Устройство датчика холла: Датчик Холла – принцип работы из школьного курса физики

Содержание

Устройство, принцип работы датчика Холла, его применение в автомобиле

Сегодня роль электроники в автомобилестроении трудно переоценить. Автоматика оперативно контролирует и управляет всеми агрегатами современного автомобиля, обеспечивая их максимальную эффективность при высокой надёжности.

Но это возможно только при наличии достаточного количества датчиков, сообщающих электронному блоку управления множество различных параметров для выработки управляющих сигналов.

Одно из таких устройств в современном двигателе – датчик Холла. Принцип его функционирования основан на эффекте отклонения электронов в проводнике под воздействием силы Лоренса, возникающей при взаимодействии магнитного поля с движущимися заряженными частицами.

Если через две стороны плоского прямоугольного проводника помещённого плоскостью перпендикулярно силовым магнитным линиям пропускать электрический ток, то в результате их взаимодействия с электронами на двух других сторонах прямоугольника появляется электрический потенциал.

Причём сторона, куда отклоняются электроны, зависит от направления силовых магнитных линий. В результате этого эффекта создаётся плюсовой и минусовой полюс выходного потенциала.

Величина его небольшая – до 100 милливольт, и зависит от силы протекающего тока и напряжённости поля. Но этого вполне достаточно для того, чтоб электронная схема смогла его зарегистрировать.

Добавление к чувствительному элементу полупроводниковой схемы позволило создать компактный прибор, свободный от недостатков контактного прерывателя, создающего так называемый «дребезг» во время замыкания или размыкания. Благодаря сравнительно низкой цене при небольших размерах датчики Холла применяются весьма широко.

Например, для бесконтактного измерения тока, индикации или измерения уровня магнитного поля, а также в ноутбуках либо телефонах-раскладушках для отключения питания при закрывании крышки.

В автомобилестроении датчики Холла используются преимущественно для определения положения коленчатого вала, при котором следует подавать высоковольтный импульс создающий разряд на свече зажигания.

РАЗНОВИДНОСТИ ДАТЧИКОВ ХОЛЛА

По типу исполнения датчики бывают:

  • аналоговыми;
  • дискретными.

Первый тип просто генерирует двухполярный потенциал, пропорциональный напряженности и направлению магнитного поля, либо однополярный, показывая лишь его абсолютное значение. Подобные аналоговые приборы используют как измерительные.

Дискретные (цифровые) датчики разделяются на однополярные, включающиеся или выключающиеся при наличии либо отсутствии магнитного поля, и биполярные, реагирующие включением на один полюс, и выключением на другой полюс магнита.

Как правило, автомобильный датчик Холла состоит из постоянного магнита, находящегося на определённом расстоянии от чувствительного элемента, и микросхемы, усиливающей сигнал с него. Ротор из ферромагнетика (сталь, железо), своими лопастями периодически перекрывают магнитное поле между магнитом и чувствительным элементом.

Если поле не перекрыто ротором, микросхема генерирует сигнал единицы, близкий по напряжению к питающему уровню бортовой сети. Когда лопасть ротора перекрывает магнитное поле, сигнал на выходе микросхемы близок к нулю.

В системах зажигания, используются цифровые датчики с высокой стабильностью включения, непосредственно коммутирующие напряжение питания. По сравнению с обыкновенными контактными прерывателями датчики Холла характеризуются повышенной чувствительностью к электромагнитным помехам, что устраняется помещением их в магнитный экран из магнитомягкого материала (пермаллоя).

Электронная схема также несколько снижает его надёжность. Но всё это окупается высочайшей стабильностью срабатывания, а значит момента зажигания и возможностью качественной его регулировки.

КАК БЫСТРО ПРОВЕРИТЬ ДАТЧИК ХОЛЛА

Иногда в процессе эксплуатации возникают неисправности, требующие проверки работоспособности датчика Холла. Вот типовые признаки подобных дефектов:

  • мотор плохо запускается, вообще не заводится или самопроизвольно глохнет;
  • обороты коленчатого вала нестабильны, заметны рывки при работе.

Способов проверки существует несколько:

1. Простейший – заменить на заведомо исправный прибор. Не слишком эон дорог, чтобы было накладно всегда при себе иметь запасной.

2. Мультиметром в режиме вольтметра. Датчик при этом должен быть стандартно подключен к массе (клемма «-» аккумулятора) и клемме «+» аккумулятора. Для проверки подключают щупы вольтметра к общему проводу и сигнальному контакту датчика.

Перекрывая зазор датчика куском железной или стальной пластины, например, лезвием ножа наблюдаем за показаниями вольтметра. При отсутствии пластины напряжение должно быть равно примерно 0,4 В, при наличии – 11 В.

Более сложные способы проверки для любителей не подходят , посему они здесь не приводятся, а для специалистов подобные описания излишни.

  *  *  *

  • Телеграм   
  • YouTube   

© 2014-2022 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Датчик Холла | Электротехническая Компания Меандр

СНЯТО С ПРОИЗВОДСТВА АНАЛОГОВ НЕТ

ВИКО-Х-102-М8

 

  • Диаметр корпуса 8мм

  • Диапазон питающего напряжения DC5…24В

  • Рабочая зона  0…10мм

  • Высокая частота переключения 320кГц

  • Выход NPN транзистор с открытым коллектором, нормально открыт

  • Защита от переполюсовки питающего напряжения

  • Большой ресурс срабатываний

  • МАГНИТ В КОМПЛЕКТЕ 10Х4 мм

 

НАЗНАЧЕНИЕ ДАТЧИКА ХОЛЛА

 Бесконтактный датчик ВИКО-Х-102-М8 (далее датчик) предназначен для работы в составе устройств индикации оборотов валов с высокой скоростью вращения, объектов сложной формы из ферромагнитных материалов (зубчатых колёс), в качестве датчика скорости для двигателей с возбуждением на постоянных магнитах. Датчик может использоваться в качестве конечного выключателя в системах автоматических приводов.
 

РАБОТА ДАТЧИКА

 Принцип работы датчика основан на эффекте Холла — изменение характеристик чувствительного элемента при воздействии внешнего магнитного поля.
 При увеличении внешнего магнитного поля до некоторого значения, происходит срабатывание триггера и изменение коммутационного состояния выключателя. Дальнейшее увеличение магнитного поля не влияет на состояние выключателя. При уменьшении напряжённости магнитного поля происходит обратный процесс и выключатель возвращается в исходное состояние.

 При входе в чувствительную зону объекта из ферромагнитного материала, уменьшается напряжённость внешнего магнитного поля до некоторого значения, происходит срабатывание триггера и изменение состояния выхода датчика. Дальнейшее уменьшение  напряжённости магнитного поля не влияет на состояние выхода. При удалении объекта из чувствительной зоны, напряжённость магнитного поля возрастает и происходит обратный процесс – выключатель возвращается в исходное состояние.

 

 

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКА ХОЛЛА

Параметр

Ед.изм.

Значение

Тип исполнения по принципу действия

 

Эффект Холла

 

Напряжение питания

В

DC5…24

Напряженность магнитного поля

мТ

22

Номинальный ток нагрузки

мА

200

Падение напряжения на выходе (в открытом состоянии), не более

В

1,5

Ток потребления, не более

мА

8

Расстояние воздействия, Sn

мм

0…10

Максимальная частота переключения

кГц

320

Регулировка чувствительности

 

нет

Степень защиты датчика

 

IP67

Схема подключения

 

трёхпроводная

Способ подключения

 

кабель 3×0,2 мм2  — 2м

Температура окружающей среды

0C

-25…+70

Материал корпуса

 

Латунь (ХРОМ)

Масса, не более

кг

0,1

 

СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДАТЧИКА

 

ГАБАРИТНЫЕ РАЗМЕРЫ ДАТЧИКА

 

Серия ВИКО-Х

М

А

Б

В

Г

Д

Е

ВИКО-Х-102-М8

8х1

35

28

2,5

7

12

 

ТУ 4218-004-31928807-2014

Форум и обсуждения  —  здесь

 

Наименование

Заказной код

(артикул)

Файл для скачивания

(паспорт)

Дата файла

ВИКО-Х-102-М8

4640016932979

13.04.2015

 

признаки и причины неисправности, проверка, ремонт, замена

В современном автомобиле установлено множество датчиков, сигнализирующих о различных процессах, протекающих внутри и снаружи машины. Так, спидометр работает благодаря датчику, измеряющему частоту оборотов колес, лямбда-зонд – измеряет количество кислорода в отработанных газах. Задача датчика Холла – это участие в определении момента зажигания, без которого нормальная работа двигателя была бы невозможна.

Назначение и принцип работы датчика Холла

Датчик Холла берет название от фамилии изобретателя, который в 1879 г открыл гальваномагнитное явление. Его суть заключается в возникновении разницы потенциалов при помещении проводника в магнитное поле, что вызывает поступление на него постоянного электрического тока. Датчик использует описанный выше эффект в условиях установленного под напряжением внутри прибора проводника, на который воздействует магнитное поле, пересекающее его поперек, и создает электродвижущую силу.

Принцип работы устройства основан на фиксации присутствия или отсутствия магнитного поля. При достижении силы индукции определенного значения, датчик показывает наличие поля. Если показатель ниже установленного значения, датчик указывает на его отсутствие. Чувствительность прибора определяется способностью фиксировать магнитное поле различной индуктивности, и может изменяться в зависимости от необходимых требований.

Автомобильный датчик Холла предназначен для измерения импульсов, на основании которых электроника блока управления зажиганием дает команду образования искры в необходимый для этого момент. Конструктивно прибор состоит из следующих частей:

  1. Постоянного магнита.
  2. Стального экрана с несколькими прорезанными отверстиями.
  3. Полупроводниковых пластин.

Из датчика выходит разъем, содержащий 3 клеммы:

  1. Первый выход соединяется с «массой».
  2. Второй предназначен для подключения напряжения 6 В.
  3. Третий подает преобразованный импульсный сигнал в коммутатор.

В большинстве случаев датчик располагают на трамблере. Он определяет момент подачи искры и используется вместо контактов. Существует цифровая модификация датчика, которая бывает биполярная и униполярная. Первый тип срабатывает при смене полярности, а второй при появлении поля.

Признаки неисправности датчика Холла

Неисправности датчика Холла могут иметь различные признаки, на основании которых даже опытному мастеру не всегда удается сразу выявить поломку. Наиболее типичные симптомы поломки датчика следующие:

  1. Двигатель плохо запускается или не запускается вообще.
  2. При езде автомобиля на высоких оборотах, происходят подергивания из-за работы двигателя.
  3. Работа двигателя на холостом ходу характерна рывками и перебоями.
  4. Двигатель глохнет при движении.

Проверка

Исправность датчика Холла можно проверить следующими способами:

  1. Установкой заведомо исправного датчика на место проверяемого. Если при запуске двигателя проблемы исчезли, значит «родной» датчик неисправен, и нуждается в ремонте или замене.
  2. Замер тестером выходного напряжения датчика. Исправное устройство покажет напряжения, находящиеся в пределах от 0,4 до 11 В.
  3. Созданием имитации датчика снятием с трамблера трехштекерной колодки, соединением проводами 3 и 6 выхода коммутатора и включением зажигания. Появившаяся искра свидетельствует о поломке датчика.

Ремонт датчика Холла

Конструкция датчика Холла достаточно проста, и прибор редко выходит из строя. Но при его поломке автомобиль становится обездвиженным, и деталь требует срочной замены. Поскольку датчик достаточно дорогой, особенно для иномарок, имеет смысл попытаться самостоятельно его отремонтировать. Для примера можно взять прибор автомобиля Фольксваген, который устанавливают на различные модели машин данного автопроизводителя.

Самая ненадежная часть датчика – логический элемент S441А, представляющий собой чувствительную часть прибора, которая и выходит из строя. Целью ремонта является ее замена. Сама процедура состоит из следующих этапов:

  1. Покупка вышедшего из строя элемента или его аналога.

2. Проверка детали на работоспособность. С этой целью последовательно соединяют светодиод и резистор (1 или 2 кОм) и крепят к контактам «+» и «выход». Величина тока должна варьироваться от 3 до 30 В, а исправность элемента проверяется магнитом: при его воздействии срабатывает светодиод.

3. Дрелью и сверлом по металлу в центре датчика Холла проделывают отверстие, ножом «заподлицо» обрезают провода, надфилем прокладывают канавки от проделанного отверстия до выходов удаленных проводов.

4. Размещение активного элемента в проделанном окошке и проверка его на работоспособность. Так, при подключенных контактах и прохождении шторки через прорези, светодиод должен загораться, и при закрытии магнитного потока – гаснуть.

5. Если схема отказывается работать, элемент переворачивают и снова проводят проверку (полярность расположения имеет значение).

6. Если проверка прошла успешно, производят разводку выводов элемента в канавках корпуса. В самом окошке подпаивают провода, которые идут к соединительному разъему старого датчика. Обращают внимание на правильную последовательность проводов и их совпадение с маркировкой разъема трамблера («+», «0», «-»).

7. Завершив пайку, визуально и тестером проверяют отсутствие коротких замыканий в датчике. При успешной проверке заделывают технологическое отверстие термостойким клеем.

8. Датчик ставят на место и проверяют схему на предмет отсутствия коротких замыканий: никакой из проводов не должен звониться на корпус.

Аналогично восстанавливаются датчики многих автомобилей. Кроме Фольксваген, ремонту поддаются приборы на Daewoo, AUDI, Mitsubishi, и т. д., так как их принцип действия во всех случаях один и тот же.

Замена датчика Холла

Замена датчика Холла – операция достаточно простая, которую может самостоятельно выполнить даже начинающий автолюбитель. Все действия осуществляются в следующем порядке:

  1. Демонтаж трамблера.
  2. Снять крышку трамблера и совместить метки газораспределительного механизма с меткой коленчатого вала.
  3. Зафиксировать положение трамблера, после чего при помощи гаечного ключа открутить крепеж.
  4. Извлечь стопоры и фиксаторы.
  5. Извлечь вал из трамблера.
  6. Отсоединить на датчике клеммы и открутить его.
  7. Осторожно вытащить неисправный прибор через щель, образовавшуюся при оттягивании регулятора.
  8. Установка нового датчика Холла осуществляется в обратной последовательности.

За что отвечает датчик холла

Прибор назван по имени создателя — учёного Эдвина Холла. Открытие, которое учёный совершил в 1879 году, оказалось поистине фундаментальным, нашло применение не только в автомобилестроении. А открыл физик гальваномагнитный эффект, суть которого — различие в воздействии магнитного поля на свойства подключенных к электричеству проводников.

Датчик Холла — что это такое в автомобиле?

Датчик используют на машинах с бесконтактной основой, ставшей очередной вехой в эволюции устройств, применяемых для включения системы подачи горючего. Именно бесконтактный измеритель – ее главная особенность. Также система отличается контактным зажиганием. Принцип работы датчика Холла — фиксация перемен, происходящих в магнитном поле, путем изменения напряжения мотора, генерируемого на выходе.

Прибор заменяет собой контакты, используется для контроля величины напряжения. Благодаря ему при перегрузках в бортовой сети происходит деактивация двигательной системы. При перегреве контроллера включается температурная защита. Металлический экран датчика имеет прорези, на которых формируется магнитное поле. Благодаря этому в пластине появляется напряжение. Из-за того, что прорези чередуются, оно является пониженным.

Поломка прибора приводит к возникновению неисправностей инжектора.

За что отвечает датчик Холла?

Прибор отвечает за передачу командных сигналов. Он определяет скорость машины и переключает контакты. Это аналоговый преобразователь, активируемый при помощи коммутатора, который излучает магнитное поле. Если в работе двигательной системы возникнут сбои, устройство сможет замерить текущее напряжение без разрыва цепи.

У устройства есть и другие функции. Речь идет о повышении мощности двигательной системы и динамизации работы систем автомобиля. Датчик соединен с распределителем, составляет с ним единый механизм. Прибор напоминает прерыватель с аналоговым приводом. Иногда его совмещают с коленвалом двигателя. Назначение данного прибора можно охарактеризовать так — оперативное включение антиблокиратора тормозов ДВС и тахометра.

Как работает датчик Холла и как он устроен?

Проводя свои исследования, Холл установил: когда пластина в магнитном поле и под напряжением, в ней происходит отклонение электронов. Поток магнитных частиц движется перпендикулярно этому движению. Направление отклонения электронов напрямую зависит от полярности магнитного поля. Значит, на различных сторонах металлической пластинки плотность электронов будет разной.

Технологии совершенствовались, и этот принцип лег в основу прибора, который сейчас принято называть по имени человека, открывшего это явление.

Схема работы датчика следующая:

  • Сквозь пластины устройства проходит электричество.
  • В магнитном поле образуется разница потенциалов. Затем она постепенно выравнивается с помощью постоянного магнита. Сила тока на выходе при этом может различаться.
  • Когда на вход прибора поступает сигнал, формируется постоянный импульс, имеющий прямоугольную форму. Этот импульс видим только на осциллографе.

Есть аналоговые и цифровые измерители. Аналоговый трансформирует магнитную индуктивность в электричество. Сила тока находится в зависимости от величины магнитного поля.

Эту конструкцию не используют в новых машинах — она устарела. Индукция цифрового прибора достигается, только если значение магнитного поля переходится через определенный рубеж. Устройство не активируется при слишком слабом магнитном поле. В старых авто датчик применяли для подачи искры на свечи.

Устройство датчика Холла таково:

  • магнитная основа;
  • роторная лопатка;
  • провод для прохождения магнитного потока;
  • корпус из пластика;
  • электронная микросхема;
  • контактная система.

Всего в контроллере 3 контакта. Первый подводится к массе. Второй нужен для подключения напряжения, сила которого составляет 6 вольт. С третьего контакта происходит передача импульсов на коммутатор.

Достоинства устройства

У датчика Холла много достоинства. Главное – отсутствие контактов и, как следствие, надежность. Нет деталей, которые при езде трутся друг о друга. Датчик содержит только твердотельную электронику.

Устойчивость к ударам и вибрации тоже высока. Прибор может работать в широком диапазоне магнитных частот — до 100 кГц. Он не дает сбои при работе в экстремальных температурных условиях, способен выдержать до +150 градусов и до -40. Производительность двигательной системы благодаря датчику намного повышается.

Автопроизводители обычно используют датчик для контроля скоростного режима валов и колес. Также его применяют в бесщеточных двигателях, работающих от постоянного тока — в них он определяет место нахождения постоянного магнита.

Датчик Холла увеличивает эффективность двигательной системы, повышает ее ресурс. Отвечает за коммуникацию систем машины. Конструктивные особенности прибора зависят от возложенных на него функций. Время от времени прибор нужно проверять. Как правило, проверку проводят при помощи осциллографа.

Датчик Холла или распредвала — это такое устройство, которое отвечает за образование искры для запуска двигателя. От его рабочего состояния зависит бесперебойное функционирование двигателя авто.

Для чего нужен датчик Хола в автомобиле?

Где находится и как выглядит?

Какие могут быть неисправности?

Создание имитации контроллера Холла

Как заменить датчик своими руками?

Видео «Последствия неправильной установки датчика Холла»

Комментарии и Отзывы

Для чего нужен датчик Хола в автомобиле?

Прибор используется вместо контактных элементов и может применяться для слежения за величиной тока нагрузки. Благодаря этому датчику выполняется деактивация двигателя при появлении токовых перегрузок в бортовой сети. Если контроллер перегревается, производится включение температурной защиты.

Принцип работы

Скачки напряжения в электросети мотора могут иметь последствия для датчика. Поэтому современные устройства дополнительно комплектуются диодными элементами, которые препятствуют обратной активации напряжения. Принцип действия приспособления основан на эффекте Холла. Поперечная разность потенциалов образуется при перемещении одного из проводников в магнитное поле. Данный эффект достигается благодаря тому, что токи проходят через клеммные элементы пластины, которая находится в самом поле, с полупроводником.

Когда работает двигатель и вал силового агрегата вращается, стальные лопасти ходят по специальным прорезям, установленным внутри корпуса. Это способствует подаче электрического сигнала на коммутаторное устройство. В результате узел открывает транзисторный элемент и подает напряжение на катушку. Последняя выполняет процедуру преобразования низковольтного импульса в высоковольтный. Этот сигнал подается на свечи зажигания.

Подробно о принципе действия контроллера Холла рассказал канал «Радиолюбитель TV».

Где находится и как выглядит?

При необходимости замены неисправного устройства потребителю надо знать, где стоит контроллер. Он располагается в трамблере автомобиля и выполнен в корпусе в виде небольшого цилиндрического элемента. Чтобы получить доступ к устройству, необходимо разобрать распределительный узел и снять крышку, бегунок и прочие детали механизма. На наружной стороне трамблера к контроллеру Холла подключается разъем с проводкой.

Устройство

Оптический регулятор положения распределительного вала устроен так:

  • 1 — постоянное магнитное устройство;
  • 2 — лопасть роторного механизма;
  • 3 — магнитопроводы;
  • 4 — пластиковый корпус, в который заключаются все элементы устройства;
  • 5 — плата;
  • 6 — контактные выводы.

Схема приспособления контроллера Холла

Устройство комплектуется тремя контактами:

  • первый используется для подключения к массе, то есть кузову автомобиля;
  • второй необходим для подсоединения плюсового напряжения, рабочий параметр которого составляет примерно 6 вольт;
  • третий контакт предназначен для подачи с него импульса на коммутаторное устройство.

Какие могут быть неисправности?

Признаки неполадок контроллера Холла:

  1. Наблюдается резкий рост потребления топлива в системе. Это обусловлено тем, что впрыск горючей смеси в силовом агрегате происходит больше одного раза за цикл прокручивания коленвала.
  2. Мотор машины стал функционировать менее стабильно. Транспортное средство во время движения дергается, мощность двигателя может резко падать. Иногда не получается увеличить скорость машины более чем на 60 км/ч. Во время движения силовой агрегат может произвольно заглохнуть.
  3. Иногда поломка датчика Холла становится причиной фиксации рычага трансмиссии. Скорости коробки передач переключить не получается, такая особенность характерна для новых иномарок. Чтобы решить проблему, необходимо перезапустить силовой агрегат.
  4. Неисправность может проявиться в виде отсутствия искры для воспламенения горючей смеси. Из-за этого запуск мотора машины будет невозможен.
  5. Вероятны сбои в функционировании системы самодиагностики. К примеру, на контрольном щитке появляется индикатор проверки мотора, если агрегат работает на холостом ходу. Когда обороты двигателя увеличиваются, ошибка с приборной панели пропадает.

Канал «Авто-Мото» рассказал о признаках неисправности регулятора, а также других элементов системы зажигания в автомобиле.

Если сам контроллер Холла целый и рабочий, то неисправность может быть связана с такими причинами:

  1. На корпус устройства попала грязь или другие посторонние предметы.
  2. Произошло повреждение либо обрыв сигнального кабеля, по которому подключен контроллер.
  3. В колодку для соединения датчика Холла с бортовой сетью попала влага. Решить проблему можно путем просушки разъема.
  4. Произошло замыкание сигнального проводника с кузовом или электросетью транспортного средства. Для определения неисправности необходимо прозвонить устройство.
  5. Произошло повреждение экранирующей составляющей на жгуте с проводкой. Возможен обрыв отдельных кабелей.
  6. Проблема может заключаться в повреждении проводников, предназначенных для питания контроллера Холла.
  7. При подключении устройства была спутана полярность. Из-за этого датчик функционирует некорректно или вовсе не работает.
  8. Неисправности в функционировании высоковольтной цепи системы зажигания.
  9. Неполадки в функционировании управляющего модуля автомобиля.
  10. При установке контроллера был неверно выставлен люфт между самим датчиком, а также магнитопроводящей пластиной.
  11. Проблема может заключаться в повышенной амплитуде торцевого воздействия шестеренки распредвала. Требуется детальная диагностика схемы.

Дмитрий Мазницын в ролике рассказал о причинах неисправности регулятора и дал рекомендации по их устранению.

Проверка датчика

Есть несколько способов диагностики контроллера. Самый точный вариант, который позволит получить осциллограмму — воспользоваться специальным оборудованием. Осциллограф не только определит состояние контроллера, но и даст точно понять, что устройство скоро выйдет из строя. Такое оборудование есть не у каждого электрика, поэтому ниже рассмотрены более простые, но не менее эффективные варианты.

Диагностика мультиметром

Перед выполнением тестирования устройство надо настроить в режим измерения постоянного тока, рабочий диапазон должен составить 20 вольт. Также потребуется два металлических штыря. Перед проведением диагностики с разъема устройства демонтируется резиновый чехол.

Процедура предварительной проверки, позволяющей установить, что на контроллер Холла подаются необходимые сигналы, выполняется так:

  1. С распределительного узла отключается основной бронепровод. Его необходимо соединить с массой автомобиля для предотвращения случайного появления разряда. Поскольку это приведет к запуску силового агрегата при диагностике.
  2. Затем производится активация системы зажигания.
  3. Разъем отключается от распределительного механизма.
  4. На тестере выставляется режим постоянного тока с диапазоном 20 вольт.
  5. Отрицательный контакт мультиметра подключается к кузову автомобиля, можно выбрать любое место. Положительный выход тестера будет использоваться для замера рабочего параметра напряжения.
  6. Разъем, подключенный к распределительному узлу, оснащается тремя контактами — красным, зеленым и белым, но расцветка проводников может быть другой. На первом выходе величина напряжения должна составить 11,37 вольт либо около 12 В, на втором — тоже в районе этого показателя. А на последнем проводнике рабочий параметр должен составить 0 вольт.

Следующий этап диагностики:

  1. Берутся два металлических штыря, можно использовать гвозди. Один из них устанавливается в средний контакт колодки (обычно зеленый цвет), а другой подключается к массе. Его расцветка, как правило, белая. Затем сам разъем подсоединяется обратно к распределительному устройству. Штыри используются в качестве проводников тока. На обратной стороне разъема открытых контактов нет, поэтому для проверки сами кабели придется оголить, а делать это не рекомендуется.
  2. Затем зажигание активируется. Положительный контакт тестера надо подключить к штырю среднего выхода на разъеме, а отрицательный — к белому проводнику. Производится замер напряжения. Если контроллер Холла рабочий, то полученная величина должна составить около 11,2 вольт.
  3. Затем надо прокрутить коленчатый вал силового агрегата и одновременно проверить показатели, которые выдает тестер. Если значения в ходе прокручивания снизятся до 0,02 вольт и затем увеличатся до 11,8 В, то это нормально. Так и должно быть в нижнем и верхнем пределе измерений. Можно отключать тестер.

Контроллер Холла считается рабочим, если при прокручивании коленчатого вала верхний предел измерений будет не ниже 9 вольт, а нижний — не выше 0,4 В.

Канал «Автоэлектрика ВЧ» подробно показал процедуру диагностики датчика с использованием тестера и рассказал об основных особенностях этого процесса.

Проверка сопротивления

Чтобы произвести диагностику этого параметра, потребуется простое устройство, состоящее из резисторного элемента на 1 кОм, диодной лампочки, а также гибких кабелей. К ножке источника освещения надо подключать резистор, для надежной фиксации используется пайка. К этой детали подсоединяются два проводника необходимой длины, важно, чтобы они были не короткими.

Принцип проверки выглядит так:

  1. Производится демонтаж крышки распределительного механизма. От контактов отсоединяется сам трамблер, а также колодка с проводами.
  2. Выполняется диагностика исправности электроцепи. Для этого тестер надо соединить с первой и третьей клеммами, а затем активировать зажигание. Если все проводники целые, то величина напряжения на дисплее мультиметра составит от 10 до 12 вольт.
  3. Затем аналогичным образом выполняется подключение собранного прибора к тем же выходам. Когда полярность соблюдена, то диодная лампочка загорится, если нет — то кабели надо поменять местами.
  4. Потом проводник, подключенный к первому выходу, остается нетронутым. А конец третьей клеммы переключается на вторую. Выполняется прокручивание распределительного вала. Это можно сделать руками либо с использованием стартерного механизма.
  5. Если в процессе выполнения этих действия источник освещения стал моргать, то контроллер работает правильно и не нуждается в замене.

Канал Altevaa TV рассказал о способе проверки датчика с использованием обычной лампочки на примере автомобиля Фольксваген.

Создание имитации контроллера Холла

Такой вариант диагностики датчика Холла считается наиболее быстрым, но его реализация возможна при наличии питания в системе зажигания и отсутствия искры.

От распределительного механизма отключается трехконтактный разъем. Производится активация зажигания в машине и с помощью куска проводника замыкаются контакты под номерами 2 и 3, это выходы сигнала и пин. Если в результате подключения на центральном кабеле образовалась искра, это говорит о поломке контроллера Холла. При выполнении задачи высоковольтный проводник необходимо держать у массы авто.

Устранение неисправностей

Ремонт рассмотрен на примере автомобиля Фольксваген.

Для восстановления работоспособности датчик можно отремонтировать:

  1. Для возобновления работы контроллера необходимо заменить логический компонент. Для этого заранее надо приобрести устройство S441А.
  2. В центральной части корпуса датчика, как показано на фото, с помощью дрели просверливается небольшое отверстие. Для этого потребуется качественное сверло, поскольку внутри контроллера, за пластиковой частью, имеется металлический каркас.
  3. Используя канцелярский нож, необходимо срезать каждый проводник. Затем прокладываются канавки от сделанного отверстия с помощью надфиля к остаткам кабелей.
  4. Само измерительное устройство монтируется в окошко корпуса. Для диагностики используется магнит. Если приложить этот элемент к контактам, на которые заранее подключен прибор, состоящий из диодной лампочки и резистора. Такое устройство использовалось для диагностики. В результате проверки лампа должна загореться. Если этого не произошло, то надо проверить полярность.
  5. Затем делается разводка выводов по канавкам корпуса. В самом окошке необходимо оставить проводники для соединительной колодки нового контроллера. Производится пайка элементов.
  6. На завершающем этапе производится проверка выполненных действий. Для этого используется тестер. Визуально необходимо убедиться в целостности всех контактов. Если устройство рабочее, то механизм герметизируется с помощью клея или другого состава, но не пластика. Этот материал может деформироваться при работе в условиях повышенных температур.
  7. Выполняется сборка контроллера, все действия осуществляются в обратной последовательности.

Как заменить датчик своими руками?

Чтобы поменять контроллер, надо действовать так:

  1. От аккумулятора автомобиля отключаются клеммные зажимы.
  2. Производится демонтаж распределительного механизма. От устройства отсоединяется колодка с проводниками, выкручиваются болты, фиксирующие узел.
  3. Выполняется демонтаж крышки распределителя. В зависимости от модели трамблера она может фиксироваться на болтах или специальных зажимах. Элементы крепления выкручиваются и демонтируются.
  4. После снятия важно совместить риску газораспределительного устройства с отметкой на коленвале силового агрегата. Также необходимо запомнить положение распределительного узла. Перед снятием рекомендуется сделать соответствующую метку.
  5. Элементы крепления корпуса откручиваются с помощью гаечного ключа. Производится демонтаж фиксаторов, если они установлены на механизме.
  6. Из распределительного узла извлекается вал.
  7. От контроллера Холла отсоединяются зажимы с клеммами.
  8. Выполняется демонтаж датчика из посадочного места. Для проведения задачи устройство надо потянуть на себя и аккуратно извлечь. Датчик демонтируется через появившееся отверстие.
  9. Берется новый контроллер и устанавливается вместо старого. Процедура монтажа выполняется в обратной последовательности.

Видео «Последствия неправильной установки датчика Холла»

Пользователь Дядя Саша рассказал, к чему может привести неверный монтаж устройства и дал рекомендации по устранению такой проблемы.

Датчик Холла – это один из важнейших элементов бесконтактной системы зажигания бензиновых двигателей. Малейшая неисправность этой детали приводит к серьезным неполадкам в работе мотора. Поэтому, чтобы не допустить ошибки при диагностике, важно знать, как проверить датчик Холла, и при необходимости – уметь его заменить.

Этот материал мы разделили на две части: теоретическую (назначение, устройство и принцип работы датчика Холла) и практическую – признаки неисправности, методы проверки и способы замены.

В конце статьи смотрите видео-инструкцию по самостоятельной замене Датчика Холла.

А перед тем, как проверять датчик Холла на наличие неисправностей, давайте разберемся с его назначением и принципом работы.

Что такое датчик Холла и как он работает

Датчик Холла (он же датчик положения распредвала) является одним из главных элементов трамблера (прерывателя-распределителя). Он находится рядом с валом трамблера, на котором крепится магнитопроводящая пластина, похожая на корону. В пластине столько же прорезей, сколько цилиндров в двигателе. Также внутри датчика находится постоянный магнит.

Принцип работы датчика Холла следующий: когда вал вращается, металлические лопасти поочередно проходят через прорезь в датчике. В результате этого вырабатывается импульсное напряжение, которое через коммутатор попадает в катушку зажигания и, преобразуясь в высокое напряжение, подается на свечи зажигания.

Датчик Холла имеет три клеммы:

  • одна соединяется с «массой»,
  • ко второй подходит плюс с напряжением около 6 В,
  • с третьей клеммы уходит преобразованный импульсный сигнал на коммутатор.

Признаки неисправности датчика Холла

Неисправности у датчика Холла проявляются по-разному. Даже опытный мастер не всегда сразу выявит причину неполадок двигателя.

Вот несколько самых распространенных симптомов:

  1. Мотор плохо заводится или не запускается вообще.
  2. На холостом ходу в работе двигателя появляются перебои и рывки.
  3. Машина может дергаться при движении на повышенных оборотах.
  4. Силовой агрегат глохнет во время движения.

При появлении одного из этих признаков, необходимо в первую очередь проверить исправность датчика Холла.

Также не стоит исключать из вида и другие неисправности системы зажигания, встречающиеся в автомобилях.

Как проверить датчик Холла

Простой способ проверки датчика положения распредвала (Холла) показан на следующем видео.

Существует несколько способов, позволяющих проверить исправность датчика Холла. Каждый автомобилист может выбрать для себя наиболее подходящий вариант:

  1. Взять для проверки рабочий датчик у соседа или на автомобильной разборке и установить его вместо «родного». Если проблемы двигателя исчезнут, значит, придется покупать новую деталь.
  2. При помощи тестера можно измерить напряжение на выходе датчика. В исправном устройстве напряжение будет изменяться от 0,4 В до 11 В.
  3. Можно создать имитацию датчика Холла. Для этого с трамблера снимают трехштекерную колодку. Затем включают зажигание и отрезком провода соединяют выходы 3 и 6 коммутатора. Появление искры свидетельствует о выходе датчика из строя.

Если в результате проверки обнаружится, что датчик Холла неисправен, тогда его необходимо заменить на новый.

Замена датчика Холла

Заменить датчик Холла не составит особых затруднений. С этой работой под силу справится своими руками даже начинающему автолюбителю.

Чуть ниже на видео достаточно подробно показан процесс замены датчика в трамблере автомобиля УАЗ.

Обычно замена датчика Холла состоит из нескольких этапов:

  • Прежде всего, трамблер снимается с машины.
  • Далее снимается крышка трамблера и совмещается метка механизма газораспределения с меткой коленвала.
  • Запомнив положение трамблера, нужно открутить крепежные элементы гаечным ключом.
  • При наличии фиксаторов и стопоров, их также следует извлечь.
  • Вал вытаскивают из трамблера.
  • Осталось отсоединить клеммы датчика Холла и открутить его.
  • Оттянув регулятор, неисправная деталь осторожно вынимается через образованную щель.
  • Новый датчик Холла устанавливается в обратной последовательности.

Проверка работоспособности датчика Холла позволяет не только точно определить причину отказа двигателя. Благодаря простым приемам автомобилист сэкономит свое время на ремонт, а также исключит ненужную трату денег.

Видео, как заменить датчик Холла своими руками

Применение датчиков Холла в устройстве контроля оптимальной загрузки дизельного двигателя Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.7.088 Д.А. Сивцов

ПРИМЕНЕНИЕ ДАТЧИКОВ ХОЛЛА В УСТРОЙСТВЕ КОНТРОЛЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ЗАГРУЗКИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Рассматривается проблема создания устройств контроля за оптимальной загрузкой дизельного двигателя тракторного агрегата на базе датчиков бесконтактного съема информации о величине информационных переменных.

Известно, что современный тракторный агрегат является одним из самых сложных в управлении из всей совокупности мобильных наземных машин. В результате исследований энергонасыщенных машинотракторных агрегатов установлено, что загрузка двигателя в эксплуатационных условиях в лучшем случае не превышает 75 % от номинальной мощности [1], а недогрузка двигателя снижает производительность всей машины и отрицательно влияет на топливную экономичность [2].

С увеличением рабочей скорости тракторного агрегата и сложности выполняемых операций увеличивается поток информации, которую водитель перерабатывает в единицу времени. Он быстро утомляется, его физических возможностей по своевременной переработке информации оказывается недостаточно, и он уже запаздывает с принятием решения и осуществлением управления тракторным агрегатом.

Наиболее эффективным способом повышения загрузки двигателя является применение автоматического бесступенчатого регулирования нагрузочных и скоростных режимов тракторных агрегатов, например, гидрообъёмных трансмиссий. Однако из-за высокой стоимости, недостаточной долговечности и низкого КПД они не получили широкого распространения [3].

Другим способом повышения производительности и топливной экономичности тракторных агрегатов является автоматизация процессов управления машиной. И в первую очередь необходимо автоматизировать наиболее существенные по эффективности и трудоемкости процессы, такие как управление двигателем и коробкой передач тракторного агрегата.

В известных устройствах информация о положении рычага управления всережим-ным регулятором двигателя (скоростной режим) и органа управления подачей топлива топливного насоса (нагрузочный режим) выводится в кабину водителя на панель приборов в аналоговом виде [4]. Водитель должен сам оценить степень перегрузки или недогрузки двигателя, отвлекаясь от контроля за дорожной ситуацией. Как известно, оптимальная область загрузки двигателя зависит от настройки двигателя на скоростной режим, поэтому, при переводе двигателя на частичные скоростные режимы, отображаемая оптимальная область загрузки двигателя постоянно изменяет свое местоположение, что неудобно для зрительного восприятия. Данное устройство нельзя использовать в качестве датчика при автоматизации процесса переключения передач без дополнительного усложнения конструкции аналого-дискретным преобразователем.

Одним из вариантов решения этой проблемы можно считать устройство для определения экономичного режима работы дизельного двигателя транспортного средства, разработанное в Могилевском машиностроительном институте (рис. 1).

В качестве информационных переменных устройства выбраны перемещения рейки топливного насоса высокого давления и отклонения рычага управления всережим-ным регулятором двигателя, что позволяет учесть не только воздействие водителя на режимы работы двигателя, но и реакцию двигателя на возникающие увеличения сопротивления движению со стороны грунта.

Рис. 1. Кинематическая схема устройства для определения экономичного режима работы дизельного двигателя транспортного средства

Устройство работает следующим образом. Световой поток от источника света через узкую щель 29 в шторке 3 попадает на первый торец световода 4. При этом на торце образуется узкая световая полоска. Поскольку ширина торцов когерентного световода 4 одинакова, то на втором торце 19 отображается такая же узкая световая полоска. Если при этом двигатель работает в оптимальной зоне загрузки, то узкая световая полоска находится на торце 19 между освещенными частями торцов 20 и 21 когерентных световодов 5 и 6, передающих световой поток с торцов 11 и 12, освещаемых источником света через поворотный диск 7.

При любом изменении нагрузки двигателя (а следовательно, и положения органа управления подачей топлива — рейки топливного насоса 1) или положения рычага управления всережимным регулятором двигателя 13 световые полоски на торцах 19, 20 и 21 также смещаются в соответствующую сторону.

Если световая полоска заходит за первый освещенный пучок 22, то значит двигатель перегружен; если за первый освещенный пучок 23 — то недогружен. Предоставление водителю подобной информации позволяет ему вносить свои коррективы, поддерживая работу двигателя в оптимальном режиме.

Устройство привлекает возможностью бесконтактного съема информации, достаточной надежностью, отсутствием искажений при передаче информации, но в настоящее время оптоволокно остается все еще дорогим материалом и при монтаже устройства необходимо тщательно соблюдать пыле- и грязезащищенность корпуса, в который выводятся торцы световодов. К тому же, способ вывода информации в кабину тракторного агрегата представляется не очень удобным. Водителю по выдаваемой информации предлагается самому определить режим загрузки двигателя.

Несколько другое решение обозначенной проблемы реализовано в устройстве контроля экономичной загрузки дизельного двигателя тракторного агрегата, разработанном в Белорусско-Российском университете (рис. 2).

При установившемся скоростном режиме в ответ на возникающие увеличения сопротивления движению возможно перемещение рейки топливного насоса. Это перемещение повторяет первая шторка 1, перекрывая соответствующим образом источник света 2 от торцов световода 3. Оптический сигнал преобразуется в электрический набором фотоэлементов 4 и далее поступает в микропроцессорный блок 9, который после обработки передает его на информационное табло 10 в кабину водителя [5].

к. \ /г~ Л. ч

в в ® 0 в

20 15 10 О4 5 5 % 10 15 20

Рис. 2. Устройство контроля экономичной загрузки дизельного двигателя тракторного агрегата

Манипуляции водителя рычагом управления всережимного регулятора двигателя приводят к перекрытию световода 7 шторкой 5 от источника света 6. В зависимости от количества освещенных световодов 8 вырабатывается электрический сигнал определенного номинала и подается на микропроцессорный блок 9 и далее, после обработки сигнала, на информационное табло 10 в кабину тракторного агрегата.

В данном устройстве также соблюдена бесконтактность съема информации, применение в конструкции микропроцессорного блока позволяет расширить область использования устройства, а включение в состав устройства фотоэлементов позволило существенно снизить затраты на оптоволокно путем частичной замены когерентных световодов электрическими проводами. Но в то же время, остается проблема защиты оптоволокна и фотоэлементов от загрязняющих факторов, сопутствующих условиям работы тракторного агрегата.

В качестве датчиков положения для позиционирования рейки ТНВД и рычага управления всережимным регулятором двигателя теоретически возможно применение преобразователей линейных перемещений (например, ЛИР-7) и преобразователей угловых перемещений (например, ЛИР-119 А), позволяющих проводить измерения с колоссальной точностью [6, 7].

Преобразователи перемещений ЛИР осуществляют преобразование измеряемого перемещения в последовательность электрических сигналов, содержащих информацию о величине и направлении этих перемещений, для последующей обработки в системах УЧПУ или УЦИ.

Принцип работы преобразователей основан на фотоэлектрическом считывании

растровых и кодовых сопряжений. В состав преобразователя входит растровое измерительное звено, состоящее из подвижного измерительного растра и неподвижного индикаторного растрового анализатора.

Применение подобных преобразователей в автомобилетракторостроении оказывается нерациональным из-за их дороговизны и определенного интервала рабочих температур (5…50 °С, 0…70 °С). Габаритные размеры самого преобразователя также не в их пользу (от 70 мм в длину).

В качестве датчиков позиционирования в составе устройства контроля оптимальной загрузки дизельного двигателя тракторного агрегата наиболее целесообразно применять датчики положения, использующие эффект Холла [8].

Датчики Холла восприимчивы к магнитным полям, приложенным в любой плоскости, перпендикулярной плоскости чувствительного элемента, работают как в переменных, так и в статических магнитных полях, что позволяет регистрировать бесконечно малые перемещения и скорости.

Выходное напряжение датчиков Холла прямо пропорционально величине действующего магнитного поля. Напряжение Холла, возникшее в результате действия магнитного поля, очень мало (около 30 мкВ/Гаусс), поэтому датчики снабжены встроенным дифференциальным усилителем, а некоторые из них имеют дополнительно стабилизатор напряжения, элементы термокомпенсации с лазерной подгонкой и схему защиты от переполюсовки (рис. 3). Выходной каскад строится, как правило, по двухтактной схеме с однополярным питанием [8]. При отсутствии магнитного поля на выходе присутствует постоянное напряжение смещения, равное примерно половине питающего напряжения.

Рис. 3. Функциональная схема датчика на эффекте Холла на примере 8819/8849

Размах выходного напряжения и чувствительность датчиков находятся в прямой зависимости от напряжения питания, которое находится в диапазоне 4,5. 12 В. Датчики характеризуются высокой нагрузочной способностью, линейной выходной характеристикой, широким диапазоном рабочих температур и питающих напряжений, долговременной стабильностью параметров и малым током потребления. Для работы датчиков требуется внешний магнит.

В Белорусско-Российском университете разработана и такая схема устройства контроля оптимальной загрузки дизельного двигателя тракторного агрегата, в которой в качестве датчиков, формирующих сигналы о положении рейки ТНВД и рычага управления всережимным регулятором двигателя, применены датчики положения на эффекте Холла.

Во время работы тракторного агрегата совместно с перемещением рейки топлив-

ного насоса перемещение совершает и магнит, магнитное поле которого воздействует на чувствительный элемент датчика Холла, увеличивая это воздействие при приближении к датчику и уменьшая — при удалении от него. Таким образом, изменения воздействия магнитного поля от магнита на чувствительный элемент датчика Холла вызывают соответствующие изменения его выходного сигнала, который поступает на аналогоцифровой преобразователь, после обработки в котором уже в цифровом виде поступает на вход микропроцессорного блока [8]. Далее сигнал передается на информационное табло в кабину водителя.

Водитель, манипулируя рычагом управления всережимного регулятора двигателя, кинематически связанным со вторым магнитом, изменяет воздействие его магнитного поля на чувствительный элемент другого датчика Холла. В ответ на это изменение воздействия второй датчик Холла также формирует соответствующий сигнал, поступающий через аналого-цифровой преобразователь на вход микропроцессорного блока. Обработанные сигналы поступают в кабину тракторного агрегата на информационное табло.

Таким образом, устройство контроля оптимальной загрузки дизельного двигателя тракторного агрегата помогает правильно выбрать оптимальный режим работы двигателя, что повышает его экономичность, а следовательно, эффективность использования в целом и производительность труда.

Дальнейшие исследования систем контроля загрузки двигателя будут направлены на доводку конструкции, оценку эффективности применения ее на тракторе на всех видах сельскохозяйственных операций и поиск новых решений, позволяющих оптимизировать конструкцию.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дьяченко, В. А. Широкозахватные машинотракторные агрегаты / В. А. Дьяченко, М. Н. Ляшко, А. И. Стефанович. — Мн. : Ураджай, 1981. — 215 с.

2. Кононенко, А. Ф. Пути улучшения сельскохозяйственной техники / А. Ф. Кононенко. — М. : Колос, 1980. — 304 с.

3. Ксеневич, И. П. Проектирование универсально-пропашных тракторов / И. П. Ксеневич, А. С. Солонский, С. М. Войчинский. — Мн. : Наука и техника, 1980. — 320 с.

4. А. с. № 1691160 (SU). Устройство для определения экономичного режима работы дизельного двигателя транспортного средства / В. П. Тарасик [и др.]. — № 23444562-08 ; заявл. 05.12.89 ; опубл. 15.11.91, Бюл. № 42. — 2 с.

5. А. с. № а20031167 (BY). Устройство контроля экономичной загрузки дизельного двигателя тракторного агрегата / В. П. Тарасик [и др.]. — № 5679843-03 ; заявл. 09.11.03 ; опубл. 30.06.05, Бюл. № 2. — 3 с.

6. Преобразователи угловых перемещений. — СПб. : КОМБИЛИГА, 2002. — 35 с.

7. Преобразователи перемещения. Блоки индикации. — СПб. :СКБ СИИС, 2001. — 127 с.

8. Каталог электронных компонентов. — 2003. — № 2. — 544 с.

Белорусско-Российский университет Материал поступил 10.01.2006

D.A. Sivtsov

Application of the position pickup of hall in the control device of the diesel engine optimum employment

Belarusian-Russian University

Considered in the paper is the problem of the manufacture of control devices of optimum employment of tractor unit diesel engine on the basis of the contactless reading device of the information about the value of information variables

Повышение интеллектуальности коммутаторов с помощью датчиков Холла True Micropower

Автор: Хагендра Тапа, директор бизнес-подразделения

Линейные датчики Холла могут дать ценные преимущества потребительским технологиям и приложениям Интернета вещей, но должны обеспечить значительное снижение энергопотребления для того, чтобы оправдать ожидания разработчиков оборудования и конечных пользователей

Введение: лучшее распознавание — ключ к прогрессу

Усовершенствования в распознавании имеют решающее значение для обеспечения улучшенного пользовательского опыта, требуемого от потребительских устройств, таких как смартфоны, камеры и игровые контроллеры, и также необходимы для реализации всего потенциала Интернета вещей (IoT).В потребительских приложениях нужны более интеллектуальные кнопки с многофункциональными возможностями для поддержки сложных взаимодействий и элементов управления на основе жестов. В IoT способность обнаруживать мельчайшие движения или позиционные различия позволяет контролерам делать точные выводы о состоянии активов. Например, в системе безопасности интеллектуального здания базовый датчик может определять, закрыто ли окно, тогда как более интеллектуальный датчик может информировать систему о том, заперто или разблокировано окно.

Датчики с линейным эффектом Холла обеспечивают средства для достижения более сложного восприятия по сравнению с альтернативными вариантами, такими как механические переключатели, которые часто используются в компьютерных аксессуарах, таких как джойстики или игровые контроллеры. Датчики с линейным эффектом Холла представляют собой бесконтактное решение для измерения положения, отличающееся высокой надежностью и удобством проектирования. Кроме того, по сравнению с другими бесконтактными датчиками, такими как оптические датчики, датчики с линейным эффектом Холла не подвержены ошибкам, которые могут из-за засорения оптических окон пылью или другими загрязнениями.Датчики с линейным эффектом Холла уже широко используются во многих промышленных приложениях, например, для определения положения поворотных клапанов.

Датчики Холла и линейные датчики

Эффект Холла относится к измеримому напряжению, возникающему на проводнике, когда магнитное поле воздействует на электрический ток, протекающий в проводящем материале. Это напряжение пропорционально протекающему току и магнитному потоку, перпендикулярному проводнику, как показано на рисунке 1. ИС датчиков на эффекте Холла включают в себя усиление с высоким коэффициентом усиления и другие схемы обработки сигнала, такие как компенсация смещения, для создания выходного сигнала, отражающего обнаруженный магнитный поток, при напряжениях, совместимых с другими логическими или аналоговыми схемами.

Рис. 1. Измерение магнитного потока с помощью датчика Холла IC.

Доступен широкий спектр устройств на эффекте Холла: датчики с цифровым выходом можно использовать в качестве бесконтактных переключателей в таких приложениях, как обнаружение открытия/закрытия для портативных ПК, путем встраивания небольшого магнита в крышку. Линейный датчик Холла, с другой стороны, способен генерировать аналоговый выходной сигнал, пропорциональный расстоянию магнита от датчика. Этот тип датчика можно использовать в скользящем механизме для определения положения магнита, движущегося мимо датчика.Например, когда стержневой магнит движется мимо датчика, выходное напряжение изменяется по мере изменения плотности потока от нуля, когда магнит находится далеко, до максимального отрицательного потока из-за близости магнита к северному полюсу, до нуля, когда магнит расположен в центре. над датчиком, причем максимально положительное из-за близости Южного полюса. По мере того, как магнит продолжает двигаться, выходной сигнал датчика приближается к нулю.

Другим основным режимом работы линейного устройства является лобовое измерение, когда магнит перемещается к поверхности датчика или от нее.В этом случае магнитный поток и, следовательно, выходное напряжение изменяются от нуля до максимального уровня, когда магнит находится ближе всего к датчику. На рис. 2 показано, как выходное напряжение ИС линейного датчика Холла изменяется в зависимости от напряженности магнитного поля по мере приближения магнита к поверхности ИС.

Рис. 2. Передаточная кривая линейного устройства на эффекте Холла.

Приложения, ориентированные на энергопотребление

Хотя эффект Холла был первоначально открыт в 19 веке, коммерческие ИС датчиков Холла были реализованы относительно недавно с интеграцией малошумящих усилителей и схем обработки сигналов, способных генерировать полезный выходной сигнал. Напряжение.Впоследствии датчики на эффекте Холла, включая линейные устройства, стали широко использоваться для промышленных задач измерения близости и положения, таких как измерение уровня жидкости и управление положением клапана.

В потребительских портативных устройствах линейные датчики на эффекте Холла обеспечивают дополнительную функциональность, которую трудно реализовать с помощью обычного механического переключателя, поскольку датчик может не только обнаруживать нажатие кнопки, но и определять положение кнопки точно.Это позволяет использовать многофункциональные кнопки в таких устройствах, как телефоны с камерами или зеркальные фотокамеры, которые позволяют нажимать наполовину для автофокусировки и нажимать до конца для спуска затвора. Точно так же использование линейного датчика Холла позволяет кнопкам игровых контроллеров управлять дополнительными функциями или воспринимать более сложные жесты игрока.

С другой стороны, эти новые приложения предъявляют более жесткие требования к линейным датчикам Холла. В частности, сверхнизкое энергопотребление стало абсолютным требованием для обеспечения расширенной функциональности без снижения срока службы батареи.Устройства IoT, например, обычно должны работать автономно в течение пяти, 10 или даже 20 лет, питаясь от небольшой батареи или системы сбора энергии. Нескольких миллиампер, потребляемых обычным датчиком на эффекте Холла, может быть достаточно, чтобы помешать разработчику достичь требуемого срока службы без обслуживания. Что касается бытовой электроники, то любое заметное сокращение срока службы батареи может нанести ущерб привлекательности на рынке.

Датчики True Micropower

Во многих случаях, когда линейный датчик Холла может использоваться для определения положения кнопки, интегральная схема датчика должна быть полностью работоспособной только в течение короткого периода времени, когда требуется информация о положении.Внедрение управления питанием в ИС может помочь избежать ненужного энергопотребления, когда датчики не требуются.

Некоторые датчики, такие как AH8500 и AH8501 компании Diodes Incorporated, имеют контакт включения, который позволяет хосту управлять режимом работы. По умолчанию внутреннее понижение удерживает датчик в спящем режиме, потребляя типичный ток всего 8,9 мкА. Установка высокого уровня на выводе Enable переводит устройство в активный режим, работая с частотой дискретизации по умолчанию 6,25 кГц и потребляемым током 1.16 мА тип. В качестве альтернативы можно использовать сигнал ШИМ для установки пользовательской частоты дискретизации до 7,14 кГц.

Благодаря контакту включения эти устройства подходят для различных приложений IoT, таких как интеллектуальные системы безопасности зданий или системы контроля доступа, где доступен сигнал для активации датчика. С другой стороны, потребительские устройства, такие как камеры, мобильные телефоны и игровые терминалы, могут быть не в состоянии предвидеть, когда пользователь, вероятно, нажмет кнопку, и, следовательно, не смогут установить высокий уровень на выводе включения.Тем не менее, пользователь ожидает мгновенного ответа. Для этого типа приложений AH8502 и AH8503 по умолчанию работают в режиме микромощности, потребляя только 13 мкА при стандартной частоте дискретизации 24 Гц. При обнаружении активности датчик может работать в турборежиме и при необходимости увеличивает частоту дискретизации. Предусмотрен контакт управления, который позволяет системе регулировать частоту дискретизации до максимальной частоты 7,14 кГц, потребляя ток 1,16 мА.

Усовершенствованное управление питанием, такое как отключение аналоговых цепей и АЦП при простое, а также применение запатентованных технологий энергосбережения между циклами, позволяет этим устройствам потреблять значительно меньший ток в нормальном, спящем и микромощном режимах по сравнению с альтернативными устройствами с низким энергопотреблением. силовые линейные датчики Холла.

Устройства интегрируют схему формирования сигнала, включая 8-битный АЦП и ЦАП, как показано на рис. 3, и, следовательно, генерируют аналоговый выходной сигнал с 8-битным разрешением, подходящим для широкого спектра IoT и потребительских приложений.

Рис. 3. Встроенное преобразование сигнала обеспечивает 8-битное аналоговое разрешение

в пределах ±3%.В сочетании с очень низким температурным коэффициентом ±3% это обеспечивает максимальное изменение чувствительности в пределах ±6%. Это значительно лучше, чем точность чувствительности недорогих аналогов, и выгодно отличается от самых дорогих линейных датчиков Холла, представленных сегодня на рынке. AH8500 без подстройки (с контактом включения) и AH8502 имеют точность чувствительности в пределах ±15% и обеспечивают гибкость для выполнения калибровки на производственной линии.

Для линейных датчиков Холла типично интегрировать защиту от электростатического разряда на входах/выходах, но уровень защиты обычно не превышает 1 или 2 кВ.Обеспечивая улучшенную защиту, способную выдерживать напряжение до 6 кВ, семейство AH850x выигрывает от большей устойчивости к опасностям, возникающим на заводе во время производства или при попадании в руки конечных пользователей.

Улучшенная защита от электростатического разряда устраняет потребность во внешних компонентах защиты, что обеспечивает такие преимущества, как более низкая стоимость материалов и экономия площади печатных плат. Улучшенная защита также позволяет использовать эти устройства в бытовых приборах, таких как кофемашины, а также в промышленных приложениях, в дополнение к бытовым мобильным устройствам.

Заключение

С тех пор как на рынок вышли первые коммерческие ИС, датчики Холла быстро стали популярными, особенно в промышленных приложениях, требующих высокой надежности, бесконтактного определения положения или приближения.

Появление Интернета вещей и постоянный спрос со стороны рынков бытовой электроники на улучшение пользовательского опыта — это две основные тенденции, которые в настоящее время открывают значительные дополнительные возможности для датчиков Холла и, в частности, для линейных датчиков, способных поддерживать сложные функции, такие как мульти- функциональные кнопки.Относительно высокое энергопотребление, даже в некоторых микромощных датчиках, ограничивает использование этих устройств, но последние поколения настоящих микромощных линейных датчиков Холла теперь обеспечивают сложное определение положения при приемлемо низком энергопотреблении. Высокая точность, улучшенная встроенная защита от электростатических разрядов и эксплуатационная гибкость еще больше повышают удобство использования этих передовых устройств.

Загрузить PDF-файл этой статьи

Вернуться к указателю статей

Знаете ли вы применение датчиков Холла в смартфонах?

Как заводской датчик Холла с защелкой , поделитесь с вами.

Эти датчики общего назначения имеют широкий спектр применения, среди которых Датчики Холла в мобильных телефонах и других мобильных устройствах можно использовать для обнаружить откидные крышки, которые обычно оснащены магнитами.

После закрытия флипа магнит будет поднесен к датчику Холла на смартфон или планшет. Откидная крышка создает магнитное поле для генерации Холла. Напряжение. Когда датчик Холла обнаруживает эту магнитную силу, используя триггер Шмитта в цепи, мобильное устройство может выполнять определенную операцию.

Датчик Холла

С помощью датчика Холла экран можно отключить, когда экран закрывается, что продлевает срок службы батареи и делает ее непригодной для использования.

Датчики Холла могут использоваться в других устройствах, поскольку они очень малы, прост в производстве и недорог, не зависит от температуры изменения, что особенно полезно для мобильных телефонов.

Измерение датчиком на эффекте Холла

Хотя датчики на эффекте Холла в основном используются для обнаружения объектов и пространств, их также можно использовать для измерения тока.Как упоминалось в начале В этом руководстве эффект Холла основан на взаимосвязи между магнитным поле и ток, а вышеперечисленные устройства используют магнитное поле для генерации ток как выход.

Используя обратный принцип, вы также можете использовать датчик Холла для измерение тока путем пропускания тока для получения магнитного поля.

Датчик тока является важным инструментом для контроля состояния оборудование, обнаруживая потенциальные изменения и обеспечивая безопасное использование оборудование.Хотя реле давления, оптические датчики и переключатели нулевой скорости часто использовались для мониторинга оборудования в прошлом, измерение потребляемого тока может дать более точное представление о работе оборудования.

Использование цифровых или линейных датчиков Холла для измерения тока эффективный метод, потому что эти устройства основаны на принципе, что для при заданном токе создается пропорциональное магнитное поле.

Во-первых, цифровой датчик Холла состоит из трех основных компонентов: ядро, устройство на эффекте Холла и схема формирования сигнала.Когда датчик открывается и подвергается воздействию магнитного поля магнитопровода, он генерирует измеримую разность потенциалов (или напряжение), которая затем усиливается в сигнал уровня процесса.

Одно из основных преимуществ использования датчиков Холла для измерения тока заключается в том, что они полностью изолированы от контролируемого напряжения, что делает безопасный способ тестирования оборудования без его подключения к сети. Измерение результаты на источниках питания переменного и постоянного тока также точны и воспроизводимы, что делает цифровые датчики на эффекте Холла идеально подходят для измерения тока.

Наша компания также продает датчик Холла . Пожалуйста, свяжитесь с нами.

Датчики | Бесплатный полнотекстовый | Всеобъемлющий обзор интегрированных эффектов Холла в макро-, микро-, наноразмерных и квантовых устройствах

При переходе от теоретической физики к прикладной физике или от изучения явлений к конкретным устройствам со временем идея использования и перемещения Эффект Холла от макро до микро и наномасштабов привлек внимание различных исследовательских инициатив.Несколько типов устройств, использующих эффект Холла, были тщательно изучены за последние шесть десятилетий. Вот почему в дополнение к классическим учебникам [17], опубликованным в основном несколько десятилетий назад и в основном посвященным физике ОЭ, в начале XXI века появилась серия новых книг, посвященных на этот раз физике КЭХ [18]. ,19,20,21,22,23,24,25,26] и QSHE [27]. Имея в виду сложные попытки интегрировать явление Холла в устройства, схемы и комплекты разработки процессов (PDK), несколько хорошо структурированных книг [28,29,30], промышленных руководств [31] и обзорных статей [32] были опубликованы на протяжении многих лет, включая теоретическое описание десятков интересных и возможных приложений.В 1990-х годах были выполнены частичные обзоры в конкретных областях, таких как изучение эффекта Холла и измерения магнитосопротивления в материалах и устройствах GaAs [33]. Опять же, большинство этих важных анализов были опубликованы несколько десятилетий назад и были специализированы и ограничены конкретными областями. Более того, некоторые из представленных устройств и систем в настоящее время морально устарели, поскольку в значительной степени вытеснены решениями цифровой электроники. Именно в этом контексте актуальный обзор, распространяющийся на все области и ориентированный на эпоху нанотехнологий, более чем необходим.Глядя на предыдущие публикации, можно понять, насколько полезным может быть эффект Холла, когда он применяется в конкретных приложениях. В этих учебниках есть обширные списки специализированных устройств. Давайте рассмотрим два примера: В шестидесятых годах У. Э. Булман представил набор классических приложений и устройств в большом исследовании [34] в различных конфигурациях. Он разделил области применения на три части: измерение магнитных полей, управление магнитными полями и определение мощности микроволнового излучения.В случае комбинированных датчиков Холла и дополнительных электромагнитов можно было бы получить серию макроустройств. Среди прочего, можно найти изоляторы, гираторы, преобразователи, циркуляторы, фазовые детекторы, а также магнитометры и головки для считывания магнитной ленты. Несколько десятилетий спустя, в 1990-х годах, все еще вписываясь в макромасштабные размеры, корпорация Honeywell представила специализированные устройства, применяемые для измерения параметров и приложений [31]. Среди прочего, в качестве ключевого игрока в сенсорной деятельности, они представили датчики на основе эффекта Холла для измерения физических параметров, таких как расход, ток, температура, давление, скорость, угол, количество оборотов в минуту (об/мин), положение, и т. д.Они предложили устройства для различных применений, связанных с гражданской жизнью, таких как датчики офисных машин, датчики считывания магнитных карт, дверные блокировки и датчики зажигания. Другие устройства были больше ориентированы на саму отрасль, например, автомобильный датчик, датчик бесщеточного двигателя постоянного тока, датчик обнаружения поршня, датчики скорости, установленные на трансмиссии, и т. д. В течение многих лет, занимаясь разработкой наноразмерных устройств, эти два примера укрепили меня в понимании того, как сегодня , в эпоху нанотехнологий стало желательным разрабатывать наноразмерные устройства со встроенным эффектом Холла, как это представлено в этом актуальном обзоре.На рис. 2 представлена ​​схема параллельного прогресса с разработкой устройств в макро-, микро- и нанодиапазонах, изображенных на временной оси открытий эффектов Холла.

Сравнительное исследование характеристик пяти различных устройств на эффекте Холла

Abstract

Было смоделировано пять различных датчиков на эффекте Холла, и их характеристики были оценены с использованием трехмерного симулятора. Физическая структура реализованных датчиков воспроизводит определенный технологический процесс изготовления.Для каждого датчика были получены значения чувствительности Холла по напряжению, абсолютной, токовой, вольтажной и мощностной чувствительности. Эффект искусственного смещения был также исследован для крестообразных структур. Процедура моделирования помогает разработчику выбрать оптимальную форму ячейки Холла, размеры и условия поляризации устройства, которые обеспечат максимальную производительность.

Ключевые слова: Конструкция датчика Холла, смещение, чувствительность, поляризация устройства, трехмерное физическое моделирование

1.Введение

Одна из наиболее часто используемых сегодня технологий датчиков состоит из КМОП-датчиков на эффекте Холла, основанных на магнитных явлениях. Эти датчики в основном используются в качестве датчиков тока и служат для многих приложений с низким энергопотреблением, таких как определение положения и бесконтактное переключение в автомобильной и промышленной электронике [1,2].

Что касается исследования производительности устройства на эффекте Холла, то, среди прочего, необходимо обратить внимание на максимальную чувствительность и наименьшее смещение.Геометрия играет важную роль в работе датчиков Холла и изучалась авторами в работах [3–5]. Реальный датчик Холла имеет смещение из-за геометрических погрешностей, несовершенства процесса изготовления, неоднородности по удельному сопротивлению и толщине материала, и т.д. [6].

Смещение и чувствительность являются важными показателями качества при оценке рабочих характеристик датчиков Холла [7]. В электронной схеме смещение может быть уменьшено методами спиннинга тока. Кроме того, хорошо подобранная геометрия самого датчика Холла может значительно минимизировать результирующее значение.Используя метод динамического подавления смещения, предложенный в [8], смещение поддерживалось ниже 10 мкВ без чрезмерного увеличения сложности схемы. Несколько лет спустя авторы проанализировали взаимосвязь смещения и геометрии. Четырехфазные остаточные смещения некоторых реализованных геометрий находились в пределах максимальных значений 2,5 мкВ при комнатной температуре и, таким образом, обеспечивали почти в четыре раза лучшую производительность, чем современные.

В последних разработках микроэлектроники решение фундаментальных уравнений полупроводниковых устройств с помощью численных методов является продуктивным инструментом исследования для прогнозирования поведения и оценки производительности различных устройств.

В настоящей статье анализируется влияние формы, размеров, положения контактов и смещения на характеристики датчиков Холла, включая напряжение Холла и чувствительность, с помощью трехмерного физического моделирования. В этом смысле в исследовании также предлагается анализ искусственно вызванного смещения. Для обеспечения оптимального проектирования датчиков Холла мы используем трехмерные численные решения системы дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих гальваномагнитный перенос носителей в чувствительных к магнитному полю полупроводниках.

Раздел II представляет мотивацию подхода к моделированию, базовую физическую модель переноса носителей в полупроводниках и методологию, используемую для моделирования трехмерных структур, представляя параметры конструкции для всех анализируемых устройств на эффекте Холла. Раздел III посвящен точной оценке напряжения Холла, различных типов чувствительности и влиянию геометрического рассогласования на смещения структур путем проведения сравнительного исследования пяти различных устройств Холла.Цель этого раздела — наконец выявить, какой из смоделированных магнитных датчиков показал наилучшую производительность.

2. Методология

2.1. Интеграция и анализ устройств на эффекте Холла

В общем случае напряжение Холла определяется соотношением:

где G — геометрический поправочный коэффициент, r H — коэффициент рассеяния кремния, обычно 1,15, n — плотность носителей, t — толщина активной области, I смещения — ток смещения, B — индукция магнитного поля [5].

Абсолютная чувствительность S A датчика Холла определяется соотношением:

Также можно определить относительную чувствительность. Таким образом, чувствительность по току S I и по напряжению S V вводится следующим образом:

SI=SAIbias;SV=SAVbias=SIR

(3)

где В смещение — напряжение смещения, а R — входное сопротивление датчика Холла.

Поскольку напряжение Холла и, следовательно, чувствительность обратно пропорциональны концентрации легирующей примеси в n-ячейках, в процессе изготовления датчиков Холла обычно используются слаболегированные n-ячейки.

Различные устройства на эффекте Холла были интегрированы в КМОП-технологию 0,35 мкм и оценены по напряжению Холла, чувствительности, смещению, и т. д. Более точно восемь различных ячеек Холла были интегрированы и впоследствии протестированы. Часть экспериментальных результатов совместно с анализом влияния геометрии на характеристики рассматриваемых устройств представлена ​​в работе [3].Для анализа работоспособности датчиков ранее была разработана автоматизированная методика измерения переменного тока и создана база экспериментальных данных [5]. Цель состояла в том, чтобы разработать определенную ячейку Холла, способную обеспечить очень малые смещения менее 30 мкТл и их температурные дрейфы менее 0,3 мкТл. Указанные пороги уже в несколько раз лучше современных.

Анализ смещения представлял особый интерес, поскольку в действительности датчики на эффекте Холла имеют смещение. В этом смысле было протестировано несколько образцов, каждый из которых содержал 64 ячейки (восемь различных геометрий, умноженных на восемь местоположений).Экспериментальные данные, полученные для смещения при комнатной температуре для различных токов смещения, представлены в [5]. Существует влияние конкретной структуры устройства на значение смещения.

Среди восьми различных интегрированных и протестированных ячеек Холла минимальное смещение было получено для XL, который в основном представляет собой классический греческий крест, но с размерами, увеличенными на определенный коэффициент по отношению к базовой форме. Эта конкретная геометрия будет воспроизведена путем моделирования позже в рамках настоящей работы, где можно найти дополнительные детали, включая информацию о проектных параметрах.

представляет как измеренное 4-фазное остаточное смещение в V по сравнению со смещением I , так и абсолютную чувствительность по сравнению со смещением I для ячейки XL, протестировано 8 раз с использованием автоматизированной измерительной установки, разработанной и представленной ранее. авторами в [5].

Измеренное 4-фазное остаточное напряжение смещения в сравнении с током смещения ( a ) и абсолютная чувствительность в сравнении с током смещения ( b ) для элемента XL.

В частности, математическая функция остаточного смещения тока смещения имеет квадратичную зависимость для двухфазного прядильного тока [9].Такой же квадратичный рост остаточного смещения с током смещения наблюдал Демьер [10] и в пластине Холла. В нашем случае () при 4-фазном спиновом токе, как и ожидалось, термоэлектрический вклад, пропорциональный I смещение 2 в остаточном смещении, не может быть полностью скомпенсирован при I смещение > 0,5 мА.

Целью настоящего исследования является использование трехмерного моделирования для проектирования и выбора наилучшей формы устройства Холла для использования в определенном процессе интеграции.Оценка производительности проводится путем исследования датчиков Холла, напряжения, чувствительности и смещения.

2.2. Физическое моделирование устройств на эффекте Холла

В полупроводниковых материалах классическая модель переноса носителей заряда [11–13] основана на уравнениях неразрывности. Кроме того, нам также необходимо принять во внимание следующее уравнение в частных производных, чтобы иметь полное описание физического поведения полупроводника:

−∇ ⋅ (ε∇ V ) = Q ( P N + N )

(4)

, где В ДЕЛОГО ДЕЙСТВИЯ IS . электрическая проницаемость материала, q — заряд электрона и N = N D N A — чистое распределение полностью ионизированных примесей.В свою очередь, n и p , сами по себе функции энергии Ферми, температуры и электростатического потенциала [4,11], представляют собой плотности электронов и дырок соответственно. Решением уравнения Пуассона в (4) является электростатический потенциал В .

Следует отметить, что эффект магнитной индукции проявляется только в математических соотношениях, определяющих плотность тока. Эквивалентно, в отсутствие магнитного поля уравнения неразрывности и уравнение Пуассона (4) останутся прежними.

С помощью инструмента Synopsys Sentaurus TCAD [14], который решает уравнение Пуассона, уравнения непрерывности для электронов и дырок, было выполнено трехмерное моделирование датчиков Холла. Используется трехмерное численное моделирование процесса переноса носителей заряда в магнитном поле (электростатический потенциал, распределения тока) для полупроводниковых магнитных датчиков различной геометрии.

В каждой точке сетки будут рассмотрены три неизвестных, а именно V , n , p .Далее нам потребуются три уравнения и соответствующие граничные условия для решения нелинейной системы дифференциальных уравнений в частных производных. Чтобы иметь правильное решение, потребуется дискретизация уравнения Пуассона, уравнений неразрывности электронов и дырок, а также будет использован связанный метод, являющийся обобщением метода Ньютона, для расчета исходной предложенной системы с помощью численной итерационной процедуры. .

Магнитное поле, действующее на полупроводниковую структуру для генерации напряжения Холла, учитывалось с помощью модели гальванического переноса.Анализ эффектов магнитного поля в полупроводниковых устройствах проводится путем решения уравнения переноса электронов и дырок внутри устройства. Обычная дрейфово-диффузионная модель концентраций носителей Jn→ и Jp→ следует переписать, принимая во внимание зависящие от магнитного поля члены, обусловленные действием силы Лоренца на носители. Sentaurus включает влияние магнитного поля на полупроводники в модель гальванического транспорта. Следующее уравнение определяет его поведение:

Jα→=μαgα→+μα11+(μα∗B)2[μα∗B→×gα→+μα∗B→×(μα∗B→×gα→)]

(5)

где α = п , п , gα→ — вектор тока без подвижности, μ α * — холловская подвижность [11].

Физическая часть моделирования включала модель подвижности в зависимости от допинга совместно с процессами рекомбинации Шокли-Рида-Холла и Оже, как это рассматривалось в работе [15]. В реальных условиях предполагается, что электрические омические контакты идеальны и контактные области могут поддерживать достаточно высокую концентрацию легирующей примеси. Электростатический потенциал и концентрации носителей в области контакта решаются обычными граничными условиями типа Дирихле.

Для хорошего компромисса между точностью и временем моделирования трехмерные сетчатые структуры устройств на эффекте Холла должны содержать достаточное количество точек.Меньшие размеры сетки и большее количество точек повышают точность результатов моделирования, но требуют больше процессорного времени и более продолжительного выполнения. По сравнению с предыдущей работой стратегия построения сетки была улучшена.

Сетки смоделированных геометрий содержали от 40 000 до 70 000 точек с включенными функциями уточнения для обеспечения максимальной сходимости и минимального численного смещения. Дополнительные окна уточнения были размещены на контактах, чтобы улучшить сходимость моделирования и уменьшить численное смещение.Шаг сетки от 0,1 до 1 мкм по трем осям использовался для окна уточнения сетки. Таким образом, для всех структур численное смещение не превышает двух милливольт для максимального тока смещения. Чтобы решить любые дальнейшие проблемы сходимости, магнитное поле было увеличено до требуемого значения магнитной индукции.

2.3. Моделирование устройств на эффекте Холла

Для оценки характеристик датчиков на эффекте Холла авторами уже были разработаны модели МКЭ с сосредоточенными параметрами [16].Целью настоящей статьи является воспроизвести с физической точки зрения формы магнитных датчиков, которые уже были интегрированы в КМОП-технологию и тщательно протестированы авторами [2,4]. С этой целью были смоделированы пять различных трехмерных устройств на эффекте Холла. Инструмент трехмерного моделирования помогает в моделировании конкретных структур с учетом всех эффектов переноса носителей в полупроводниках под действием магнитного поля. Результаты моделирования предоставят полезную информацию перед интеграцией при выборе потенциальных форм Холла с наилучшей производительностью.В целом эти датчики представляют собой высокосимметричные структуры и инвариантны к ортогональному вращению. Поскольку любое геометрическое несоответствие могло значительно увеличить смещение, все ячейки были точно смоделированы. Анализ был сосредоточен на классическом греческом кресте с прогрессивным увеличением размеров (в результате получаются базовые, L, XL клетки), без рамок и с оптимальной ячейкой. Реализованные структуры должны были иметь тот же процесс изготовления, который близок к тому, который использовался при интеграции реальных датчиков Холла.Все ячейки Холла были смоделированы на кремниевой p-подложке с n-луночной активной областью.

Таким образом, p-подложка с концентрацией бора 10 +15 см −3 и активная n-ямная область с концентрацией мышьяка 1,5 × 10 +17 см −3 в виде гауссовой использовалась профильная имплантация. Этот профиль легирования допускает среднюю подвижность 0,0630 м 2 ·V −1 ·s −1 . Толщина составляет 5 мкм для p-подложки и 1 мкм для имплантации активной области n-легированного профиля соответственно.

Следует уделить внимание сглаживанию профиля легирования, чтобы обеспечить хорошую сходимость моделирования. Поэтому резких краев удалось избежать, установив длину затухания в сотни нанометров на p-n-переходе. В целях тестирования каждая структура была снабжена четырьмя электрическими контактами, два из которых предназначены для смещения устройства, а два других — для измерения разности падения напряжения.

Параметры геометрического дизайна всех пяти смоделированных устройств на эффекте Холла приведены в . L и W обозначают длину и ширину ячейки соответственно, а s обозначают длину контакта. Ширина контактов в основном обеспечивается технологией изготовления приборов на эффекте Холла. В нашем моделировании он считался равным 0,7 мкм. Расстояние от контактов до границ n-лунок составляет 0,35 мкм для базовых, L и XL ячеек, 13,85 мкм для безрамочных ячеек, 5,5 мкм для оптимальных ячеек. Эти значения были опущены на чертежах из эстетических соображений.Положение контактов по отношению к границам важно при анализе смещения, так как ошибки контура могут его увеличить.

Таблица 1.

Геометрические параметры моделируемых устройств Холла.

11,809.8
Тип Холла клетки L (мкм) Вт (мкм) с (мкм) Объем (мкм 3 )
Базовый 21.6 9,5 8,8 3645
л 32,4 14,25 13,55 7,144.2
XL 43,2 19 18,3
Borderless 50 50 2,3 16820
Оптимальная 54 54 4.7 17 052,8

Трехмерные представления пяти смоделированных геометрий показаны на –. P-n-переход изображается линией на границах активной области. Также изображены четыре электрических контакта ( a d ), используемые для смещения и измерения.

Трехмерное представление смоделированной базовой ячейки Холла.

3D-представление оптимальной смоделированной ячейки Холла.

Что касается поляризации ячеек Холла, приложение определенного напряжения к электроду a вызовет протекание тока между контактами a и c .Напряжение Холла фактически записывается как разность напряжений между двумя другими противоположными контактами, b и d соответственно. Следует также отметить, что для крестообразных устройств ток течет вертикально от к к к , в то время как для безграничной и оптимальной ячейки циркуляция тока имеет диагональный путь, между к и к . контакты.

3. Результаты и обсуждение

Для анализа поведения устройств на эффекте Холла все структуры были смоделированы с использованием смещения тока, без магнитного поля и с ним.В настоящем исследовании ток смещения изменялся от 0 до 1 мА.

Влияние размеров (входные данные), соответственно геометрического поправочного коэффициента, на технические характеристики датчиков Холла (выходные данные) было проанализировано авторами в недавней статье [3]. На самом деле форма и расстояние от контактов до p-n перехода важны для оценки характеристик устройств на эффекте Холла, включая чувствительность и смещение.

Классические крестообразные конструкции располагают контактами на концах четырех плеч.Смещение и считывание обеспечат максимальную чувствительность, но любое несоответствие в p-n переходе может повлиять на структуру. Идея состоит в том, чтобы увеличить размеры этого классического креста, чтобы он был менее подвержен асимметрии границ. Четвертая анализируемая форма, безграничная ячейка, снабжена очень маленькими электрическими контактами, расположенными ближе к центру структуры и дальше от p-n перехода. Эта специфическая структура может свести к минимуму влияние любых ошибок границ, но также повлияет на чувствительность.Пятая форма, оптимальная ячейка, представляет собой комбинацию увеличенных размеров и контактов, расположенных наполовину по отношению к контактам XL и ячеек без полей соответственно.

3.1. Смоделированные вольт-амперные характеристики и сопротивление ячеек Холла

ВАХ прибора Холла получают путем моделирования для каждой ячейки. Его представление для B = 0,5 Тл включено в . Сопротивление R для определенных токов смещения включено в .

Моделируемые приборы Холла ВАХ.

Таблица 2.

Сопротивление устройств с имитацией эффекта Холла.

2,102 2,212
R (кОм) I = 0,3 мА I = 0,5 мА I = 1 мА
Базовая 2,073 2,181
л 2,235 2,298
XL 2.236 2,254 2,302
Оптимальная 1,837 1,847 1,874
Borderless 1,393 1,400 1,422

Для В датчиках на эффекте Холла любая нелинейность, которая может наблюдаться в ВАХ, объясняется [6] тремя возможными механизмами, такими как нелинейность материала, геометрическая нелинейность и нелинейность из-за эффекта поля перехода.Нелинейность материала и геометрическая нелинейность показывают одну и ту же квадратичную зависимость магнитной индукции, но имеют противоположные знаки, что может быть использовано для интеграции датчиков Холла, в которых два эффекта нелинейности могут компенсировать друг друга.

3.2. Моделирование напряжения Холла, электростатического потенциала и плотности тока проводимости

Общее выходное напряжение устройства на эффекте Холла определяется следующим соотношением:

V output = V HALL + V offset

(5)

(5)

симулятор.Поэтому стратегия построения сетки была адаптирована, чтобы максимально минимизировать ее.

Нам было интересно исследовать смещение, чтобы получить точную информацию о напряжении Холла и чувствительности, поскольку смещение представляет собой паразитное напряжение, добавляемое к общему выходному напряжению. Измерения смещения были выполнены в отсутствие магнитного поля, в то время как для оценки напряжения Холла и чувствительности магнитная индукция считалась B = 0,5 Тл. Это конкретное значение индукции магнитного поля использовалось для точного воспроизведения магнитного поля B = 0 путем моделирования. .497 T используется для измерения интегральных приборов Холла.

При приложении магнитного поля определенной напряженности носители отклоняются под действием силы Лоренца и таким образом между противоположными контактами формируется напряжение Холла. В — мы можем видеть трехмерные структуры смоделированных ячеек, основных, L, XL, оптимальных и безграничных соответственно, с распределением электростатического потенциала.

Электростатический потенциал (В) для базовой конструкции, B = 0,5 Тл.

Электростатический потенциал (В) для оптимальной конструкции, B = 0.5 T.

Напряжение Холла всех смоделированных структур представлено как против тока смещения в . Для оценки достоверности полученных результатов мы также добавили результаты измерений для пяти ячеек Холла в . Крестообразные ячейки имеют одинаковое соотношение L/W и отличаются только коэффициентом масштабирования. Следовательно, согласно определению напряжения Холла в уравнении (1), ожидается, что они будут иметь примерно одинаковые В Холл . При исследовании полученного графика извлекаются следующие числовые значения.При максимальном токе смещения , В Холл = 42 мВ для базовой ячейки, В Холл = 44 мВ для ячеек L и XL, В Холл = 17,7 мВ для ячейки без рамок1 и В Холл = 38 мВ для оптимальной ячейки соответственно.

Устройства на эффекте Холла Напряжение Холла по сравнению с I смещение , смоделированное ( a ) и измеренное ( b ).

и представить электростатический потенциал на поверхности устройств (Z = 0) для всех моделируемых ячеек в случае тока смещения 1 мА и магнитного поля B = 0.5 T с ортогональными разрезами на Oy и Ox соответственно, примененными к структурам устройств с трехмерным эффектом Холла, как представлено в –. Следовательно, Ox и Oy являются правильными осями трехмерных структур, представленных в –, соответствующих сторонам p-подложки, на которой построены устройства. Среди крестообразных структур максимальный электростатический потенциал приходится на смещающий электрод а. Оно равно 2,6 В для основной ячейки, 2,7 В для ячеек L и XL соответственно. Как показывает теория, абсолютная чувствительность ячеек Холла, изготовленных по одному и тому же технологическому процессу, зависит только от геометрического поправочного коэффициента G, который, в свою очередь, прямо пропорционален L/W.Следовательно, для форм с одинаковым отношением длины к ширине L/W ожидается одинаковая чувствительность.

Электростатический потенциал (В) в ортогональных разрезах на Oy и Ox для крестообразных ячеек (XL, L и основной соответственно).

Электростатический потенциал (В) в ортогональных разрезах на Oy и Ox для оптимальных и безграничных структур.

Этот же тип графиков также исследуется для оптимальной и безграничной ячейки соответственно. Пик электростатического потенциала равен 1.8 В для безрамочной ячейки и 2,3 В для оптимальной ячейки. Из этих графиков мы также можем вывести длину электрических контактов для оптимальных и безграничных ячеек, поскольку электростатический потенциал в этой области постоянен. На срезах Ох L, XL, базовых ячеек спуск от вершины не всегда прямой из-за неоднородности по подвижности материала, электропроводности, поверхностного сопротивления, и т.д. трехмерные смоделированные структуры для определения плотности тока проводимости с акцентом на смещающие контакты ( a и c ) и сенсорные контакты ( b и d ) соответственно.

Плотность тока проводимости для основной ячейки с упором на смещающие контакты a и c.

Плотность тока проводимости для базовой ячейки с упором на чувствительные контакты b и d (Y = 12,9).

3.3. Абсолютная, связанная с током и напряжением чувствительность моделируемых ячеек Холла

Используя определения абсолютной чувствительности, связанной с током и напряжением чувствительности в уравнении (4), мы получаем следующие графики, –, построенные по сравнению с ток смещения, для напряженности магнитного поля B = 0,5 Тл. Среди анализируемых ячеек для поляризации тока ячейка XL показала самую высокую абсолютную чувствительность и, следовательно, чувствительность, связанную с током. Тем не менее, для поляризации устройств по напряжению оптимальная ячейка кажется лучшим кандидатом, поскольку она имеет максимальную чувствительность, связанную с напряжением. При вольтажная чувствительность ячейки без границ в 1,7 раза меньше по сравнению с оптимальной ячейкой.Приведенные численные результаты для напряжения Холла и чувствительности хорошо согласуются с экспериментальными результатами [3] вплоть до степени точного воспроизведения путем моделирования реальных испытанных структур. В , как смоделированные, так и экспериментальные результаты представлены относительно абсолютной чувствительности устройств на эффекте Холла против тока смещения.

Абсолютная чувствительность приборов на эффекте Холла по сравнению с I погрешностью , смоделированная ( a ) и измеренная ( b ).

Чувствительность моделируемых устройств на эффекте Холла к напряжению.

Чувствительность по току увеличивается с ростом тока смещения, а чувствительность по напряжению уменьшается с ростом тока смещения. Объяснением последнего механизма является тот факт, что S V можно переписать как отношение токозависимой чувствительности к входному сопротивлению R и знаменатель R увеличивается с током быстрее, чем числитель S А .

Процесс выбора лучшего устройства на эффекте Холла основан на анализе поведения нескольких параметров, таких как чувствительность, смещение, рассеиваемая мощность и поверхность кремния. Следовательно, рекомендуется исследовать более сложную функцию затрат. Существуют схемные методы, такие как текущая техника вращения, чтобы уменьшить смещение, и разработчик может обменять поверхность кремния на высокую чувствительность. Таким образом, получение максимальной чувствительности с хорошим компромиссом между смещением и рассеиваемой мощностью представляется преобладающим.

Рассеиваемая мощность была рассчитана для каждой конструкции. Исследовалось также отношение абсолютной чувствительности к мощности, рассеиваемой внутри устройства. Несмотря на то, что соотношение (6) для чувствительности, связанной с мощностью, не является самостоятельным уравнением и может быть выведено из уравнения (4), тем не менее, его стоит исследовать:

SP=SAPрассеиваемая [VWT]

(6)

Изменение чувствительности, связанной с мощностью S P по сравнению с , рассеиваемая мощность представлена ​​в .Для I смещения = 1 мА максимальная рассеиваемая мощность составляет 2,18 мВт для базовой ячейки, 2,3 мВ для ячеек L и XL, 1,87 мВт для оптимальной ячейки и 1,42 мВт для ячейки без рамок соответственно. Тем не менее, даже если наименьшая рассеиваемая мощность получается при малом токе, мы не можем работать в этой области, поскольку преобладает шум, а отношение сигнал/шум (SNR) слишком низкое.

Чувствительность, связанная с мощностью по сравнению с рассеиваемой мощностью для моделируемых устройств на эффекте Холла.

Можно отметить, что грекоподобные ячейки и оптимальная ячейка имеют почти одинаковую чувствительность по мощности, с несколько более высоким значением для оптимальной ячейки. Мы можем заметить, что для этой конкретной добротности геометрия имеет меньшее значение, а наилучшие характеристики принадлежат оптимальной ячейке. Наблюдается улучшение почти на 10% оптимальной ячейки по сравнению со структурой XL для постоянного тока 1 мА. С этой точки зрения оптимальная ячейка кажется хорошим кандидатом.

Приведенное выше обсуждение различных типов чувствительности приводит к выводу, что поляризация прибора Холла важна и определяет, какую форму следует выбирать, чтобы гарантировать наилучшие характеристики.

3.4. Анализ смещений, вызванных моделированием ячеек Холла

Напряжение смещения может быть вызвано несовершенством процесса изготовления, несоосностью контактов, неравномерностью удельного сопротивления и толщины материала, механическими напряжениями в сочетании с эффектом пьезосопротивления [6].Согласно книге Поповича, все эти причины могут быть представлены с помощью общей модели мостовой схемы пластины Холла, основанной на четырех сопротивлениях на каждой ветви [6], как показано на рис. Для идеальной ячейки четыре резистора на ветвях равны, согласно классической теории устройства Холла. Однако любое незначительное отклонение ΔR сопротивления ответвления вызовет асимметрию моста, и результатом будет В смещение .

Модель мостовой схемы ячейки Холла.

Таким образом, напряжение смещения, вызванное асимметрией моста, определяется как:

, где В в — входное напряжение, а R — сопротивление ответвления.

Предыдущие измерения, проведенные на устройствах на эффекте Холла для оценки смещения, позволили получить информацию о том, как эта величина изменяется в зависимости от формы. Численные значения смещения для крестообразных интегрированных ячеек показаны ниже. Отметим, что это измеренное смещение одной фазы, то есть до усреднения по нескольким фазам.

Измеренное однофазное смещение по сравнению с током смещения для встроенных крестообразных устройств Холла.

Анализ искусственного смещения теперь предназначен для того, чтобы увидеть, как индуцированная асимметрия может влиять на смещение, и, наконец, найти форму, гарантирующую наименьшее значение этой величины. На этом этапе мы в основном сосредоточимся на смещении, которое может быть вызвано несоосностью формы датчиков. Устройства Холла оснащены двумя смещающими контактами ( a и c ) и двумя сенсорными контактами ( b и d ).На следующем рисунке показано, как была вызвана асимметрия для крестообразных клеток Холла в первом случае на смещающем контакте и путем удаления 0,5 мкм (асимметрия 1), 0,25 мкм (асимметрия 2), 0,15 мкм (асимметрия 3). , соответственно ().

Наведенная асимметрия на смещающем контакте a для крестообразных ячеек Холла.

Так как смещение является случайным процессом, возможное местоположение предполагалось на контакте a. Однако, по желанию, на остальных контактах можно индуцировать другие асимметрии.

В настоящей работе были проанализированы смоделированные искусственные смещения, вызванные небольшими смещениями оси Ox на 0,5, 0,25 или 0,15 мкм на смещающем контакте и . Следующее влияние смещения на 0,5 мкм на смещение крестообразных клеток Холла представлено на рис. Поскольку мы стремимся подчеркнуть информацию, относящуюся только к индуцированному смещению, числовое смещение было вычтено из общего смещения.

Имитация искусственного смещения поперечных структур, вызванных асимметрией a 1 .

Для ячейки XL влияние рассогласования на смещение было минимальным. Кажется, что, увеличивая размеры ячейки, мы уменьшим любые ошибки, которые могут появиться на границах, и, следовательно, минимизируем смещение. Этот факт также был проанализирован авторами в [5], и экспериментальные данные подтверждают это предположение. Тем не менее смещение является случайным процессом. Для корректной его характеристики нужна статистика, которая могла бы обеспечить систематизацию возможных причин возникновения смещения и количественно соотнести эти влияния с влиянием на величину смещения.Это предусмотрено в будущих статьях.

3.5. Сводка характеристик смоделированных ячеек Холла

Характеристики всех проанализированных датчиков Холла, включая напряжение Холла, чувствительность по току, чувствительность по мощности и рассеиваемую мощность, суммированы в таблице для тока смещения 1 мА. Это смоделированные данные, но экспериментальные результаты, ранее представленные в статье, подтверждают общие выводы о характеристиках датчиков Холла.

Таблица 3.

Сводка производительности устройств с имитацией эффекта Холла.

1,876
Тип Холла клетки V ЗАЛ (мВ) ˙s I (V / AT) ˙s Р (В / WT) Р рассеиваться (мВт)
Базовая 42.18 84,360 38,644 2,182
л 44,75 89,500 38,907 2,300
XL 43,74 87,480 37,973 2,303
Оптимальная 38,91 77,830 41,482
Borderless 17.70 35,390 24,840 1,424

.

Для этого были смоделированы пять различных датчиков Холла определенного технологического процесса изготовления КМОП. Конфигурации датчика Холла были смоделированы и оценены по напряжению Холла, абсолютной чувствительности, чувствительности по току, по напряжению, по мощности и по смещению.

Оценки этих важных параметров в конечном итоге позволяют выбрать наилучшую форму в зависимости от поляризации устройства, используемого в схеме, и приоритета добротности. В частности, результаты моделирования и эксперимента хорошо согласуются.

Процедура моделирования помогает разработчику точно смоделировать и охарактеризовать конкретные формы магнитных датчиков для определенной технологии изготовления. Оценка их напряжения Холла, чувствительности поможет выбрать оптимальный процесс изготовления, форму, размеры и поляризацию ячейки Холла с точки зрения ожидаемых характеристик.

Будущие исследования причин смещения и систематического подхода, который будет связывать причины с количественным определением значения смещения, предполагается провести в будущих статьях.

Датчики Холла измеряют поля и определяют положение

Переключатели на эффекте Холла и датчики приборного класса стали более распространенными в промышленных приложениях, и теперь широкий спектр устройств на эффекте Холла предназначен для разработчиков продуктов и производственных процессов.Хотя все еще существует некоторая путаница в отношении того, какие спецификации необходимы, и в отношении измерения магнитного поля в целом, эти устройства оказались относительно простыми в применении.

Уступая по количеству только датчикам температуры, датчики на эффекте Холла используются во многих устройствах бытового и коммерческого назначения. Эти устройства включают DVD, CD и накопители памяти, автоматические игрушки, сотовые телефоны, автоматические компасы и системы автоматического зажигания. Вы также найдете их в линейных, промышленных поворотных и позиционных датчиках, а также в военном/аэрокосмическом оборудовании.

Инженеры-технологи и инженеры-испытатели используют различные типы дискретных датчиков Холла и приборов для предоставления информации о продукте и контроля этапов производственного процесса. Хотя могут быть некоторые совпадения с измерительными возможностями, предлагаемыми другими типами датчиков и приборов, существуют некоторые типы измерений, для которых датчики на эффекте Холла явно являются лучшим выбором, и даже несколько случаев, когда никакое другое испытательное оборудование не обеспечивает этого. нужные данные. К ним относятся измерения уровней постоянного тока, положения вращения и уровня зазора, поверхности или поля рассеяния.Датчики на эффекте Холла: история дает некоторые сведения об этих датчиках.

Работа датчика Холла
Напряжение Холла генерируется, когда магнитное поле, направленное через лист материала, воздействует на ток, протекающий внутри материала.

Пластина Холла представляет собой обычно прямоугольный лист полупроводникового материала, который служит активным компонентом или «активной областью» для генерирования напряжения Холла ( Рисунок 1 ). Пластина Холла имеет заданную длину х , ширину х и толщину х .

Рис. 1. Напряжение Холла можно получить и измерить с помощью магнитного поля постоянного тока.

Измерение напряжения Холла
Для вектора магнитного потока, ортогонального пластине Холла, максимальное напряжение Холла VH является просто произведением магнитной чувствительности пластины Холла γB и плотности потока магнитного поля B, то есть:

В Н = γ В В

Это максимальное значение напряжения Холла, измеренное на пластине Холла.Если поверхность пластины Холла не ортогональна вектору магнитного потока, а расположена под углом , напряжение Холла VH определяется как:

V H = γ B B × sinθ

Ток I протекает по длине l пластины Холла. Ток течет между контактами Ic(+) и Ic(-). Магнитное поле направлено по оси z, то есть ортогонально плоскости страницы. Сила, создаваемая магнитным полем, называемая силой Лоренца, толкает носители заряда (дырки или электроны) к границам пластины Холла вдоль показанных изогнутых линий.Эта сила зависит от скорости носителя и напряженности магнитного поля. Результирующее напряжение Холла, измеренное по ширине w материала, между контактами V H (+) и V H (-), пропорционально плотности потока магнитного поля.

Приборная установка
Вспомогательное оборудование для датчика Холла включает в себя источник тока для обеспечения тока Ic и вольтметр для измерения напряжения Холла между контактами V H (+) и V H (-).В некоторых устройствах также используется нагрузочный резистор R L для измерения напряжения, как показано на рис. 2 . Многие типы приборов на эффекте Холла предоставляют некоторую часть этой вспомогательной схемы как интегрированную часть измерительной системы. Провода напряжения от контактов V H (+) и V H (-) могут быть подключены непосредственно к высокоимпедансному вольтметру для считывания или могут быть направлены к другим схемам для усиления, кондиционирования и обработки. (Можно использовать более сложные системы, использующие источники переменного тока и синхронные усилители, но они выходят за рамки этой статьи.)

Рис. 2. Типичная установка генератора Холла, используемого в приборостроении.

Применение
В промышленной среде устройства на эффекте Холла обычно служат одному из двух основных применений

  • Измерение магнитуды магнитного поля;
  • определение близости, положения и вращения движущихся объектов.

Мы рассмотрим каждое из этих применений и дадим несколько советов по эффективному использованию устройств на эффекте Холла.

Приборные датчики для измерения магнитного поля
Когда промышленное применение требует точного или сертифицированного измерения магнитного поля, часто используются контрольно-измерительные приборы с эффектом Холла. Некоторые из наиболее распространенных применений контрольно-измерительных приборов включают управление электромагнитным полем, управление пучком ионной имплантации полупроводников, входной контроль магнитов или магнитных деталей, подтверждение намагничивания в процессе, картографирование магнитного поля, определение тока и непрерывный мониторинг воздействия магнитного поля.В качестве альтернативы для ряда этих измерений можно использовать имеющийся в продаже гауссметр. На практике, однако, физические или финансовые ограничения часто диктуют использование дискретного датчика Холла и доступного электронного оборудования.

Пользователь измерительного прибора Холла обычно хочет получить точное значение магнитного поля в объеме, зазоре или на поверхности. В зависимости от пространственных характеристик измерения используется соответствующее крепление для удержания и позиционирования чувствительного элемента.

Классические датчики Холла

обычно поставляются в поперечном или осевом исполнении (, рис. 3, ). Поперечный датчик, как правило, тонкий и прямоугольной формы, предназначен для измерения в зазорах магнитной цепи, для поверхностных измерений и для измерений в открытом поле. Осевой датчик, как правило, имеет цилиндрическую форму и используется для таких измерений, как измерение центрального отверстия кольцевого магнита, поля соленоида, обнаружение поверхностного поля и измерение общего поля.

Рис. 3.Основные геометрии поперечных и осевых датчиков Холла.

Практические соображения
Датчики хорошего качества обеспечивают высокую точность, превосходную линейность и низкие температурные коэффициенты. Соответствующие датчики для конкретного измерения и инструмента часто можно приобрести с сертифицированными данными калибровки, предоставленными производителем.

Ниже приведены некоторые из наиболее важных практических соображений, касающихся измерительных датчиков Холла:

Точность: Разработчик должен решить, какая точность требуется для конкретного измерения.От 1,0% до 2,0% точности считывания доступны без преобразования сигнала. Точность 0,4% достижима во многих приложениях с микропроцессорной коррекцией.

Угол : Как описано ранее, выходной сигнал датчика Холла изменяется как синусоидальная функция угла  между пластиной Холла и вектором магнитного поля. Выходной сигнал наибольший, когда вектор поля перпендикулярен плоскости устройства (sin 90 градусов = 1,0), и минимальный (приблизительно нулевой), когда вектор поля лежит вдоль плоскости датчика.Изготовитель калибрует датчик Холла на максимальном выходе, поэтому необходимо учитывать угловые ошибки испытательного приспособления или датчика.

Температурный : Для различных конфигураций датчиков доступен широкий температурный и полевой режим. Инструментальные датчики доступны для использования в диапазоне температур от 1,5 К (-271°C) до 448 К (+175°C) и от 0,1 Гс до 300 000 Гс. Датчик Холла имеет два температурных коэффициента: один для магнитной чувствительности (калибровка), а другой — для смещения (нулевого) изменения.Влияние температуры на калибровку выражается в процентах от ошибки считывания, а эффект нуля представляет собой погрешность фиксированного значения поля, зависящую от температуры. Сдвиг смещения имеет большее значение при низких показаниях магнитного поля (ниже 100 Гс). Технический специалист должен изучить спецификации производителя для обоих коэффициентов и определить, можно ли поддерживать требуемую точность в зависимости от температуры для конкретного применения.

Ограничения входного тока : Разработчику рекомендуется знать требуемое значение входного тока и не превышать указанные максимальные значения.Помните, что устройство на эффекте Холла обычно калибруется при определенном значении тока. Любое отклонение от калибровочного тока изменяет выходной сигнал датчика. Тем не менее, это также характеристика для использования; удвоение тока удваивает выходную мощность до тех пор, пока не будет превышен максимальный ток.

Как отмечалось ранее, базовая приборная панель датчика Холла представляет собой пластину из низкоомного материала с четырьмя электрическими контактами. Входные и выходные цепи не изолированы друг от друга, и вы должны избегать использования общего соединения как во входных, так и в выходных цепях.Для выполнения этого требования можно использовать изолированный источник тока или дифференциально-входное усиление на выходе.

Варианты крепления датчика
В некоторых измерительных приложениях использование стандартного датчика нецелесообразно или нежелательно. Вместо этого датчик Холла монтируется непосредственно на механическом узле. Проектирование индивидуального монтажа датчика выходит за рамки этой статьи. Однако есть несколько общих указаний, которые могут быть полезны при индивидуальном расположении:

Хрупкость : Датчики Холла могут быть чрезвычайно хрупкими и могут быть повреждены изгибающей нагрузкой.Избегайте контакта пластины Холла с любой поверхностью или устройством, оказывающим прямое давление. В некоторых приложениях в качестве интерфейсной пластины используется непроводящая керамика или другой изолятор.

Склеивание : Связующие клеи должны выбираться тщательно, чтобы они не создавали дополнительную нагрузку на датчик. Обычные эпоксидные смолы, такие как 5-минутные типы отверждения, удовлетворительны, когда температура не отличается от комнатной более чем на ±10°C. Заливка не рекомендуется, за исключением случаев очень агрессивных условий окружающей среды.Методы приклеивания также можно использовать для снятия натяжения выводов датчика, приклеивая их на место к монтажной подложке.

Механически обработанные полости : их можно использовать для осевых или поперечных датчиков Холла, при этом верхняя часть датчика утоплена под поверхностью, чтобы предотвратить контакт под давлением или истирание.

Трубные крепления : Трубные крепления ( Рисунок 4 ) могут использоваться для защиты осевых датчиков Холла.

Рекомендуемый подход заключается в выборе наиболее надежного датчика для любого нестандартного крепления.Блоки в керамических или фенольных корпусах, как правило, самые прочные.

Рис. 4. Аксиальные датчики могут быть установлены в крепление на трубе с открытым датчиком или утоплены в крепление в полости для защиты. Поперечные датчики обычно устанавливаются в углублении.

Встроенные датчики приближения и вращения
Датчики Холла были адаптированы для использования в ряде линейных датчиков приближения, реагируя на изменения магнитного поля вблизи устройства.Например, обнаруженный магнитный полюс может приближаться к датчику перпендикулярно пластине Холла или когда магнит проходит вдоль плоскости датчика. Это движение вызывает изменение генерируемого напряжения. Дополнительная встроенная электронная схема преобразует напряжение Холла в значительно больший цифровой совместимый сигнал.

Определение угла, вращения и скорости использует одни и те же принципы эффекта Холла для измерения повторяющихся физических изменений положения. Для датчика вращения, скорости или угла магнитный полюс прикреплен к вращающемуся объекту, такому как вал двигателя, с неподвижной пластиной Холла.Хорошо известные области применения датчика углового положения включают определение коммутации бесщеточного двигателя постоянного тока и угла поворота коленчатого вала двигателя.

Каждый из этих типов устройств для измерения приближения, вращения и измерения тока представляет собой «переключатель» на эффекте Холла, который срабатывает на выходе эффекта Холла, а затем подается на другие интегрированные электронные схемы. Переключатель обеспечивает двоичный высокий или низкий уровень выходного сигнала в зависимости от значения измеренного магнитного поля или самого последнего значения магнитного поля и полярности.В сочетании с токопроводящей катушкой переключатель на эффекте Холла может также обеспечивать определение уровня электрического тока для прерывателей цепи максимального тока.

Переключение режимов работы
Предлагаются три основных режима работы:

Биполярный переключатель Холла : Для изменения состояний требуются как северный, так и южный полюсы выше указанных величин, и он считается переключателем с фиксацией.

Униполярный положительный переключатель Холла : Требуется один полюс.Изменяет состояние (низкое или высокое) на основе положительной плотности потока выше определенной величины или ниже минимального значения (обычно отсутствие магнитного поля).

Однополярный отрицательный переключатель Холла : Требуется один полюс. Изменяет состояние (высокое или низкое) на основе величины отрицательной плотности потока, превышающей определенное значение или меньшей минимальной (т. е. отсутствия магнитного поля).

Магнитное поле на пластине Холла определяет состояние выхода. Сигнал детектора Холла воспринимается, усиливается и используется для управления полупроводниковыми переключающими компонентами на выходе.Подключение к внешним логическим компонентам и компонентам управления, таким как схемы CMOS или TTL, является стандартным, с внешними подтягивающими резисторами. Устройства со встроенным эффектом Холла (, рис. 5, ) обычно недороги из-за массового производства.

Рис. 5. Упрощенная схема интегрированного устройства на эффекте Холла.

Наиболее распространенные типы корпусов предназначены для поверхностного монтажа или совместимы с выводной печатной платой ( Рисунок 6 ). Положительное и отрицательное направления магнитного поля, относящиеся к блокам датчиков, определяются производителем в их спецификациях.

Рис. 6. Типы датчиков Холла.

Чтобы сделать эти устройства более полезными в приложении, не забудьте:

  • Выбирайте устройства измерительного класса, когда требуются точные показания магнитного поля. Планируйте использование встроенных «переключателей» для обнаружения приближения (углового или линейного).
  • Знайте важные параметры, такие как величина магнитного поля, переменное или постоянное поле, частота переменного тока, диапазон температур и внешний шум (магнитный или электрический).
  • По возможности выбирайте более надежную упаковку.
  • Обратитесь за помощью к производителю магнита, если будет использоваться постоянный магнит.

Датчики Холла: История

Знание об эффекте Холла появилось с тех пор, как доктор Эдвин Х. Холл экспериментировал с этим поведением, используя лист золотой фольги в 1879 году. Его разработки привели к современным датчикам, хотя они потребовали много времени и усилий ученых и инженеров по всему миру Мир.Подходящие материалы были отчасти причиной задержки. До середины 1950-х годов висмут был лучшим доступным материалом для разработки сенсоров. Хотя висмут все еще не идеален, он обеспечивает достаточное напряжение Холла и стабильность для использования в качестве датчика в оборудовании, таком как контроллеры электромагнитного поля.

Значительный прорыв в материаловедении произошел в 1940-х годах, когда в Советском Союзе изучались полупроводники групп III-V. Ученые компании Siemens в Германии первыми осознали, что недавно открытые характеристики этих соединений позволят создать исключительные устройства на эффекте Холла (генераторы Холла).Полупроводники этого класса продемонстрировали как высокую подвижность носителей заряда, так и высокое удельное сопротивление, необходимое для использования эффекта Холла, а также превосходную стабильность при переменных температурах. К концу 1950-х годов исследователи из Огайо, США, узнали об уникальных характеристиках арсенида индия и антимонида индия, и в результате этих исследований было создано несколько компаний для производства продуктов на основе эффекта Холла. Прибор на основе арсенида индия по-прежнему не имеет себе равных в качестве измерительного датчика благодаря своей стабильности, малому шуму и минимальному температурному коэффициенту.

В течение ряда лет производители интегральных схем работали над тем, чтобы предложить рынку кремниевые устройства на эффекте Холла. Их большие производственные мощности и возможность добавлять к датчику другие схемы давали надежду на создание недорогих и очень универсальных устройств. К концу 1970-х кремниевый переключатель на эффекте Холла был хорошо разработан. Добавление триггера Шмитта и выходных транзисторов предложило промышленности быстродействующее устройство с большим изменением выходного сигнала, связанным с наличием или отсутствием магнитного поля.Получение точных и воспроизводимых результатов представляло некоторые проблемы; на результаты измерений обычно влияли высокий температурный коэффициент и переменная калибровка переключателя. Лишь в 1980-х годах современные схемы калибровки и компенсации позволили достичь уровней производительности, достигаемых сегодняшними встроенными датчиками.

практических датчиков: эффект Холла

Измерение магнитного поля может быть очень простым с использованием довольно простых технологий, а может быть очень высокотехнологичным.Это просто зависит от того, какое измерение вам нужно и сколько усилий вы хотите потратить. Самые простые магнитные датчики представляют собой герконы. По сути это реле без катушки. Вместо катушки внешний магнит подходит достаточно близко, чтобы замыкать или размыкать контакты в язычке. Вы часто видите их, например, в датчиках дверной сигнализации.

Опять же, в трости нет настоящего изящества. Он меняет состояние, когда видит достаточное количество магнитного поля, вот и все. Вы можете использовать компас с каким-то датчиком на стрелке, чтобы получить больше информации о поле, но не более того.Однако именно так работали первые магнитометры. Сегодня у вас есть множество вариантов, в том числе почти вездесущий датчик Холла.

Вы можете использовать эффект Холла, чтобы измерить магнитную кнопку на клавише клавиатуры, опускающуюся при нажатии на нее, или открытое и закрытое состояние клапана. Многие эффекты Холла воспринимают службу как текущие мониторы. Поскольку катушка создает магнитное поле, пропорциональное проходящему через нее току, магнитный датчик может оценить ток в катушке с проводом без какого-либо физического контакта.Эффекты Холла также позволяют наблюдать за движением магнита в системе линейного движения или вращающейся системе, чтобы получить представление о положении или скорости. Например, взгляните на этот контроллер бесщеточного двигателя, который использует три датчика для определения положения двигателя.

История

Эдвин Холл обнаружил этот эффект в 1879 году. Основная идея проста: электрический проводник, по которому течет ток, будет демонстрировать изменения из-за внешнего магнитного поля поблизости. Эти изменения проявляются как напряжение, которое вы измеряете на проводнике.Обычно напряжение на проводнике почти равно нулю, но с магнитным полем вы получите ненулевое показание пропорционально напряженности магнитного поля в конкретной плоскости, как мы вскоре увидим.

Датчики Холла

— это всего лишь один из типов современных магнитометров. Существует множество различных типов, в том числе те, в которых используются катушки индуктивного датчика, которые могут вращаться или не вращаться, или феррозонд, который представляет собой особый тип катушки. Некоторые используют шкалу или пружину для измерения силы воздействия на другой магнит — иногда микроскопически.Вы даже можете обнаружить магнитное поле, используя оптические свойства, такие как эффект Керра или вращение Фарадея.

Затем вы попадаете в действительно экзотические датчики. Вы также можете измерять протонный резонанс в богатых водородом материалах, таких как керосин, или обнаруживать энергетические состояния в газах, таких как цезий. Сверхпроводящие катушки также находятся в меню.

Тем не менее, эффекты Холла, особенно те, которые используют полупроводники, дешевы и многочисленны. Они тоже маленькие. Трудно представить, что клавиатура вашего ПК использует сверхпроводящую катушку для захвата маленьких магнитов, приклеенных к нижней части клавиш.

Как это работает?

Нам нравится видео от [rcmodelreviews], в котором рассказывается о теории эффекта Холла (см. ниже). однако объяснение довольно простое даже без видео. Рассмотрим проводящий лист в форме долларовой банкноты. К левой и правой сторонам подключен источник постоянного напряжения, заставляющий ток течь по проводнику. Если вы измерите напряжение — напряжение Холла — в верхней и нижней части купюры, вы ожидаете, что напряжение будет почти нулевым, если проводник в порядке.Без магнитного поля вы были бы правы. Напряжение сверху и снизу будет практически равно нулю.

Однако, когда присутствует магнитное поле с силовыми линиями, расположенными под прямым углом к ​​току смещения, сила Лоренца действует на электроны или другие носители заряда, такие как дырки, и они будут отклоняться от силы, как вы можете видеть на рис. эта анимация. Это заставит электроны группироваться вместе на одной стороне проводника и иметь тенденцию отсутствовать на другой стороне.

Анимация эффекта Холла создана [FraunhoferIIS], CC-BY-SA-4.0.

Это приводит к тому, что две стороны имеют разные заряды, и там, где у нас есть разность зарядов, у нас должно быть напряжение. На анимации вы можете увидеть батарею, обеспечивающую протекание тока, и измеритель, измеряющий напряжение на эффекте Холла, поскольку подковообразный магнит прикладывает к устройству различные магнитные поля.

Практичное устройство будет иметь дополнительную схему. Обычно есть усилитель для напряжения Холла.Иногда имеется регулятор напряжения смещения. Датчик с цифровым выходом может также иметь компаратор и выходной транзистор.

Чтение технического описания

Все устройства разные, поэтому стоит прочитать техническое описание того устройства, которое вы хотите использовать. Эффекты Холла обычно имеют ограничения по частотному диапазону и могут быть довольно дорогими. У Melexis, например, есть устройство с частотой 250 кГц, и это намного быстрее, чем у многих других подобных продуктов. Для работы этого конкретного устройства требуется 5 В и менее 15 мА.

Из спецификации видно, что есть две версии. Один может работать примерно до 7,5 миллитесла, а другой работает около 20 миллитесла. Есть даже версия, способная работать до 60 миллитесла. Конечно, есть много других вариантов от других поставщиков с другими параметрами.

Некоторые датчики выдают напряжение, пропорциональное воспринимаемому магнитному полю, или вы можете приобрести датчик цифрового типа с включением/выключением. Очевидно, что если вы планируете развернуть датчик, вам потребуется различная поддержка для тех датчиков, которые вы решите использовать.В некоторых случаях вам даже не нужно внешнее устройство. ESP32, например, имеет встроенный эффект Холла, как вы можете видеть в этом видео.

Здание с датчиками Холла

Если вы хотите построить свои собственные проекты на эффекте Холла, у вас есть из чего выбрать. Портативный магнитометр довольно прост и живет в коробке Tic Tac. Если вы измеряете ток, вы можете использовать устройство, которое содержит не только датчик Холла, но и все остальное, что вам нужно.

Или почему бы не построить что-то новое? Однако, если вы это сделаете, обязательно отправьте нам сообщение в строке советов, чтобы мы могли распространить информацию о вашем последнем творении.

Исследователи разработали сверхчувствительный прибор для обнаружения магнитных полей

PROVIDENCE, RI [Университет Брауна] — Группа физиков Университета Брауна разработала новый тип компактного сверхчувствительного магнитометра. По словам исследователей, новое устройство может быть полезно в различных приложениях, связанных со слабыми магнитными полями.

«Почти все вокруг нас создает магнитное поле — от наших электронных устройств до наших бьющихся сердец — и мы можем использовать эти поля для получения информации обо всех этих системах», — сказал Ган Сяо, заведующий кафедрой физики Брауна и старший автор исследования. документ с описанием нового устройства. «Мы обнаружили класс датчиков, которые являются сверхчувствительными, но при этом небольшими, недорогими в производстве и не потребляют много энергии. Мы думаем, что у этих новых датчиков может быть много потенциальных применений.

Новое устройство подробно описано в статье, опубликованной в Applied Physics Letters. Ведущими авторами исследования были аспирант Брауна Иоу Чжан и исследователь с докторской степенью Кан Ван.

Традиционный способ обнаружения магнитных полей — это так называемый эффект Холла. Когда проводящий материал, по которому течет ток, входит в контакт с магнитным полем, электроны в этом токе отклоняются в направлении, перпендикулярном их потоку. Это создает небольшое перпендикулярное напряжение, которое может использоваться датчиками Холла для обнаружения магнитных полей.

Новое устройство использует аналог эффекта Холла, известный как аномальный эффект Холла (АЭХ), который возникает в ферромагнитных материалах. В то время как эффект Холла возникает из-за заряда электронов, АЭХ возникает из-за спина электрона, крошечного магнитного момента каждого электрона. Эффект заставляет электроны с разными спинами разлетаться в разные стороны, что приводит к небольшому, но обнаруживаемому напряжению.

В новом устройстве используется ультратонкая ферромагнитная пленка из атомов кобальта, железа и бора.Спины электронов предпочитают ориентироваться в плоскости пленки, это свойство называется плоскостной анизотропией. После обработки пленки в высокотемпературной печи и в сильном магнитном поле спины электронов приобретают тенденцию ориентироваться перпендикулярно пленке с так называемой перпендикулярной анизотропией. Когда эти две анизотропии имеют одинаковую силу, электронные спины могут легко переориентироваться, если материал вступает в контакт с внешним магнитным полем.Эту переориентацию электронных спинов можно обнаружить по напряжению АЭХ.

Не требуется сильного магнитного поля, чтобы перевернуть спины в пленке, что делает устройство весьма чувствительным. На самом деле, по словам исследователей, он в 20 раз более чувствителен, чем традиционные датчики на эффекте Холла.

Ключом к тому, чтобы устройство работало, является толщина пленки кобальт-железо-бор. Слишком толстая пленка требует более сильных магнитных полей для переориентации спинов электронов, что снижает чувствительность.Если пленка слишком тонкая, спины электронов могут переориентироваться сами по себе, что приведет к отказу датчика. Исследователи обнаружили, что оптимальная толщина составляет 0,9 нанометра, то есть примерно четыре или пять атомов.

Исследователи полагают, что устройство может найти широкое применение. Одним из примеров, который может быть полезен врачам, является магнитно-иммуноанализ — метод, использующий магнетизм для поиска патогенов в образцах жидкости.

«Поскольку устройство очень маленькое, мы можем разместить тысячи или даже миллионы датчиков на одном чипе, — сказал Чжан.«Этот чип может тестировать множество разных вещей одновременно в одном образце. Это сделает тестирование проще и дешевле».

Другое приложение может быть частью текущего проекта в лаборатории Сяо, поддерживаемого Национальным научным фондом. Сяо и его коллеги разрабатывают магнитную камеру, которая может делать изображения магнитных полей высокой четкости, создаваемых квантовыми материалами. Такой подробный магнитный профиль поможет исследователям лучше понять свойства этих материалов.

«Как и в обычной камере, мы хотим, чтобы наша магнитная камера имела как можно больше пикселей», — сказал Сяо. «Каждый магнитный пиксель в нашей камере — это отдельный магнитный датчик. Датчики должны быть небольшими и не потреблять слишком много энергии, поэтому этот новый датчик может быть полезен в нашей камере».

Исследование было поддержано Национальным научным фондом (OMA-1936221).

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.