سنسورهای اثرهال- Hall Effect Sensors

2015-06-24

266 مشاهده

سنسورهای اثرهال- Hall Effect Sensors

تاریخچه

اثرهال توسط دکتر ادوین هال (Edvin Hall) درسال ۱۸۷۹ در حالی کشف شد که او دانشجوی دکترای دانشگاه Johns Hopkins در بالتیمر(Baltimore) انگلیس بود.
هال درحال تحقیق بر تئوری جریان الکترون کلوین بود که دریافت زمانی که میدان یک آهنربا عمود بر سطح مستطیل نازکی از جنس طلا قرار گیرد که جریانی از آن عبور می کند، اختلاف پتانسیل الکتریکی در لبه های مخالف آن پدید می آید.
او دریافت که این ولتاژ متناسب با جریان عبوری از مدار و چگالی شار مغناطیسی عمود بر مدار است. اگر چه آزمایش هال موفقیت آمیز و صحیح بود ولی تا حدود ۷۰ سال پیش از کشف آن کاربردی خارج از قلمرو فیزیک تئوری برای آن بدست نیامد.
با ورود مواد نیمه هادی در دهه ۱۹۵۰ اثرهال اولین کاربرد عملی خود را بدست آورد. درسال ۱۹۶۵ Joe Maupin ,Everett Vorthman برای تولید یک سنسور حالت جامد کاربردی وکم هزینه از میان ایده های متفاوت اثرهال را انتخاب نمودند. علت این انتخاب جا دادن تمام این سنسور بر روی یک تراشه سیلیکن با هزینه کم و ابعاد کوچک بوده است این کشف مهم ورود اثر هال به دنیای عملی و پروکاربرد خود درجهان بود.

سنسورهای اثرهال- Hall Effect Sensors

تئوری اثرهال

اگر یک ماده هادی یا نیمه هادی که حامل جریان الکتریکی است در یک میدان مغناطیسی به شدت B که عمود برجهت جریان عبوری به مقدار I می باشد قرار گیرد، ولتاژی به مقدار V در عرض هادی تولید می شود.
این خاصیت در مواد نیمه هادی دارای مقدار بیشتری نسبت به مواد دیگر است و از این خاصیت در قطعات اثرهال تجارتی استفاده میشود.
ولتاژها به این علت پدید می آید که میدان مغناطیسی باعث می شود تا نیروی لرنتز برجریان عمل کند و توزیع آنرا برهم بزند[F=q(V´B)]. نهایتا حاملهای جریان مسیر منحنی را مطابق شکل بپیمایند.

حاملهای جریان اضافی روی یک لبه قطعه ظاهر می شوند، ضمن اینکه در لبه مخالف کمبود حامل اتفاق می افتد. این عدم تعادل بار باعث ایجاد ولتاژ هال می شود، که تا زمانی که میدان مغناطیسی حضور داشته و جریان برقرار است باقی می ماند.
برای یک قطعه نیمه هادی یا هادی مستطیل شکل با ضخامت t ولتاژهایV توسط رابطه زیر بدست می آید:
KH ضریب هال برای ماده مورد نظر است که بستگی به موبیلیته بار و مقاومت هادی دارد.
آنتیمونید ایریدیم ترکیبی است که در ساخت عنصر اثرهال استفاده می شود و مقدار KH برای آن ۲۰ است.
ولتاژهال در رنج در سیلیکن بوجود می آید و تقویت کننده برای آن حتمی است. سیلیکن اثر پیز و مقاومتی دارد و بنابراین براثر فشار مقاومت آن تغییر می کند. در یک سنسور اثر هال باید این خصوصیت را به حداقل رساند تا دقت و صحت اندازه گیری افزوده شود. این عمل با قرار دادن عنصر هال بریک IC برای به حداقل رساندن اثر فشار و با استفاده از چند عنصر هال انجام میشود. بطوری که بر هر یک از دو بازوی مجاور مدار پل یک عنصر هال قرار گیرد، در یکی جریان بر میدان مغاطیسی عمود است و ولتاژ هال ایجاد می شود و در دیگری جریان موازی با میدان مغناطیسی می باشد و ولتاژ هال ایجاد نمی‌شود. استفاده از ۴ عنصر هال نیز مرسوم می باشد.

اثر هال

اساس سنسورهای اثرهال

عنصرهال، سنسور میدان مغناطیسی است. باتوجه به ویژگیهای ولتاژ خروجی این سنسور نیاز مندیک طبقه تقویت کننده و نیز جبران ساز حرارتی است. چنانچه از منبع تغذیه با ریپل فراوان استفاده کنیم وجود یک رگولاتور ولتاژ حتمی است.
رگولاتور ولتاژ باعث می شود تا جریان I ثابت باشد بنابراین ولتاژ هال تنها تابعی از شدت میدان مغناطیسی می باشد.
اگر میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد ولتاژی تولید نمی شود. با وجود این اگر ولتاژ هر ترمینال اندازه گیری شود مقداری غیر ا ز صفر به ما خواهد داد. این ولتاژ که برای تمام ترمینال ها یکسان است با (CMV) Common Mode Voltage شناخته می‌شود. بنابراین تقویت کننده بکار گرفته شده می بایست یک تقویت کننده تفاضلی باشد تا تنها اختلاف پتانسیل را تقویت کند.
یک عنصر هال از لایه نازکی ماده هادی با اتصالات خروجی عمود بر مسیر شارش جریان ساخته شده است وقتی این عنصر تحت یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، ولتاژ خروجی متناسب با قدرت میدان مغناطیسی تولید می کند. این ولتاژ بسیار کوچک و در حدود میکرو ولت است. بنابراین استفاده از مدارات بهسازی ضروری است. اگر چه سنسور اثرهال، سنسور میدان مغناطیسی است ولی می تواند به عنوان جزء اصلی در بسیاری از انواع حسگرهای جریان، دما، فشار و موقعیت و … استفاده شود. در سنسورها، سنسور اثر هال میدانی را که کمیت فیزیکی تولید می کند و یا تغییر می دهد حس می کند.

ویژگیهای عمومی
ویژگیهای عمومی سنسورهای اثرهال به قرار زیر می باشند:
۱ – حالت جامد ؛
۲ – عمر طولانی ؛
۳ – عمل با سرعت بالا-پاسخ فرکانسی بالای ۱۰۰KHZ ؛
۴ – عمل با ورودی ثابت (Zero Speed Sensor) ؛
۵ – اجزای غیر متحرک ؛
۶-ورودی و خروجی سازگار با سطح منطقیLogic Compatible input and output ؛
۷ – بازه دمایی گسترده (-۴۰°C ~ +150°C) ؛
۸ – عملکرد تکرار پذیرعالی Highly Repeatable Operation ؛
۹ – یک عیب بزرگ این است که در این سیستمها پوشش مغناطیسی مناسب باید در نظرگرفته شود، چون وجود میدان های مغناطیسی دیگر باعث می شود تا خطای زیادی در سیستم اتفاق افتد.

اثر هال

سنسورهای هال دیجیتال

در این سنسورها وقتی بزرگی میدان مغناطیسی به اندازه مطلوبی رسید سنسور ON می شود و پس از اینکه بزرگی میدان از حد معینی کاهش یافت سنسور خاموش می شود. لذا در این سنسورها خروجی تقویت کننده تفاضلی را به مدار اشمیت تریگر می دهند تا این عمل را انجام دهد، برای جلوگیری از پرش های متوالی از تابع هسترزیس زیر استفاده می کنند.

سنسورهای آنالوگ

سنسورهای آنالوگ ولتاژ خروجی خود را متناسب با اندازه میدان مغناطیسی عمود بر سطح خود، تنظیم می کنند. با توجه به کمیت های اندازه گیری این ولتاژ می تواند مثبت یا منفی باشد. برای اینکه سنسورهای ولتاژ خروجی منفی تولید نکند و همواره خروجی تقویت کننده تفاضلی را با یک ولتاژ مثبت را پاس می کنند.
توجه داریم که یک نقطه صفر وجود دارد که در آن ولتاژی تولید نمی شود . از ویژگیهای اثرهال نداشتن حالت اشباع است و نواحی اشباع در شکل مربوط به آپ امپ در سنسور اثر هال می باشد .
معمولا خروجی تقویت کننده تفاضلی را به ترانزیستور پوش-پول می د هند.

سیستم های مغناطیسی
نسور اثر هال درحقیقت بدین ترتیب عمل میکند که توسط یک سیستم مغناطیسی کمیت فیزیکی به میدان مغناطیسی تبدیل می شود. حال این میدان مغناطیسی توسط سنسور اثر هال حس می شود. بسیاری از کمیت های فیزیکی با حرکت یک آهنربا اندازه گیری می شوند. مثلاً دما و فشار را می توان بوسیله انقباض و انبساط یک Bellows که به آهنربا متصل است اندازه گیری نمود.
روش های مختلفی جهت ایجاد میدان مغناطیسی وجود دارد.

Unipolar head-on mode
Unipolar slide-by mode

در این حالت آهنربا نسبت به نقطه مرجع سنسور حرکت می کند.
در این حالت آهنربا در یک مسیر افقی نسبت به سنسور تغییر مکان می کند.
منحنی تغییرات مکان نسبت به میدان مغناطیسی بازهم غیر خطی است- دقت این روش کم است و لی حالت تقارنی کاملاً دیده می شود. مثلاً سنسور اثرهال دیجیتالی را در نظر بگیرید که در اثر میدان G1 روشن شده و در میدان G2 خاموش می شود وقتی آهنربا از سمت راست حرکت می کند و به موقعیت +D1 می رسد آنگاه سنسور عمل میکند. این حرکت ادامه می تواند داشته باشد تا به موقعیت –D2 برسد، در این هنگام سنسور آزاد می شود و به همین ترتیب.

Bipolar Slide –By made
در این حالت از ۲ آهنربا که قطب S,N هر کدام بصورت ناهمنام در مجاورت هم قرار گرفته است استفاده می کنیم.
دقت در این روش درحد متوسط است- حالت تقارن وجود ندارد ولی می توان در بخش هایی، از خاصیت خطی منحنی استفاده نمود. اگر همان سنسور دیجیتالی قبلی را در نظر بگیریم در حرکت از راست به چپ وقتی که فاصله به D2 می رسد آنگاه سنسور عمل می کند و تا به مرحله D4 پیش می رود. بنابراین در یک حرکت پیوسته از راست به چپ سنسور در بخش شیب تند عمل می کند و در بخش شیب کند رها میکند.

حالت دیگری نیز به کار می‌رود که در آن منحنی حاصل بصورت یک تابع پالس است. در این روش در میان دو آهنربا، آهنربای دیگری قرار می دهند که پهنای پالس متناسب با پهنای این آهنربا می باشد.

Bipolar Slide –By mode ring magnet
در این حالت از یک آهنربای حلقه استفاده می شود آهنربای حلقه ای یک قطعه آهنربای دیسک مانند است که قطب های آن در پیرامون آن قرار دارند. در شکل زیر آهنربای حلقه ای با دو جفت قطب نمایش داده می شود. به منحنی حاصل شیبه به یک منحنی سینوسی است. هرچه تعداد قطبهای آهنربای حلقه ای بیشتر باشد مقدار پیک حاصل در اندازه میدان کمتر خواهد بود. تعداد پالس های حاصل در این روش برابر با جفت قطبهای آهنربا می باشد. محدودیت در ساخت آهنربای حلقه ای با جفت قطبهای زیاد، محدودیت این روش محسوب می شود.

مقایسه ای از این سیستمها در زیر آمده است :
منظور از All حرکتهای چرخشی، پیوسته و رفت و برگشتی است.

اثرهال

کاربرد های سنسورهای اثرهال
هم اکنون به تشریح برخی از کاربرد های سنسورهای اثرهال می پردازیم .

سنسورهای موقعیت تشخیص پره ( Vane Operated Position Sensor)
این سنسورها گاهاً تحت عنوان سنسورهای پره شناخته می شوند و شامل یک آهنربا و یک سنسور اثرهال با خروجی دیجیتالی می باشند. شکل زیر این دو بخش را در یک بسته نشان میدهد.
این سنسور دارای یک فاصله هوایی میان آهنربا و سنسور اثرهال می باشد و توانایی موقعیت سنجی خطی و نیز موقعیت سنجی زاوایه ای را نیز دارد.
پره خطی
پره یکنواخت
پره دایروی
اساس عملکرد
وقتی که پره در فاصله هوایی بین اهنربا وسنسور اثرهال قرار گیرد خطوط شار مغناطیسی پراکنده می شوند و توسط سنسوراثر هال احساس نمی شوند، بنابراین خروجی سنسور در سطح منطقی صفر (OFF) قرار می گیرد.
وقتی که یک پره میان این سنسور می رود چه اتفاقی می افتد. درحرکت از چپ به راست وقتی لبه جلوی پره به ناحیه b می رسد، آنگاه سنسور از حالت ON به حالت OFF تغییر وضعیت می دهد و این حالت تا زمانی که لبه انتهایی پره به ناحیه d برسد ادامه پیدا می کند تا در آن لحظه از OFF به ON تغییر وضعیت دهد. بنابراین مدت زمانی که خروجی سنسور OFF است برابر با فاصله بین d ,b بعلاوه پهنای پره می باشد. درحرکت از راست به چپ نیز وضعیت کاملاً مشابه است. در اکثر مواقع پره ها بصورت به هم پیوسته می باشند.

توجه کنید که این دو حالت هیچ تفاوتی باهم ندارند.
ربطه بین مدت زمان OFF ,ON برای حالت پره دندانه ای به پیوسته در جدول زیر خلاصه شده است.
نمونه هایی از این سنسور ها در زیر آمده است .
۲AV series
۴AV series
SR 17 / 16 series
Sequence Sensors تعدادی دیسک آهنی بر روی یک شفت قرار گرفته اند. این دیسکها از فاصله هوایی سنسورهای پره (Vane Sensor) عبور می کنند. شکل هر کدام از این دیسکها بگونه ای است که یک مجموعه از آنها منجر به تولید کدهای خاصی می شود. سنسور پره در اثر حضور دیسک در فاصله هوایی خروجی را صفر و در اثر عدم حضور آن خروجی را یک می گویند. به این ترتیب کد حاصل از این روش موقعیت یا وضعیت شفت را نشان می دهد. به جای استفاده از دیسک ها و سنسورهای پره می توان از آهنربای حلقه ای متصل به شفت و سنسورهای اثرهال دو قطبی (bipolar) استفاده نمود.

سنسورهای مجاورتی Proximity Sensor

در دو طرح زیر ۴ سنسور اثرهال با خروجی دیجیتالی که بر یک صفحه آلومینیومی قرار گرفته اند نشان داده شده است .در شکل اول سنسورها تک قطبی و در شکل دوم سنسورها دو قطبی هستند.
تک قطبی
دوقطبی

سنسور ماشین های اداری
دستگاههای فتوکپی، فاکس، پرینترهای کامپیوتر از این سنسورها می توانند استفاده کنند.
برای مثال پرینتر، جهت دریافت وجود کاغذ و نیز جریان کاغذ ازسوئیچ های اثرهال استفاده می کنند.
ویژگی : بدون تماس – بدون اعمال نیروی اضافی – عمر طولانی
سنسور موقعیت چندگانه (Multiple position sensor)
سنسور اثرهال را در کنار ۳ مقایسه کننده ولتاژ ناین سنسور چندگانه دارای ۳ خروجی دیجیتالی است.
سنسور ضد لغزشی Anti-Skid sensor
. هدف این است بدون اینکه چرخ به اصطلاح قفل شود اتومبیل درحداقل زمان ممکن متوقف شود.
در این سیستم سنسور بگونه ای قرار گرفته است که یک چرخ دنده داخلی را حس می کند. زمان عکس العمل سیستم توقف بر مبنای فرکانس سیگنالی که سنسور تولید می کند تخمین زده می شود.
سنسور موقعیت پیستون (Piston detection sensors)
روشی جهت موقعیت سنجی پیستون در یک سیلندر غیر آهنی . درحالت نخست آهنربا هایی را در درون پیستون به گونه ای قرار می دهند تا توسط چند سنسور اثرهال با خروجی خطی دریافت شوند.
در حالت دوم از یک پیستون آهنی و آهنربا و سنسور اثرهال استفاده می شود. در این حالت نیاز است تا مشخصات سیستم مغناطیسی بطور مطلوبی در دسترس باشد.
برقراری های استفاده از اثرهال در این موقعیت سنجی به شرح زیر می باشد:
۱- ابعاد کوچک سنسورها
۲ – عدم نیاز به منبع قدرت خارجی برای آهنرباها
۳ – رنج دمایی بزرگ از ۴۰°c تا ۱۵۰°c
۴ – توانایی عمل در محیط کثیف و آلوده