Hall sensor

Hall Effect Sensor is een klein gevoelig element waarmee u veranderingen in het magnetisch veld kunt volgen. De ontdekking is al 100 jaar oud geworden, het fenomeen dat aan het werkingsprincipe ten grondslag ligt, is al sinds 1879 bekend, maar pas de laatste decennia zijn producten een integraal onderdeel geworden van de voorbeelden van technologische vooruitgang.

Hall-effect

Edwin Hall toonde aan dat in de richting dwars op het magnetisch veld een emf in de geleider wordt gegenereerd wanneer er gelijkstroom doorheen stroomt. In de praktijk lijkt het op het optreden van potentialen aan de randen van een metalen strip, wanneer een magneet naar de strip wordt gebracht. Als een resultaat wordt het mogelijk om het feit van het naderen van de sensor te registreren. Het potentiaalverschil hangt grotendeels af van:

1. De grootte van de stromende gelijkstroom.
2. Magnetische veldsterkte.
3. Mobiliteit en concentratie van ladingdragers in het materiaal.

Tot de jaren 1950, toen de microgolfstralingrecorder voor het eerst werd gemaakt, werd het Hall-effect niet buiten de laboratoria toegepast. In de massazwemmen die werd gelanceerd door fabrikanten van computertoetsenborden, bleken de concerns geïnteresseerd in het vinden van een contactloze manier om de positie van de toetsen te registreren en vonden deze in 1968.De solid-state sensor, uitgevonden in 1965 door Joe Mopin en Everett Wortman, verbeterde de eigenschappen van de apparatuur aanzienlijk. Nu ondervindt de branche een jaarlijkse toename van de behoefte aan Hall-sensoren, naar schatting vijf van de productiebedrijven die $ 2 miljard aan inkomsten genereren.

Vandaag gebruiken Hall-sensoren vanwege deze functie - ze zijn bijna eeuwig, bevatten geen bewegende en wrijvende delen. In het toetsenbord wordt de controller meestal niet door het gevoelige element gebroken. Er zijn virussen die een chip kunnen herprogrammeren en een computer kunnen infecteren. .. via USB-toetsenborden. Trouwens, de geheime diensten hebben lang een methode voor spionage aangenomen, maar er is gewoon geen effectieve bescherming tegen kwetsbaarheid.

Het Hall-effect komt tot uiting in de geleider, hoe sterker, hoe lager de concentratie van de drager en hoe groter de mobiliteit. Metalen( op basis waarvan het fenomeen voor het eerst werd aangetoond) worden niet beschouwd als een ideaal materiaal voor het maken van sensoren. In veel grotere mate zijn halfgeleiders geschikt voor dit doel. Tegelijkertijd worden hierdoor de kosten aanzienlijk verlaagd en neemt de eenwording van de massaproductie toe.

Laten we eens kijken hoe de Hall-sensor werkt. Stel je een halfgeleiderstrip voor waarlangs gelijkstroom vloeit. Bij afwezigheid van externe verstoringen ontstaat er een elektrisch veld, dat de ladingdragers in beweging zet. Stel nu dat lijnen van een constant magnetisch veld loodrecht op het oppervlak van de strip ontstaan. De opkomende kracht van Lorentz zal de regel van de linkerhand zijn om aan het proces gevolg te geven. Denk eraan dat de richting als volgt wordt bepaald: "Als u uw linkerhand zo plaatst dat de magnetische veldlijnen loodrecht op uw handpalm staan ​​en uw uitgestrekte vingers in de richting van ladingsbeweging kijken( in fysica - positief geladen deeltjes, niet negatieve elektronen), buigt de duim 90 gradenzal wijzen in de richting van de actie van de Lorentz-kracht. "

Er zijn geen raadsels in het Hall-effect. De Lorentz-formule werd ruim tien jaar later voorgesteld - in 1892 - voordat mensen erachter kwamen dat een plaat goud een potentiaalverschil vormt aan de uiteinden wanneer gelijkstroom vloeit. De invloed van het magnetische veld op de geleiders in 1831 werd duidelijk uitgedrukt door Michael Faraday, dankzij een geheime aanbidder waarvan de wereld leerde over generatoren en motoren. Het is nog steeds onbekend wie de eerste DC-motor heeft bedacht. Bij omgekeerde lopende generator.

Hall Effect opende in 1879 aan de basis van de Johns Hopkins University in Baltimore. Edwin probeerde de Kelvin-theorie te testen, dertig jaar eerder geuit, was actief bezig met het bestuderen van het effect van een magnetisch veld op een gouden plaat. De wetenschapper introduceerde een coëfficiënt die het geproduceerde effect laat zien, afhankelijk van het product van het toegepaste magnetische veld en de stroming. Vanzelfsprekend hangt de waarde af van de materiaaleigenschappen. Het moment is al besproken.

Hall-effecten van Hall-sensoren

Experts wijzen op de volgende voordelen van Hall-sensoren:

1. Lange levensduur( voor het toetsenbord - 30 miljard klikken).
2. Gebrek aan bewegende onderdelen( solid-state elektronica), wat het ontwerp duidelijk vereenvoudigt met hoge eisen aan trillingen en schokken.
3. Mogelijkheid om te werken bij frequenties van verandering van het magnetisch veld tot 100 kHz.
4. Eenvoudige combinatie met de logische niveaus van signalen van digitale technologie.
5. Breed temperatuurbereik( van minus 40 tot plus 150 graden Celsius).
6. Hoge herhaalbaarheid van metingen, waardoor het eenvoudig is om instrumenten te tarreren op basis van Hall-sensoren.

Hall Sensors

Design Tijdens de werking manifesteerden traditionele halfgeleidermaterialen - gallium en indium arsenides - zich perfect. Typisch is de Hall-sensor een kleine plaat, waarvan de tegenovergestelde zijden gepaarde elektroden zijn. Voeding breed en gelegen aan de zijkant van de rechthoek. Waar het signaal wordt genomen - het eenvoudigste punt. In elk schema is een gemeenschappelijk punt gemarkeerd( neutrale draad, neutraal), de som van de contacten is drie. Negatieve lijnen worden gecombineerd.

Experts merken op dat er zelfs bij afwezigheid van een magnetisch veld op de elektroden meestal een klein signaal is. Dit is niet het gevolg van de invloed van onze planeet, zoals de lezers zullen denken. Het potentiaal langs de zijkant van de plaat is ongelijk verdeeld. En het is niet altijd raadzaam om equivalente punten te identificeren. Het is eenvoudiger om elektronica te tarreren die met de sensor is gekoppeld, of om te worden geleid door puntimpulsen, wat vaak in de praktijk wordt gedaan. Differentiële versterkers worden vaak gebruikt voor correctie( alleen een signaalverandering wordt uitgevoerd).

De dikte van de geleidende film is meestal klein en bereikt amper 10 micron. Voor depositie op een substraat met behulp van de lithografiemethode. Hiermee kunt u Hall-sensoren maken met een klein gevoelig gebied, wat de meetnauwkeurigheid enorm en vaak verbetert, omdat het oppervlak klein is. In instrumenten wordt dit gebruikt om de posities van delen van mechanismen te beoordelen. Kleine sensoren detecteren echter een relatief lage respons, gemeten in termen van W / T( het uitgangsvermogen van het nuttige signaal afhankelijk van de spanning van het magnetische veld).Voor seriële Hall-sensoren varieert de parameter gewoonlijk van 0,03 tot 1.

In de praktijk lijkt dit op een pulsgenerator. Stel dat er een aantal magneten op de motoras van een wasmachine staat, met een draai worden een bepaald aantal pieken geproduceerd. Dientengevolge evalueert de elektronische vulling de rotatiesnelheid, de hoekpositie van de rotor, die bijvoorbeeld wordt gebruikt in klepmotoren( met elektronische schakeling van de wikkelingen).

Laten we ons terugtrekken en uitleggen waarom de kleine Hall-sensor zwak reageert. De amplitude van de gegenereerde pulsen hangt af van de stromende gelijkstroom, maar deze kan niet groot zijn, anders zal de geleidende film( met een voldoende grote weerstand) oververhitten en verbranden. Daarom hebben geldige waarden( in ampère) een bereik van 5 tot 50 mA.

Toepassing van Hall Sensors

1. Hall-sensoren worden veel gebruikt in huishoudelijke apparaten. Een welsprekend voorbeeld zijn wasmachines. Gebruikers breken hun hoofd, net als bij geavanceerde modellen, wordt het wasgoed gewogen. Het netwerk bevat patenten waarbij wordt voorgesteld om het probleem met behulp van veren of rekstrookjes op te lossen. Dergelijke apparaten zijn niet in staat tot grote betrouwbaarheid, met het risico dat ze voortdurend aan vervormingen worden blootgesteld. Daarnaast worden enkele stenen op de tank gehangen, wat betekent dat het totale gewicht van de constructie groot is, wat beperkingen oplegt. In de praktijk wordt het wasgoed in wasmachines eerst overvloedig bevochtigd, waarna de totale massa wordt geschat aan de hand van de snelheid van de trommelversnelling. Dit is het wegen van het wasgoed, wat verder het werkprogramma van de apparatuur, het gebruik van poeder, water, spoelen bepaalt.
2. In computer-toetsenborden voerden Hall-sensoren eerst de massaproductie in. Meestal is er een gevoelig element op het substraat, een magneet is op de sleutel gemonteerd. Het is duidelijk dat er geen veren meer in het moderne toetsenbord zitten en dat de elastische kracht wordt gecreëerd door polymeren met een hoge levensduur. De oplossing is uitermate succesvol: het is niet de sensor die afbreekt en het mechanische gedeelte is niet elastisch, de controller faalt.
3. De Hall-sensor kan worden gebruikt om de stroom te meten( zoals in de huidige tang).Het apparaat kan reageren op veranderingen in het elektromagnetische veld rond de draad. Er wordt een zogenaamde bekrachtigingswikkeling( inductie van koperdraad) gemaakt. De gemeten stroom wordt geleverd aan de kranen, als gevolg hiervan wordt een elektromagnetische golf gevormd, een deel wordt geschat door de Hall-sensor. Het antwoord hangt rechtstreeks af van de gemeten waarde. De berekening wordt uitgevoerd volgens de formules die bijvoorbeeld in de controller zijn vastgelegd. Voor nauwkeurigheid wordt het instrument door de fabrikant gekalibreerd. En de bovengenoemde voordelen blijven, ten eerste, de afwezigheid van bewegende delen. Op dezelfde manier wordt het mogelijk om met behulp van Hall-sensoren vermogen te meten.
   

   De toepassing van de sensor

4. Het converteren van DC naar AC-spanning wordt beschouwd als een voorbeeld van het creëren van een generator. Als de Hall-sensor zich in een wisselend magnetisch veld bevindt, herhaalt de spanning aan de uitgang de vorm. De efficiëntie van het apparaat heeft geen hoge waarde. Maar het ontwerp is tot het maximum vereenvoudigd, het wordt mogelijk om de vorm van het magnetische veld direct over te dragen aan de elektrische stroom.
5. In verband met de hierboven beschreven feiten, merken wij op dat Hall-sensoren u in staat stellen om de stroom en de volledige lading van batterijen te regelen( door de stromingstroom te meten en deze in de loop van de tijd te integreren).Dit veroorzaakt de mogelijkheid van hun brede toepassing. Bijvoorbeeld in mobiele telefoons( tot 37% van de markt).Maar experts zijn van mening dat de meest veelbelovende richting het segment van elektrische voertuigen is, waarbij de kwestie van de beschikbaarheid van energie van levensbelang zal zijn.
6. Door de aanwezigheid van het magnetisch veld van de aarde wordt het mogelijk om kompassen te maken op basis van Hall-sensoren. Het enige probleem is dat de waarde in Tl ongelijk is over het oppervlak van continenten en continenten, en de invoer van correctiemethoden is vereist. Vanwege dit effect werken automatische beeldstabilisatiesystemen voor videocamera's van mobiele apparaten soms.
7. Er is weinig bekend, maar de auto-industrie is goed voor 52% van de opbrengst van de release van Hall-sensoren. In deze industrie is vereist om de rotatiesnelheid van de wielen, krukas en nokkenas te meten. Lezers hebben al geraden dat de Hall-sensor zal helpen bij het bepalen van de positie van de gasklep, besturing. De automotivemarkt is de belangrijkste drijvende kracht geworden voor de verdere verbetering van apparaten. Sommige systemen worden beschouwd als de de facto standaard( ASIC, ASSP, ESC / ESP, enz.) Op de markt, en Hall-sensoren nemen actief deel aan hen.