Напряжение датчика холла: Работа датчика холла

Датчики и сенсоры онлайн журнал

 

 

Первоначально этот эффект применялся для изучения электропроводности металлов, полупроводников и других токопроводящих материалов. В настоящее время датчики Холла используются

для обнаружения магнитных полей и определения положения и перемещения объектов [25, 26]. Эффект Холла основан на взаимодействии между движущимися носителями электрического заряда и внешним магнитным полем. В металлах носителями зарядов являются электроны. При движении электронов в магнитном поле на них действует отклоняющая сила: F = qvB где q = 1.6×10 |9Кл — величина заряда электрона, v — его скорость, а В — магнитная индукция. Выделенный шрифт указывает на то, что F и В являются векторами. Направление силы и ее величина зависят от пространственного расположения магнитного потока и направления движения электрона. Единицей измерения В является тесла: 1 Тесла = 1 Нью-тон/(амперхметр) = 104 Гаусс. Предположим, что электроны двигаются внутри электропроводной пластины, помещенной в магнитное поле В (рис. 3.30). На две стороны пластины нанесены дополнительные электроды, подключенные к вольтметру. Еще два электрода расположены сверху и снизу пластины, они подсоединены к источнику электрического тока. Из-за действия внешнего магнитного поля возникает отклоняющая сила, смещающая электроны ближе к правому краю пластины, поэтому эта сторона становится более отрицательно заряженной, чем левая. Очевидно, что вследствие взаимодействия магнитного поля и электрического тока возникает поперечная разность потенциалов, получившая название напряжение Холла Vp Знак и амплитуда этого напряжения зависят как от величины, так и направления магнитного и электрического полей. При фиксированной температуре оно определяется выражением: Рис. 3.30. Датчик Холла. Магнитное поле отклоняет движущийся электрический заряд где а — угол между вектором магнитного поля и плоскостью пластины Холла (рис. 3.31), a h — полная чувствительность датчика, на значение той влияют тип материала пластины, ее геометрия (площадь активной зоны) и температура. Полная чувствительность датчика Холла зависит от коэффициента Холла, который определяется градиентом поперечного электрического потенциала на единицу интенсивности магнитного поля и на единицу плотности тока. В соответствии с теорией свободных электронов в металлах, коэффициент Холла можно найти при помощи выражения: где N — число свободных электронов в единице объема, а с — скорость света. В зависимости от кристаллической структуры материала заряды могут быть либо электронами (отрицательными), либо дырками (положительными). Поэтому и эффект Холла бывает либо положительным, либо отрицательным Рис. 3.31. А — выходной сигнал датчика Холла зависит от угла между вектором магнитного поля и плоскостью пластины, Б — четыре вывода датчика Холла Линейный датчик Холла обычно размещается в корпусе с четырьмя выводами. Два вывода для подключения тока управления называются управляющими выводами, а сопротивление между ними — сопротивлением управляющей цепи R Выводы для измерения выходного напряжения называются дифференциальными выходами, а сопротивление между ними — выходным дифференциальным сопротивлением R0. Эквивалентную схему датчика Холла (рис. 3.32) можно представить в виде деталейого соединения 4-х резисторов и двух источников напряжения, включенных последовательно с выходными выводами. Знак <8> на рис. 3.31Б и 3.32 указывает на то, что вектор В направлен от наблюдателя. Датчик характеризуется следующими параметрами», сопротивлениями Л и Rg , напряжением смещения при отсутствии магнитного поля, чувствительностью и температурным коэффициентом чувствительности. Рис. 3.32 Эквивалентная схема датчика Холла Большинство сенсоров Холла изготавливаются из кремния, и их можно разделить на две основные категории: простые и интегрированные. Для построения чувствительных элементов на основе эффекта Холла применяются InSb, InAs, Ge и GaAs. Кремниевые сенсоры могут быть интегрированы на одной подложке с интерфейсными электронными схемами. Такая интеграция особенно важна при построении прецизионных сенсоров, поскольку напряжение Холла обычно довольно мало. В таблице 3.2 приведены основные характеристики простого кремниевого линейного датчика Холла UGN-3605K, выпускаемого кампанией Sprague. Таблица 3.2. Типовые характеристики линейного датчика Холла
Управляющий ток 3 мА
Сопротивление управляющей цепи 2 2 кОм
Температурный коэффициент чувствительности сопротивления управляющей цепи +0 8%/°С
Дифференциальное выходное сопротивление 4 4 кОм
Выходное напряжение смещения 5 0 мВ (при В = 0 Гс)
Чувствительность 60 мкВ/Гс
Температурный коэффициент чувствительности +0 1%/°С
Полная чувствительность 20 В/(ОмхкГс)
Максимальная плотность магнитного потока ограничений нет
Встроенная интерфейсная схема может иметь в своем составе пороговый детектор, превращающий датчик в устройство с двумя положениями: его выходной сигнал будет равен нулю, когда магнитное поле ниже порогового значения, и единице — когда плотность магнитного потока становится значительной. Поскольку кремний обладает пьезорезистивными свойствами, датчики, реализованные на его основе, реагируют на механические напряжения, поэтому необходимо минимизировать нагрузки на корпус датчика и на подводящие провода. Датчики Холла также являются чувствительными к колебаниям температуры, приводят к изменению сопротивления сенсорных элементов. Если чувствительный элемент подключен к источнику напряжения, изменения температуры будут влиять на значение сопротивления, а, следовательно, и на ток в цепи управления. Рис. 3.33. А и Б — кремниевый датчик Холла с и-зоной, В — его эквивалентная схема в виде резистивного моста Поэтому предпочтительнее управляющие выводы подключать к источнику тока, а не источнику напряжения. На рис. З.ЗЗА приведена схема датчика Холла, реализованного на кремниевой подложке/ьтипа с зоной я-типа, полученной методом ионной имплантации. Электрические контакты обеспечивают подсоединение к источнику питания и формируют выходные выводы датчика. Элемент Холла представляет собой квадрат с углублением с четырьмя электродами, включенными по диагоналям (рис. Холл открыл это физическое явление в 1879 году. З.ЗЗБ). На рис. 3.33В приведена его эквивалентная схема в виде резистивного моста. Поскольку мосты являются самыми популярными электрическими цепями с хорошо проработанными методами расчета (раздел 5.7 главы 5), они чаще всего используется на практике.
.

  Список тем   Назад   Вперед

 

 

Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями.

 

По вопросам размещения статей   пишите на email:

[email protected]

 

 

OpenBooks | Репозиторий Университета ИТМО

49
УДК 621.013+537.312
А. А. ГОЛУБЕВ, В. К. ИГНАТЬЕВ
ЦИФРОВОЙ НАНОТЕСЛОМЕТР
Описан четырехтактный вычислительный алгоритм минимизации систематических погрешностей магнитометра, связанных с температурной зависимостью константы Холла и остаточного напряжения, с использованием микроконтроллера ADUC834BS. Ключевые слова: магнитометр, датчик Холла, остаточное напряжение, крутизна преобразования, температурная погрешность, микроконтроллер.
При измерениях магнитных полей в диапазоне от 10 –7—10 –2 Тл в качестве преобразователя, главным образом, используется датчик Холла. Точность измерения индукции магнитного поля с помощью датчика Холла снижают остаточное напряжение, термоЭДС холловских контактов, температурная зависимость константы Холла и погрешность от собственного магнитного поля преобразователя [1]. Погрешность, связанную с термоЭДС контактов, можно устранить, запитав датчик Холла переменным током с последующим синхродетектированием. Минимизация погрешности, обусловленной пропорциональным протекающему через токовые контакты току остаточным напряжением датчика, не зависящим от магнитного поля, но зависящим от температуры [1], производится методом взаимности. Действительно, выходное напряжение датчика U при пропускании через него входного тока I в магнитном
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

50 А. А. Голубев, В. К. Игнатьев поле В, перпендикулярном плоскости датчика, можно представить как реакцию линейной системы на внешнее воздействие в виде
Ui = αij(B)Ij = (Rij + kijB)Ij. Здесь индексы i и j принимают значения, соответствующие токовым контактам датчика Холла Т1 и Т2 потенциальным П1 и П2 контактам (рис. 1), αij(B) — функция восприимчивости во внешнем магнитном поле B (Rij = αij(0)). Также учтено, что датчик Холла в слабых магнитных полях линеен.
U
Рис. 1
Из свойств симметрии восприимчивости [2] следует, что αij(B) = αij(–B). Следовательно, Rij = Rji = Rн, kij = – kji = kх — коэффициент Холла. Тогда, считая, что Ij = Ii = I, получим Ui = = Uн + Uх, Uj = Uн – Uх, где Uн = RнI — остаточное напряжение (напряжение небаланса), связанное с несимметричностью контактов датчика, Uх = kхВI — холловское напряжение, пропорциональное измеряемому магнитному полю.
Это реализовано в магнитометре [3], позволяющем раздельно измерять холловское напряжение Uх и остаточное напряжение датчика Холла Uн. Магнитометр (см. рис. 1) содержит датчик Холла ДХ, источник постоянного тока ИТ, систему коммутации, содержащую ключи К1—К10, усилители У1 и У2 и систему управления. Измерение происходит по следующему алгоритму.
Первый такт: ключи К1—К4, К6, К7 разомкнуты, К5, К8 — замкнуты. Ток от ИТ протекает через ключ К5, контакты Т1, Т2, ключ К8. Напряжение с контактов П1, П2, усиленное в п1 раз усилителем У1, подается через ключи К9, К10, находящиеся в положении 1, на выход. При этом выходное напряжение равно U1 = п1(Uс + Uн + Uх), здесь в термоЭДС включено напряжение смещения Uс усилителя У1.
Второй такт: ключи К1—К5, К8 разомкнуты, К6, К7 — замкнуты. Ток протекает через ключ К6, контакты Т2, Т1, ключ К7. Поскольку направление тока через датчик Холла инвертировано по отношению к первому такту, выходное напряжение равно U2 = п1(Uс – Uн – Uх).
Третий такт: ключи К5—К8, К2, К3 разомкнуты, К1, К4 — замкнуты. Ток протекает через ключ К1, контакты П1, П2, ключ К4. Напряжение с контактов Т1, Т2, усиленное в п2 раз усилителем У2, подается через ключи К9, К10, находящиеся в положении 2, на выход, при этом U3 = п2(UС + Uн – Uх).
Четвертый такт: ключи К5—К8, К1, К4 разомкнуты, К2, К3 — замкнуты. Ток протекает через ключ К2, контакты П2, П1, ключ К3. Ключи К9, К10 находятся в положении 2. Выходное напряжение равно U4 = п2(Uс – Uн + Uх).
Таким образом, измерив последовательно четыре значения напряжения на выходе схемы (см. рис. 1), в качестве меры магнитной индукции можно использовать
U1 – U2 + (U3 – U4)/п = 4п1Uх0 = SB0,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

Цифровой нанотеслометр

51

где S = 4п1KхI — крутизна преобразования, п = п2/п1. Остаточное напряжение Uн пропорцио-

нально величине U1 – U2 – (U3 – U4)/п. При этом, однако, нескомпенсированной остается погрешность, обусловленная температурной зависимостью константы Холла.

В алгоритме для устранения основных систематических погрешностей определения

температуры датчика Холла использовано остаточное напряжение Uн, пропорциональное удельному сопротивлению материала датчика, которое, в свою очередь, зависит от подвиж-

ности и концентрации носителей заряда, измеренное по четырехзажимной схеме (см. рис. 1).

Температурная зависимость константы Холла определяется концентрацией носителей заряда

[4]. Наши исследования показали, что зависимость константы Холла от остаточного напря-

жения близка к линейной функции, с погрешностью 0,1 %, на нее влияет магнитное поле в

диапазоне значений температуры 0—70 °С и магнитное поле до 10 мТл, эта зависимость мо-

жет использоваться для компенсации температурной погрешности [5].

Пусть Uх0(uн) = Uх(B0, Uн) — зависимость холловского напряжения от остаточного напряжения, зарегистрированная при калибровке магнитометра в постоянном магнитном поле с

индукцией B0 при изменении температуры датчика. Тогда f(Uн) = Uх0(Uн)/B0 — зависимость крутизны преобразования от остаточного напряжения при фиксированном токе I через датчик

Холла. При измерении регистрируются холловское и остаточное напряжения, а индукция

магнитного поля вычисляется как

В = Uх(B, Uн)/f(Uн).

(1)

Разумеется, этот алгоритм можно реализовать с помощью микропроцессорной измери-

тельной системы, например, на основе микроконтроллера. Принципиальная схема нанотес-

лометра приведена на рис. 2 (DD1 — ADuC847BS, DD2 — MT16S2D, DA1 — ADA4004-

4ARZ, DA2, DA3 — TMP37GRT, VT1—VT4 — IRF7103Q, VT5 — КП501А, VD1—VD6 —

BAS70-04PBF, ZQ1 — ПХЭ606117А).

Цифровая часть нанотеслометра состоит из микроконтроллера ADuC847BS (DD1) [6] и

жидкокристаллического дисплея MT-16S2D (DD2). Дифференциальные усилители (У1 и У2

на рис. 1) на счетверенном малошумящем операционном усилителе DA1 (ADA4004-4ARZ)

простроены по классической схеме потенциометрических усилителей. Для защиты микро-

контроллера от превышения допустимого предела входных напряжений используется схема,

построенная на сдвоенных диодах Шоттки VD1—VD6 (BAS70–04). Выходы дифференци-

альных усилителей соединены с входами мультиплексора (К9 и К10 на рис. 1), с его помо-

щью программно выбирается усилитель, выходное напряжение которого будет измеряться.

Программируемый усилитель обеспечивает оптимальный динамический диапазон АЦП, ко-

эффициент усиления которого можно изменять от 1 до 128 в зависимости от величины вход-

ного напряжения.

Опорное напряжение для АЦП задается манганиновым шунтом R1 с сопротивлением

25 Ом, включенным последовательно с преобразователем Холла ZQ1 (ПХЭ608117А, Сенсор,

Санкт-Петербург). Такая схема включения позволяет снизить требования к стабильности тока

в измерительной цепи. Источник измерительного тока для датчика Холла ZQ1 и шунта R2

построен на транзисторе VT5 и резисторе R2. Контакты датчика коммутируются программно

микроконтроллером DD1с помощью ключей VT1—VT4 (К1—К8 на рис. 1), в качестве кото-

рых используются полевые транзисторы IRF7103Q. Температура измерительных усилителей

DA1 и источника опорного напряжения (ИОН), в качестве которого выступает резистор R1,

измеряется с помощью датчиков температуры DA1 и DA2, в качестве которых использованы

специализированные микросхемы TMP37GRT. Напряжения с этих датчиков, пропорциональ-

ные их температуре, подаются на входы АЦП микроконтроллера и могут использоваться для

компенсации дополнительной погрешности, связанной с изменением температуры окружаю-

щей среды.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

Рис. 2

Цифровой нанотеслометр

53

Нанотеслометр питается от 8 аккумуляторов формата АА, формирующих рабочие на-

пряжения +5 и –5 В (GB1 и GB2). С таким источником питания прибор может непрерывно

работать в течение 24 часов.

После включения питания и инициализации микроконтроллера по четырехтактному ал-

горитму 100 раз измеряются значения напряжения U1—U4 на токовых (Т1 и Т2) и потенциальных (П1 и П2) контактах датчика Холла (рис. 1). Результаты измерений усредняются. За-

тем производится вычисление значения магнитного поля в соответствии с выражением

B = S(U1 – U2 + (U3 – U4)/п),

(2)

величина S и п определяется при калибровке прибора. Далее измеряется температура DA1 и

ИОН (см. рис. 2) и вычисляется остаточное напряжение Uн = U1 – U2 – (U3 – U4)/п.

Нанотеслометр собран на одной печатной плате размером 90×60 мм. Для уменьшения

уровня шумов дифференциальные усилители на основе микросхемы DA1 и разъем XS1 для

подключения датчика (рис. 2) помещены в медный экран размером 27×25×6 мм. Прибор не имеет элементов управления и не требует настройки в процессе эксплуатации.
При калибровке в первую очередь определялся коэффициент п, входящий в формулу (2). Для этого к разъему ХS1 подключался мостовой эквивалент датчика Холла, состоящий из четырех одинаковых проволочных резисторов по 10 Ом и включенного в диагональ балансировочного резистора Rб = 10 кОм. Поскольку резистивная цепь является взаимной, при точной настройке независимо от величины остаточного напряжения, которое изменяется резистором Rб, невзаимное холловское напряжение должно равняться нулю. При калибровке коэффициент п программно подбирается так, чтобы при изменении остаточного напряжения в пределах ±1 мВ среднее квадратическое значение холловского напряжения было минимальным. В этом случае отношение Uн/Uх можно рассматривать как степень компенсации остаточного напряжения, подбором коэффициента п ее удается довести до 1000.
Нанотеслометр калибровался при помощи длинного соленоида, помещенного в магнитный экран. Нелинейность составила менее 0,1 % в диапазоне 10–6—10–2 Тл. Каждая точка на графике соответствовала среднему, определенному по 100 отсчетам, вычисляемым автоматически в течение одного цикла измерений длительностью 0,1 с.
Порог чувствительности нанотеслометра определяется спектральной интенсивностью приведенного ко входу магнитного шума. Она измерялась методом периодограмм Уэлша [7]

по 100 выборкам из 4096 отсчетов каждая и составила 3 нТл c в полосе частот 0,1—45 Гц,

фликкер-шум в этом частотном диапазоне отсутствует. Вычислительный алгоритм термокоменсации [5] позволяет снизить погрешность измерения температуры в диапазоне 0—70 °С в 25 раз — с 0,25 (что соответствует температурному коэффициенту чувствительности датчика ПХЭ606117А) до 0,01 % на 1 °С.

Работа поддержана грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Авторы благодарят фирму Analog Device за предоставленные образцы микроконтроллера и усилителей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования. М.: Радио и связь, 1990. 264 с.
2. Файн В. М., Ханин Я. И. Квантовая радиофизика. М.: Сов. радио, 1965. 126 с.
3. Игнатьев В. К., Протопопов А. Г. Магнитометр на основе преобразователя Холла // Приборы и техника эксперимента. 2003. № 4. С. 116—120.
4. Средства измерения параметров магнитного поля / Ю. В. Афанасьев, Н. В. Студенцов, В. Н. Хореев и др. Л.: Энергия, 1979. 320 с.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

54 В. Г. Галалу

5. Патент РФ № 2311655 G01R 33/07 Способ уменьшения погрешностей холловского магнитометра / В. К. Игнатьев. Опубл. 21.11.07. Бюл. № 33.

6. [Электронный ресурс]: .

7. Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. 584 с.

Антон Александрович Голубев Вячеслав Константинович Игнатьев

Сведения об авторах — д-р физ.-мат. наук, профессор; Волгоградский государственный
университет, кафедра радиофизики; E-mail: [email protected] — магистр; Волгоградский государственный университет, кафедра
радиофизики; E-mail: [email protected] vlpost.ru

Рекомендована университетом

Поступила в редакцию 31.01.08 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 1

ВАЗ 2109 датчик холла — Зажигание — Статьи

Как известно бесконтактная система зажигания автомобиля ваз 2109 состоит замка, коммутатора, катушки зажигания, свечей и датчика распределителя, в основе которого лежит так называемый датчик Холла. Именно от этого микроэлектронного бесконтактного датчика подаются управляющие импульсы на коммутатор.

Принцип действия датчика Холла основан на появлении в полупроводнике, под воздействием магнитного поля, разности потенциалов (эффекте Холла) и без его нормальной работы, полноценное искрообразование просто невозможно.

К сожалению, наравне с коммутатором на ваз 2109 датчик холла обладает сравнительно низкой надежностью и, возможно, именно поэтому рекомендуется владеть хотя бы минимальными знаниями по проверке этого элемента, а опытные автолюбители, вообще, советуют постоянно иметь под рукой исправный датчик.

Между тем, для того чтобы проверить работоспособность датчика Холла можно применить несколько методов.

Например, можно воспользоваться приведенной на фото несложной схемой. Обращается внимание, что напряжение питания должно быть в пределах 8-14В, а предел измерения у вольтметра не менее 15В. Для проверки следует медленно проворачивать валик  распределителя зажигания. При нормальной работе вольтметр должен показывать резкое изменение напряжения  от минимального (около 0,4 В) до максимального значения.

 Можно воспользоваться и специальным приспособлением, которое несложно приобрести в любом специализированном магазине. Притом что такие контрольные приборы имеют вполне доступную цену, они при подключении их вместо коммутатора, позволяют провести диагностику не только датчика Холла, но и катушки и замка зажигания.

В случае выявления неисправности датчик Холла на ваз 2109 меняется следующим образом:

-снимается крышка трамблера;

-разворотом коленвала метка на шкиве совмещается со средней меткой на крышке газораспределительного механизма, после чего, отмечается положение бегунка распределителя;

— с помощью ключа на 13 отворачиваются крепежные гайки и снимается трамблер;

-демонтируется маслоотражательная муфта, вместе с ее шайбой;

-отсоединяются клеммы датчика Холла после чего, при оттягивании регулятора, появляется возможность снять сам датчик.

Установка датчика и сборка производятся в обратном порядке.

Похожие материалы

Как работают датчики Холла и где они используются?

Эффект Холла является следствием действия силы Лоренца.

Когда через тонкий проводник (или полупроводник) протекает постоянный ток, а магнит расположен так, что его магнитное поле направлено перпендикулярно этому току, магнитное поле тока реагирует на магнитное поле постоянного магнита, заставляя электроны, протекающие через проводник, притягиваться к одной стороне проводника из-за силы Лоренца.Это создает в проводнике разность потенциалов, называемую напряжением Холла. Величина напряжения Холла пропорциональна силе магнитного поля.

Сила Лоренца — это сила, с которой частица испытывает воздействие электрических и магнитных полей.

Напряжение Холла возникает, когда магнитное поле тока, протекающего по проводнику, реагирует на магнитное поле постоянного магнита, перпендикулярное протеканию тока.
Изображение предоставлено: учебники по электронике.ws

Эффект Холла используется в датчиках, где результирующее напряжение Холла может указывать на наличие, отсутствие или напряженность магнитного поля. Хотя датчики Холла работают, обнаруживая магнитное поле, их можно использовать для измерения широкого спектра параметров, включая положение, температуру, силу тока и давление.


Датчики на эффекте Холла обычно делятся на две категории: цифровые датчики на эффекте Холла, к которым относятся переключатели на эффекте Холла и защелки на эффекте Холла, и аналоговые датчики на эффекте Холла.

Переключатели на эффекте Холла

— также называемые униполярными датчиками — обнаруживают наличие (или отсутствие) магнитного поля по сравнению с заранее заданным порогом магнитного потока. При обнаружении подходящего магнитного поля переключатель включается (замыкается), а когда поле снимается, переключатель выключается (размыкается). Датчики приближения являются распространенным применением переключателей на эффекте Холла.

Работа защелки на эффекте Холла, также называемой биполярным датчиком, аналогична работе переключателя, но защелка включается (закрывается) при приложении положительного магнитного поля, а остается на даже при снятии поля.И наоборот, защелка отключается (открывается), когда прикладывается отрицательное магнитное поле, а остается выключенной даже при снятии поля. Защелки на эффекте Холла обычно используются в бесщеточных двигателях постоянного тока (BLDC) для определения положения ротора для правильной коммутации.

Цифровые датчики Холла

включают в себя триггер Шмитта — схему, которая регулирует порог переключения до немного более высокой точки на нарастающем фронте сигнала и до немного более низкой точки на заднем фронте сигнала.Разница между этими точками переключения называется гистерезисом и гарантирует, что переключатель не будет колебаться или включаться и выключаться из-за шума во входном сигнале.

Триггер Шмитта обеспечивает гистерезис для предотвращения колебаний цифрового датчика Холла между состояниями «включено» и «выключено».
Изображение предоставлено: Texas Instruments

Аналоговые или линейные датчики Холла производят постоянное выходное напряжение, пропорциональное плотности магнитного потока (силе магнитного поля), что делает их подходящими для измерения положения и движения.Фактически, во многих магнитных поворотных энкодерах используются линейные датчики на эффекте Холла. Однако взаимодействие протекающего тока и магнитного поля создает напряжение Холла, которое очень мало, поэтому линейные датчики Холла обычно включают усилитель для увеличения выходного напряжения, а также другую электронику преобразования сигнала для улучшения отклика датчика и компенсации температуры. эффекты.

Устройства на эффекте Холла

представляют собой отличные чувствительные элементы, поскольку они полностью бесконтактны и не имеют движущихся частей, что обеспечивает им длительный срок службы.И они могут работать на высоких скоростях и частотах переключения с превосходной воспроизводимостью.

Автор изображения: Texas Instruments

%PDF-1.4 % 1 0 объект >поток 2016-02-22T11:26:23-05:00Microsoft® Word 20102022-04-06T13:16:46-07:002022-04-06T13:16:46-07:00iText 4.2.0 от 1T3XTapplication/pdf

  • UUID: 391d0936-7606-4eb9-9fc9-2cbc033f5f50uuid: b8800ca7-6086-48aa-9fda-550aafac908d конечный поток эндообъект 2 0 объект > эндообъект 3 0 объект >поток xXɎ[email protected]` SA0CJdI]nHbgժYzpR嗗+}m>[+8KB\8DWv٪D,RnAfʒLX ʹ$D9Y;k홮]Ot dcL: >d9lsO:3(gYq{��G^ HSK��4JhM%ŽM|ﲌzɾhDеoӐt21B+6q9̕%’sbTR

    %PDF-1.3 % 53 0 объект > эндообъект внешняя ссылка 53 107 0000000016 00000 н 0000002489 00000 н 0000003135 00000 н 0000003291 00000 н 0000003355 00000 н 0000003431 00000 н 0000003505 00000 н 0000003602 00000 н 0000003685 00000 н 0000003796 00000 н 0000003905 00000 н 0000004011 00000 н 0000004165 00000 н 0000004338 00000 н 0000004479 00000 н 0000004566 00000 н 0000004665 00000 н 0000004769 00000 н 0000004899 00000 н 0000004994 00000 н 0000005078 00000 н 0000005174 00000 н 0000005265 00000 н 0000005382 00000 н 0000005507 00000 н 0000005603 00000 н 0000005711 00000 н 0000005868 00000 н 0000006030 00000 н 0000006193 00000 н 0000006327 00000 н 0000006437 00000 н 0000006539 00000 н 0000006659 00000 н 0000006789 00000 н 0000006932 00000 н 0000007081 00000 н 0000007201 00000 н 0000007349 00000 н 0000007439 00000 н 0000007559 00000 н 0000007693 00000 н 0000007776 00000 н 0000007884 00000 н 0000007978 00000 н 0000008076 00000 н 0000008171 00000 н 0000008262 00000 н 0000008354 00000 н 0000008502 00000 н 0000008609 00000 н 0000008700 00000 н 0000008808 00000 н 0000008912 00000 н 0000009010 00000 н 0000009111 00000 н 0000009213 00000 н 0000009361 00000 н 0000009445 00000 н 0000009546 00000 н 0000009676 00000 н 0000009784 00000 н 0000009853 00000 н 0000010004 00000 н 0000010159 00000 н 0000010271 00000 н 0000010353 00000 н 0000010451 00000 н 0000010586 00000 н 0000010695 00000 н 0000010845 00000 н 0000010963 00000 н 0000011095 00000 н 0000011229 00000 н 0000011356 00000 н 0000011453 00000 н 0000011573 00000 н 0000011656 00000 н 0000011760 00000 н 0000011878 00000 н 0000011997 00000 н 0000012135 00000 н 0000012306 00000 н 0000012391 00000 н 0000012472 00000 н 0000012589 00000 н 0000012710 00000 н 0000012798 00000 н 0000012885 00000 н 0000012969 00000 н 0000013077 00000 н 0000013174 00000 н 0000013376 00000 н 0000013704 00000 н 0000013831 00000 н 0000013942 00000 н 0000014052 00000 н 0000014233 00000 н 0000015698 00000 н 0000015826 00000 н 0000016766 00000 н 0000017095 00000 н 0000017223 00000 н 0000017279 00000 н 0000018206 00000 н 0000002606 00000 н 0000003113 00000 н трейлер ] >> startxref 0 %%EOF 54 0 объект > эндообъект 158 0 объект > поток Hb«`f`c`g«[email protected]

    Измерение эффекта Холла

    Эффект Холла, впервые описанный Эдвином Холлом в 1879 году, приводит к электрическому выходу, когда тонкая металлическая пластина погружается в магнитное поле достаточная прочность.Магнитное поле должно быть перпендикулярно электрическому току, проходящему через пластину. Потенциал напряжения эффекта Холла зависит от силы магнитного поля и его угла к пластине.

    Измерительная установка для обнаружения потока электронов на выходе эффекта Холла. Внешняя магнитная сила инициирует ток в тонкой прямоугольной проводящей пластине. Электроны притягиваются к той стороне пластины, к которой приложено положительное напряжение, и отталкиваются от той стороны пластины, к которой приложено отрицательное напряжение.

    Если магнитное поле приложено сбоку к проводнику, по которому течет ток, носители положительного и отрицательного заряда будут мигрировать к противоположным сторонам проводника, создавая небольшой, но измеримый потенциал напряжения сбоку проводника. Это напряжение наиболее заметно, когда проводник представляет собой тонкую плоскую прямоугольную пластину. Оно возникает только при наличии магнитного потока, наложенного извне на проводник. Таким образом, узел, не имеющий движущихся частей, может функционировать как датчик приближения, а также как магнитометр.Выход находится в диапазоне низких милливатт, поэтому во многих приложениях он используется в сочетании с усилителем.

    Напряжение эффекта Холла также появляется на отверстии, просверленном в пластине, в ответ на электрический ток, введенный на краю отверстия. Это второе изменение эффекта Холла проявляется в изменении выходного напряжения (включено или выключено) в зависимости от полярности магнитного поля. Биполярный датчик, как его называют, требует положительного (южный полюс по современной номенклатуре) для питания электрической цепи.Напротив, униполярная схема на эффекте Холла включается и выключается, когда датчик приближается к магнитному полю или покидает его. Здесь снова нет движущихся частей. Единственное, что движется, — это внешнее магнитное поле или все устройство на эффекте Холла. По этой причине, если они не подвергаются перенапряжению, устройства на эффекте Холла, как правило, не требуют технического обслуживания.

    Вверху элемент Холла принимает отрицательный заряд на верхнем краю (обозначается синим цветом) и положительный на нижнем краю (красный цвет).Показан поток электронов, а не направление тока. Ниже либо электрический ток, либо магнитное поле меняются местами, что приводит к изменению поляризации. Изменение направления тока и магнитного поля (внизу справа) заставляет элемент Холла снова принимать отрицательный заряд на верхнем краю.

    Эффект Холла зависит от движения электронов, дырок и/или ионов. В присутствии магнитного поля на носители заряда действует сила Лоренца, F , определяемая количественно как: — электрический заряд, E — внешнее электрическое поле, v — скорость заряда, B — магнитное поле, все в единицах СИ.

    Устройства на эффекте Холла

    используются во многих приложениях. Примером могут служить токоизмерительные клещи. Без устройства на эффекте Холла этот прибор представляет собой простой трансформатор, нечувствительный к постоянному току. Накладные амперметры высокого класса оснащены датчиком на эффекте Холла для расширения их функциональных возможностей.

    Датчики Холла

    в настоящее время доступны вместе с усилителями с высоким коэффициентом усиления в одиночных интегральных схемах. Они могут быть герметизированы, чтобы сделать их невосприимчивыми к пыли, грязи, грязи и воде. Сборка без движущихся частей подходит для автомобильных приложений, включая тормозные системы с АБС, спидометры, электронные системы зажигания и впрыска топлива.

    Датчики Холла

    могут быть созданы и сконфигурированы для обнаружения магнитного поля Земли. Это свойство используется в некоторых системах GPS. Крошечные датчики Холла устанавливаются на печатных платах и ​​используются для обеспечения обратной связи в двигателях с регулируемой скоростью. Чувствительность к слабому току можно повысить, введя несколько витков в проводник с током. В стационарных установках можно использовать экранирование для уменьшения влияния магнитного поля земли. Для цепей с большей силой тока используется делитель тока.Он состоит из одной более толстой проволоки и одной более тонкой проволоки, причем более тонкая проволока обеспечивает смещение для устройства на эффекте Холла.

    Серводвигатели

    часто включают датчики Холла для отслеживания положения ротора. Новейшие экскаваторы-погрузчики, карьерные самосвалы, краны и ножничные подъемники оснащены джойстиками на эффекте Холла, что позволяет отказаться от большого количества гидравлических шлангов, требующих частого обслуживания.

    Маломощный двигатель на эффекте Холла используется для приведения в движение некоторых космических кораблей, освободившихся от земного притяжения. Магниты на двигателе ускоряют ионизированные атомы.Нейтральное топливо закачивается в камеру, где оно ионизируется электронами, создавая плазму, создающую достаточную тягу в условиях невесомости.

    Теория эффекта Холла, первоначально изложенная в 19 веке, в настоящее время пересматривается, чтобы отразить последние достижения в квантовой физике. Будущий теоретик Клаус фон Клитцинг обнаружил, что, когда один слой электронов в полупроводнике одновременно испытывает низкую температуру и сильное магнитное поле, его внутреннее электронное свойство, сопротивление Холла, возникает исключительно при целых числах, кратных ч / e 2 , называемая теперь константой фон Клитцинга.По сути, это квантованная версия эффекта Холла, наблюдаемая в двумерных электронных системах при низких температурах и сильных магнитных полях, в которых сопротивление Холла R xy демонстрирует ступеньки, принимающие квантованные значения на определенных уровнях R xy =V Холл /I канал = h / e 2 v где V Холл — напряжение Холла, I канал 9014, e 0 — элемент 0 заряд, а ч — постоянная Планка.Делитель ν может быть как целым (ν = 1, 2, 3,…), так и дробным (ν = ⅓, ⅖, 3 7 , ⅔, 3 5, 9010. .)значения.

    Оказывается, у квантованной версии эффекта Холла есть реальные приложения. Квантование холловской проводимости G xy = 1/ R xy чрезвычайно точное. Было обнаружено, что фактические измерения проводимости Холла кратны целому или дробному числу от e 2 / h до почти одной миллиардной.Это явление позволило определить новый практический стандарт электрического сопротивления на основе кванта сопротивления, определяемого константой фон Клитцинга. Квантовый эффект Холла также обеспечивает чрезвычайно точное независимое определение важной величины в квантовой электродинамике, называемой постоянной тонкой структуры.

    Например, исследователи изучали трехмерный квантовый эффект с середины 20-го века, добившись успеха в прошлом году. Разработка представляет собой теоретическую модель электрона, которая, как ожидается, расширит наши знания о трехмерном эффекте Холла.Последняя итерация представляет собой дробную версию, в которой отсутствует магнитное поле. В холодной 2D-системе с сильным приложенным магнитным полем сопротивление Холла изменяется дискретными шагами. Квантовый эффект Холла нелегко повторить, потому что энергия распределяется в направлении приложенного магнитного поля.

    В 1987 году теоретик Берт Гальперин предположил, что решение может быть найдено, если открыть брешь в электронной структуре материала. Примерами могут быть индуцированный потенциал решетки или электроны волны плотности заряда, попадающие в стоячую волну.Это создало бы энергетическую щель согласно предсказаниям Гальперина:
    1. Удельное сопротивление вдоль электрического поля исчезло бы, а
    2. Удельное сопротивление Холла осталось бы на уровне 2 ч / e 2

    Вот как трехмерные квантовые эффекты Холла будут отличаться от двумерных квантовых эффектов Холла.

    Несмотря на последующие исследования, предсказания Гальперина остаются непроверенными. Проблема связана с несовместимостью 2D и 3D. Простое наложение 2D-материалов не сработало.Система, кажется, поддерживает 2D-характеристики.

    Фангдун Тан из Южного университета науки и технологий и его коллеги в Китае успешно наблюдали трехмерный квантовый эффект Холла, используя магнитное поле 2 Тл в сочетании с охлаждением 0,6 К. Эксперименты показали подавленное продольное сопротивление наряду с плато Холла около 2,0 Тл. Поскольку длина волны Ферми была больше, чем постоянная решетки, исследователи смогли заявить, что трехмерный квантовый эффект Холла возникает из-за большой длины волны, а не из-за кристалла. потенциал.Механизм, лежащий в основе наблюдаемого трехмерного квантового эффекта Холла, и объяснение плато Холла при ограниченных уровнях магнитного поля остаются нерешенными. Одно из объяснений состоит в том, что электрон-фононные взаимодействия вызывают явления.

    После открытия квантового эффекта Холла продолжают появляться новые экспериментальные результаты. Исследователи надеются найти новые материалы, которые будут демонстрировать трехмерный квантовый эффект Холла. Две интригующие возможности заключаются в том, что трехмерный квантовый эффект Холла будет достигнут при комнатной температуре и без внешнего магнитного поля.

    Датчики Холла



    ГОАЛЫ :

    • Опишите эффект Холла.
    • Обсудите принцип работы генератора Холла.
    • Обсудите приложения, в которых можно использовать генераторы Холла.

    Принцип работы


    фгр. 1 Через кусок полупроводникового материала протекает постоянный ток.

    Эффект Холла — простой принцип, который широко используется в промышленности. сегодня.Эффект Холла был открыт Эдвином Х. Холлом в Университете Джона Хопкинса. Университет 1879 г.

    Мистер Холл изначально использовал кусок чистого золота для создания эффекта Холла, но сегодня используется кусок полупроводникового материала, потому что полупроводник материал работает лучше и дешевле в использовании. Устройство часто называется генератором Холла.

    Фгр. 1 показано, как возникает эффект Холла. постоянный ток источник питания подключен к противоположным сторонам куска полупроводника материал.К двум другим сторонам подключен чувствительный вольтметр.

    Если ток протекает прямо через полупроводниковый материал, напряжение отсутствует. производится через соединение вольтметра.

    Фгр. 2 показан эффект приближения магнитного поля к полупроводнику. материал. Магнитное поле вызывает обнаружение пути течения тока на одну сторону материала. Это приводит к возникновению потенциала или напряжения. на противоположных сторонах полупроводникового материала.

    Если полярность магнитного поля меняется на противоположную, путь тока обнаруживаются в противоположном направлении, как показано на Fgr. 3. Это вызывает полярность напряжения, вырабатываемого генератором Холла, изменить. Два фактора определить полярность напряжения, вырабатываемого генератором Холла:

    1. направление тока через полупроводниковый материал; и

    2. полярность магнитного поля, используемого для обнаружения тока.

    Величина напряжения, вырабатываемого генератором Холла, определяется:

    1. количество тока, протекающего через полупроводниковый материал; и

    2. Сила магнитного поля, используемого для обнаружения пути тока.

    Генератор Холла имеет много преимуществ перед датчиками других типов. С это твердотельное устройство, в нем нет движущихся частей или контактов, которые можно было бы изнашивать. вне. На него не влияют грязь, масло или вибрация. Генератор Холла представляет собой интегральную схему, которая монтируется во многих различных типах и стилях. дел.


    фгр. 2 Магнитное поле обнаруживает путь прохождения тока через полупроводник.


    фгр. 3 Текущий путь обнаружен в противоположном направлении.


    фгр. 4 Напряжение переменного тока создается вращающимся магнитным диском.

    Генераторы Холла

    Датчик скорости двигателя

    Генератор Холла можно использовать для измерения скорости вращающегося устройства.Если диск с магнитными полюсами по окружности прикрепить к вращающийся вал, а возле диска установлен датчик Холла, напряжение будет производиться при вращении вала. Так как диск имеет чередующиеся магнитные полярности по окружности, датчик будет вырабатывать переменное напряжение. фгр. 4 показан генератор Холла, используемый таким образом. фгр. 5 показывает переменный ток форма волны, создаваемая вращающимся диском. Частота переменного напряжения пропорциональна количеству магнитных полюсов на диске и скорости вращения.

    Еще один способ определения скорости — использование релюктора. Неохота диск из черного металла, используемый для отвода магнитного поля от какого-либо другого объект. В датчике этого типа используется металлический диск с насечками, прикрепленный к вращающемуся вал. Диск разделяет датчик Холла и постоянный магнит (рис. 6). Когда выемка находится между датчиком и магнитом, создается напряжение генератором Холла. Когда сплошная металлическая часть диска находится между датчик и магнит, магнитное поле отводится от датчика.Это вызывает значительное падение напряжения, вырабатываемого генератором Холла.

    Поскольку полярность магнитного поля не меняется, напряжение Генератор Холла представляет собой пульсирующий постоянный ток, а не переменный. ток.

    фгр. 7 показаны импульсы постоянного тока, создаваемые генератором. Количество импульсов произведенное в секунду, пропорционально количеству насечек на релюкторе и скорости вращающегося вала.


    фгр.5 Синусоида.


    фгр. 6 Reluctor отводит магнитное поле от датчика.


    фгр. 7 Импульсы прямоугольной формы, создаваемые генератором Холла.


    фгр. 8 Генератор Холла используется для определения положения движущегося устройства.

    Датчик положения

    Генератор Холла можно использовать аналогично концевому выключателю. Если датчик установлен рядом с движущимся оборудованием и постоянно магнит прикреплен к движущемуся оборудованию, будет производиться напряжение когда магнит приближается к датчику (Fgr.8). Преимущества зала датчик заключается в том, что он не имеет контактов рычажной брони для износа, как общий предел переключатель, так что он может работать через миллионы операций машины.

    Датчик положения на эффекте Холла показан на рис. 9. Обратите внимание, что этот тип датчиков различаются по размеру и стилю, чтобы соответствовать практически любому применению. Позиция датчики работают как цифровые устройства в том смысле, что они ощущают присутствие или отсутствие магнитного поля. У них нет способности ощущать интенсивность поля.

    Концевые выключатели на эффекте Холла


    фгр. 9 Датчик положения на эффекте Холла.


    фгр. 10 Концевой выключатель на эффекте Холла.


    фгр. 12 Датчик Холла.


    фгр. 11 Датчик Холла определяет, когда в цепи протекает постоянный ток.

    Другим устройством на эффекте Холла, используемым в очень похожем приложении, является датчик Холла. концевой выключатель эффекта (группа 10). В этом концевом выключателе используется генератор Холла. вместо набора контактов.Магнитный плунжер механически активируется по маленькой кнопке. К выключателю можно прикрепить различные типы рычагов, что позволяет использовать его для многих приложений.

    Эти переключатели обычно предназначены для работы от источника постоянного тока 5 В. для приложений TTL (транзисторно-транзисторная логика) или от 6 до 24 вольт Источник постоянного тока для интерфейса с другими типами электронного управления или для обеспечения вход для программируемых контроллеров.

    Датчик тока

    Поскольку источником тока для генератора Холла является отдельный источник питания, магнитное поле не должно двигаться или изменяться для получения выходного напряжения.Если датчик Холла установлен рядом с катушкой провода, напряжение будет вырабатываться генератором при протекании тока через провод. фгр. 11 показан датчик Холла, используемый для обнаружения, когда постоянный ток протекает по цепи. Датчик Холла показан на рис. 12.

    Генератор Холла все чаще используется в промышленности. Поскольку время нарастания и спада сигнала генератора Холла обычно менее 10 микросекунд, он может работать с частотой импульсов до 100 000 импульсов в секунду.Это делает его особенно полезным в промышленности.


    фгр. 13 Линейный преобразователь на эффекте Холла.

    Линейные преобразователи

    Преобразователи линейных перемещений

    предназначены для получения выходного напряжения, пропорционального к силе магнитного поля. Входное напряжение обычно составляет от 8 до 16 В. вольт, но величина выходного напряжения определяется типом преобразователя использовал. Линейные преобразователи на эффекте Холла могут быть получены двух типов. выходов.Один тип имеет регулируемый выход и выдает напряжение 1,5 до 4,5 вольт. Другой тип имеет пропорциональный выход и производит выходное напряжение составляет от 25% до 75% входного напряжения. Линейный эффект Холла преобразователь показан на рис. 13.

    ВИКТОРИНА :

    1. Из какого материала был изготовлен первый генератор Холла?

    2. Какие два фактора определяют полярность вырабатываемого выходного напряжения генератором Холла?

    3.Какие два фактора определяют величину напряжения, создаваемого Холлом? генератор?

    4. Что такое неохота?

    5. Почему магнитное поле не обязательно должно двигаться или изменяться, чтобы производить выходное напряжение в генераторе Холла?

    Сенсоры Холла на основе графена с регулируемым затвором на гибких подложках с повышенной чувствительностью

    Схема и оптическое микроскопическое изображение изготовленных сенсоров Холла на подложке PI показаны на рис.Передаточная характеристика одного репрезентативного устройства показана на рис. 1d для обоих направлений развертки от −4 В до 4 В и обратно. Эти измерения полевых транзисторов были проведены для проверки целостности и качества устройств. Передаточная характеристика имеет небольшой гистерезис, что свидетельствует об успешной пассивации Al 2 O 3 26 , а также низкий уровень остаточного легирования графена 3,5 · 10 11 см -2 .Двухзондовая полевая подвижность прибора составляет 2830 см 2 /Вс, включая сопротивление контакта и доступа. Подробная статистика устройств 51 из 54 устройств, изготовленных на одном и том же чипе, показана в дополнительной информации и демонстрирует хорошую воспроизводимость. Три устройства, которые не работали, исключаются из статистики.

    Сначала были выполнены обычные измерения эффекта Холла с постоянным напряжением затвора, чтобы определить основные параметры устройства.Конфигурация измерения показана на рис. 1b. Прикладывалось постоянное напряжение смещения ( В С ) и магнитное поле, перпендикулярное графеновому каналу, в диапазоне от 7,2 до 28,8 мТл, а также ток ( I С ) и Холла. напряжения ( В H ). Кроме того, концентрация носителей заряда в графене и, следовательно, чувствительность устройства контролировались путем подачи напряжения на затвор ( В G ).Смещение удаленного зала напряжение ΔV H H H H , который представляет измеренное напряжение зала минус смещение напряжения на нулевом магнитном поле ( ΔV H = V H V H , B=0 ) построена как функция напряжения затвора на рис. 2а с константой V C  = 300 мВ. Чувствительность, связанная с напряжением ( S v ) и током ( S i ), может быть получена из этого измерения с использованием уравнений.(1) и (2)  15 :

    $${S}_{v}=\frac{1}{{V}_{c}}|\frac{\partial {V}_{H} }{\partial B}|$$

    (1)

    и

    $${S}_{i}=\frac{1}{{I}_{c}}|\frac{\partial {V}_{H}}{\partial B}|$ $

    (2)

    Рисунок 2

    Измерения Холла датчика. ( a ) Величина ∆V H как функция напряжения затвора при В C  = 300 мВ.Вход показывает ΔV H как функция магнитного поля при V G = -1.2 V. ( B ) ΔV H 0 и чувствительность напряжения S В как функция напряжения канала В C . ( C, D ) Абсолютные значения чувствительности тока S I 9009 и S и S V на G AT V C = 300 мВ.

    Рисунки 2C, D Show S S S I I I 0 Как функция верхних ворот напряжения при смещении напряжения V C = 300 мВ. Чувствительность в решающей степени зависит от уровня легирования графена с небольшой асимметрией между режимами переноса дырок и электронов. Максимальные значения чувствительности S i и S v равны 800 В/АТ и 0.278 В/ТН соответственно для этого устройства. Далее мы наблюдаем линейную зависимость ∆V H относительно V C (рис. 2b), что указывает на то, что чувствительность не зависит от приложенного смещения и датчики могут работать с низким власть. Соответствующая подвижность носителей заряда ( µ ) может быть рассчитана по уравнению. (3)  9 :

    $$\mu ={S}_{v}\frac{L}{W}$$

    (3)

    , где L и W — длина и ширина графенового канала в изготовленном датчике Холла.Это приводит к подвижности носителей заряда 4400 см 2 /Вс в максимумах S v , что оказалось средним значением по чипу. Подробный анализ производительности всех устройств на чипе показан на рис. S1 и S2 в дополнительной информации. Устройство с самыми высокими значениями на этом чипе показало S v  = 0,35 В/Вт, что соответствует подвижности 5600 см²/Вс.

    Характеристики датчиков Холла при модуляции затвора переменного тока были измерены в другой установке, показанной на рис.3а. Здесь мы сообщаем данные, измеренные на том же устройстве, что и на рис. 2. В этой установке генератор сигналов используется для модуляции напряжения затвора, которое состоит из статического напряжения смещения плюс напряжения переменного тока. Синхронный усилитель SRS 380 используется для демодуляции считываемого сигнала ( V H ). Частота модуляции зафиксирована на уровне 2 кГц для всех измерений, что значительно ниже расчетной полосы пропускания RC датчика Холла, равной 1,7 МГц. На рисунке 3b показана зависимость ∆V H от размаха амплитуды модуляции затвора переменного тока.В этом измерении применялась постоянная В С 300 мВ. Как и ожидалось от чувствительности, зависящей от напряжения затвора, сигнал Холла сначала увеличивается с увеличением амплитуды переменного тока и снова уменьшается после достижения максимума при ~ 1,5   В. Чтобы напрямую сравнить напряжение Холла при работе постоянного и переменного тока, были выполнены измерения продолжительностью 45   с, в то время как магнитное поле чередовалось от нуля до значений до 28,8 мТл (рис. 3в). В обоих измерениях В С  = 300 мВ.Напряжения затвора были установлены для достижения максимальной чувствительности, т.е. Эффективный сигнал Холла и, следовательно, чувствительность примерно в 2 раза выше для случая переменного тока, что подтверждает преимущество модуляции затвора переменного тока. Извлеченная чувствительность S v составляет 0,55 В/ТН и 0,278 В/ТН для случая переменного и постоянного тока соответственно (дополнительная информация, рис.С3). Кроме того, шум при измерениях переменного тока значительно ниже по сравнению со случаем постоянного тока. Тем не менее, мы отмечаем, что это снижение шума в основном связано с считыванием показаний датчика с использованием синхронного усилителя для корпуса переменного тока, что невозможно при статической работе.

    Рисунок 3

    Измерения Холла датчика с модуляцией напряжения затвора. ( a ) Иллюстрация настройки модуляции вентиля переменного тока. Генератор сигналов используется для модуляции напряжения затвора, а синхронный усилитель SRS 380 используется для демодуляции считываемого сигнала ( V H ).( b ) Отклик устройства по напряжению Холла на переменное магнитное поле при амплитуде модуляции затвора от пика до пика при 28,8 мТл. ( c ) Смещение напряжения Холла удалено при работе на постоянном токе (черный) и переменном токе (красный) с течением времени, в то время как магнитное поле ступенчато изменялось от 7,2 мТл до 28,8 мТл. Для обоих измерений V C C составляли 300 мВ и напряжение затвора настроены на максимальную чувствительность, т.е. V G

    0 = -1,2 V для измерения постоянного тока и V г г г г  = 1.5 В для случая переменного тока.

    Магнитное разрешение B мин представляет собой еще один ключевой параметр для датчиков Холла в дополнение к чувствительности, связанной с током и напряжением. Его можно рассчитать, используя спектральную плотность шума и чувствительность датчика по уравнению. (4)  15 :

    $${B}_{min}=\frac{\sqrt{{P}_{v}}}{({S}_{v}\cdot {V}_{ в})}$$

    (4)

    Спектральная плотность мощности шума ( P В ) напряжения Холла измеряется в окружающей среде с помощью анализатора спектра SR770 FFT, непосредственно подключенного к контактам V1 и V2 на рис.1c, при этом приложено постоянное напряжение смещения В C между контактами S и D и нулевое магнитное поле B 9 . Ноль V G применяется во время измерения шума, поскольку гармонические вклады вентиля, модулированного переменным током, ограничивают определение минимального уровня шума. Тем не менее, вклад напряжения затвора в шум изучен и проанализирован ранее Мавредакисом и др. . 27 и влияние шума от смещения затвора на B мин датчика Холла не будет значительным.Результаты показаны на рис. 4а, подтверждая, что основной источник шума имеет зависимость 1/f для измеренного диапазона частот до 12 кГц. Следовательно, более высокие частоты считывания приводят к более низким уровням шума. Магнитное разрешение получено из P V (рис. 4b). На частоте 2 кГц B мин оказывается равным 500 \({\rm{nT}}/\sqrt{{\rm{Hz}}}\). Наименьшее значение, измеренное на чипе, составило 290 \({\rm{nT}}/\sqrt{{\rm{Hz}}}\). Сравнение наших результатов с литературными значениями для современных сенсорных элементов Холла, изготовленных из кремния, графена и других полупроводников на основе III/V на жестких и гибких подложках, показано в таблице 1.Из таблицы ясно видно, что наши датчики Холла на основе CVD-графена на гибких подложках значительно превосходят все другие датчики Холла на гибких подложках и являются весьма конкурентоспособными по сравнению со всеми существующими технологиями на жестких подложках. Измеренное минимальное магнитное разрешение наших датчиков Холла также превосходит современные элементы Холла на основе Si и близко к самым лучшим значениям, достигнутым датчиками Холла на основе AlInSb 4,6 и эксфолиированного графена 9 .Следует отметить, что самые высокие значения 9,22 , показанные в Таблице 1, были достигнуты с помощью немасштабируемого микромеханического эксфолиированного графена и hBN и/или в условиях вакуума.

    Рисунок 4

    Шум и B мин измерений. ( a ) Спектральная плотность мощности шума ( P V ) как функция частоты. Пунктирная линия показывает поведение шума 1/f. ( b ) Полученное магнитное разрешение B мин датчика Холла как функция частоты.

    Таблица 1. Сравнение показателей различных высокопроизводительных элементов Холла, работающих при комнатной температуре. («Гр» означает графен).

    Наконец, была исследована стабильность устройств для гибких приложений. Были проведены испытания на изгиб, когда устройство подвергалось различным деформациям. На рисунке 5а показана фотография гибкого чипа после того, как он был механически отделен от кремниевой несущей подложки. Для электрических измерений подложка из PI была изогнута с различными радиусами изгиба 25.4 мм, 12,7 мм и 6,4 мм соответственно (вставка на рис. 5b). Изгиб был выполнен один раз для каждого радиуса с датчиком на внешней стороне кривизны изгиба (деформация растяжения). После этого были проведены измерения Холла в плоском состоянии в режиме постоянного напряжения. Помимо измерений с разными радиусами изгиба датчики подвергались до 1000 циклов изгиба с радиусом изгиба 6,4 мм (рис. 5б). До 1000 циклов изгиба существенного ухудшения характеристик устройства не наблюдается.Эти результаты расширяют область применения датчиков Холла до гибкой электроники, например, ., носимых датчиков для персональных систем фитнеса или здравоохранения.

    Рисунок 5

    Испытания на изгиб гибкого датчика Холла. ( a ) Оптическая фотография гибкого чипа после его отделения от кремниевой подложки. ( b ) Измерение чувствительности датчика Холла в зависимости от цикла изгиба. Подложка из ПИ изгибалась под радиусом изгиба 6,4 мм до 1000 раз.На вставке показаны измеренные S v до и после испытаний на изгиб с различными радиусами изгиба 25,4 мм, 12,7 мм и 6,4 мм. Измерения проводились в плоском состоянии до и после изгиба при постоянном напряжении В C при 300 мВ и В G при −1,2 В. Application Circuit

    Линейные ИС на эффекте Холла представляют собой магнитные сенсорные устройства, предназначенные для реагирования на магнитные поля для получения пропорционального количества электроэнергии на выходе.

    Таким образом, он становится полезным для измерения напряженности магнитных полей и в приложениях, требующих переключения выхода через магнитные триггеры.

    Современные ИС на эффекте Холла разработаны с учетом устойчивости к большинству механических воздействий, таких как вибрации, рывки, удары, а также к влаге и другим атмосферным загрязнениям.

    Эти устройства также невосприимчивы к колебаниям температуры окружающей среды, которые в противном случае могли бы сделать эти компоненты уязвимыми для нагревания и привести к неверным результатам вывода.

    Как правило, современные ИС с линейным эффектом Холла могут оптимально работать в диапазоне температур от -40 до +150 градусов Цельсия.

    Базовая схема расположения выводов

    Ратиометрический режим работы

    Многие стандартные линейные ИС на эффекте Холла, такие как серия A3515/16 от Allegro или DRV5055 от ti.com, являются «ратиометрическими» по своей природе, при этом устройства имеют фиксированное выходное напряжение и чувствительность меняются в зависимости от напряжения питания и температуры окружающей среды.

    Напряжение покоя обычно может составлять половину напряжения питания.В качестве примера, если мы считаем, что напряжение питания устройства составляет 5 В, в отсутствие магнитного поля его выходное напряжение в состоянии покоя обычно составляет 2,5 В и будет изменяться со скоростью 5 мВ на гаусс.

    В случае увеличения напряжения питания до 5,5В, напряжению покоя также будет соответствовать 2,75В, а чувствительность достигнет 5,5мВ/Гс.

    Что такое динамическое смещение

    ИС с линейным эффектом Холла, такие как BiCMOS A3515/16, включают запатентованную систему динамического подавления смещения с помощью встроенного высокочастотного импульса, что позволяет контролировать остаточное напряжение смещения материала Холла. соответственно.

    Остаточное смещение обычно может возникать из-за переформовки устройства, несоответствия температуры или из-за других соответствующих стрессовых ситуаций.

    Вышеупомянутая особенность делает эти линейные устройства значительно стабильным выходным напряжением покоя, хорошо устойчивыми ко всем типам внешних негативных воздействий на устройство.

    Использование линейной ИС на эффекте Холла

    ИС на эффекте Холла можно подключить с помощью данных соединений, где выводы питания должны подходить к соответствующим клеммам постоянного напряжения (регулируемым).Выходные клеммы могут быть подключены к соответствующим образом откалиброванному вольтметру, имеющему чувствительность, соответствующую выходному диапазону Холла.

    Рекомендуется подключение шунтирующего конденсатора 0,1 мкФ непосредственно к контактам питания ИС, чтобы защитить устройство от внешних электрических помех или паразитных частот.

    После включения устройства может потребоваться несколько минут периода стабилизации, в течение которого его нельзя эксплуатировать с магнитным полем.

    После внутренней термостабилизации устройства его можно подвергать воздействию внешнего магнитного поля.

    Вольтметр должен немедленно зарегистрировать отклонение, соответствующее силе магнитного поля.

    Определение плотности потока

    Для определения плотности потока магнитного поля выходное напряжение устройства может быть нанесено на график и расположено по оси Y калибровочной кривой, пересечение выходного уровня с калибровочной кривой подтверждает соответствующее плотность потока на кривой по оси X.

    Области применения линейных датчиков Холла
    1. Линейные датчики Холла могут иметь различные области применения, некоторые из них представлены ниже:
    2. Бесконтактные измерители тока для измерения тока, проходящего снаружи через проводник.
    3. Измеритель мощности, аналогичный приведенному выше (счетчик ватт-часов) Обнаружение точки срабатывания по току, когда внешняя схема интегрирована со ступенью измерения тока для контроля и отключения заданного предела превышения тока.
    4. Тензометрические датчики, в которых коэффициент деформации магнитно связан с датчиком Холла для обеспечения требуемых выходных сигналов.
    5. Применения со смещенным (магнитным) зондированием Детекторы черных металлов, в которых устройство на эффекте Холла сконфигурировано для обнаружения черного материала посредством определения относительной силы магнитной индукции Датчик приближения, как и в приведенном выше приложении, приближение определяется путем аппроксимации относительной магнитной силы в течение устройство Холла.
    6. Джойстик с датчиком промежуточного положения Датчик уровня жидкости — еще одно релевантное применение датчика Холла. Другими подобными приложениями, которые используют напряженность магнитного поля в качестве основной среды наряду с устройством на эффекте Холла, являются: Датчики температуры/давления/вакуума (с сильфонным узлом) Датчики положения дроссельной заслонки или воздушного клапана Бесконтактные потенциометры.

    Принципиальная схема с использованием датчика Холла

    Описанный выше датчик Холла можно быстро настроить с помощью нескольких внешних частей для преобразования магнитного поля в электрические импульсы переключения для управления нагрузкой.Простую принципиальную схему можно увидеть ниже:

    В этой конфигурации датчик Холла будет преобразовывать магнитное поле в пределах заданной близости и преобразовывать его в линейный аналоговый сигнал через свой «выходной» контакт.

    Этот аналоговый сигнал можно легко использовать для управления нагрузкой или для питания любой желаемой схемы переключения.

    Как повысить чувствительность

    Чувствительность приведенной выше базовой схемы на эффекте Холла можно увеличить, добавив дополнительный PNP-транзистор к существующему NPN, как показано ниже:

    Использование операционного усилителя интегрирован с операционным усилителем для включения результатов включения в ответ на магнитную близость с устройством на эффекте холла.

    Здесь инвертирующий вход операционного усилителя настроен на фиксированное опорное напряжение 1,2 В с использованием двух диодов серии 1N4148, а неинвертирующий вход операционного усилителя настроен на выход эффекта Холла для предполагаемого обнаружения.

    Пресет 1k используется для установки порога переключения, при котором ОУ должен переключаться, в зависимости от силы и уровня близости магнитного поля вокруг эффекта холла.

    В отсутствие магнитного поля выходной сигнал датчика Холла остается ниже установленного порога входных сигналов операционного усилителя.

    Как только выходной сигнал эффекта Холла превышает неинвертирующий порог операционного усилителя, установленный предустановкой и опорным уровнем инвертирующего входа, выходной сигнал операционного усилителя становится высоким, в результате чего светодиод загорается.

  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.