Szanowna Młodzieży
Temat: Czujnik Halla
Na podsumowanie materiału chciałbym Wam przekazać trochę informacji o elementach, które odgrywają ważną rolę w mechatronice, czyli dziedzinie nauki którą będziecie zgłębiać w kolejnych latach nauki. Mówiliśmy o silnikach, przekaźnikach, dzisiaj słów kilka o czujnikach
Dowiecie się dzisiaj: co to jest czujnik Halla i jak działa.
Pod względem liczby zastosowań z czujnikami Halla wygrywają chyba jedynie czujniki temperatury. W wielu aplikacjach komercyjnych i domowych czujniki Halla są niezastąpione. Znajdujemy je w czytnikach DVD, CD, w zautomatyzowanych zabawkach, telefonach komórkowych, elektronicznych kompasach, układach zapłonowych, przetwornikach obrotowych, pozycjonujących itp. Są w urządzeniach cywilnych, wojskowych, kosmicznych.
Trudno wyobrazić sobie układy sterowania procesami produkcyjnymi bez czujników Halla. Niektóre pomiary mogą być prowadzone także w oparciu o zupełnie inne podzespoły, ale w pewnej grupie zastosowań czujniki Halla okazują się najlepsze. Są też pomiary, których nie można wykonać innymi czujnikami. Wszechstronność tego elementu potwierdzają przykładowe zastosowania: pomiar natężenia prądu stałego, wyznaczanie położenia elementu, pomiar pola magnetycznego i wiele innych.
Zasada działania czujnika Halla
Rys. 1. Generowanie i pomiar napięcia Halla w stałym polu magnetycznym
Zjawisko Halla (efekt Halla) polega na powstawaniu napięcia w umieszczonym w polu magnetycznym materiale przewodzącym prąd elektryczny. Czujnik jest najczęściej wykonywany jako prostokątna płytka półprzewodnikowa stanowiąca „obszar aktywny”, w którym generowane jest napięcie (rys. 1). Płytka ma wymiary l (długość), w (szerokość) i t (głębokość).
Jeżeli wektor strumienia pola magnetycznego jest prostopadły do powierzchni Halla, maksymalne napięcie Halla VH jest równe iloczynowi czułości magnetycznej materiału, z którego jest wykonany czujnik γB i indukcji magnetycznej (gęstości strumienia pola magnetycznego) B:
VH=γB·B
Jest to maksymalne napięcie mierzone na pytce Halla. Jeżeli powierzchnia płytki nie jest prostopadła do wektora strumienia pola magnetycznego, tworząc z nim kąt θ, wytwarzane napięcie Halla jest równe:
VH=γBB×sinθ
Prąd o natężeniu I przepływa w kierunku długości płytki l od styku IC(+) do IC(-). Pole magnetyczne jest skierowane w osi z, czyli prostopadle do płaszczyzny płytki. Pole to oddziałuje na nośniki prądu (elektrony lub dziury) siłą Lorentza odpychającą je w kierunku krawędzi płytki. Na skutek tego, na krawędziach płytki gromadzi się pewien nadmiar ładunków, po jednej stronie dodatnich, po drugiej ujemnych, a w konsekwencji na stykach VH(+) i VH(-) powstaje napięcie Halla proporcjonalne do gęstości strumienia pola magnetycznego.
Konfiguracja urządzenia
Rys. 2. Typowa konfiguracja wewnętrzna generatora Halla
Na podstawie opisu zjawiska Halla można wnioskować, że kompletny element musi być wyposażony w dodatkowy osprzęt umożliwiający użytkowanie czujnika. Jest to źródło prądowe zapewniające przepływ prądu przez płytkę czujnika oraz woltomierz mierzący napięcie Halla pomiędzy stykami VH(+) i VH(-). W niektórych aplikacjach stosowany jest rezystor obciążający włączany na wyjściu czujnika zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 2.
W wielu przyrządach opartych na efekcie Halla konfiguracja taka stanowi integralną część systemu pomiarowego. Wyprowadzenia napięciowe VH(+) i VH(-) mogą być dołączane bezpośrednio do wysokoimpedancyjnego woltomierza w celu bezpośredniego odczytu napięcia, mogą też być łączone z innymi obwodami, takimi jak: wzmacniacze, układy kondycjonujące sygnał w celu dalszego przetwarzania. Można też stosować bardziej wyszukane systemy zawierające przetworniki analogowo-cyfrowe, wzmacniacze lock-in itp.
Czujniki do pomiaru pola magnetycznego
Rys. 3. Przykłady geometrii czujników Halla – poprzeczne i osiowe
Największym odbiorcą czujników Halla jest przemysł. Czujniki mierzą tu m.in. pole magnetyczne, położenie obiektów poruszających się ruchem posuwistym lub obrotowym.
W przemyśle często zachodzi potrzeba precyzyjnego, certyfikowanego pomiaru pola magnetycznego. Jest to problem, do rozwiązania którego idealnie nadają się czujniki oparte na efekcie Halla. Przykłady zastosowań to: sterowanie polem magnetycznym w procesach przemysłowych, sterowanie wiązką w procesach implantacji jonów, kontrola magnesów i materiałów magnetycznych, sporządzanie map pola magnetycznego, pomiary i detekcja prądu, monitorowanie pola magnetycznego itp. W zastosowaniach takich alternatywnym urządzeniem pomiarowym mógłby być gausometr, w praktyce jednak przyrząd ten przegrywa z czujnikami Halla z powodu ograniczeń technicznych, kosztów itp.
Użytkownik często chciałby mieć dokładną informację na temat pola magnetycznego w określonym miejscu, czy to w zadanej objętości, powierzchni czy szczelinie. W zależności od charakterystyki przestrzennej dobierane jest optymalne umieszczenie i orientacja czujnika, w czym pomagają spotykane konfiguracje: poprzeczna lub osiowa (rys. 3).
Czujniki poprzeczne mają kształt prostokątny, są cienkie, świetnie nadają się do pomiarów w szczelinach, na powierzchniach i w otwartej przestrzeni. Czujniki osiowe mają budowę cylindryczną i zasadniczo są przeznaczone do pomiarów średnic otworów, pola wewnątrz cewek, detekcji pola na powierzchni i ogólnych pomiarów pola magnetycznego.
Historia czujników HallaHistoria czujników Halla sięga roku 1879, kiedy to dr Edwin Herbert Hall badał zachowanie złotej folii w polu magnetycznym. Jego eksperymenty zapoczątkowały rozwój bardzo przydatnych dziś elementów elektronicznych, które dzięki dalszym badaniom wielu naukowców i inżynierów z całego świata przeszły szereg gruntownych modyfikacji. Głównym problemem, z jakim nie można było się uporać przez lata, był dobór odpowiednich materiałów do produkcji czujników. Do połowy lat 50. XX w. opierano się głównie na bizmucie, który był wówczas najbardziej dostępny. Bizmut nie był materiałem najlepszym, ale zapewniał wystarczającą wartość i stabilność napięcia Halla, nadawał się do realizacji czujników pola magnetycznego. Przełomowy moment nastąpił w latach 40., gdy naukowcy z ZSRR rozpoczęli badania półprzewodników III-V grupy. Autorami kolejnego ważnego spostrzeżenia byli specjaliści z zakładów Siemensa w Niemczech, którzy jako pierwsi uznali, że nowo poznane cechy tych związków doskonale nadają się do zastosowania w elementach opartych na efekcie Halla (generatorach Halla). Półprzewodniki zapewniały wymaganą ruchliwość nośników prądu przy jednoczesnym zachowaniu dużej oporności struktury, a więc cech potrzebnych do uzyskania efektu Halla. Zachowywały się też stabilnie w różnych warunkach temperaturowych. Kolejny punkt zwrotny nastąpił w latach 50. Tym razem naukowcy z Ohio w Stanach Zjednoczonych odkryli unikatowe cechy arsenku indu i antymonku indu. Badania doprowadziły do powstania kilku firm zajmujących się produkcją wyrobów opartych na efekcie Halla. Elementy wykonane z arsenku indu okazały się niezastąpione jako czujniki, zapewniając wysoką stabilność, małe szumy i bardzo mały współczynnik temperaturowy. Przez lata producenci elementów półprzewodnikowych pracowali nad możliwością oferowania czujników Halla jako wyrobów powszechnie dostępnych. Warunkiem było opracowanie wysoko wydajnych maszyn produkcyjnych, a także możliwość integrowania czujników z innymi układami elektronicznymi. Masowa produkcja oznaczała zejście z cenami, które byłyby akceptowalne przez nabywców. W latach 70. półprzewodnikowe przełączniki z efektem Halla były już elementami o bardzo dobrze dopracowanej konstrukcji, czego skutkiem był znaczny wzrost popytu na te podzespoły. O popularności czujników Halla zaważyło również zintegrowanie w jednym elemencie przerzutnika Schmitta i tranzystorów wyjściowych, co pozwoliło stosować te elementy w przemyśle jako czułe detektory pola magnetycznego. Problemem było uzyskiwanie dokładnych i powtarzalnych wyników. Pomiary były wrażliwe na temperaturę i zależały od kalibracji. Dopiero w latach 80. opracowano nowoczesne układy kompensacji i kalibracji umożliwiające osiąganie parametrów spotykanych w dzisiejszych czujnikach. |
Pozdrawiam
Tomasz Wiśniewski