Qu’est-ce que l’effet Hall ?

Le principe de l’effet Hall doit son nom au physicien Edwin Hall. En 1879, il a découvert que lorsqu’un conducteur ou un semi-conducteur dont le courant circule dans un sens est introduit perpendiculairement à un champ magnétique, une tension peut être mesurée à angle droit par rapport au trajet du courant. L’analogie courante, populaire à l’époque de la découverte de Hall, était de comparer le courant électrique dans un fil à un liquide qui s’écoule dans un tuyau. La théorie de Hall assimilait la force magnétique sur le courant à une accumulation sur un côté du « tuyau » ou du fil. La théorie des champs électromagnétiques a permis une interprétation plus fine de la physique responsable de l’effet Hall.
Il est bien établi que l’effet Hall résulte de l’interaction de particules chargées, comme les électrons, en réponse à des champs électriques et magnétiques. Une excellente explication, détaillée mais très lisible, peut être trouvée dans « The Hall Effect Sensors ; Theory and Applications » par Ed Ramsden. Et aussi sur Wikipedia.

L’utilisation initiale de cette découverte était destinée à la classification d’échantillons chimiques. Le développement des composés semi-conducteurs d’arséniure d’indium dans les années 1950 a conduit aux premiers instruments magnétiques à effet Hall utiles. Les capteurs à effet Hall permettaient de mesurer des champs magnétiques continus ou statiques sans nécessiter de mouvement du capteur. Dans les années 1960, la popularisation des semi-conducteurs en silicium a conduit aux premières combinaisons d’éléments à effet Hall et d’amplificateurs intégrés. Cela a donné naissance au désormais classique commutateur de Hall à sortie numérique.
L’évolution continue de la technologie des transducteurs de Hall a vu une progression des dispositifs à un seul élément vers des éléments doubles disposés orthogonalement. Cela a été fait pour minimiser les décalages aux bornes de la tension de Hall.

La progression suivante a amené les transducteurs quadratiques ou à quatre éléments. Ceux-ci utilisaient quatre éléments disposés orthogonalement dans une configuration en pont. Tous les capteurs en silicium de cette époque étaient construits à partir de processus semi-conducteurs à jonction bipolaire.

Un passage aux processus CMOS a permis la mise en œuvre d’une stabilisation par hacheur à la partie amplificateur du circuit. Cela a permis de réduire les erreurs en réduisant les erreurs de décalage d’entrée au niveau de l’amplificateur opérationnel. Toutes les erreurs dans le circuit non stabilisé par hacheur se traduisent par des erreurs de seuil de point de commutation pour les capteurs de type numérique ou des erreurs de décalage et de gain dans les capteurs à sortie linéaire.

La génération actuelle de capteurs à effet Hall CMOS comprend également un schéma qui commute activement le sens du courant à travers les éléments Hall. Ce schéma élimine les erreurs de décalage typiques des éléments Hall à semi-conducteurs. Il compense aussi activement les erreurs de décalage induites par la température et la déformation. L’effet global de la commutation active des plaques et de la stabilisation du hacheur donne des capteurs à effet Hall avec une amélioration d’un ordre de grandeur de la dérive des points de commutation ou des erreurs de gain et de décalage.

Melexis utilise exclusivement le processus CMOS, pour les meilleures performances et la plus petite taille de puce. Les développements actuels de la technologie des capteurs à effet Hall sont principalement à mettre au crédit de l’intégration de circuits de conditionnement de signaux sophistiqués au CI Hall.

Melexis a présenté le premier CI Hall linéaire programmable au monde. Il permet de programmer sur le terrain des caractéristiques fonctionnelles comme le gain, le décalage, le coefficient de température du gain (pour compenser les différentes dépendances thermiques des matériaux magnétiques). Les tout derniers circuits intégrés de Hall ont des cœurs de microcontrôleurs intégrés pour en faire un capteur encore plus « intelligent » avec des algorithmes programmables en ROM pour le traitement complexe des signaux en temps réel.

.