Che cos’è l’effetto Hall?

Il principio dell’effetto Hall prende il nome dal fisico Edwin Hall. Nel 1879 scoprì che quando un conduttore o un semiconduttore con corrente che scorre in una direzione viene introdotto perpendicolarmente ad un campo magnetico, una tensione potrebbe essere misurata ad angolo retto rispetto al percorso della corrente. L’analogia comune popolare al tempo della scoperta di Hall era di corrente elettrica in un filo a un liquido che scorre in un tubo. La teoria di Hall equiparato la forza magnetica sulla corrente con conseguente affollamento a un lato del “tubo” o filo. La teoria dei campi elettromagnetici ha permesso un’interpretazione più raffinata della fisica responsabile dell’effetto Hall.
È ben stabilito che l’effetto Hall risulta dall’interazione di particelle cariche, come gli elettroni, in risposta a campi elettrici e magnetici. Una spiegazione eccellente, dettagliata ma molto leggibile può essere trovata in “The Hall Effect Sensors; Theory and Applications” di Ed Ramsden. E anche su Wikipedia.

L’uso iniziale di questa scoperta fu per la classificazione di campioni chimici. Lo sviluppo dei composti semiconduttori di arseniuro di indio negli anni ’50 ha portato ai primi strumenti magnetici ad effetto Hall utili. I sensori a effetto Hall permettevano la misurazione di campi magnetici DC o statici senza richiedere il movimento del sensore. Negli anni ’60 la diffusione dei semiconduttori al silicio portò alle prime combinazioni di elementi Hall e amplificatori integrati. L’evoluzione continua della tecnologia dei trasduttori di Hall ha visto una progressione da dispositivi a elemento singolo a elementi doppi disposti ortogonalmente. Questo è stato fatto per minimizzare gli offset ai terminali della tensione di Hall.

La progressione successiva ha portato ai trasduttori quadratici o a quattro elementi. Questi utilizzavano quattro elementi disposti ortogonalmente in una configurazione a ponte. Tutti i sensori al silicio di quest’epoca erano costruiti con processi di semiconduttori a giunzione bipolare.

Un passaggio ai processi CMOS ha permesso l’implementazione della stabilizzazione del chopper nella parte dell’amplificatore del circuito. Questo ha contribuito a ridurre gli errori riducendo gli errori di offset in ingresso all’amplificatore operazionale. Tutti gli errori nel circuito non stabilizzato a chopper si traducono in errori di soglia del punto di commutazione per i sensori di tipo digitale o errori di offset e di guadagno nei sensori a uscita lineare.

L’attuale generazione di sensori Hall CMOS include anche uno schema che commuta attivamente la direzione della corrente attraverso gli elementi Hall. Questo schema elimina gli errori di offset tipici degli elementi Hall a semiconduttore. Compensa anche attivamente gli errori di offset indotti dalla temperatura e dalla deformazione. L’effetto complessivo della commutazione attiva della piastra e della stabilizzazione del chopper produce sensori a effetto Hall con un miglioramento di un ordine di grandezza nella deriva dei punti di commutazione o negli errori di guadagno e di offset.

Melexis utilizza esclusivamente il processo CMOS, per le migliori prestazioni e le dimensioni più piccole del chip. Gli attuali sviluppi nella tecnologia dei sensori a effetto Hall possono essere accreditati principalmente all’integrazione di sofisticati circuiti di condizionamento del segnale nell’IC Hall.

Melexis ha introdotto il primo IC Hall lineare programmabile al mondo. Permette caratteristiche funzionali programmabili sul campo come il guadagno, l’offset, il coefficiente di temperatura del guadagno (per compensare le diverse dipendenze termiche dei materiali magnetici). I più recenti circuiti integrati Hall hanno nuclei di microcontroller integrati per rendere un sensore ancora più “intelligente” con algoritmi programmabili ROM per l’elaborazione di segnali complessi in tempo reale.