Wat is het Hall-effect?

Het Hall-effect principe is genoemd naar de natuurkundige Edwin Hall. In 1879 ontdekte hij dat wanneer een geleider of halfgeleider met een in één richting lopende stroom loodrecht op een magnetisch veld werd ingevoerd, een spanning kon worden gemeten die loodrecht op het stroompad stond. De gangbare analogie in de tijd van Halls ontdekking was die tussen elektrische stroom in een draad en een stromende vloeistof in een pijp. De theorie van Hall stelde de magnetische kracht op de stroom gelijk met een verdringing naar één kant van de “pijp” of draad. De elektromagnetische veldentheorie heeft een meer verfijnde interpretatie mogelijk gemaakt van de fysica die verantwoordelijk is voor het Hall-effect.
Het staat vast dat het Hall-effect het gevolg is van de interactie van geladen deeltjes, zoals elektronen, in reactie op elektrische en magnetische velden. Een uitstekende, gedetailleerde maar zeer leesbare uitleg is te vinden in “The Hall Effect Sensors; Theory and Applications” door Ed Ramsden. En ook op Wikipedia.

De eerste toepassing van deze ontdekking was voor de classificatie van chemische monsters. De ontwikkeling van indiumarsenide halfgeleiderverbindingen in de jaren 1950 leidde tot de eerste bruikbare magnetische instrumenten met Hall-effect. Met Hall-effectsensoren konden gelijkstroom of statische magnetische velden worden gemeten zonder dat beweging van de sensor nodig was. In de jaren 1960 leidde de popularisering van siliciumhalfgeleiders tot de eerste combinaties van Hall-elementen en geïntegreerde versterkers. Dit resulteerde in de nu klassieke digitale Hall-uitgangsschakelaar.
De voortgaande evolutie van de Hall-omvormertechnologie zag een progressie van apparaten met één element naar dubbele orthogonaal geplaatste elementen. Dit werd gedaan om offsets bij de Hall spanningsklemmen te minimaliseren.

De volgende vooruitgang bracht de kwadratische of vier element omvormers. Deze gebruikten vier elementen orthogonaal gerangschikt in een brugconfiguratie. Alle silicium sensoren van dit tijdperk werden gebouwd op basis van bipolaire junctie halfgeleider processen.

Een omschakeling naar CMOS processen maakte het mogelijk chopper stabilisatie toe te passen op het versterker gedeelte van het circuit. Dit hielp de fouten te verminderen door de ingangs-offset fouten bij de op versterker te verminderen. Alle fouten in de niet chopper gestabiliseerde schakeling resulteren in fouten van de schakelpuntdrempel voor de digitale type sensoren of offset en versterkingsfouten in de lineaire uitgangssensoren.

De huidige generatie CMOS Hall sensoren bevatten ook een schema dat actief de richting van de stroom door de Hall elementen schakelt. Dit schema elimineert de offsetfouten die typisch zijn voor halfgeleider-Hall-elementen. Het compenseert ook actief voor temperatuur- en rekgeïnduceerde offsetfouten. Het totale effect van actieve plaatschakeling en chopperstabilisatie levert Hall-effectsensoren op met een orde van grootte verbetering in de drift van schakelpunten of versterkings- en offsetfouten.

Melexis gebruikt uitsluitend het CMOS-proces, voor de beste prestaties en de kleinste chipgrootte. De huidige ontwikkelingen in de Hall-effect sensortechnologie kunnen vooral toegeschreven worden aan de integratie van gesofisticeerde signaalconditioneringscircuits in het Hall IC.

Melexis introduceerde het eerste programmeerbare lineaire Hall IC ter wereld. Deze maakt veldprogrammeerbare functionele karakteristieken mogelijk zoals versterking, offset, temperatuurscoëfficiënt van de versterking (om de thermische afhankelijkheid van verschillende magnetische materialen te compenseren). De nieuwste Hall ICs hebben geïntegreerde microcontroller kernen om een nog “slimmere” sensor te maken met ROM programmeerbare algoritmes voor complexe signaalverwerking in real time.