Was ist der Hall-Effekt?
Das Hall-Effekt-Prinzip ist nach dem Physiker Edwin Hall benannt. Er entdeckte 1879, dass, wenn ein Leiter oder Halbleiter mit in eine Richtung fließendem Strom senkrecht zu einem Magnetfeld eingeführt wird, eine Spannung im rechten Winkel zum Strompfad gemessen werden kann. Die übliche Analogie, die zur Zeit von Halls Entdeckung populär war, war der elektrische Strom in einem Draht mit einer fließenden Flüssigkeit in einem Rohr. Halls Theorie setzte die magnetische Kraft auf den Strom gleich, was zu einer Verdrängung zu einer Seite des „Rohres“ oder Drahtes führte. Die Theorie der elektromagnetischen Felder hat eine verfeinerte Interpretation der Physik ermöglicht, die für den Hall-Effekt verantwortlich ist.
Es ist gut etabliert, dass der Hall-Effekt aus der Wechselwirkung von geladenen Teilchen, wie Elektronen, als Reaktion auf elektrische und magnetische Felder resultiert. Eine exzellente, detaillierte, aber sehr lesenswerte Erklärung findet sich in „The Hall Effect Sensors; Theory and Applications“ von Ed Ramsden. Und auch auf Wikipedia.
Die erste Anwendung dieser Entdeckung war die Klassifizierung von chemischen Proben. Die Entwicklung von Indium-Arsenid-Halbleiterverbindungen in den 1950er Jahren führte zu den ersten brauchbaren magnetischen Hall-Effekt-Instrumenten. Hall-Effekt-Sensoren erlaubten die Messung von Gleichstrom- oder statischen Magnetfeldern, ohne dass der Sensor bewegt werden musste. In den 1960er Jahren führte die Popularisierung von Silizium-Halbleitern zu den ersten Kombinationen von Hall-Elementen und integrierten Verstärkern. Dies resultierte in den heute klassischen Hall-Schaltern mit digitalem Ausgang.
Die weitere Entwicklung der Hall-Wandlertechnologie sah eine Entwicklung von Einzelelementgeräten zu zwei orthogonal angeordneten Elementen. Dies geschah, um Offsets an den Hall-Spannungsanschlüssen zu minimieren.
Die nächste Entwicklung brachte die quadratischen oder Vier-Elemente-Wandler. Diese verwendeten vier orthogonal angeordnete Elemente in einer Brückenkonfiguration. Alle Silizium-Sensoren dieser Ära wurden in bipolaren Halbleiterprozessen hergestellt.
Der Wechsel zu CMOS-Prozessen ermöglichte die Implementierung einer Chopper-Stabilisierung im Verstärkerteil der Schaltung. Dies trug zur Fehlerreduzierung bei, indem die Eingangs-Offset-Fehler am Operationsverstärker reduziert wurden. Alle Fehler in der nicht Chopper-stabilisierten Schaltung führen zu Fehlern der Schaltpunktschwelle bei den digitalen Sensoren oder zu Offset- und Verstärkungsfehlern bei den linearen Ausgangssensoren.
Die aktuelle Generation der CMOS-Hall-Sensoren beinhaltet auch ein Schema, das aktiv die Stromrichtung durch die Hall-Elemente schaltet. Dieses Schema eliminiert die für Halbleiter-Hall-Elemente typischen Offset-Fehler. Außerdem werden temperatur- und dehnungsinduzierte Offset-Fehler aktiv kompensiert. Der Gesamteffekt von aktiver Plattenschaltung und Chopper-Stabilisierung ergibt Hall-Effekt-Sensoren mit einer Größenordnung Verbesserung bei Drift von Schaltpunkten oder Verstärkungs- und Offset-Fehlern.
Melexis verwendet ausschließlich den CMOS-Prozess, für beste Leistung und kleinste Chipgröße. Die aktuellen Entwicklungen in der Hall-Effekt-Sensortechnologie sind vor allem der Integration von anspruchsvollen Signalkonditionierungsschaltungen in den Hall-IC zu verdanken.
Melexis hat den weltweit ersten programmierbaren linearen Hall-IC vorgestellt. Er ermöglicht feldprogrammierbare Funktionseigenschaften wie Verstärkung, Offset, Temperaturkoeffizient der Verstärkung (zur Kompensation der thermischen Abhängigkeiten verschiedener magnetischer Materialien). Die neuesten Hall-ICs haben integrierte Mikrocontroller-Kerne, um einen noch „intelligenteren“ Sensor mit ROM-programmierbaren Algorithmen für komplexe Signalverarbeitung in Echtzeit zu machen.