مقدمه
یک عنصر هال از لایه نازکی ماده هادی با اتصالات خروجی عمود بر مسیر شارش جریان ساخته شده است وقتی این عنصر تحت یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، ولتاژ خروجی متناسب با قدرت میدان مغناطیسی تولید می کند. این ولتاژ بسیار کوچک و در حدود میکرو ولت است. بنابراین استفاده از مدارات بهسازی ضروری است. اگر چه سنسور اثرهال، سنسور میدان مغناطیسی است ولی می تواند به عنوان جزء اصلی در بسیاری از انواع حسگرهای جریان، دما، فشار و موقعیت و … استفاده شود. در سنسورها، سنسور اثر هال میدانی را که کمیت فیزیکی تولید می کند و یا تغییر می دهد حس می کند
ویژگیهای عمومی
ویژگیهای عمومی سنسور های اثر هال به قرار زیر می باشند
1 - حالت جامد ؛
2 - عمر طولانی ؛
3 - عمل با سرعت بالا-پاسخ فرکانسی بالای 100KHZ ؛
4 - عمل با ورودی ثابت (Zero Speed Sensor) ؛
5 - اجزای غیر متحرک ؛
6-ورودی و خروجی سازگار با سطح منطقیLogic Compatible input and output ؛
7 - بازه دمایی گسترده (-40°C ~ +150°C) ؛
8 - عملکرد تکرار پذیرعالی Highly Repeatable Operation ؛
9 - یک عیب بزرگ این است که در این سیستمها پوشش مغناطیسی مناسب باید در نظرگرفته شود، چون وجود میدان های مغناطیسی دیگر باعث می شود تا خطای زیادی در سیستم اتفاق افتد
تاریخچه
اثرهال توسط دکتر ادوین هال (Edvin Hall) درسال 1879 در حالی کشف شد که او دانشجوی دکترای دانشگاه Johns Hopkins در بالتیمر(Baltimore) انگلیس بود.
هال درحال تحقیق بر تئوری جریان الکترون کلوین بود که دریافت زمانی که میدان یک آهنربا عمود بر سطح مستطیل نازکی از جنس طلا قرار گیرد که جریانی از آن عبور می کند، اختلاف پتانسیل الکتریکی در لبه های مخالف آن پدید می آید.
او دریافت که این ولتاژ متناسب با جریان عبوری از مدار و چگالی شار مغناطیسی عمود بر مدار است. اگر چه آزمایش هال موفقیت آمیز و صحیح بود ولی تا حدود 70 سال پیش از کشف آن کاربردی خارج از قلمرو فیزیک تئوری برای آن بدست نیامد.
با ورود مواد نیمه هادی در دهه 1950 اثرهال اولین کاربرد عملی خود را بدست آورد. درسال 1965 Joe Maupin ,Everett Vorthman برای تولید یک سنسور حالت جامد کاربردی وکم هزینه از میان ایده های متفاوت اثرهال را انتخاب نمودند. علت این انتخاب جا دادن تمام این سنسور بر روی یک تراشه سیلیکن با هزینه کم و ابعاد کوچک بوده است این کشف مهم ورود اثر هال به دنیای عملی و پروکاربرد خود درجهان بود.
تئوری اثر هال
اگر یک ماده هادی یا نیمه هادی که حامل جریان الکتریکی است در یک میدان مغناطیسی به شدت B که عمود برجهت جریان عبوری به مقدار I می باشد قرار گیرد، ولتاژی به مقدار V در عرض هادی تولید می شود.
این خاصیت در مواد نیمه هادی دارای مقدار بیشتری نسبت به مواد دیگر است و از این خاصیت در قطعات اثرهال تجارتی استفاده میشود.
ولتاژها به این علت پدید می آید که میدان مغناطیسی باعث می شود تا نیروی لرنتز برجریان عمل کند و توزیع آنرا برهم بزند[F=q(V´B)]. نهایتا حاملهای جریان مسیر منحنی را مطابق شکل بپیمایند.
حاملهای جریان اضافی روی یک لبه قطعه ظاهر می شوند، ضمن اینکه در لبه مخالف کمبود حامل اتفاق می افتد. این عدم تعادل بار باعث ایجاد ولتاژ هال می شود، که تا زمانی که میدان مغناطیسی حضور داشته و جریان برقرار است باقی می ماند.
برای یک قطعه نیمه هادی یا هادی مستطیل شکل با ضخامت t ولتاژهایV توسط رابطه زیر بدست می آید:
KH ضریب هال برای ماده مورد نظر است که بستگی به موبیلیته بار و مقاومت هادی دارد.
آنتیمونید ایریدیم ترکیبی است که در ساخت عنصر اثرهال استفاده می شود و مقدار KH برای آن 20 است.
ولتاژهال در رنج در سیلیکن بوجود می آید و تقویت کننده برای آن حتمی است. سیلیکن اثر پیز و مقاومتی دارد و بنابراین براثر فشار مقاومت آن تغییر می کند. در یک سنسور اثر هال باید این خصوصیت را به حداقل رساند تا دقت و صحت اندازه گیری افزوده شود. این عمل با قرار دادن عنصر هال بریک IC برای به حداقل رساندن اثر فشار و با استفاده از چند عنصر هال انجام میشود. بطوری که بر هر یک از دو بازوی مجاور مدار پل یک عنصر هال قرار گیرد، در یکی جریان بر میدان مغاطیسی عمود است و ولتاژ هال ایجاد می شود و در دیگری جریان موازی با میدان مغناطیسی می باشد و ولتاژ هال ایجاد نمی‌شود. استفاده از 4 عنصر هال نیز مرسوم می باشد.
اساس سنسورهای اثرهال
عنصرهال، سنسور میدان مغناطیسی است. باتوجه به ویژگیهای ولتاژ خروجی این سنسور نیاز مندیک طبقه تقویت کننده و نیز جبران ساز حرارتی است. چنانچه از منبع تغذیه با ریپل فراوان استفاده کنیم وجود یک رگولاتور ولتاژ حتمی است.
رگولاتور ولتاژ باعث می شود تا جریان I ثابت باشد بنابراین ولتاژ هال تنها تابعی از شدت میدان مغناطیسی می باشد.
اگر میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد ولتاژی تولید نمی شود. با وجود این اگر ولتاژ هر ترمینال اندازه گیری شود مقداری غیر ا ز صفر به ما خواهد داد. این ولتاژ که برای تمام ترمینال ها یکسان است با (CMV) Common Mode Voltage شناخته میشود. بنابراین تقویت کننده بکار گرفته شده می بایست یک تقویت کننده تفاضلی باشد تا تنها اختلاف پتانسیل را تقویت کند.
مطالبی اضافه در مورد مدارات بهسازی سنسورهای اثر هال
Applying Linear Output Hall Effect Transducers
Current Sink and Outsource Interface for Solid State Sensors 367k
Interfacing Digital Hall Effect Sensors
Interfacing the SS9 LOHET with Comparators and OP Amps
سنسورهای هال دیجیتال
در این سنسورها وقتی بزرگی میدان مغناطیسی به اندازه مطلوبی رسید سنسور ON می شود و پس از اینکه بزرگی میدان از حد معینی کاهش یافت سنسور خاموش می شود. لذا در این سنسورها خروجی تقویت کننده تفاضلی را به مدار اشمیت تریگر می دهند تا این عمل را انجام دهد، برای جلوگیری از پرش های متوالی از تابع هسترزیس زیر استفاده می کنند.
سنسورهای آنالوگ
سنسورهای آنالوگ ولتاژ خروجی خود را متناسب با اندازه میدان مغناطیسی عمود بر سطح خود، تنظیم می کنند. با توجه به کمیت های اندازه گیری این ولتاژ می تواند مثبت یا منفی باشد. برای اینکه سنسورهای ولتاژ خروجی منفی تولید نکند و همواره خروجی تقویت کننده تفاضلی را با یک ولتاژ مثبت را پاس می کنند.
در شکل بالا توجه داریم که یک نقطه صفر وجود دارد که در آن ولتاژی تولید نمی شود . از ویژگیهای اثرهال نداشتن حالت اشباع است و نواحی اشباع در شکل مربوط به آپ امپ در سنسور اثر هال می باشد .
معمولا خروجی تقویت کننده تفاضلی را به ترانزیستور پوش-پول می د هند.
سنسور آنالوگ اثر هال
سیستم های مغناطیسی
سنسور اثر هال درحقیقت بدین ترتیب عمل میکند که توسط یک سیستم مغناطیسی کمیت فیزیکی به میدان مغناطیسی تبدیل می شود. حال این میدان مغناطیسی توسط سنسور اثر هال حس می شود. بسیاری از کمیت های فیزیکی با حرکت یک آهنربا اندازه گیری می شوند. مثلاً دما و فشار را می توان بوسیله انقباض و انبساط یک Bellows که به آهنربا متصل است اندازه گیری نمود.
روش های مختلفی جهت ایجاد میدان مغناطیسی وجود دارد.
] Unipolar head-on mode
در این حالت آهنربا نسبت به نقطه مرجع سنسور حرکت می کند.
همانطور که در شکل بالا دیده می شود منحنی تغییرات فاصله ومیدان مغناطیسی در این شکل آمده است (منحنی بدست آمده غیر خطی است) و دقت درحد متوسط است. مثلاً اگر یک سنسور اثرهال دیجیتالی را در نظر بگیریم در این حالت در فاصله أی که G1 حاصل می شود سوئیچ عمل می کند و On میشود و وقتی که فاصله به حدی رسید که G1 حاصل شود سوئیچ OFF میکند.
] Unipolar slide-by mode
در این حالت آهنربا در یک مسیر افقی نسبت به سنسور تغییر مکان می کند.
منحنی تغییرات مکان نسبت به میدان مغناطیسی بازهم غیر خطی است- دقت این روش کم است و لی حالت تقارنی کاملاً دیده می شود. مثلاً سنسور اثرهال دیجیتالی را در نظر بگیرید که در اثر میدان G1 روشن شده و در میدان G2 خاموش می شود وقتی آهنربا از سمت راست حرکت می کند و به موقعیت +D1 می رسد آنگاه سنسور عمل میکند. این حرکت ادامه می تواند داشته باشد تا به موقعیت –D2 برسد، در این هنگام سنسور آزاد می شود و به همین ترتیب.
] Bipolar Slide –By made
در این حالت از 2 آهنربا که قطب S,N هر کدام بصورت ناهمنام در مجاورت هم قرار گرفته است استفاده می کنیم.
دقت در این روش درحد متوسط است- حالت تقارن وجود ندارد ولی می توان در بخش هایی، از خاصیت خطی منحنی استفاده نمود. اگر همان سنسور دیجیتالی قبلی را در نظر بگیریم در حرکت از راست به چپ وقتی که فاصله به D2 می رسد آنگاه سنسور عمل می کند و تا به مرحله D4 پیش می رود. بنابراین در یک حرکت پیوسته از راست به چپ سنسور در بخش شیب تند عمل می کند و در بخش شیب کند رها میکند.
جهت حذف شیب تند در بخش مبدأ از یک تکنیک دیگر استفاده می شود. بدین ترتیب که در میان ایندو آهنربا فاصله معینی قرار می دهند.
این عمل بطور چشمگیری دقت را افزایش می دهد.
حالت دیگری نیز به کار می‌رود که در آن منحنی حاصل بصورت یک تابع پالس است. در این روش در میان دو آهنربا، آهنربای دیگری قرار می دهند که پهنای پالس متناسب با پهنای این آهنربا می باشد.
] Bipolar Slide –By mode (ring magnet)
در این حالت از یک آهنربای حلقه استفاده می شود آهنربای حلقه ای یک قطعه آهنربای دیسک مانند است که قطب های آن در پیرامون آن قرار دارند. در شکل زیر آهنربای حلقه ای با دو جفت قطب نمایش داده می شود. به منحنی حاصل شیبه به یک منحنی سینوسی است. هرچه تعداد قطبهای آهنربای حلقه ای بیشتر باشد مقدار پیک حاصل در اندازه میدان کمتر خواهد بود. تعداد پالس های حاصل در این روش برابر با جفت قطبهای آهنربا می باشد. محدودیت در ساخت آهنربای حلقه ای با جفت قطب های زیاد، محدودیت این روش محسوب می شود.