Senzori cu efect-Hall
Traducere și prelucrare după Hall-Effect Sensors Theory and Applications by Edward Ramsden
Dintre diferitele tehnologii de detectare utilizate pentru detectarea câmpurilor magnetice, efectul-Hall este probabil cel mai răspândit și frecvent utilizat. Deoarece este posibil să se construiască traductoare cu efect Hall de înaltă calitate, cu procese de circuit integrat standard, utilizate în industria microelectronică, și de a integra circuite de procesare a semnalului auxiliar pe aceeași matriță de siliciu, pot fi fabricați senzori utilizabili cu ușurință și ieftini. Sute de milioane de astfel de dispozitive sunt produse în fiecare an pentru utilizare într-o largă varietate de aplicații. Câteva locuri în care traductoarele cu efect-Hall pot fi găsite sunt:
Automobile - Sincronizarea aprinderii, sistemele de frânare antiblocare (ABS)
Computere -Comutație pentru ventilatoare fără perii, senzori pentru indexul unității de disc,
Controale industriale - senzori de viteză, senzori de sfârșit de cursă, codificatori,
Dispozitive casnice - echipamente de exerciții, telefoane mobile.
Cunoașterea efectului Hall în sine este destul de veche, așa cum a fost descoperit experimental de către Edwin Hall în 1879. Descoperirea efectului, incidental, a precedat descoperirea electronului de către Thomson în 1897 cu aproape 20 de ani. La momentul în care Hall își realiza experimentele, curentul electric era considerat a fi un fluid continuu, nu o colecție de particule elementare discrete.
Este destul de remarcabil faptul că experimentele lui Hall i-au permis să observe efectul, atunci când se estima instrumentația disponibilă la vremea respectivă și natura subtilă a experimentului, care cel mai probabil a furnizat semnale de numai microvolți. Cu toate acestea, efectul Hall a devenit destul de bine cunoscut de-a lungul timpului; tabelele fizice ale Institutului Smithsonian din 1920 includ un tabel care descrie magnitudinea efectului Hall pentru un număr de substanțe [Fowle20].
În anii 1950, traductoarele cu efect-Hall au fost folosite în mod obișnuit pentru a face instrumente de măsurare magnetice de tip laborator. Disponibilitatea materialelor semiconductoare a permis fabricarea traductoarelor de înaltă calitate.
În anii 1960 și 1970 a devenit posibil să se construiască senzori cu efect-Hall pe circuite integrate cu circuite de procesare a semnalului încorporate. Acest avans a redus considerabil costurile de utilizare a acestor dispozitive, ceea ce le permite utilizarea practică pe scară largă. Una din primele aplicații majore a fost cea a tastaturilor de calculator, unde noii senzori cu efect-Hall au fost utilizați pentru a înlocui contactele mecanice ale comutatoarelor de taste. Prin înlocuirea contactelor electro-mecanice cu senzori solid-state, fiabilitatea și durabilitatea tastaturilor au fost mult îmbunătățite.
Pe măsură ce a fost posibilă punerea mai multor tranzistoare pe o matriță de siliciu de dimensiuni date, traductorul de bază ar putea fi înconjurat cu funcții de suport cu costuri suplimentare mici.
Acest lucru a permis senzorilor cu efect-Hall cu logica încorporată pentru interfațare cu magistrala, compensarea temperaturii și procesarea semnalelor specifice aplicației. Integratele cu efect-Hall cu circuite sofisticate de interfață pe-cip au început să apară la sfârșitul anilor 1980, cu dispozitive noi dezvoltate pentru a satisface nevoile aplicațiilor specializate.
În timp ce obiectivul final al măsurării unui câmp magnetic este rar în afara unui laborator de fizică, câmpurile magnetice sunt intermediare utile pentru detectarea altor fenomene.
Deoarece câmpurile magnetice mari nu sunt întâlnite frecvent în natură și pot trece prin cele mai multe materiale fără obstacole, ele fac indicatori flexibili și vii atunci când pot fi controlate de alte fenomene. Un exemplu simplu al acestui lucru este detecția proximității, care este funcția de a detecta dacă un obiect este prezent sau absent. Caracteristicile obiectului pot face dificilă detectarea directă a prezenței acestuia într-o anumită zonă. Un magnet atașat, totuși, poate face detectarea foarte ușoară într-o varietate de condiții. În timp ce obiectivul final este detectarea obiectului, el se realizează în acest caz prin detectarea unui câmp magnetic. Cele mai comune aplicații de detectare pentru senzorii cu efect-Hall sunt poziția, proximitatea, viteza și curentul. Senzorii integrați cu efect-Hall sunt alegerea preferată din mai multe motive:
Dimensiuni mici - senzorii integrați cu efect-Hall cu amplificatoare încorporate pot fi obținuți în pachete IC de montare pe suprafață, fără a lua mai mult spațiu pe o placă de circuite imprimate decât un tranzistor discret. Traductoarele simple cu efect-Hall pot fi obținute în pachete care sunt aproape microscopice. Dimensiunile reduse ale senzorilor cu efect-Hall le permit să se încadreze fizic în multe locuri unde alte traductoare magnetice ar fi prea voluminoase.
Robustețe - Deoarece majoritatea senzorilor cu efect Hall sunt fabricați ca circuite integrate monolitice, sunt foarte imuni la șocuri și vibrații. În plus, carcasa standard IC este foarte rezistentă la umiditate și contaminanți de mediu. În cele din urmă, circuitele integrate cu efect-Hall monolitice care funcționează în intervalul de temperaturi de la -400C la +1500C sunt ușor disponibile din mai multe surse. IC-urile cu efect-Hall au fost folosite cu succes în medii ostile, cum ar fi transmisiile în interiorul autovehiculului și în jos, în gaura de sondă în echipamente de foraj puț de petrol.
Ușurință în utilizare - în timp ce traductoarele cu efect-Hall nu sunt chiar mijloacele cele mai sensibile sau mai exacte de măsurare a câmpurilor magnetice, ele sunt previzibile și se comportă bine. Ieșirea unui traductor cu efect-Hall este aproape liniară într-o gamă substanțială de câmp magnetic și nu prezintă efecte semnificative de histerezis sau de memorie. Spre deosebire de multe tipuri de senzori magnetici, traductoarele cu efect-Hall pot diferenția câmpurile nord și sud. Datorită dimensiunilor mici, aceștia sunt senzori efectivi de "punct", măsurând câmpul la un singur punct din spațiu. În cele din urmă, traductoarele cu efect-Hall măsoară o singură componentă spațială a unui câmp, permițându-i să detecteze direcția unui câmp cât și magnitudinea sa.
Cost - În timp ce un senzor cu efect-Hall pentru instrumentație poate costa câteva sute de dolari, majoritatea traductoarelor produse în prezent în lume sunt vândute cu mai puțin de 50 de cenți, inclusiv electronica de procesare a semnalului. Senzorii cu efect-Hall sunt printre cei mai rentabili senzori de câmp magnetic din prezent.
Din toate motivele anterioare, senzorii cu efect-Hall sunt elemente utile în setul de instrumente al proiectantului de sistem. Capitolele ulterioare vor explica modul în care aceștia funcționează, cum se interfațează cu ei și cum se utilizează în aplicații din lumea reală.