Сверхчувствительный магнитный датчик на основе эффекта Холла

В то время как большинство датчиков, которые окружают нас и делают современные технологии реальностью, хорошо известны и понятны, магнитные датчики, используемые в магнитометрах, часто упускаются из виду или неправильно понимаются, даже если они имеют решающее значение для таких небольших приложений, как наблюдение за состоянием зубьев шестерни, и таких больших, как магнитные системы резонансной томографии (МРТ). Поиски все более компактных, но чувствительных датчиков магнитного поля продолжаются, но чувствительность сама по себе не является достаточно полным параметром. Это связано с тем, что шумы (помехи) от датчика часто является ограничивающим фактором в датчиках низкого уровня.

Помня об этом, исследователи из Университета Брауна разработали магнитный датчик, который не только чувствителен, но и обладает очень низким уровнем шума. Устройство, основанное на этом исследовании, которое было поддержано Национальным научным фондом, могло бы быть частью устройства магнитного иммуноанализа, метода, который использует магнетизм для поиска патогенов в образцах жидкости.

«Поскольку устройство очень маленькое, мы можем разместить тысячи или даже миллионы датчиков на одном чипе», — сказал аспирант Брауна Иоу Чжан, который был ведущим соавтором вместе с докторантом Кан Ванном.

Принцип, лежащий в основе их усилий, начинается с хорошо известного эффекта Холла. Однако на этом все не заканчивается. В эффекте Холла, когда проводник или полупроводник с током, текущим в одном направлении, вводится перпендикулярно магнитному полю. Это небольшое напряжение указывает на наличие и величину магнитного поля.

В устройстве Брауна используется разновидность, называемая аномальным эффектом Холла (AЭХ), который возникает в ферромагнитных материалах. Разница между обычным эффектом Холла и аномальным эффектом Холла заключается в том, что, эффект Холла обусловлен зарядом электронов, а аномальный эффект Холла возникает из-за спина электрона — крошечного магнитного момента каждого электрона. В АЭХ электроны с разными спинами ориентируются в разных направлениях, что вызывает небольшое, но обнаруживаемое напряжение.

(Влияние магнитных полей на атомные частицы является источником многих интересных явлений: аналогичный эффект, связанный с излучениями, связанными с магнитным моментом ядра водорода, является «источником» сигнала, регистрируемого системами МРТ).

Устройство выполнено в виде ультратонкой ферромагнитной пленки из кобальта, железа и бора, и его электронные спины «предпочитают» анизотропию в плоскости; то есть выравниваться в плоскости пленки (рисунок ниже). Однако после термообработки этой пленки в высокотемпературной печи и воздействия сильного магнитного поля спины электронов имеют тенденцию к развитию перпендикулярной анизотропии и, таким образом, будут ориентированы перпендикулярно пленке.

(а) Схема магнитного датчика Холла и многослойной конструкции. Выводы стержней датчика Холла электрически соединены с электродами из хрома / золота. Общая площадь измерительной планки Холла составляет 500 × 500 мкм

2, а эффективная площадь измерения — 20 × 20 мкм²; (б) Зависимость холловского сопротивления от внешнего магнитного поля при различных температурах (на вставке показана кривая АЭХ вблизи нуля).

Когда эти две анизотропии уравновешены, спины электронов легко переориентируются, если материал входит в контакт с внешним магнитным полем, и эта переориентация ощущается через напряжение АЭХ. Полученное в результате устройство примерно в 20 раз более чувствительно, чем сопоставимый традиционный датчик Холла.

Как и в случае с большинством таких устройств, существуют компромиссы в производительности, и толщина пленки кобальт-железо-бор является одним из них. Если пленка слишком толстая, потребуется более сильное магнитное поле для переориентации электронных спинов, что приведет к снижению чувствительности. И наоборот, если он слишком тонкий, электронные спины могут переориентироваться сами по себе, что противоречит полезности датчика. Исследователи обнаружили, что лучше всего подходит толщина всего 0,9 нм.

Помимо достижения высокой чувствительности, низкий уровень собственного шума также жизненно важен для достижения хорошей чувствительности. Магнитная анизотропия имеет сильную температурную зависимость, что позволяет точно настроить эффективную магнитную анизотропию в одном магнитном датчике.

Исследователи выполнили комплексную характеристику чувствительности и шума датчика AЭХ в диапазоне от 250 К до 350 К и на четырех порядках величины частоты от 1 Гц до 10 кГц. Используя систему измерения физических свойств (PPMS) и настраиваемую магнитную анизотропию, они наблюдали и анализировали взаимодействие 1 / f-шума и чувствительности, а также обнаруживаемость магнитного поля.

Карта шума напряжения датчика на основе аномального эффекта Холла (а) при 1 Гц и (б) и 10 кГц. (c) Карта чувствительности датчика аномального эффекта Холла, измеренная при 5 Гц. (d) Зависимость шума напряжения при 1 Гц от чувствительности в логарифмической шкале. Данные при 260 К и 310 К показаны на графике.

Хотя ни одно число не может полностью охарактеризовать характеристики устройства, исследователи отмечают, что с небольшой зоной чувствительности 20 x 20 мкм² обнаруживаемость магнитного поля достигает 76 нТл / √Гц при 1 Гц и 2 нТ / √Гц при 10 кГц (рисунок выше).

Датчики Холла и магнитосопротивления — Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики

Глава 14

ДАТЧИКИ ХОЛЛА И МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЯ

§ 14. 1. Физические основы эффекта Холла и эффекта магнитосопротивления

Эффект Холла — это физическое явление, которое заклю­чается в следующем. Рассмотрим пластинку (рис. 14.1) из прово­дящего материала, вдоль которой проходит ток I. Если перпенди­кулярно плоскости пластинки и направлению тока действует маг­нитное поле напряженностью Я, то в пластине возникает ЭДС, пропорциональная и току, и напряженности магнитного поля:

                                                 Е=КIН,                                  (14.1)

где K=k_x/d — коэффициент, зависящий от материала и толщины пластины d; k_x— постоянная Холла.

Направление этой ЭДС, которая называется ЭДС Холла, пер­пендикулярно току и полю, т. е. ее можно замерить между боко­выми продольными гранями пластины (рис. 14.1) с помощью элек­троизмерительного прибора. Причина появления ЭДС Холла в том, что на движущиеся заряды в магнитном поле действует сила Ло­ренца. Ток в пластине — это и есть упорядоченное движение за­рядов (в металле — электронов). Под действием магнитного поля они смещаются перпендикулярно на­правлению своего движения и вблизи одной продольной грани возникает из­быток зарядов, а вблизи другой — недо­статок. В обычных проводниковых ма­териалах ЭДС Холла очень мала, что объясняется малой скоростью (точнее — подвижностью) носителей тока из-за их большой концентрации.

Хотя эффект Холла известен уже более ста лет, прак­тическое применение его началось лишь в итоге развития технологии получения полупроводников. Имен­но в чистых полупроводниках обеспечивается высокая подвиж­ность носителей тока, поэтому постоянная Холла для чистых по­лупроводников во много раз больше, чем для металлов.

Эффект магнитосопротивления — это другое физическое явле­ние, заключающееся в изменении сопротивления проводящих тел в магнитном поле. Объясняется это тем, что в присутствии магнит­ного поля на носители тока действует сила Лоренца, изменяющая траекторию их движения. Если бы не было магнитного поля, то под действием приложенного к проводящему телу напряжения носи­тели тока перемещались бы по кратчайшему направлению. Изме­нение траектории под действием магнитного поля всегда удлиняет путь носителей тока, что проявляется как увеличение сопротивле­ния. В сильных поперечных магнитных полях некоторые вещества могут иметь относительное увеличение сопротивления а=Д/?//? в десятки раз. Чаще всего величина а связана с напряженностью магнитного поля Я квадратичной зависимостью

                                                                                 (14.2)

где k_R— коэффициент, зависящий от материала и размеров.

Эффекты Холла и магнитосопротивления используются в дат­чиках, с помощью которых могут быть измерены различные элект­рические и магнитные величины. Кроме того, они могут исполь­зоваться для математической обработки электрических сигналов: сложения, умножения, деления, возведения в квадрат и извлече­ния корня; для различных преобразований электрических сигна­лов.

§ 14.2. Материалы для датчиков Холла и датчиков магнитосопротивления

Использование датчиков Холла для целей автоматиче­ского измерения будет рациональным в том случае, если они име­ют достаточно высокую чувствительность и мало подвержены влия­нию температуры. Чувствительность датчика зависит от выходной ЭДС, т. е. от постоянной Холла, которая, в свою очередь, опреде­ляется подвижностью носителей тока. В проводящих телах носи­телями тока являются электроны. При обычных температурах электроны находятся в хаотическом тепло­вом движении с самыми различными скоростями. Однако если вдоль тела соз­дать электрическое поле Е, приложив напряжение U, то все электроны начнут передвигаться в направлении поля с некоторой средней скоростью v (при этом отдельные электроны могут иметь как большую, так и меньшую скорости). Подвижность носителей тока (р) опре­деляется как отношение скорости v к на­пряженности электрического поля Е:

                   (14. 3)

Подвижность зависит от того, как часто электрон при своем движении сталкива­ется с решеткой твердого тела. Следует особо отметить, что большое значение ЭДС Холла еще не означает, что в этом веществе велик эффект Холла и оно годится для технических при­менений. Большое значение ЭДС может быть полученj за сче* большого напряжения U, т. е. больших затрат электрической энергии. В то же время в другом материале такая же ЭДС Холла и те же скорости носителей тока могут быть получены при мень­шем напряжении только за счет большей подвижности. Такой ма­териал выгоднее для применения в датчике Холла.

Короче говоря, основным требованием, предъявляемым к мате­риалам для датчиков, является сочетание большой подвижности носителей тока с минимальными температурными зависимостями.

В зависимости от технологии изготовления различают кристал­лические (в форме пластинки) и пленочные датчики.

В качестве материала кристаллических датчиков используются различные соединения индия: мышьяковистый индий IriAs, фосфид индия 1nР, сурьмянистый индий InSb, а также германий Ge и крем­ний Si.

Наибольшее значение постоянной Холла у материала InSb, но оно сильно зависит от температуры. На рис. 14.2 показаны зависимости постоянной Холла от температуры для разных материалов (1 — InSb, 2 — InAs, 3 —твердый раствор InAs и 1пР). Для гер­мания постоянная Холла в десятки раз меньше, но он обладает значительно большим удельным сопротивлением. Из германия можно делать датчики с сопротивлением в несколько килоом. Еще ббльшим удельным сопротивлением обладает кремний, но его труд­нее очистить от примесей. Высокую степень очистки полупроводни­ковых материалов получают при плавке в космических лаборато­риях.

Для размещения в узких зазорах очень удобны пленочные дат­чики Холла. Для их изготовления используется метод испарения в вакууме исходного вещества с последующим осаждением на под­ложку из слюды. Толщина пленочных датчиков составляет 10— 30 мкм, что в сотни раз меньше, чем у кристаллических датчиков. Материалом для пленочных датчиков служат соединения ртути: селенид ртути HgSe и теллурид ртути HgTe. Чем тоньше пленка, тем меньше постоянная Холла. По своим возможностям примене­ния в системах автоматики пленочные датчики примерно равно­ценны с германиевыми и даже лучше по температурной стабильно­сти. Но они очень дорогие. В настоящее время проводятся иссле­дования   новых   материалов,   пригодных   для   использования   в датчиках Холла и магнитосопротивления.

§ 14.3. Применение датчиков Холла и датчиков магнитосопротивления

Основное применение датчики Холла и датчики магнито­сопротивления находят для измерения магнитных полей. Они при­меняются в очень широком диапазоне напряженности магнитного поля: от 1 до 10⁹ А/м. С их помощью можно определять кривые намагничивания магнитных материалов, распределение магнитных полей в электрических машинах и электромагнитных устройствах. При измерениях в сильных магнитных полях (H>10⁷ А/м) ЭДС Холла составляет десятые доли вольт и  может быть  измерена вольтметром с  большим  внутренним сопротивлением  или с по­мощью   компенсационной   схемы.    Регулировка   чувствительности производится изменением напряжения, питающего датчик. Для уве­личения выходного сигнала  используют последовательное соеди­нение нескольких датчиков Холла. При измерениях в средних маг­нитных полях (10⁵ А/м<H<10⁷ А/м) требуется усиление выход­ного напряжения датчика. При измерениях в слабых магнитных полях (H<10⁵ А/м)  используют так называемые концентраторы магнитного поля.  В  качестве таких концентраторов  используют круглые длинные стержни с узким зазором между ними, куда и по­мещается датчик. Стержни изготовляют из материалов с высокой магнитной проницаемостью, чаще всего из пермаллоя. При длине стержней в 1 метр, диаметре 5 мм и зазоре в 0,3 мм можно полу чить коэффициент усиления магнитного поля в 1500 раз. Датчики Холла с концентраторами магнитного поля способны чувствовать напряженность магнитного поля в 0,1 А/м. С их помощью можно исследовать даже очень слабое магнитное поле Земли. Однако на­до отметить, что измерения средних и слабых магнитных полей с помощью датчиков Холла пока целесообразны лишь в лаборатор­ных, а не промышленных условиях.

   В средних и слабых магнитных • полях датчики Холла очень чувствительны к колебаниям температуры и нуждаются в стабиль-ном питании и сложных измери­тельных схемах. Например, тер-моЭДС между материалом дат­чика и его выводами соизмери­ма с выходным сигналом. Да и при измерениях в сильных маг­нитных полях используют схемы термокомпенсации погрешности с помощью терморезисторов, а по­рой даже и термостатироваиие, т. е. измерения проводят в каме­ре, где автоматически поддержи­вается постоянная температура.

По   существу,   датчик   Холла является элементарным умножающим устройством, поскольку его выходной сигнал пропорциона­лен произведению напряженности на ток. На этом, в сущности, и основаны все возможные применения датчика Холла. При посто­янном токе через датчик выходной сигнал пропорционален напря­женности магнитного поля. А поместив датчик в постоянное маг­нитное поле, можно измерять ток, проходящий через него, по зна­чению ЭДС Холла. Это единственный способ определения распре­деления токов в электролитических ваннах.

5.1. Краткая характеристика источников воды — лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Датчики магнитосопротивления также вначале использовались для измерения магнитных полей, но затем были вытеснены более совершенными датчиками Холла на новых полупроводниковых ма­териалах. Однако датчики магнитосопротивления по устройству проще датчиков Холла. Наилучшей формой для датчика магнито­сопротивления является диск с одним выводом в центре и дру­гим — на окружности. Зависимости относительного изменения со­противления датчиков магнитосопротивления разной формы от маг­нитной индукции показаны на рис. 14.3.

Основным достоинством датчика магнитосопротивления являет­ся возможность бесконтактного изменения активного сопротивле­ния.

Одним из возможных применений датчиков магнитосопротив­ления является создание бесконтактных клавишных выключателей. При нажатии на кнопку такого выключателя перемещается магнити изменяется магнитный поток, воздействующий на датчик магни-тосопротивления.

Известны также применения датчиков Холла и магнитосопро-тивления в системах автоматики в качестве измерителей тока в токоведущих шинах, бесконтактных потенциометров для преобра­зования механического перемещения (линейного или углового) в пропорциональный электрический сигнал. Удобно применять дат­чики Холла в автоматических устройствах, контролирующих состоя­ние стальных канатов.

Пока еще датчики Холла и датчики магнитосопротивления срав­нительно мало применяются в системах промышленной автомати­ки. Но бурное развитие полупроводниковой технологии ведет к расширению их применения.

Следует отметить, что в последнее время к таким датчикам при­бавились еще и близкие по принципу действия магнитодиодные и гальваномагнитно-рекомбинационные преобразователи.

Магнитные датчики | Ханивелл

ПОДДЕРЖИВАТЬ

ГДЕ КУПИТЬ

СВЯЗАТЬСЯ С НАМИ

ИС датчиков Холла или анизотропных магниторезистивных (AMR) датчиков с цифровыми или линейными выходами для измерения угла, положения и скорости; пакеты с добавленной стоимостью.

Вы знаете нас как лидера. В 1968 году мы произвели революцию в отрасли, создав первую полупроводниковую клавиатуру, сочетающую в себе датчик Холла и связанную с ним электронику. Эти высокоскоростные датчики с увеличенным сроком службы часто напрямую совместимы с другими электронными схемами, реагируя на присутствие или прерывание магнитного поля, создавая пропорциональный выходной сигнал. Сегодня наша линейка магнитных датчиков включает: Линейные и угловые датчики ИС Датчик положения ИС Скорость и направление, датчик скорости ИС Комплектные датчики с добавленной стоимостью Магниты

ИС линейных и угловых датчиков

Аналоговый выход ИС датчика Холла или анизотропного магниторезистивного датчика (AMR).

Магниты — серия MG

Магниты серии

MG действуют как приводы для интегральных схем датчиков Холла и магнитно-резонансных датчиков с униполярными или омниполярными магнитными характеристиками.

ИС биполярного датчика положения

Обнаружение магнитного поля от постоянного магнита или электромагнита и реакция на переменные полюса (север и юг).

ИС датчика положения фиксации

Зафиксируйтесь на начальном полюсе (северном или южном) до тех пор, пока магнитное поле достаточной силы противоположной полярности не приблизится к датчику IC.

ИС омниполярного датчика положения

Обнаружение магнитного поля от постоянного магнита или электромагнита и реакция на любой полюс (северный или южный).

ИС униполярного датчика положения

Обнаруживает магнитное поле от постоянного магнита или электромагнита и реагирует на один полюс (северный или южный).

Скорость и направление, ИС датчика скорости

Серия

VM определяет скорость, направление и положение цели энкодера с кольцевым магнитом. VF401 распознает кольцевые магниты с мелким шагом. VF526DT обеспечивает вывод как скорости, так и направления. VG481V1 определяет скорость целевого колеса с зубьями железной шестерни.

Комплектные датчики с добавленной стоимостью

ИС датчиков Холла или магниторезистивных датчиков в различных корпусах. Включает датчики крыльчатки и цифровые датчики положения.

Начните поиск с названия категории, названия продукта, номера детали и т. д.

Интеграция технологии магнитных датчиков Холла в современные бытовые приборы

Интеграция технологии магнитных датчиков Холла в современные бытовые приборы

Моника Томас и Майкл Дуг, Allegro MicroSystems, LLC, Вустер, Массачусетс. США

Загрузить PDF-версию

Благодаря большому разнообразию решений, доступных для приложений измерения положения, скорости и тока, проектировщики могут выбрать оптимальные технологии и пакеты для достижения своих коммерческих и инженерных целей. Всегда остаются одни и те же критические элементы, которые необходимо учитывать, такие как стоимость, расстояние перемещения, разрешение, точность, надежность и долговечность, которые неизбежно объединяют требования приложения с соответствующей сенсорной технологией. Из возможных решений исключительную ценность представляет технология на основе эффекта Холла с ее бесконтактным магнитным считыванием.

Рис. 1. Эффект Холла относится к измеряемому напряжению, возникающему, когда на приложенный ток влияет перпендикулярное магнитное поле.

Введение

По мере совершенствования технологий ИС датчиков Холла находят применение во многих современных бытовых приборах. Эффект Холла относится к измеряемому напряжению, которое появляется на проводящем материале, например на кремнии (Si), когда на электрический ток, протекающий по проводнику, влияет магнитное поле (см. рис. 1). В этих условиях поперечное напряжение генерируется перпендикулярно приложенному току из-за уравновешивания сил Лоренца и электромагнитных сил.

ИС датчика Холла имеют много преимуществ по сравнению с традиционными механическими и герконовыми устройствами. Бесконтактная реализация интегральных схем датчика Холла повышает надежность и долговечность за счет практически полного устранения механического износа и усталости. Эти устройства также способны обнаруживать магнитные поля, которые физически блокируются цветными материалами. Небольшие и легкие размеры корпусов уменьшают пространство для реализации и механическую сложность. Многие микросхемы датчиков программируются пользователем для удовлетворения пользовательских требований к работе и точности.

Общая информация

Существует несколько различных типов устройств на эффекте Холла, подходящих для различных приложений: переключатели, линейные преобразователи, ИС скорости/направления и ИС датчика тока, и это лишь некоторые из них.

Переключатели и линейные устройства

Переключатели генерируют цифровой выходной сигнал на основе магнитных точек управления (B _OP ) и отключения (B _RP ) конкретного устройства. Линейные преобразователи генерируют аналоговый или широтно-импульсный (ШИМ) выходной сигнал, который прямо пропорционален приложенному магнитному полю.

В переключателях и линейных приложениях существует несколько возможных конфигураций магнита для приведения в действие устройства. Например, режим работы «в лоб» относится к перемещению магнита перпендикулярно активной поверхности устройства Холла, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Приведение в действие Холла в лоб. TEAG — общий эффективный воздушный зазор.

В качестве альтернативы режим работы «скользящий» относится к перемещению магнита параллельно активной поверхности устройства Холла (см. рис. 3). Метод проскальзывания обычно обеспечивает лучшую точность измерения, чем метод лобового, из-за меньшего перемещения магнита. Большой наклон магнитного поля между полюсами позволяет получить очень точное расположение точек переключения. Однако метод скольжения также требует использования сильных магнитов и небольшого общего эффективного воздушного зазора (TEAG).

Рис. 3. Активация слайд-бай. TEAG — общий эффективный воздушный зазор.

Другой метод приведения в действие устройства Холла известен как переключение лопастного прерывателя. Лопасть представляет собой ферромагнитный материал с уникальной конфигурацией вырезов. Лопасть может иметь нестандартную форму для линейного или вращательного движения. При переключении лопастного прерывателя магнит и устройство Холла устанавливаются в стационарном положении, так что устройство Холла принудительно переходит в состояние «включено» активирующим магнитом. Когда железный материал лопасти проходит между устройством Холла и активирующим магнитом, лопасть образует магнитный шунт, отклоняющий поле от устройства Холла. Техника лопастного прерывателя часто используется там, где требуется точное переключение (см. рис. 4).

 

Рис. 4. Переключение лопастного прерывателя Холла.

 

ИС скорости и направления

Вариантом переключения лопастных прерывателей является использование специализированных устройств Холла с обратным смещением (см. рис. 5). Устройства с обратным смещением можно использовать для бесконтактного переключения или определения скорости и угла зуба шестерни. В этих устройствах редкоземельная таблетка и датчик Холла объединены в один корпус, что снижает проблемы с размещением и выравниванием. ИС датчиков с обратным смещением обычно находятся в выключенном состоянии. Когда железный материал проходит перед упаковкой, магнитное поле проходит через активную поверхность устройства Холла, активируя ИС.

 

Рис. 5. Приведение в действие Холла зубчатого колеса.

 

ИС датчиков тока

Еще одно применение эффекта Холла — измерение тока, протекающего по проводу или проводнику. Для малых токов до 20 А кристалл Холла и первичный ток можно объединить в стандартный корпус SOIC-8 для поверхностного монтажа (см. рис. 6). Использование технологии флип-чипа приводит к оптимизированной магнитной связи между активной поверхностью элемента Холла и полем, создаваемым измеряемым током. Этот метод упаковки устраняет необходимость в концентраторе флюса. Внутреннее сопротивление медного пути, используемого для измерения тока, обычно составляет 1,5 мОм для низких потерь мощности.

 

Рис. 6. Датчик тока Холла в корпусе SOIC-8.

 

Для больших токов до 200 А размеры медного проводника должны быть увеличены с учетом плотности тока внутри материала. Из-за магнитной связи между этим более толстым проводником и линейным элементом Холла необходимо использовать концентратор потока (см. рис. 7). Достижимо типичное сопротивление первичного проводника всего 100 мкОм.

 

Рис. 7. Датчик тока на ИС для сильноточных (> 200 А) приложений.

 

Устройства на эффекте Холла имеют основное преимущество перед другими технологиями измерения тока, поскольку путь измерения тока полностью электрически изолирован от входных/выходных сигналов низкого напряжения.

Примеры применения

Технология Холла заменяет традиционные датчики во многих приложениях, включая дверные выключатели, положение ручки, скорость барабана, измерение уровня воды и управление двигателем. Выбор подходящего устройства Холла зависит от требуемого уровня точности и контроля. В этой статье представлен пример того, как технология Холла может быть использована в современных бытовых приборах.

Положение ручки

ИС датчиков Холла обеспечивают бесконтактное решение для определения положения ручки прибора. Существует несколько методов определения положения ручки. Например, если в приложении требуется ограниченное количество дискретных положений ручки, можно использовать простые переключатели, такие как A1120 или A321x. Каждый переключатель в приложении представляет собой отдельную метку положения вокруг ручки. Когда магнит, прикрепленный к поворотной ручке, находится над одним из стационарных переключателей, простая электронная логика может расшифровать, какой уровень был выбран.

Для приложений с более высокой точностью можно использовать линейное устройство в сочетании с микропроцессором. Когда ручка поворачивается, линейное устройство обеспечивает абсолютное аналоговое положение ручки на основе затухания магнитного поля от элемента Холла, в то время как справочная таблица в микропроцессоре интерпретирует положение магнита. Подходящее линейное устройство зависит от желаемой точности приложения. Возможности включают A132x или программируемый A138x.

Различные отклики выходного напряжения от переключателя и линейной реализации положения ручки показаны на рис. 8.

 

Рис. 8. Зависимость переключателя Холла от линейной реакции на положение ручки.

 

Датчик уровня жидкости

Переключатели и линейные датчики также можно использовать для контроля уровня жидкости, например, в стиральных или посудомоечных машинах. Простым методом измерения уровня жидкости является использование нескольких датчиков Холла в сочетании с магнитом, подвешенным на поплавке. По мере того, как поплавок поднимается внутри трубы, он приводит в действие дискретные переключатели, расположенные снаружи корпуса трубы, которые в цифровом виде показывают уровень воды (см. рис. 9).). A1120 был бы подходящим коммутатором для этого приложения.

 

Рис. 9. Метод определения уровня жидкости с использованием магнитного поплавка и переключателя.

 

Технология Холла также может использоваться для модификации, а не замены традиционных методов измерения уровня жидкости. Например, один из подходов, используемых в настоящее время для определения того, что барабан заполнен, заключается в расширении пластиковой диафрагмы, которая давит на механический переключатель. Альтернативой сборке механического переключателя может быть имплантация магнита в диафрагму и подвешивание над ней переключателя Холла в конфигурации «лоб-в-лоб» (см. рис. 10). Вместо использования переключателя измерение с более высоким разрешением может быть достигнуто с помощью линейного датчика. Линейное решение будет определять абсолютный уровень воды в резервуаре, а не просто указывать, когда резервуар полон. В зависимости от желаемой точности подойдет линейный датчик поверхностного монтажа, такой как A132x, или программируемый A138x. В этих приложениях Hall имеет преимущество надежности, долговечности, простоты, размера и веса по сравнению с механическими кулачковыми переключателями.

 

Рис. 10. Метод определения уровня жидкости с использованием надувной диафрагмы.

 

Обнаружение вращения барабана

ИС датчика Холла полезны для различных потребностей измерения вращения барабана, таких как скорость, направление и обнаружение обрыва ремня.

Простой индикатор вращения можно сконструировать, прикрепив магнит к вращающемуся барабану и используя стационарный переключатель Холла. Каждый раз, когда барабан делает полный оборот, переключатель посылает цифровой импульс. Этот сигнал можно использовать, чтобы просто указать, вращается ли барабан, или его также может использовать микропроцессор для расчета скорости. Если требуется более высокая точность положения барабана, угловое положение барабана можно определить с помощью дифференциальной конструкции Холла, такой как A3425, в сочетании с конфигурацией шестерни, как показано на рис. 5. Более сложные конфигурации Холла с обратным смещением, такие как A3423, способны предоставлять информацию о скорости барабана и определении направления.

Помимо определения положения, скорости и направления вращающегося барабана, также полезно обнаруживать обрыв ремня. Например, если нагревательный элемент в сушилке не выключается при обрыве ремня сушилки, отсутствие вращения может привести к возгоранию одежды. На рис. 11 показана возможная схема обнаружения обрыва ремня, которая работает с использованием магнита, прикрепленного к вращающемуся барабану, и стационарного датчика Холла. В этой схеме центральный узел заряжается со скоростью, определяемой парой R1C1. Когда магнит проходит мимо переключателя Холла, сигнал IC VOUT претерпевает переход от высокого к низкому к высокому. Нарастающий фронт сигнала VOUT временно включает транзистор Q1, разряжая центральный узел. Порванный ремень остановит вращение барабана, предотвратив переход нарастающего фронта. Это позволяет центральному узлу свободно заряжаться. Когда центральный узел достигает напряжения, которое включает пару Дарлингтона, выход схемы переключается на цифровой низкий сигнал, указывающий на неисправность ремня.

 

Рис. 11. Схема обнаружения обрыва ремня с помощью простого датчика Холла.

 

Управление двигателем

ИС датчика тока на эффекте Холла — это надежное и простое средство контроля тока двигателя как для управления, так и для защиты. Потребляемый двигателем ток прямо пропорционален развиваемому им крутящему моменту. Таким образом, типичный метод управления скоростью и приложенной силой двигателя состоит в том, чтобы передать данные об измерении потребляемого тока в микропроцессор. Затем микропроцессор может рассчитать, должен ли быть приложен больший или меньший ток к двигателю, чтобы достичь желаемой скорости. ИС датчика тока на эффекте Холла могут быть включены непосредственно последовательно с двигателем (или любой индуктивной нагрузкой), поскольку они имеют медный выводной корпус с очень низким сопротивлением.

Традиционные методы определяют ток двигателя с помощью шунта, помещенного в заземляющий переключатель узла управления двигателем. При таком подходе можно контролировать только половину тока двигателя, что снижает точность и увеличивает потери I ² R. ИС датчиков тока на эффекте Холла имеют входные источники питания, полностью изолированные от пути тока, что позволяет проводить измерения с высокой точностью и низким энергопотреблением. Allegro ACS712 доступен в корпусе SOIC-8 для использования с небольшими номинальными токами, а ACS75x находится в корпусе CB для больших потребностей измерения тока.

Micro-Power Solutions

По мере того, как общество продолжает углублять свое понимание экологических проблем, растет спрос на устройства с низким энергопотреблением. Требования программы Energy Star федерального правительства США с каждым годом становятся все более жесткими. Allegro MicroSystems первой предложила микромощные выключатели и линейные переключатели Холла, чтобы помочь производителям минимизировать энергопотребление своих устройств.

В коммутаторах семейства 321x используется уникальная схема тактирования и номинальное рабочее напряжение 2,75 В, что обеспечивает типичное энергопотребление 15 мкВт. 139x семейство линейных приборов Холла имеет номинальное рабочее напряжение 3 В при потребляемой мощности 10 мВт в активном режиме. Устройства 139x также имеют спящий контакт, который позволяет микроконтроллеру отключать устройство, снижая энергопотребление до номинальных 75 мкВт (см. рис. 12). Кроме того, когда устройство 139X находится в спящем режиме, выход устройства переходит в состояние с высоким импедансом. Таким образом, к одному входу аналого-цифрового преобразователя можно подключить несколько ИС линейных датчиков Холла 139X, если используется схема опроса для контроля выхода одного A139. X в любой момент времени.

 

Рис. 12. Схема микромощного линейного усилителя A139x 3 В с контактным входом для отключения.

 

Заключение

Приложения, описанные в этой статье, — лишь несколько примеров того, как технология Холла повышает производительность и надежность современных устройств по сравнению с традиционными методами реализации. Дополнительные области применения Холла приведены в таблице 1. Подходящее устройство Холла для данного применения можно найти с помощью руководств по выбору Allegro.

Таблица 1: Современные приложения для устройств на эффекте Холла
Прибор	Заявка	Опции типа устройства Холла
Шайба	Крышка/дверь открыта/закрыта	Переключатель
	Ток двигателя	Линейный; встроенный датчик тока IC
	Скорость/направление барабана	Зуб шестерни; близость; переключатель
	Вне баланса	Линейный; переключатель
	Уровень воды	Линейный; переключатель
	Диск управления циклом	Линейный; переключатель
	Расходомер	Защелки; двухполюсные переключатели; линейный
Сушилка	Крышка/дверь открыта/закрыта	Переключатель
	Ток двигателя	Линейный; встроенный датчик тока IC
	Скорость барабана	Зуб шестерни; близость; переключатель
	Порванный ремень	Переключатель; встроенный датчик тока IC
	Диск управления циклом	Линейный; переключатель
Духовка	Подсветка дверцы духовки	Переключатель
	Самоочищающийся дверной замок/блокировка	Переключатель
Холодильник	Льдогенератор полный	Защелка; переключатель
	Дверной свет	Переключатель
	Ток двигателя	Линейный; встроенный датчик тока IC
	Позиция на полке	Линейный; переключатель
Посудомоечная машина	Дверь открыта/закрыта	Переключатель
	Ток двигателя	Линейный; встроенный датчик тока IC
	Движение распылителя	Зуб шестерни; близость; переключатель
	Уровень воды	Переключатель; линейный
	Расходомер	Защелки; биполярные переключатели
Пылесос	Ток двигателя	Линейный; встроенный датчик тока IC
	Коммутация двигателя VR	Защелка; биполярные переключатели
	Вкл. /выкл.	Переключатель
	Контроль скорости	Линейный; переключатель
Торговый автомат	Исходное положение	Переключатель
	Счетчик импульсов/энкодер	Защелка; биполярный переключатель
	Переключатель выбора	Переключатель
Устройство для открывания гаражных ворот	Конечные положения	Переключатель
	Счетчик импульсов/энкодер	Защелка; биполярный переключатель
	Ток двигателя	Линейный; встроенный датчик тока IC
Блендер	Контроль скорости	Линейный; переключатель
Умягчитель воды	Положение клапана	Защелка; выключатель; линейный

 

Литература

Г. Пепка. «Определение положения и уровня с использованием технологии измерения эффекта Холла».
Технический документ Allegro MicroSystems.
Sensor Review Journal SR27-1, февраль 2007 г.

М. Хопкинс. «Современное состояние технологии эффекта Холла и ее значение для проектирования и разработки бытовой техники».
Технический документ Allegro MicroSystems.
IATC, март 2004 г.

А. Фридрих, М. Дуг, Дж. Каммингс. «Последние тенденции в измерении тока на эффекте Холла».
Технический документ Allegro MicroSystems.
PCIM 2006, май 2006 г.

Описанные здесь продукты производятся в соответствии с одним или несколькими из следующих патентов США: 5,619,137; 5 621 319; 6 781 359; 7 075 287; 7 166 807; 7 265 531; 7 425 821; или другие патенты на рассмотрении.

Allegro MicroSystems, LLC оставляет за собой право время от времени делать такие отклонения от подробных спецификаций, которые могут потребоваться для улучшения производительности, надежности или технологичности своей продукции.