Sistem de măsurare cu efect Hall

Efectul Hall a fost descoperit de Edwin Hall în 1879, dar au trecut mulți ani până când evoluțiile tehnologice au făcut posibil ca circuitele integrate să profite din plin de acest fenomen. Astăzi, circuitele integrate cu senzori cu efect Hall oferă o modalitate convenabilă de a realiza măsurători precise ale curentului care mențin izolarea electrică între calea curentului măsurat și circuitul de măsurare.

De la Lorentz la Hall
Efectul Hall este o extensie a forței Lorentz, care descrie forța exercitată asupra unei particule încărcate, cum ar fi un electron, care se deplasează printr-un câmp magnetic. Dacă câmpul magnetic este orientat perpendicular pe direcția mișcării electronului, electronul experimentează o forță care este perpendiculară atât pe direcția mișcării, cât și pe orientarea câmpului magnetic.

Valorificarea efectului Hall
Tensiunile generate prin efectul Hall sunt mici în raport cu zgomotul, offset-urile și efectele de temperatură care influențează în mod obișnuit un circuit și, prin urmare, senzorii practici bazați pe efectul Hall nu au fost răspândiți până când progresele în tehnologia semiconductoarelor au permis componentele foarte integrate care încorporează un Element Hall și circuite suplimentare necesare pentru amplificarea și condiționarea tensiunii Hall. Cu toate acestea, senzorii cu efect Hall sunt limitati în capacitatea lor de a măsura curenți mici. De exemplu, ACS712 de la Allegro MicroSystems are o sensibilitate de 185 mV/A. Aceasta înseamnă că un curent de 10 mA ar produce o tensiune de ieșire de numai 1,85 mV. Această tensiune poate fi acceptabilă dacă circuitul are un nivel scăzut de zgomot, dar dacă un rezistor de 2 Ω ar putea fi inclus în calea curentului, tensiunea de ieșire de 20 mV rezultată ar fi o îmbunătățire majoră.

Efectul Hall este relevant pentru o varietate de aplicații ale senzorilor; dispozitivele bazate pe această relație relativ simplă între curent, câmp magnetic și tensiune pot fi utilizate pentru a măsura poziția, viteza și puterea câmpului magnetic. În acest articol, totuși, ne vom concentra asupra dispozitivelor care măsoară curentul prin tensiunea Hall generată atunci când un câmp magnetic indus de curentul măsurat este concentrat către un element integrat cu efect Hall.

Argumente pro şi contra
Caracteristicile de performanță variază de la un senzor de curent cu efect Hall la altul, așa că este dificil de rezumat cu precizie avantajele și dezavantajele senzorului cu efect Hall în raport cu cealaltă tehnică comună de detectare a curentului; și anume, introducerea unui rezistor de precizie în calea curentului și măsurarea căderii de tensiune rezultată cu un amplificator diferenţial. În general, totuși, senzorii cu efect Hall sunt apreciați pentru a fi „neintruzivi” și pentru a asigura izolarea electrică între calea curentului și circuitul de măsurare. Aceste dispozitive sunt considerate neintruzive deoarece nu este introdusă o cantitate semnificativă de rezistență în calea curentului și, astfel, circuitul măsurat se comportă aproape ca și cum senzorul nu ar fi prezent. Un avantaj suplimentar este că senzorul disipă puterea minimă; acest lucru este deosebit de important atunci când se măsoară curenți mari.

În ceea ce privește acuratețea, senzorii cu efect Hall disponibili în prezent pot obține o eroare de ieșire de până la 1%. Un circuit rezistiv de detectare a curentului bine proiectat ar putea depăși acest lucru, dar 1% ar fi, în general, adecvat în aplicațiile de înaltă tensiune/înaltă tensiune pentru care dispozitivele cu efect Hall sunt deosebit de potrivite.

Izolare
Unul dintre beneficiile dominante ale senzorilor cu efect Hall este izolarea electrică, care într-un context de proiectare a circuitelor sau a sistemului este adesea denumită izolație galvanică. Principiul izolației galvanice este implicat ori de câte ori un proiect necesită ca două circuite să comunice într-un mod care împiedică orice flux direct de curent electric. Un exemplu simplu este atunci când un semnal digital este trecut printr-un optoizolator, care convertește impulsurile de tensiune în impulsuri de lumină și astfel transmite date mai degrabă optic decât electric. Unul dintre motivele principale pentru implementarea izolației galvanice este prevenirea problemelor legate de buclele de masă:

Principiile de bază ale proiectării circuitelor presupun că componentele interconectate au un nod de masă comun, care se presupune că este la 0 V. În viața reală, totuși, „nodul de masă” este compus din conductori cu rezistență diferită de zero, iar acești conductori servesc ca cale de întoarcere pentru curentul care curge din circuit înapoi la sursa de alimentare. Legea lui Ohm ne amintește că curentul și rezistența produc tensiune, iar aceste căderi de tensiune pe calea de întoarcere înseamnă că „împământarea” într-o parte a circuitului sau a sistemului nu este la același potențial cu „masa” în altă parte. Aceste diferențe de potențial la sol pot duce la probleme de la neglijabile la catastrofale.

Prin prevenirea fluxului de curent continuu între două circuite, izolarea galvanică permite circuitelor cu potențial diferit de masă să comunice cu succes. Acest lucru este deosebit de relevant pentru aplicațiile de detectare a curentului: un senzor de joasă tensiune și un circuit de procesare pot avea nevoie să monitorizeze curenți mari, foarte variabili, de exemplu, într-un circuit de acționare a motorului. Acești curenți mari, care se schimbă rapid, vor duce la fluctuații considerabile de tensiune în calea de întoarcere. Un senzor cu efect Hall permite sistemului atât să monitorizeze curentul de antrenare, cât și să protejeze circuitul senzorului de înaltă precizie de aceste fluctuații dăunătoare ale pământului.

Tensiune în mod comun
O altă aplicație importantă pentru senzorii cu efect Hall sunt măsurătorile de curent care implică tensiuni înalte. Într-un circuit rezistiv de detectare a curentului, un amplificator diferenţial măsoară diferenţa de tensiune dintre o parte a unui rezistor şi cealaltă. Totuși, apare o problemă atunci când aceste tensiuni sunt mari în raport cu potențialul de masă:

Amplificatoarele din viața reală au o „gamă de mod comun” limitată, ceea ce înseamnă că dispozitivul nu va funcționa corect atunci când tensiunile de intrare, deși mici unele față de altele, sunt prea mari în raport cu masă. Gamele de mod comun ale amplificatoarelor cu senzor de curent nu se extind de obicei dincolo de 80 sau 100 V. Senzorii cu efect Hall, pe de altă parte, pot converti curentul în tensiune fără referire la potențialul de masă al circuitului măsurat. În consecință, atâta timp cât tensiunile nu sunt suficient de mari pentru a provoca daune fizice, tensiunea de mod comun nu afectează funcționarea unui dispozitiv cu efect Hall.

Efectul Hall poate fi observat atunci când combinația unui câmp magnetic printr-o probă și a unui curent de-a lungul lungimii probei creează un curent electric perpendicular atât pe câmpul magnetic, cât și pe curent, care la rândul său creează o tensiune transversală perpendiculară pe ambele. Principiul de bază este forța Lorentz: forța asupra unei sarcini punctuale datorată câmpurilor electromagnetice

Măsurătorile efectului Hall sunt de neprețuit pentru caracterizarea materialelor semiconductoare, indiferent dacă sunt pe bază de siliciu, semiconductori compuși, materiale cu peliculă subțire pentru celule solare sau materiale la scară nanometrică precum grafenul. Măsurătorile acoperă rezistență scăzută (materiale semiconductoare puternic dopate, supraconductori la temperatură înaltă, semiconductori magnetici diluați și materiale GMR/TMR) și materiale semiconductoare de înaltă rezistență, inclusiv GaAs semi-izolant, nitrură de galiu și telurura de cadmiu.

Un sistem de măsurare cu efect Hall este util pentru determinarea diferiților parametri ai materialelor, dar cel primar este tensiunea Hall (VH). Mobilitatea purtătorului, concentrația purtătorului (n), coeficientul Hall (RH), rezistivitatea, magnetoresistența (RB) și tipul de conductivitate purtător (N sau P) sunt toate derivate din tensiunea Hall.

Pe măsură ce cercetătorii dezvoltă circuite integrate de ultimă generație și materiale semiconductoare mai eficiente, ei sunt interesați în special de materialele cu mobilitate ridicată a purtătorului, ceea ce a stârnit o mare parte a interesului pentru grafen. Această formă de carbon cu grosimea unui atom prezintă efectul Hall cuantic și, ca urmare, fluxul relativist al curentului de electroni. Cercetătorii consideră că măsurătorile efectului Hall sunt cruciale pentru viitorul industriei electronice

Materialele cu mobilitate ridicată a purtătorului permit crearea de dispozitive care obțin un flux de curent maximizat la niveluri de putere mai mici, cu timpi de comutare mai rapizi și lățime de bandă mai mare. O manipulare a Legii lui Ohm arată importanța mobilității purtătorului în maximizarea curentului. Curentul este direct proporțional cu mobilitatea transportatorului

Opțiunile pentru maximizarea fluxului de curent printr-un dispozitiv includ creșterea tensiunii, concentrația purtătorului de sarcină, aria secțiunii transversale a probei sau mobilitatea purtătorilor de încărcare. Toate, cu excepția ultimei, au dezavantaje serioase.

Măsurarea mobilității
Primul pas în determinarea mobilității purtătorului este măsurarea tensiunii Hall (VH) forțând atât un câmp magnetic perpendicular pe eșantion (B), cât și un curent prin eșantion (I). Această combinație creează un curent transversal. Potențialul rezultat (VH) este măsurat de-a lungul dispozitivului. De asemenea, sunt necesare măsurători precise atât ale grosimii probei (t), cât și ale rezistivității acesteia (r). Rezistivitatea poate fi determinată fie folosind o sondă în patru puncte, fie tehnica de măsurare van der Pauw. Cu doar acești cinci parametri (B, I, VH, t și rezistivitate), mobilitatea Hall poate fi calculată:
Atât tensiunile Hall, cât și rezistivitatea măsurată van der Pauw sunt de obicei destul de mici, astfel încât tehnicile corecte de măsurare și mediere sunt esențiale pentru rezultate precise de mobilitate.