. februar . 2019
  2. ^ RS Popovic: Enheten med vertikal halleffekt. I: IEEE Electron Device Letters. Bind 5, 1984, s. 357–358.
  3. ↑ Patent: Vertikal hallsensor
  4. ↑ M. Hackner, H.-P. Hohe, M. Stahl-Offergeld: En integrert ni-dimensjon Hall-Gradient-Sensor In: Sensor + Test Conference 2009, Proceedings, Sensor 2009, Volume II, ISBN 978-3-9810993-5-5 , s. 23-28
  5. ↑ freepatentsonline.com

weblenker

Commons : Hall sensor  - samling av bilder, videoer og lydfiler