Hall-Sensor

Der Hall-Effekt-Sensor

ist ein kleines empfindliches Element, mit dem Sie Änderungen im Magnetfeld verfolgen können. Die Entdeckung ist bereits 100 Jahre alt, das Phänomen, das dem Wirkprinzip zugrunde liegt, ist seit 1879 bekannt, aber erst in den letzten Jahrzehnten sind Produkte zu einem festen Bestandteil der Beispiele für technologischen Fortschritt geworden.

Hall Effect

Edwin Hall zeigte, dass in Querrichtung zum Magnetfeld eine EMK im Leiter erzeugt wird, wenn Gleichstrom durchfließt. In der Praxis sieht es aus wie das Auftreten von Potentialen an den Kanten eines Metallstreifens, wenn ein Magnet an den Streifen gebracht wird. Dadurch wird es möglich, die Annäherung an den Sensor aufzuzeichnen. Die Potenzialdifferenz hängt hauptsächlich von folgenden Faktoren ab:

1. Die Größe des fließenden Gleichstroms.
2. Magnetfeldstärke.
3. Mobilität und Konzentration von Ladungsträgern im Material.

Bis zu den 1950er Jahren, als das Mikrowellenstrahlungsaufzeichnungsgerät zum ersten Mal erstellt wurde, wurde der Hall-Effekt nicht außerhalb der Laboratorien angewendet. Beim Massenschwimmen, das von Herstellern von Computertastaturen ins Leben gerufen wurde, stellte sich das Interesse an einer berührungslosen Erfassung der Position der Tasten heraus und wurde 1968 gefunden. Der 1965 von Joe Mopin und Everett Wortman erfundene Halbleitersensor verbesserte die Eigenschaften der Ausrüstung erheblich. Jetzt erlebt die Branche einen steigenden Bedarf an Hall-Sensoren, und die geschätzten fünf der produzierenden Unternehmen erzielen einen Umsatz von zwei Milliarden US-Dollar.

Heutzutage werden Hall-Sensoren aufgrund dieser Funktion verwendet - sie sind fast ewig und enthalten keine beweglichen und reibenden Teile. Bei der Tastatur bricht nicht das empfindliche Element, sondern der Controller. Es gibt Viren, die einen Chip umprogrammieren und einen Computer infizieren können. .. über USB-Tastaturen.Übrigens haben die Geheimdienste seit langem eine Methode zum Spionieren übernommen, aber es gibt einfach keinen wirksamen Schutz gegen Anfälligkeit.

Der Hall-Effekt manifestiert sich im Leiter, je stärker, desto niedriger die Ladungsträgerkonzentration und desto größer die Beweglichkeit. Metalle( auf deren Grundlage das Phänomen erstmals demonstriert wurde) gelten nicht als ideales Material für die Herstellung von Sensoren. In weitaus größerem Maße eignen sich Halbleiter für diesen Zweck. Gleichzeitig werden dadurch die Kosten stark reduziert und die Vereinheitlichung der Massenproduktion erhöht.

Mal sehen, wie der Hall-Sensor funktioniert. Stellen Sie sich einen Halbleiterstreifen vor, entlang dem Gleichstrom fließt. Ohne äußere Störungen wird im Inneren ein elektrisches Feld erzeugt, das die Ladungsträger in Bewegung setzt. Nehmen wir nun an, dass Linien eines konstanten Magnetfelds senkrecht zur Oberfläche des Streifens entstehen. Die aufkommende Kraft von Lorentz wird die Regel der linken Hand sein, um auf den Prozess einzuwirken. Denken Sie daran, dass die Richtung wie folgt festgelegt ist: „Wenn Sie Ihre linke Hand so positionieren, dass die Magnetfeldlinien senkrecht zu Ihrer Handfläche sind und Ihre ausgestreckten Finger in Richtung der Ladungsbewegung blicken( in der Physik - positiv geladene Teilchen, keine negativen Elektronen), ist der Daumen um 90 Grad gebogenwird in die Richtung der Wirkung der Lorentz-Kraft zeigen. "

Im Hall-Effekt gibt es keine Rätsel. Die Lorentz-Formel wurde ein gutes Dutzend Jahre später - 1892 - vorgeschlagen, bevor die Leute herausfanden, dass eine Goldplatte an den Enden eine potentielle Differenz bildet, wenn Gleichstrom fließt. Der Einfluss des Magnetfelds auf die Leiter im Jahr 1831 wurde von Michael Faraday klar ausgedrückt, dank eines geheimen Bewunderers, von dem die Welt über Generatoren und Motoren erfuhr. Es ist immer noch unbekannt, wer den ersten Gleichstrommotor geprägt hat. Bei umgekehrt laufendem Generator.

Hall Effect wurde 1879 am Fuß der Johns Hopkins University in Baltimore eröffnet. Edwin versuchte, die Kelvin-Theorie zu testen, die dreißig Jahre zuvor geäußert wurde, und arbeitete aktiv an der Untersuchung der Wirkung eines Magnetfelds auf einer Goldplatte. Der Wissenschaftler führte einen Koeffizienten ein, der die erzeugte Wirkung in Abhängigkeit vom Produkt des angelegten Magnetfelds und des fließenden Stroms zeigt. Natürlich hängt der Wert von den Materialeigenschaften ab. Der Moment wurde bereits diskutiert.

Hall-Sensor-Effekte

1. Lange Lebensdauer( für die Tastatur - 30 Milliarden Klicks).
2. Mangel an beweglichen Teilen( Festkörperelektronik), was die Konstruktion mit hohen Anforderungen an Vibrationen und Stöße deutlich vereinfacht.
3. Fähigkeit, bei Frequenzen der Änderung des Magnetfelds bis zu 100 kHz zu arbeiten.
4. Einfache Kombination mit den logischen Pegeln digitaler Technologiesignale.
5. Breiter Betriebstemperaturbereich( von minus 40 bis plus 150 Grad Celsius).
6. Hohe Wiederholgenauigkeit der Messungen, wodurch Instrumente mit Hall-Sensoren leicht tariert werden können.

-Hall-Sensoren

-Design Während des Betriebs haben sich traditionelle Halbleitermaterialien - Gallium und Indium-Arsenide - perfekt manifestiert. Typischerweise ist der Hall-Sensor eine kleine Platte, an deren gegenüberliegenden Seiten sich gepaarte Elektroden befinden. Das Futter ist breit und befindet sich an der Seite des Rechtecks. Wo das Signal genommen wird - der einfachste Punkt. In jedem Schema ist ein gemeinsamer Punkt markiert( Neutralleiter, Neutralleiter), die Summe der Kontakte ist drei. Negative Linien werden kombiniert.

-Experten weisen darauf hin, dass selbst wenn kein Magnetfeld an den Elektroden vorhanden ist, normalerweise ein kleines Signal vorliegt. Dies ist nicht auf den Einfluss unseres Planeten zurückzuführen, wie die Leser denken werden. Das Potential entlang der Seitenkante der Platte ist ungleichmäßig verteilt. Es ist nicht immer ratsam, gleichwertige Punkte zu identifizieren. Es ist einfacher, eine mit dem Sensor gepaarte Elektronik zu tarieren oder durch Punktimpulse geführt zu werden, was in der Praxis häufig geschieht. Differenzverstärker werden häufig zur Korrektur verwendet( es wird nur eine Signaländerung ausgegeben).

Merkmale des

-Sensordesigns Die Dicke der Leiterfolie ist normalerweise gering und erreicht kaum 10 Mikrometer. Zur Abscheidung auf einem Substrat unter Verwendung des Lithographieverfahrens. Dadurch können Sie Hall-Sensoren mit einem kleinen empfindlichen Bereich erstellen, was die Messgenauigkeit erheblich verbessert, da die Oberfläche klein ist. In Instrumenten wird dies verwendet, um die Positionen von Teilen von Mechanismen zu bewerten. Sensoren kleiner Größe erfassen jedoch eine relativ geringe Antwort, gemessen in W / T( die Ausgangsleistung des Nutzsignals hängt von der Spannung des Magnetfelds ab).Für serielle Hall-Sensoren reicht der Parameter normalerweise von 0,03 bis 1.

In der Praxis sieht dies aus wie ein Impulsgenerator. Angenommen, es gibt eine Anzahl von Magneten auf der Motorwelle einer Waschmaschine, mit der wiederum eine bestimmte Anzahl von Spitzen erzeugt wird. Infolgedessen wertet die elektronische Befüllung die Drehzahl, die Winkelstellung des Rotors, die beispielsweise in Ventilmotoren( mit elektronischem Schalten der Wicklungen) verwendet wird, aus.

Wir diskutieren und erklären, warum der kleine Hall-Sensor eine schwache Reaktion hat. Die Amplitude der erzeugten Impulse hängt von dem fließenden Gleichstrom ab, kann jedoch nicht groß sein, da sonst der Leiterfilm( der einen ausreichend großen Widerstand hat) überhitzt und brennt. Gültige Werte( in Ampere) liegen daher zwischen 5 und 50 mA.

Anwendung von Hall-Sensoren

1. Hall-Sensoren werden in Haushaltsgeräten häufig eingesetzt. Ein beredtes Beispiel sind Waschmaschinen. Benutzer brechen sich den Verstand ab, da bei fortgeschrittenen Modellen die Wäsche gewogen wird. Das Netzwerk enthält Patente, bei denen vorgeschlagen wird, das Problem mit Hilfe von Federn oder Dehnungsmessstreifen direkt zu lösen. Derartige Geräte sind nicht besonders zuverlässig, da sie ständig Verformungen ausgesetzt sind. Zusätzlich werden ein paar Steine ​​an den Tank gehängt, was bedeutet, dass das Gesamtgewicht der Struktur groß ist, was Beschränkungen auferlegt. In der Praxis wird in Waschmaschinen die Wäsche zuerst reichlich befeuchtet, dann wird die Gesamtmasse aus der Geschwindigkeit der Trommelbeschleunigung geschätzt. Dies ist das Wiegen der Wäsche, das das Arbeitsprogramm der Ausrüstung, den Verbrauch von Pulver, Wasser und Spülmittel bestimmt.
2. In Computer-Tastaturen gingen zunächst Hall-Sensoren in die Massenproduktion. Normalerweise befindet sich auf dem Substrat ein empfindliches Element, auf dem Schlüssel ist ein Magnet angebracht. Es ist klar, dass sich in der modernen Tastatur keine Federn mehr befinden, und die elastische Kraft wird von Polymeren mit hoher Lebensdauer erzeugt. Die Lösung ist äußerst erfolgreich: Nicht der Sensor bricht zusammen und der mechanische Teil ist nicht elastisch, der Controller fällt aus.
3. Mit dem Hall-Sensor kann Strom gemessen werden( wie bei Stromzangen).Das Gerät kann auf Änderungen des elektromagnetischen Feldes reagieren, das den Draht umgibt. Es entsteht eine sogenannte Erregerwicklung( Induktivität aus Kupferdraht).Der gemessene Strom wird den Abgriffen zugeführt, wodurch eine elektromagnetische Welle entsteht und ein Teil durch den Hall-Sensor geschätzt wird. Die Antwort hängt direkt vom Messwert ab. Die Berechnung erfolgt nach den zum Beispiel in der Steuerung festgelegten Formeln. Für die Genauigkeit wird das Gerät vom Hersteller kalibriert. Und die oben genannten Vorteile bleiben vor allem das Fehlen beweglicher Teile. Ebenso ist es mit Hilfe von Hall-Sensoren möglich, die Leistung zu messen.
   

   Die Anwendung des Sensors

4. Die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselspannung wird als Beispiel für die Erzeugung eines Generators betrachtet. Wenn sich der Hall-Sensor in einem magnetischen Wechselfeld befindet, wiederholt die Spannung am Ausgang die Form. Die Effizienz des Geräts hat keinen hohen Wert. Die Konstruktion ist jedoch maximal vereinfacht, und es wird möglich, die Form des Magnetfelds direkt auf den elektrischen Strom zu übertragen.
5. In Verbindung mit den oben beschriebenen Fakten beachten Sie, dass Sie mit Hilfe von Hallsensoren den Durchfluss und die volle Ladung der Batterien steuern können( indem Sie den fließenden Strom messen und über die Zeit integrieren).Dies ergibt die Möglichkeit ihrer breiten Anwendung. Zum Beispiel bei Mobiltelefonen( bis zu 37% des Marktes).Nach Ansicht von Experten ist die aussichtsreichste Richtung das Segment der Elektrofahrzeuge, in dem das Thema Energieverfügbarkeit von entscheidender Bedeutung sein wird.
6. Durch das Vorhandensein des Magnetfelds der Erde ist es möglich, Kompasse auf der Grundlage von Hall-Sensoren zu erstellen. Das einzige Problem besteht darin, dass der Wert in Tl über die Oberfläche von Kontinenten und Kontinenten ungleichmäßig ist und die Eingabe von Korrekturmethoden erforderlich ist. Aufgrund dieses Effekts funktionieren manchmal automatische Bildstabilisierungssysteme für Videokameras mobiler Geräte.
7. Es ist wenig bekannt, aber die Automobilindustrie trägt mit der Freigabe von Hall-Sensoren 52% zum Ertrag bei. In dieser Branche ist es erforderlich, die Drehzahl der Räder, der Kurbelwelle und der Nockenwelle zu messen. Leser haben bereits vermutet, dass der Hall-Sensor bei der Bestimmung der Position der Drosselklappe und beim Lenken hilft. Der Automobilmarkt ist zur Hauptantriebskraft für die weitere Verbesserung der Geräte geworden. Einige Systeme werden als De-facto-Standard( ASIC, ASSP, ESC / ESP usw.) beim Brüllen betrachtet, und Hall-Sensoren beteiligen sich aktiv an ihnen.