Co to jest efekt Halla?

Zasada Efektu Halla została nazwana na cześć fizyka Edwina Halla. W 1879 roku odkrył on, że gdy przewodnik lub półprzewodnik z prądem płynącym w jednym kierunku zostanie wprowadzony prostopadle do pola magnetycznego, można zmierzyć napięcie pod kątem prostym do toru prądu. Popularną w czasach odkrycia Halla analogią było porównanie prądu elektrycznego w przewodniku do płynącej w rurze cieczy. Teoria Halla utożsamiała siłę magnetyczną działającą na prąd z wypychaniem go na jedną stronę „rury” lub przewodu. Teoria pola elektromagnetycznego pozwoliła na bardziej wyrafinowaną interpretację fizyki odpowiedzialnej za efekt Halla.
Ustalono, że efekt Halla wynika z interakcji naładowanych cząstek, takich jak elektrony, w odpowiedzi na pola elektryczne i magnetyczne. Doskonałe, szczegółowe, ale bardzo czytelne wyjaśnienie można znaleźć w książce „The Hall Effect Sensors; Theory and Applications” autorstwa Eda Ramsdena. A także na Wikipedii.

Początkowe zastosowanie tego odkrycia miało na celu klasyfikację próbek chemicznych. Rozwój związków półprzewodnikowych arsenku indu w latach 50-tych doprowadził do powstania pierwszych użytecznych przyrządów magnetycznych z efektem Halla. Czujniki z efektem Halla pozwalały na pomiar stałego lub statycznego pola magnetycznego bez konieczności poruszania czujnikiem. W latach 60-tych popularyzacja półprzewodników krzemowych doprowadziła do powstania pierwszych kombinacji elementów Halla i wzmacniaczy scalonych. W ten sposób powstał klasyczny cyfrowy wyjściowy przełącznik Halla.
Ciągła ewolucja technologii przetworników Halla spowodowała przejście od urządzeń jednoelementowych do podwójnych elementów ułożonych ortogonalnie. Miało to na celu zminimalizowanie przesunięć na zaciskach napięcia Halla.

Kolejna ewolucja przyniosła przetworniki kwadratowe lub czteroelementowe. Wykorzystywały one cztery elementy ułożone ortogonalnie w konfiguracji mostkowej. Wszystkie czujniki krzemowe tej ery były budowane w oparciu o bipolarne procesy półprzewodnikowe.

Przejście na procesy CMOS pozwoliło na wprowadzenie stabilizacji choppera do części wzmacniacza układu. Pomogło to zredukować błędy poprzez zmniejszenie błędów offsetu wejściowego we wzmacniaczu operacyjnym. Wszystkie błędy w układzie bez stabilizacji chopperowej skutkują błędami progu punktu przełączania w przypadku czujników typu cyfrowego lub błędami offsetu i wzmocnienia w przypadku czujników z wyjściem liniowym.

Obecna generacja czujników Halla CMOS zawiera również schemat, który aktywnie przełącza kierunek prądu przez elementy Halla. Schemat ten eliminuje błędy offsetu typowe dla półprzewodnikowych elementów Halla. Aktywnie kompensuje on również błędy przesunięcia wywołane temperaturą i odkształceniem. Ogólny efekt aktywnego przełączania płyt i stabilizacji choppera daje czujniki efektu Halla z poprawą o rząd wielkości w zakresie dryftu punktów przełączania lub wzmocnienia i błędów offsetu.

Melexis wykorzystuje wyłącznie proces CMOS, aby uzyskać najlepszą wydajność i najmniejszy rozmiar chipa. Obecny rozwój technologii czujników z efektem Halla można przypisać głównie integracji wyrafinowanych obwodów kondycjonowania sygnału z układem scalonym Halla.

Melexis wprowadził pierwszy na świecie programowalny liniowy układ scalony Halla. Umożliwia on programowalne w terenie charakterystyki funkcjonalne, takie jak wzmocnienie, offset, temperaturowy współczynnik wzmocnienia (do kompensacji zależności termicznych różnych materiałów magnetycznych). Najnowsze układy scalone Halla mają zintegrowane rdzenie mikrokontrolerów, co pozwala na stworzenie jeszcze „inteligentniejszego” czujnika z programowalnymi algorytmami ROM do kompleksowego przetwarzania sygnałów w czasie rzeczywistym.

.