Sistem za merjenje Hallovega učinka

Hallov učinek je leta 1879 odkril Edwin Hall, vendar je minilo mnogo let, preden je tehnološki razvoj omogočil, da so integrirana vezja v celoti izkoristila ta pojav. Danes IC senzorji Hallovega učinka ponujajo priročen način za doseganje natančnih meritev toka, ki ohranjajo električno izolacijo med izmerjeno tokovno potjo in merilnim vezjem.

Od Lorentza do Halla
Hallov učinek je razširitev Lorentzove sile, ki opisuje silo, ki deluje na nabit delec, kot je elektron, ki se premika skozi magnetno polje. Če je magnetno polje usmerjeno pravokotno na smer gibanja elektrona, na elektron deluje sila, ki je pravokotna tako na smer gibanja kot na orientacijo magnetnega polja.

Izkoriščanje Hallovega učinka
Napetosti, ustvarjene s Hallovim učinkom, so majhne glede na hrup, odmike in temperaturne učinke, ki običajno vplivajo na vezje, zato praktični senzorji, ki temeljijo na Hallovem učinku, niso bili razširjeni, dokler napredek v polprevodniški tehnologiji ni omogočil visoko integriranih komponent, ki vključujejo Hallov element in dodatno vezje, potrebno za ojačanje in kondicioniranje Hallove napetosti. Kljub temu imajo senzorji Hallovega učinka omejeno sposobnost merjenja majhnih tokov. Na primer, ACS712 podjetja Allegro MicroSystems ima občutljivost 185 mV/A. To pomeni, da bi tok 10 mA proizvedel izhodno napetost samo 1,85 mV. Ta napetost je morda sprejemljiva, če ima tokokrog nizko raven hrupa, toda če bi lahko v tokovno pot vključili upor 2 Ω, bi bila posledična izhodna napetost 20 mV velika izboljšava.

Hallov učinek je pomemben za različne aplikacije senzorjev; Naprave, ki temeljijo na tem relativno preprostem razmerju med tokom, magnetnim poljem in napetostjo, se lahko uporabljajo za merjenje položaja, hitrosti in jakosti magnetnega polja. V tem članku pa se bomo osredotočili na naprave, ki merijo tok prek Hallove napetosti, ki nastane, ko se magnetno polje, ki ga inducira izmerjeni tok, koncentrira proti integriranemu Hallovemu elementu.

Prednosti in slabosti
Značilnosti delovanja se razlikujejo od enega tokovnega senzorja s Hallovim učinkom do drugega, zato je težko natančno povzeti prednosti in slabosti zaznavanja Hallovega učinka v primerjavi z drugo običajno tehniko zaznavanja toka; in sicer vstavljanje natančnega upora v tokovno pot in merjenje nastalega padca napetosti z diferenčnim ojačevalnikom. Na splošno pa so senzorji Hallovega učinka cenjeni, ker so "nevsiljivi" in ker zagotavljajo električno izolacijo med tokovno potjo in merilnim vezjem. Te naprave veljajo za nevsiljive, ker v tokovno pot ni vstavljena nobena znatna količina upora, zato se merjeno vezje obnaša skoraj tako, kot da senzor ni prisoten. Dodatna prednost je, da senzor razprši minimalno moč; to je še posebej pomembno pri merjenju velikih tokov.

Kar zadeva natančnost, lahko trenutno razpoložljivi senzorji Hallovega učinka dosežejo izhodno napako le do 1 %. Dobro zasnovano uporovno tokovno zaznavno vezje bi to lahko preseglo, vendar bi bil 1 % na splošno primeren v visokotokovnih/visokonapetostnih aplikacijah, za katere so posebej primerne naprave s Hallovim učinkom.

Izolacija
Ena od prevladujočih prednosti senzorjev Hallovega učinka je električna izolacija, ki se v kontekstu načrtovanja vezja ali sistema pogosto imenuje galvanska izolacija. Načelo galvanske izolacije je vključeno, kadar zasnova zahteva, da dva tokokroga komunicirata na način, ki preprečuje neposreden tok električnega toka. Preprost primer je, ko digitalni signal prehaja skozi opto-izolator, ki pretvarja napetostne impulze v svetlobne impulze in tako prenaša podatke optično in ne električno. Eden glavnih razlogov za uvedbo galvanske izolacije je preprečevanje težav, povezanih z ozemljitvenimi zankami:

Osnovna načela zasnove vezja predpostavljajo, da imajo medsebojno povezane komponente skupno ozemljitveno vozlišče, za katerega se domneva, da je na 0 V. Vendar pa je v resničnem življenju "ozemljitveno vozlišče" sestavljeno iz vodnikov z uporom, ki ni nič, in ti vodniki služijo kot povratna pot za tok, ki teče iz vezja nazaj v napajalnik. Ohmov zakon nas opominja, da tok in upor tvorita napetost, ti padci napetosti v povratni poti pa pomenijo, da "ozemljitev" v enem delu vezja ali sistema nima enakega potenciala kot "ozemljitev" v drugem delu. Te razlike v zemeljskem potencialu lahko povzročijo težave, ki segajo od zanemarljivih do katastrofalnih.

S preprečevanjem enosmernega toka med dvema vezjema galvanska izolacija omogoča uspešno komunikacijo tokokrogov z različnimi ozemljitvenimi potenciali. To je še posebej pomembno za aplikacije za zaznavanje toka: nizkonapetostni senzor in procesno vezje bosta morda morala spremljati velike, zelo spremenljive tokove, na primer v vezju motornega pogona. Ti veliki, hitro spreminjajoči se tokovi bodo povzročili znatna nihanja napetosti v povratni poti. Senzor Hallovega učinka omogoča sistemu, da nadzira pogonski tok in zaščiti vezje visoko natančnega senzorja pred temi škodljivimi nihanji tal.

Napetost skupnega načina
Druga pomembna uporaba senzorjev Hallovega učinka so meritve toka, ki vključujejo visoke napetosti. V uporovnem vezju za zaznavanje toka diferencialni ojačevalnik meri razliko v napetosti med eno in drugo stranjo upora. Težava pa nastane, ko so te napetosti velike glede na talni potencial:

Ojačevalniki v resničnem življenju imajo omejeno "splošno območje", kar pomeni, da naprava ne bo delovala pravilno, če so vhodne napetosti, čeprav majhne glede na drugo, prevelike glede na maso. Običajni razponi ojačevalnikov s tokovnim zaznavanjem običajno ne presegajo 80 ali 100 V. Po drugi strani pa lahko senzorji Hallovega učinka pretvorijo tok v napetost brez sklicevanja na izmerjeni ozemljitveni potencial vezja. Dokler napetosti niso dovolj visoke, da bi povzročile fizične poškodbe, skupna napetost ne vpliva na delovanje naprave s Hallovim učinkom.

Hallov učinek lahko opazimo, ko kombinacija magnetnega polja skozi vzorec in toka vzdolž dolžine vzorca ustvari električni tok, pravokoten tako na magnetno polje kot na tok, kar posledično ustvari prečno napetost, pravokotno na oba. Temeljno načelo je Lorentzova sila: sila na točkasti naboj zaradi elektromagnetnih polj

Meritve Hallovega učinka so neprecenljive za karakterizacijo polprevodniških materialov, ne glede na to, ali so na osnovi silicija, sestavljeni polprevodniki, tankoslojni materiali za sončne celice ali nanometrski materiali, kot je grafen. Meritve obsegajo polprevodniške materiale z nizko odpornostjo (visoko dopirani polprevodniški materiali, visokotemperaturni superprevodniki, razredčeni magnetni polprevodniki in materiali GMR/TMR) in polprevodniške materiale z visoko odpornostjo, vključno s polizolacijskim GaAs, galijevim nitridom in kadmijevim teluridom.

Sistem merjenja Hallovega učinka je uporaben za določanje različnih materialnih parametrov, vendar je primarna Hallova napetost (VH). Mobilnost nosilca, koncentracija nosilca (n), Hallov koeficient (RH), upornost, magnetna upornost (RB) in vrsta prevodnosti nosilca (N ali P) so vsi izpeljani iz Hallove napetosti.

Ko raziskovalci razvijajo IC naslednje generacije in učinkovitejše polprevodniške materiale, jih še posebej zanimajo materiali z visoko mobilnostjo nosilcev, kar je sprožilo veliko zanimanja za grafen. Ta oblika ogljika z debelino enega atoma kaže kvantni Hallov učinek in posledično relativistični tok elektronov. Raziskovalci menijo, da so meritve Hallovega učinka ključne za prihodnost elektronske industrije

Materiali z visoko mobilnostjo nosilcev omogočajo ustvarjanje naprav, ki dosežejo največji tokovni tok pri nižjih ravneh moči s hitrejšimi preklopnimi časi in večjo pasovno širino. Manipulacija Ohmovega zakona kaže pomen mobilnosti nosilcev pri maksimiranju toka. Tok je neposredno sorazmeren z mobilnostjo nosilca

Možnosti za maksimiranje pretoka toka skozi napravo vključujejo povečanje napetosti, koncentracije nosilcev naboja, površino prečnega prereza vzorca ali mobilnost nosilcev naboja. Vsi razen zadnjega imajo resne slabosti.

Merjenje mobilnosti
Prvi korak pri določanju mobilnosti nosilca je merjenje Hallove napetosti (VH) s prisiljevanjem magnetnega polja pravokotno na vzorec (B) in toka skozi vzorec (I). Ta kombinacija ustvarja prečni tok. Nastali potencial (VH) se meri na vsej napravi. Potrebne so tudi natančne meritve tako debeline vzorca (t) kot njegove upornosti (r). Upornost je mogoče določiti s štiritočkovno sondo ali van der Pauwovo merilno tehniko. Samo s temi petimi parametri (B, I, VH, t in upornost) je mogoče izračunati Hallovo mobilnost:
Hallove napetosti in izmerjena van der Pauwova upornost sta običajno precej majhni, zato so pravilne tehnike merjenja in povprečenja kritične za točne rezultate mobilnosti.