Датчик холла устройство: принцип работы, как проверить своими руками, применение — RallySale.ru Продажа спортивных автомобилей, гоночной техники и экипировки для автоспорта. Работа. Аренда и тюнинг машин

Содержание

принцип работы, как проверить своими руками, применение

Электромагнитное устройство, именуемое датчиком Холла (далее ДХ), применяется во многих приборах и механизмах. Но наибольшее применение ему нашлось в автомобилестроении. Практически во всех моделях отечественного автопрома (ВАЗ 2106, 2107, 2108 и т.д.) бесконтактная система зажигания для бензинового двигателя управляется этим датчиком. Соответственно, при его выходе из строя возникают серьезные проблемы с работой двигателя. Чтобы не ошибиться при диагностике, необходимо понимать принцип работы датчика, знать его конструкцию и методы тестирования.

Кратко о принципе работы

В основу принципа действия датчика зажигания положен эффект Холла, получивший свое название в честь американского физика, открывшего это явление в 1879 году. Подав постоянное напряжение на края прямоугольной пластины (А и В на рис. 1) и поместив ее в магнитное поле, Эдвин Холл обнаружил разность потенциалов на двух других краях (С и D).

Рис .1. Демонстрация эффекта Холла

В соответствии с законами электродинамики, сила Лоренца воздействует на носители заряда, что и приводит к разности потенциалов. Величина напряжения U

холла довольно мала, в пределах от 10 мкВ до 100 мВ, она зависит как от силы тока, так и напряженности электромагнитного поля.

До середины прошлого века открытие не находило серьезного технического применения, пока не было налажено производство полупроводниковых элементов на основе кремния, сверхчистого германия, арсенида индия и т.д., обладающих необходимыми свойствами. Это открыло возможности для производства малогабаритных датчиков, позволяющих измерять как напряженность поля, так и силу тока, идущего по проводнику.

Типы и сфера применения

Несмотря на разнообразие элементов, применяющих эффект Холла, условно их можно разделить на два вида:

Аналоговые, использующие принцип преобразования магнитной индукции в напряжение. То есть, полярность, и величина напряжения напрямую зависят от характеристик магнитного поля. На текущий момент этот тип приборов, в основном, применяется в измерительной технике (например, в качестве, датчиков тока, вибрации, угла поворота). Датчики тока, использующие эффект Холла, могут измерять как переменный, так и постоянный ток

Цифровые. В отличие от предыдущего типа датчик имеет всего два устойчивых положения, сигнализирующих о наличии или отсутствии магнитного поля. То есть, срабатывание происходит в том случае, когда интенсивность магнитного поля достигла определенной величины. Именно этот тип устройств применяется в автомобильной технике в качестве датчика скорости, фазы, положения распределительного, а также коленчатого вала и т.д.

Следует отметить, что цифровой тип включает в себя следующие подвиды:

униполярный – срабатывание происходит при определенной силе поля, и после ее снижения датчик переходит в изначальное состояние;
биполярный – данный тип реагирует на полярность магнитного поля, то есть один полюс производит включение прибора, а противоположный – выключение.

Внешний вид цифрового датчика Холла

Как правило, большинство датчиков представляет собой компонент с тремя выводами, на два из которых подается двух- или однополярное питание, а третий является сигнальным.

Пример использования аналогового элемента

Рассмотрим в качестве примера конструкцию датчика тока ы основе работы которого используется эффект Холла.

Упрощенная схема датчика тока на основе эффекта Холла

Обозначения:

А – проводник.
В – незамкнутое магнитопроводное кольцо.
С – аналоговый датчик Холла.
D – усилитель сигнала.

Принцип работы такого устройства довольно прост: ток, проходящий по проводнику, создает электромагнитное поле, датчик измеряет его величину и полярность и выдает пропорциональное напряжение U_ДТ, которое поступает на усилитель и далее на индикатор.
https://www.youtube.com/watch?v=fmLs9WsKx3I

Назначение ДХ в системе зажигания автомобиля

Разобравшись с принципом действия элемента Холла, рассмотрим, как используется данный датчик в системе бесконтактного зажигания линейки автомобилей ВАЗ. Для этого обратимся к рисунку 5.

Рис. 5. Принцип устройства СБЗ

Обозначения:

А – датчик.
B – магнит.
С – пластина из магнитопроводящего материала (количество выступов соответствует числу цилиндров).

Алгоритм работы такой схемы выгладит следующим образом:

При вращении вала прерывателя-распределителя (движущемуся синхронно коленвалу) один из выступов магнитопроводящей пластины занимает позицию между датчиком и магнитом.
В результате этого действия изменяется напряженность магнитного поля, что вызывает срабатывание ДХ. Он посылает электрический импульс коммутатору, управляющему катушкой зажигания.
В Катушке генерируется напряжение, необходимое для формирования искры.

Казалось бы, ничего сложного, но искра должна появиться именно в определенный момент. Если она сформируется раньше или позже, это вызовет сбой в работе двигателя, вплоть до его полной остановки.

Внешний вид датчика Холла для СБЗ ВАЗ 2110

Проявление неисправности и возможные причины

Нарушения в работе ДХ можно обнаружить по следующим косвенным признакам:

Происходит резкое увеличение потребления топлива. Это связано с тем, что впрыск топливно-воздушной смеси производится более одного раза за один цикл вращения коленвала.
Проявление нестабильной работы двигателя. Автомобиль может начать «дергаться», происходит резкое замедление. В некоторых случаях не удается развить скорость более 50-60 км.ч. Двигатель «глохнет» в процессе работы.
Иногда выход из строя датчика может привести к фиксации коробки передач, без возможности ее переключения (в некоторых моделях импортных авто). Для исправления ситуации требуется перезапуск мотора. При регулярных подобных случаях можно уверенно констатировать выход из строят ДП.
Нередко поломка может проявиться в виде исчезновения искры зажигания, что, соответственно, повлечет за собой невозможность запуска мотора.

В системе самодиагностики могут наблюдаться регулярные сбои, например, загореться индикатор проверки двигателя, когда он на холостом ходу, а при повышении оборотов лампочка гаснет.

Совсем не обязательно, что перечисленные факторы вызваны выходом из строя ДП. Высока вероятность того, неисправность вызвана другими причинами, а именно:

попаданием мусора или других посторонних предметов на корпус ДП;
произошел обрыв сигнального провода;
в разъем ДП попала вода;
сигнальный провод замкнулся с «массой» или бортовой сетью;
порвалась экранирующая оболочка на всем жгуте или отдельных проводах;
повреждение проводов, подающих питание к ДП;
перепутана полярность напряжения, поступающего на датчик;
проблемы с высоковольтной цепью системы зажигания;
проблемы с блоком управления;

неправильно выставлен зазор между ДП и магнитопроводящей пластиной;
возможно, причина кроется в высокой амплитуде торцевого биения шестеренки распределительного вала.

Как проверить работоспособность датчика Холла?

Есть разные способы, позволяющие проверить исправность датчика СБЗ, кратко расскажем о них:

Имитируем наличие ДХ. Это наиболее простой способ, позволяющий быстро провести проверку. Но его эффективности может идти речь только в том случае, если не формируется искра при наличии питания на основных узлах системы. Для тестирования следует выполнить следующие действия:

отключаем от трамблера трехпроводной штекер;
запускаем систему зажигания и одновременно с этим «коротим» проводом массу и сигнал с датчика (контакты 3 и 2, соответственно). При наличии искры на катушке зажигания, можно констатировать, что датчик СБЗ потерял работоспособность и ему необходима замена.

Обратим внимание, что для выявления искрообразования высоковольтный проводок должен находиться рядом с массой.

Применение мультиметра для проверки. Это способ наиболее известный, и приводится в руководстве к автомобилю. Нужно подключить щупы прибора, как продемонстрировано на рисунке 7, и произвести замеры напряжения.

Схема подключения мультиметра для проверки ДХ

На исправном датчике напряжение будет колебаться в диапазоне от 0,4 до 11 вольт (не забудьте перевести мультиметр в режим измерения постоянного тока). Следует заметить, что проверка осциллографом будет намного эффективней. Подключается он таким же образом, как и мультиметр. Пример осциллограммы рабочего ДХ приведен ниже.

Осциллограмма исправного датчика Холла СБЗ

Установка заведомо рабочего ДХ. Если в наличии имеется еще один однотипный датчик, или имеется возможность взять его на время, то данный вариант тоже имеет место на существование, особенно если первые два сделать затруднительно.

Ест еще один вариант проверки, по принципу напоминающий второй способ. Он может быть полезен, если под рукой нет измерительных приборов. Для тестирования понадобиться резистор номиналом 1,0 кОм, светодиод, например, из фонарика зажигалки и несколько проводков. Из всего этого набора собираем прибор в соответствии с рисунком 9.

Рис. 9. Светоиндикаторный тестер для проверки ДХ

Тестирование осуществляем по следующему алгоритму:

Проверяем питание на датчике. Для этой цели подключаем (соблюдая полярность) наш тестер к клеммам 1 и 3 ДХ. Включаем зажигание, если с питанием все нормально, светодиод загорится, в противном случае потребуется проверять цепь питания (предварительно убедившись в правильном подключении светодиода).
Проверяем сам датчик. Для этого провод с первой клеммы «перебрасываем» на вторую (сигнал с ДХ). После этого начинаем крутить распредвал (руками или стартером). Моргание светодиода засвидетельствует исправность ДХ. В противном случае, на всякий случай проверяем соблюдение полярности при подключении светодиода, и если оно выполнено правильно, — меняем датчик на новый.

устройство, принцип работы и назначение

Магнитные датчики Холла широко распространены в современных условиях и применяются не только в специализированных изделиях, но и в обычной бытовой технике. Большинство пользователей даже не подозревают, какие чувствительные элементы работают у них в телефоне, например, и что они могут быть установлены не только в электронной аппаратуре, но и в средствах передвижения (в автомобиле или мотоцикле). В этой статье мы рассмотрим устройство, принцип работы и назначение датчика Холла.

Принцип действия и типы

Использование сенсоров в различных устройствах (в планшете, в частности) объясняется их способностью реагировать на изменения поля и отключаться при закрытии магнитной крышки чехла. Благодаря этому свойству они устанавливаются и в стиральных машинах, позволяя контролировать скорость вращения барабана. Если выразиться простым языком – здесь датчик Холла используется как тахометр.

Историческая справка

Чтобы понять принцип работы этого элемента, потребуется небольшой экскурс в историю. В 1879 году американский физик Холл открыл интересное явление, связанное с поведением проводника с током в магнитном поле. Проверка показала, что если через помещенную между магнитами медную пластину пропускать ток, то на ее боковых гранях появляется разность потенциалов. Возникает закономерный вопрос: как проверить это напряжение в домашних условиях?

Оказалось, что на практике его можно измерить мультиметром или любым другим прибором, имеющим соответствующие пределы. То же самое можно сделать любым подходящим тестером или подобным ему прибором.

Подключение измерителя подтверждает то, что движущиеся электроны под действием магнитного поля отклоняются в сторону (перпендикулярно направлению их движения).

Важно! Величина этого отклонения или разность потенциалов пропорциональна «мощности» магнитов и силе тока через пластину.

На этом основании Холл заключил, что такой проводник – хорошее средство для измерения магнитного поля. На данном эффекте основана работа особого чувствительного элемента, называемого датчиком Холла. Разобравшись с тем, как он работает в каждом конкретном устройстве, можно быть уверенным в окончательном усвоении его принципа действия.

Классификация

Важно понимать, какие бывают датчики Холла, и по какому принципу их принято классифицировать. По особенностям работы и тому для чего он нужен или по назначению, датчик Холла может иметь различные исполнения. Одна из разновидностей – аналоговые приборы, вырабатывающие на выходе непрерывный сигнал.

В отличие от них цифровой элемент имеет только два дискретных состояния («ноль» и «единица»). Эта разновидность прибора может быть униполярной или иметь биполярный тип. Первая из них срабатывает при обнаружении поля любой полярности и отключается при его исчезновении. То есть униполярный цифровой сенсор реагирует только на отсутствие или наличие магнитной напряженности. Рассмотренные особенности каждого из подвидов также помогают понять, что это такое – датчик Холла.

Униполярные сенсоры переключаются в «единицу» лишь при достижении полем порогового уровня и не способны определять его наличие при слабых напряженностях. Указанное свойство – существенный минус таких приборов, заметно ограничивающий сферу их применения. Биполярный датчик срабатывает с учетом полярности магнитного поля, одна из которых включает его, а другая – выключает.

Условное графическое обозначение приборов этого класса приведено на фото ниже:

Устройство и примеры использования

Простейшая система с датчиком Холла включает в свой состав следующие элементы:

Постоянный магнит (его функция – создание магнитного поля).
Подвижный ротор с лопастями или зубцами.
Особый стержень из магнитного материала (магнитопровод).
Пластиковый корпус.

Помимо этого, техническая характеристика датчика предусматривает применение микросхем, задействованных в измерительном процессе.

Понять принцип работы этого прибора удается, если ознакомиться с подробной схемой включения датчика Холла в зоне проведения измерений. Схема подключения и суть работы сенсора может быть представлена следующим образом:

В зазоре, образованном половинками магнитопровода, перемещаются металлические лопасти ротора.
При их вращении происходит периодическое шунтирование магнитного потока.
Встроенной микросхемой предусмотрено определение нулевого показателя индукции (в эти моменты напряжение на ее выходе максимально).
По частоте таких всплесков, подсчитываемой той же микросхемой, судят о скорости вращения контролируемого объекта (двигательного вала в мотоцикле, например).

Чтобы этот процесс протекал нормально – при включении сенсора в измерительную цепь должна учитываться цоколевка данного образца (она бывает разной).

Обобщая рассмотренную схему, следует предположить, что датчики этого класса способны измерять скорость вращения коленвала любого движущегося средства. Универсальность сенсора, не исключающая возможности его установки в скутере, например, позволяет применять датчик Холла не только в сложных технических устройствах, но и в обычной бытовой технике.

Применение в системе зажигания и стиральных машинах

При использовании датчика Холла в системе зажигания автомобиля с его помощью удается фиксировать момент размыкания трамблера. В данном случае он работает как аналоговый преобразователь, определяющий мгновения прерывания бортового питания. На этом же принципе базируется его применение в рабочих модулях стиральной машины, что позволяет по скорости вращения барабана определять увеличение веса белья.

Датчики Холла устанавливаются и в некоторых образцах измерительной аппаратуры. Чаще всего ими комплектуются бесконтактные клещи, применяемые для измерения тока в проводниках. Встроенный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля, образующегося вокруг силового кабеля. Кроме того, он подходит для ручки газа электровелосипеда, позволяя контролировать угол ее поворота.

В бытовых условиях

В клавиатурах компьютеров эти приборы обеспечивают бесконтактный способ снятия информации. Сенсор, входящий в состав кулера бытового ПК, способен управлять полярностью обмоток ротора, то есть менять направление его вращения.

При использовании такого элемента в смартфоне, в частности, он обеспечивает выключение устройства при помещении его в чехол с «магнитной» застежкой.

Рассматривая области применения датчики Холла простыми словами можно сказать, что его использование в технической сфере практически ничем не ограничено. В электронном конструкторе Ардуино, например, имеется набор с таким датчиком, позволяющий на практике проиллюстрировать эффект Холла.

Это не единственный пример его использования в целях обучения, помогающий начинающим пользователям понять, как подключить и использовать сенсоры полевых структур.

В заключение отметим, что к недостаткам датчиков Холла относят их чувствительность к электромагнитным помехам, нередко возникающим в рабочих цепях. Кроме того, использование сложных электронных модулей в конструкции прибора в какой-то мере влияет на его надежность, несколько снижая ее. Эти минусы сенсора не рассматриваются как его дефекты, а просто учитываются при работе с аппаратурой.

Теперь вы знаете, что такое датчик Холла, как он работает и зачем нужен. Надеемся, предоставленная информация была для полезной и интересной!

Материалы по теме:

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, S_n	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

Датчик холла назначение и принцип работы

В статье узнаете, что такое датчик Холла, принцип работы, его типы, применение в промышленности, преимущества и недостатки.

Датчики Холла широко используются в различных областях. В этом посте мы расскажем о том, как они работают, их типах, приложениях, преимуществах и недостатках.

Блок: 1/10 | Кол-во символов: 281
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

Что такое датчик Холла

Магнитные датчики — это твердотельные устройства, которые генерируют электрические сигналы, пропорциональные приложенному к нему магнитному полю. Эти электрические сигналы затем дополнительно обрабатываются специальной электронной схемой пользователя для получения желаемого выхода.

В наши дни эти магнитные датчики способны реагировать на широкий спектр магнитных полей. Одним из таких устройств является датчик Холла, выход которого (напряжение) зависит от плотности магнитного поля.

Внешнее магнитное поле используется для активации этих датчиков эффекта Холла. Отслеживаемый магнитный поток фиксируется датчиком, когда его плотность за пределы определенного порога. При обнаружении датчик генерирует выходное напряжение, которое также известно как напряжение Холла.

Эти измерительные элементы пользуются большим спросом и имеют очень широкое применение, например датчики приближения, переключатели, датчики скорости вращения колес, датчики положения и т. д.

Купить датчик вы можете в популярном китайском интернет магазине «АлиЭкспресс». Брали оттуда, все рабочие, советуем.

Блок: 2/10 | Кол-во символов: 1096
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

С чего все начиналось

Дело было еще в 19-ом веке. Американский физик Эдвин Холл обнаружил очень странную вещь… Он взял пластинку золота и стал пропускать через неё постоянный ток. На рисунке эту пластинку я отметил с гранями ABCD.

Так вот, когда он пропускал постоянный ток через грани D и B, поднес перпендикулярно пластинке постоянный магнит и знаете что обнаружил? Разность потенциалов на гранях А и C! Или проще сказать, напряжение. Этот эффект и назвали в честь этого ученого.

Как только он сделали это открытие, вскоре стали делать радиоэлементы на этом эффекте. Чтобы не заморачиваться с названием, назвали в честь того, кто открыл этот эффект – в честь Холла. Поэтому радиоэлементы, основанные на эффекте Холла, называют датчиками Холла.

Блок: 2/7 | Кол-во символов: 753
Источник: https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/

Датчик Холла – принцип работы и назначение

В современных условиях происходит постоянное технологическое развитие датчиков Холла. Они отличаются надежностью, точностью и постоянством данных. Широкое распространение эти приборы получили в автомобилях и других транспортных средствах. Они обладают повышенной устойчивостью к агрессивным внешним воздействиям. Датчики Холла являются составной частью многих устройств, с помощью которых контролируется определенное состояние техники.

Во многих случаях этот прибор размещается в трамблере и отвечает за образование искры, то есть он используется вместо контактов. Нередко данный прибор применяется для слежения за током нагрузки. С его помощью производится отключение при возникновении токовых перегрузок. В случае перегревания датчика происходит срабатывание температурной защиты. Резкое изменение напряжения может иметь для устройства тяжелые последствия. Поэтому в последних моделях устанавливается внутренний диод, препятствующий обратному включению напряжения.

Датчик Холла до настоящего времени не смог заменить обычные механические переключатели. Однако в любом случае он имеет ряд значительных преимуществ. Основными из них являются отсутствие контактов, загрязнений, а также механических нагрузок. Поэтому часто можно встретить датчик Холла на скутере, применяемый в качестве составной части датчика зажигания.

Блок: 6/8 | Кол-во символов: 1367
Источник: http://starifaeton.ru/info/datchik-holla-naznachenie-i-princip-raboty/

Линейные датчики Холла

О чего же зависит напряжение на гранях А и С? В основном от магнитного поля, создаваемым либо постоянным магнитом, либо электромагнитом; толщиной пластинки, а также силой тока, протекающего через саму пластинку. Благодаря этим параметрам с помощью датчика Холла были построены приборы, позволяющие замерять силу тока в проводнике, не касаясь самого проводоа, например, токовые клещи

а также приборы, с помощью которых можно замерять напряженность магнитного поля. Датчики Холла, используемые в этих приборах называют линейными, так как напряжение на датчике Холла прямо пропорционально измеряемым параметрам магнитного поля.

Линейные датчики, как я уже сказал, могут быть использованы в токовых клещах. Они позволяют измерять силу тока, начиная от 250 мА и до нескольких тысяч Ампер. Самым большим преимуществом в таких токовых клещах является отсутствие механического контакта с измеряемой цепью. Иными словами, токовые измерители на эффекте Холла намного безопаснее, чем измерители на основе шунта и амперметра, особенно при большой силе тока в цепи, которую нередко можно встретить в промышленных установках.

Блок: 3/7 | Кол-во символов: 1136
Источник: https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/

Как работает датчик Холла

Во время своих исследований в 1879 году физик Холл выявил такой эффект, что если в магнитном поле находится пластина, на которую подается напряжение (ток протекает через пластину), тогда электроны в указанной пластине начинают отклоняться. Такое отклонение происходит перпендикулярно по отношению к тому направлению, которое имеет магнитный поток.

Также направление этого отклонения происходит в зависимости от той полярности, которую имеет магнитное поле. Получается, электроны будут иметь разную плотность на разных сторонах пластины, создавая разные потенциалы. Обнаруженное явление получило название эффект Холла.

Другими словами, Холл поместил прямоугольную полупроводниковую пластину в магнитное поле и на узкие грани такого полупроводника подал ток. В результате на широких гранях появилось напряжение. Дальнейшее развитие технологий позволило создать на основе обнаруженного эффекта компактное устройство-датчик. Главным преимуществом датчиков подобного рода выступает то, что частота срабатывания устройства не смещает момент измерения. Выходной сигнал от такого устройства всегда устойчивый, без всплесков.

Простейший датчик состоит из:

постоянного магнита;
лопасти ротора;
магнитопроводов;
пластикового корпуса;
электронной микросхемы;
контактов;

Работа устройства построена на следующей схеме: через зазор осуществляется проход металлической лопасти ротора, что позволяет шунтировать магнитный поток. Результатом становится нулевой показатель индукции на микросхеме. Выходной сигнал по отношению к массе практически равняется показателю напряжения питания.

Датчик Холла в системе зажигания является аналоговым преобразователем, который непосредственно коммутирует питание.

Среди недостатков стоит выделить чувствительность устройства к электромагнитным помехам, которые могут возникнуть в цепи. Также наличие электронной схемы в устройстве датчика несколько снижает его надежность.

Блок: 2/4 | Кол-во символов: 1931
Источник: http://KrutiMotor.ru/ustrojstvo-datchika-xolla/

Пример использования аналогового элемента

Рассмотрим в качестве примера конструкцию датчика тока ы основе работы которого используется эффект Холла.

Упрощенная схема датчика тока на основе эффекта Холла

Обозначения:

А – проводник.
В – незамкнутое магнитопроводное кольцо.
С – аналоговый датчик Холла.
D – усилитель сигнала.

Принцип работы такого устройства довольно прост: ток, проходящий по проводнику, создает электромагнитное поле, датчик измеряет его величину и полярность и выдает пропорциональное напряжение UДТ, которое поступает на усилитель и далее на индикатор.

Блок: 4/7 | Кол-во символов: 573
Источник: https://www.asutpp.ru/chto-takoe-datchik-holla.html

Цифровые датчики Холла

Разработчики на этом не остановились. Как только наступила эра цифровой электроники в один корпус вместе с датчиком Холла стали помещать различные логические элементы. Выглядит все это примерно вот так:

В результате промышленность стала выпускать датчики Холла для цифровой электроники. В основном такие датчики делятся на три вида:

Униполярные. Реагируют только на один магнитный полюс. На противоположный магнитный полюс не обращают никакого внимания. То есть подносим например южный полюс магнита, датчик сработал. На северный магнитный полюс ему наплевать.

Биполярные. Здесь уже интереснее. Подносим магнит одним полюсом – датчик сработал и продолжает работать даже тогда, когда мы убираем магнит от датчика. Для того, чтобы его выключить, нам надо подать на него другую полярность магнита.

Омниполярные. Этим датчикам по барабану на какой полюс включаться и выключаться. Пусть будет хоть южный или северный.

Блок: 4/7 | Кол-во символов: 945
Источник: https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/

Назначение ДХ в системе зажигания автомобиля

Рис. 5. Принцип устройства СБЗ

Обозначения:

А – датчик.
B – магнит.
С – пластина из магнитопроводящего материала (количество выступов соответствует числу цилиндров).

Алгоритм работы такой схемы выгладит следующим образом:

При вращении вала прерывателя-распределителя (движущемуся синхронно коленвалу) один из выступов магнитопроводящей пластины занимает позицию между датчиком и магнитом.
В результате этого действия изменяется напряженность магнитного поля, что вызывает срабатывание ДХ. Он посылает электрический импульс коммутатору, управляющему катушкой зажигания.
В Катушке генерируется напряжение, необходимое для формирования искры.

Проявление неисправности и возможные причины

Нарушения в работе ДХ можно обнаружить по следующим косвенным признакам:

Происходит резкое увеличение потребления топлива. Это связано с тем, что впрыск топливно-воздушной смеси производится более одного раза за один цикл вращения коленвала.
Проявление нестабильной работы двигателя. Автомобиль может начать «дергаться», происходит резкое замедление. В некоторых случаях не удается развить скорость более 50-60 км.ч. Двигатель «глохнет» в процессе работы.
Иногда выход из строя датчика может привести к фиксации коробки передач, без возможности ее переключения (в некоторых моделях импортных авто). Для исправления ситуации требуется перезапуск мотора. При регулярных подобных случаях можно уверенно констатировать выход из строят ДП.
Нередко поломка может проявиться в виде исчезновения искры зажигания, что, соответственно, повлечет за собой невозможность запуска мотора.
В системе самодиагностики могут наблюдаться регулярные сбои, например, загореться индикатор проверки двигателя, когда он на холостом ходу, а при повышении оборотов лампочка гаснет.

попаданием мусора или других посторонних предметов на корпус ДП;
произошел обрыв сигнального провода;
в разъем ДП попала вода;
сигнальный провод замкнулся с «массой» или бортовой сетью;
порвалась экранирующая оболочка на всем жгуте или отдельных проводах;
повреждение проводов, подающих питание к ДП;
перепутана полярность напряжения, поступающего на датчик;
проблемы с высоковольтной цепью системы зажигания;
проблемы с блоком управления;
неправильно выставлен зазор между ДП и магнитопроводящей пластиной;
возможно, причина кроется в высокой амплитуде торцевого биения шестеренки распределительного вала.

Блок: 4/8 | Кол-во символов: 2929
Источник: http://starifaeton.ru/info/datchik-holla-naznachenie-i-princip-raboty/

Типы датчиков Холла

Датчики эффекта Холла можно разделить на два типа:

на основании вывода;
на основании операции.

На основе результатов

На основе выходных данных датчики Холла можно разделить по типу выхода:

аналоговый;
цифровой.

Датчики Холла с аналоговым выходом

Датчики Холла с аналоговым выходом содержат регулятор напряжения, элемент Холла и усилитель. Как следует из названия, выход такого типа датчика является аналоговым по своей природе и пропорционален напряженности магнитного поля и выходу элемента Холла.

Эти измерительные элементы имеют непрерывный линейный выход. Благодаря такому свойству они подходят для использования в качестве датчиков приближения.

Датчики Холла с цифровым выходом

Датчики эффекта Холла с цифровым выходом имеют только два выхода: «вкл.» и «выкл.». Эти датчики имеют дополнительный элемент — «триггер Шмитта», отличаясь этим от датчиков Холла с аналоговым выходом.

Именно триггер Шмитта вызывает эффект гистерезиса, и поэтому достигаются два различных пороговых уровня. Соответственно, выход всей цепи будет либо низким, либо высоким.

Переключатель эффекта Холла — один из таких датчиков. Эти датчики цифрового вывода широко используются в качестве концевых выключателей в станках с ЧПУ, трехмерных (3D) принтерах и позиционных блокировках в автоматизированных системах.

На основе операции

На основе операции датчики эффекта Холла можно разделить на два типа:

биполярный;
униполярный.

Биполярный датчик Холла

Как следует из названия, эти датчики требуют как положительных, так и отрицательных магнитных полей для своей работы. Положительное магнитное поле южного полюса магнита используется для активации датчика, а отрицательное магнитное поле северного полюса — для его отключения.

Униполярный датчик Холла

Как следует из названия, эти датчики требуют только положительного магнитного поля южного полюса магнита, чтобы быть активированными. Эта же полярность задействуется для выключения датчика.

Блок: 5/10 | Кол-во символов: 1914
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

Как проверить датчик Холла

Давайте рассмотрим работу цифрового биполярного датчика Холла марки SS41. Выглядит наш подопечный вот так:

А вот здесь можно скачать даташит на этот датчик: (нажмите сюда). Итак, на первую ножку подаем плюс, на вторую – минус, а с третьей ножки уже снимаем сигнал логической единицы или нуля.

Для этого давайте соберем простейшую схемку: простой светодиод на 3 Вольта, токоограничительный резистор на 1КилоОм и, конечно же, сам датчик Холла.

Теперь цепляемся к нашей схеме от Блока питания, выставив на нем 5 Вольт. Минус на средний вывод, а плюс – на первый.

У меня под рукой оказался вот такой магнитик:

Чтобы не перепутать полюса, я пометил бумажным ценником один из полюсов магнита. Какой именно – я не знаю, так как не имею компаса, с помощью которого можно было бы узнать северный и южный полюс.

Как только я поднес магнит “красным” полюсом к датчику холла, то у меня светодиод сразу перестал гореть

Переворачиваю магнит другим полюсом и вуаля!

Если магнитик не переворачивать, то есть не менять полюса, то у нас светодиод также останется потухшим, потому как датчик у нас биполярный.

А вот и видео работы

Как вы видите на видео, мы с помощью магнита управляем датчиком Холла. Датчик Холла выдает нам два состояния сигнала: сигнал есть – единичка, сигнала нет – ноль. То есть светодиод горит – единичка, светодиод потух – ноль. Поэтому датчики Холла с логическими элементами в одном корпусе очень полюбила цифровая электроника. Их можно подцепить к микроконтроллерам и другим логическим элементам.

Блок: 5/7 | Кол-во символов: 1547
Источник: https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/

Проявление неисправности и возможные причины

Нарушения в работе ДХ можно обнаружить по следующим косвенным признакам:

Происходит резкое увеличение потребления топлива. Это связано с тем, что впрыск топливно-воздушной смеси производится более одного раза за один цикл вращения коленвала.
Проявление нестабильной работы двигателя. Автомобиль может начать «дергаться», происходит резкое замедление. В некоторых случаях не удается развить скорость более 50-60 км.ч. Двигатель «глохнет» в процессе работы.
Иногда выход из строя датчика может привести к фиксации коробки передач, без возможности ее переключения (в некоторых моделях импортных авто). Для исправления ситуации требуется перезапуск мотора. При регулярных подобных случаях можно уверенно констатировать выход из строят ДП.
Нередко поломка может проявиться в виде исчезновения искры зажигания, что, соответственно, повлечет за собой невозможность запуска мотора.
В системе самодиагностики могут наблюдаться регулярные сбои, например, загореться индикатор проверки двигателя, когда он на холостом ходу, а при повышении оборотов лампочка гаснет.

попаданием мусора или других посторонних предметов на корпус ДП;
произошел обрыв сигнального провода;
в разъем ДП попала вода;
сигнальный провод замкнулся с «массой» или бортовой сетью;
порвалась экранирующая оболочка на всем жгуте или отдельных проводах;
повреждение проводов, подающих питание к ДП;
перепутана полярность напряжения, поступающего на датчик;
проблемы с высоковольтной цепью системы зажигания;
проблемы с блоком управления;
неправильно выставлен зазор между ДП и магнитопроводящей пластиной;
возможно, причина кроется в высокой амплитуде торцевого биения шестеренки распределительного вала.

Блок: 6/7 | Кол-во символов: 1861
Источник: https://www.asutpp.ru/chto-takoe-datchik-holla.html

Применение датчиков Холла

В настоящее время область применения датчиков Холла очень обширна и с каждым годом становится все шире и шире. Вот основные применения:

Применение линейных датчиков Холла

датчики тока
тахометры
датчики вибрации
детекторы ферромагнетиков
датчики угла поворота
бесконтактные потенциометры
бесколлекторные двигатели постоянного тока
датчики расхода
датчики положения

Применение цифровых датчиков Холла

датчики частоты вращения
устройства синхронизации
датчики систем зажигания автомобилей
датчики положения
счетчики импульсов
датчики положения клапанов
блокировка дверей
измерители расхода
бесконтактные реле
детекторы приближения
датчики бумаги (в принтерах)

Блок: 6/7 | Кол-во символов: 683
Источник: https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/

Преимущества датчиков Холла

Датчики эффекта Холла имеют следующие преимущества:

выполняют несколько функций, таких как определение положения, скорости, а также направления движения;
поскольку являются твердотельными устройствами, то абсолютно не подвержены износу из-за отсутствия движущихся частей;
почти не требуют обслуживания;
прочные;
невосприимчивы к вибрации, пыли и воде.

Блок: 7/10 | Кол-во символов: 373
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

Заключение

Чем же так хороши датчики Холла? Если соблюдать нормальные рабочие значения напряжения и тока, то теоретически датчика хватит на бесконечное число включений-выключений. Там нет электромеханического контакта, который бы изнашивался, в отличие от геркона и электромагнитного реле. Используйте на здоровье датчики Холла в своих электронных устройствах.

Блок: 7/7 | Кол-во символов: 364
Источник: https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/

Недостатки датчиков Холла

Датчики эффекта Холла имеют следующие недостатки:

Не способны измерять ток на расстоянии более 10 см. Единственное решение для преодоления этой проблемы заключается в использовании очень сильного магнита, который может генерировать широкое магнитное поле.
Точность измеренного значения всегда является проблемой, поскольку внешние магнитные поля могут влиять на значения.
Высокая температура оказывает влияние на сопротивление проводника. Это в свою очередь скажется на подвижности носителя заряда и чувствительности датчиков Холла.

Блок: 8/10 | Кол-во символов: 554
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

Как большие электрические нагрузки можно контролировать с помощью датчиков Холла

Мы уже знаем, что выходная мощность датчика Холла очень мала (от 10 до 20 мА). Поэтому он не может напрямую контролировать большие электрические нагрузки. Тем не менее мы можем контролировать большие электрические нагрузки с помощью датчиков Холла, добавив NPN-транзистор с открытым коллектором (сток тока) к выходу.

Транзистор NPN (приемник тока) функционирует в насыщенном состоянии в качестве переключателя приемника. Он замыкает выходной контакт заземлением, когда плотность потока превышает предварительно установленное значение «вкл.».

Выходной переключающий транзистор может быть в разных конфигурациях, таких как транзистор с открытым эмиттером, открытым коллектором или оба типа. Вот так он обеспечивает двухтактный выход, который позволяет ему потреблять достаточный ток для непосредственного управления большими нагрузками.

Блок: 9/10 | Кол-во символов: 912
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

Как работает датчик Холла Видео

Блок: 10/10 | Кол-во символов: 31
Источник: https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml

Кол-во блоков: 27 | Общее кол-во символов: 30483
Количество использованных доноров: 8
Информация по каждому донору:

http://starifaeton.ru/info/datchik-holla-naznachenie-i-princip-raboty/: использовано 2 блоков из 8, кол-во символов 4296 (14%)
https://meanders.ru/datchiki-holla-rabota-tipy-primenenie-preimushhestva-i-nedostatki.shtml: использовано 7 блоков из 10, кол-во символов 5161 (17%)
https://www.asutpp.ru/chto-takoe-datchik-holla.html: использовано 2 блоков из 7, кол-во символов 2434 (8%)
https://autolirika.ru/interesnoe/datchik-holla.html: использовано 3 блоков из 5, кол-во символов 6612 (22%)
http://KrutiMotor.ru/ustrojstvo-datchika-xolla/: использовано 1 блоков из 4, кол-во символов 1931 (6%)
https://220v.guru/elementy-elektriki/datchiki/princip-raboty-i-primenenie-datchika-holla.html: использовано 2 блоков из 7, кол-во символов 2199 (7%)
https://carnovato.ru/princip-raboty-shema-datchika-holla-skutere/: использовано 1 блоков из 4, кол-во символов 2422 (8%)
https://www.RusElectronic.com/datchik-kholla/: использовано 6 блоков из 7, кол-во символов 5428 (18%)

устройство, принцип работы, виды и области применения преобразователя

Датчик Холла — прибор, предназначенный для измерения напряженности магнитного поля. Его работа основана на эффекте Холла, который представляет собой явление возникновения разности потенциалов в магнитном поле при помещении в него проводника с постоянным током. Это устройство нашло широкое применение в различных приборах и механизмах.

История создания прибора

В конце XIX века американский ученый из Балтимора Эдвин Герберт Холл поместил полупроводниковую пластину в магнитное поле и подключил к ней электрический ток. Такое действие привело к появлению напряжения на широких сторонах пластины.

Это явление получило название эффекта Холла и привлекло внимание общественности. Спустя 75 лет, когда промышленность начала выпускать полупроводниковые пленки, это открытие нашло широкое применение в области техники. Сегодня датчики используются:

В электронном зажигании на автомобилях.
В двигателях компьютерного дисковода и вентилятора.
Как основа электронного компаса в смартфонах.
В бесконтактных электрических приборах для измерения силы тока и напряжения.
В некоторых моделях ионных реактивных двигателей.

Первые разновидности датчиков стали выпускаться в середине XX века. В 1965 году американские специалисты создали твердотельный прибор, который значительно улучшил работу оборудования. Датчики считаются практически вечными, так как не имеют взаимодействующих и трущихся элементов.

Конструктивные особенности

Наиболее эффективными материалами для изготовления датчика считаются полупроводники арсениды галлия и индия. Чаще прибор представляет собой пленку, толщина которой не превышает 10 мкм. Датчик имеет три клеммы:

питающая с входным напряжением 6В;
нулевой контакт;
выходная, с которой сигнал поступает на коммутатор.

Клемма, к которой подходит питание, широкая и занимает всю сторону прямоугольника. Выходная клемма обладает точечным электродом. В качестве нулевого контакта выступает общая точка. Так как при отсутствии магнитного поля на контактах остается небольшой сигнал, то для коррекции выходных данных применяется дифференциальный усилитель.

Микросхема наносится на подложку методом литографии, что позволяет повысить точность показаний. Обычно в различных приборах это применяется для проверки положения элементов механизма.

Принцип действия

Принцип работы датчика Холла основан на гальваномагнитном явлении, которое показывает результат взаимодействия магнитного поля с полупроводником. Полупроводник подключен к электрической цепи, которая меняет его свойства.

Как только появляется поперечное напряжение, то сразу возникает эффект Холла. В этот момент заряд направлен перпендикулярно вектору поля. Такое явление объясняется воздействием на электроны или дырки силы Лоренца, которая и приводит к их отклонению.

Под воздействием этой силы частицы в полупроводнике двигаются в разные стороны, в соответствии со своим знаком. На одной стороне пластины собираются электроны (отрицательный заряд), а на другой частицы с положительным знаком.

По мере накопления зарядов между ними возникает электрический поток, который препятствует их перемещению под воздействием силы Лоренца. При достижении равенства этой силы и магнитного поля полупроводник вступает в фазу равновесия. Именно так и работает датчик Холла.

Виды устройств

Основной задачей этого прибора считается определение напряженности магнитного потока. Практически это сенсор определения значений магнитного поля. Существуют датчики двух видов:

цифровые;
аналоговые.

Цифровые приборы бывают биполярными и униполярными. Биполярные элементы работают в зависимости от полярности магнитного поля, то есть одна включает датчик, а вторая отключает.

Униполярные приборы включаются при появлении любой полярности и отключаются по мере ее уменьшения. Цифровые сенсоры измеряют индукцию и появление соответствующего напряжения, то есть наличие или отсутствие магнитного поля.

Прибор показывает единицу, когда индукция поля достигает пороговое значение. До этого момента сенсор будет показывать ноль. Такой датчик не сможет определить наличие магнитного поля со слабой индукцией. Кроме того, на точность показаний будет влиять дистанция до измеряемого объекта.

Применение датчика

Широко применяются преобразователи Холла в современной бытовой технике. С их помощью происходит взвешивание белья в стиральных машинах. При запуске агрегата вещи сначала намокают, а потом начинает вращаться барабан. По его скорости вращения определяется общий вес и происходит программирование машины на расход порошка, воды и ополаскивателя.

В серийном производстве впервые датчики стали использоваться в компьютерных клавиатурах. Здесь происходит взаимодействие чувствительного элемента на плате и магнита на клавишах. Упругость осуществляется за счет полимерного материала, который обладает большим сроком службы.

Единственным элементом, который может сломаться в клавиатуре является контроллер. Электрики очень часто пользуются датчиком Холла, когда замеряют бесконтактными клещами силу тока в проводах. Измерительный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля вокруг кабелей и проводов.

Благодаря индуктивности из медной проволоки, находящейся в клещах, создается возбуждение и образуется электромагнитная волна. Часть ее значения оценивается сенсором, который передает данные в контроллер. По заложенным в нем формулам производится расчет, и результат выводится на дисплей.

Применяются датчики в сотовых телефонах для слежения за зарядом аккумулятора и его расходом. Но очень важным такой момент считается в эксплуатации электромобилей, так как наличие энергии в них занимает особое место. Используются преобразователи Холла в электронных компасах и в качестве стабилизатора изображений в мобильных камерах.

Но особенно широко эти приборы применяются в автомобильной промышленности. В автомобилях с их помощью происходит определение частоты вращения коленвала двигателя, положение дроссельной заслонки, скорости движения автомобиля и так далее. Применяется датчик в электронной системе зажигания. Находится он в трамблере и заменяет контакты для образования искры.

Использование сенсоров в смартфонах

Благодаря небольшим размерам датчики Холла нашли широкое применение в современных электронных гаджетах. В смартфонах они помогают возвращать экран в исходное положение, обеспечивают быстрый запуск GPS поиска, увеличивают срок службы аккумуляторной батареи и так далее.

Способность реагировать на магнитное поле используется в раскладывающихся телефонах и ноутбуках. Благодаря наличию датчика, происходит включение устройств при открытии и отключение при закрытии экрана. В смартфонах такую же функцию выполняет датчик, который взаимодействует с магнитом, встроенным в чехол книжку. Когда чехол открывается, то воздействие поля ослабевает и сенсор включает подсветку экрана. Преобразователь Холла в гаджетах выполняет следующие полезные функции:

обеспечивает ориентирование по отношению к горизонту земли;
работает в качестве компаса мобильного устройства;
совершает ориентирование экрана.

Немаловажное значение датчик имеет в устройстве видеокамеры. Вкупе со специальной микросхемой он позволяет корректировать качество изображения. Особенно это проявляется при съемках в вечернее время.

Что такое датчик Холла и зачем он смартфону — в Связном

Сегодня смартфоны могут все. Ну почти все. Чтобы наделить гаджеты новыми функциями, производители, например, устанавливают множество различных датчиков. Но если с датчиком приближения или гироскопом все понятно, то зачем смартфону датчик Холла? Давай разбираться, что это такое и зачем нужно в смартфоне.

Что такое датчик Холла

Датчик Холла, а точнее датчик определения положения, основанный на эффекте Холла, – прибор, который фиксирует наличие магнитного поля и измеряет его напряженность. Он был назван по имени физика Эдвина Холла, который в 1878 году установил, что если в магнитное поле поместить пластину-проводник, по которой идет постоянный ток, то в поле возникнет поперечная разность потенциалов, или холловское напряжение.

Направление отклонения электронов в проводнике перпендикулярно направлению магнитного поля. На разных сторонах пластины плотность электронов будет отличаться, из-за чего возникнет разность потенциалов. Ее и фиксирует датчик Холла.

В смартфонах используется упрощенный датчик Холла. Миниатюрное устройство определяет только наличие магнитного поля и не измеряет напряженность по разным осям. Датчик Холла часто работает в паре с магнитным датчиком, который в смартфоне отвечает за работу компаса.

От автомобилей до наушников

Эффект Холла в технике смогли использовать лишь 75 лет спустя, когда наладили производство полупроводниковых пленок с нужными свойствами. Сначала датчики Холла появились в автомобилях для измерения угла положения распредвала или коленвала, а также определения момента образования искры в двигателях внутреннего сгорания.

Позднее датчики Холла стали использоваться в более сложных системах – бесконтактных выключателях и измерителях уровня жидкости, устройствах для бесконтактного определения силы тока в проводниках, системах чтения магнитных кодов и даже в ионных двигателях ракет.

А еще датчик Холла способен заменить герконы – герметичные магнитоуправляемые контакты, которые широко используются в микроэлектронике и различных видах техники (от наушников и клавиатур до лифтов и охранных датчиков). И на протяжении последних десятилетий это успешно делает.

Зачем смартфону датчик Холла

Датчик Холла определяет, закрыт или открыт чехол на магнитной защелке, реагируя на ослабление или усиление магнитного поля. Когда магнит в обложке оказывается далеко, датчик дает команду включить дисплей, когда же приближается – формирует команду на отключение. На основании этих данных смартфон может выполнять определенные действия. Такие чехлы часто получают приставку Smart.

Например, если ты используешь чехол без окошек на стороне дисплея, то датчик Холла помогает автоматически отключать экран смартфона, когда чехол закрыт. Когда же чехол открывается, экран активируется.

А если у тебя обложка с окошком, то датчик Холла дает команду на переключение между разными видами содержимого экрана. В открытой области выводятся только часы, календарь и уведомления, на полном экране – вся информация.

Samsung Galaxy S10
У смартфонов Samsung есть датчик Холла.

Как определить, что в смартфоне есть датчик Холла

Внимательно читай список характеристик. Большинство современных моделей смартфонов имеют датчик Холла, но не все производители указывают его наличие, особенно в кратком перечне параметров. Уточнить это можно на официальных сайтах производителей или в инструкции, которая всегда есть в комплекте со смартфоном.

Однако если в перечне аксессуаров устройства есть умные чехлы или обложки (Smart Case), то будь уверен на 100% в том, что датчик Холла в этом смартфоне есть.

Другие интересные материалы:

Есть что добавить к обзору? Добро пожаловать в раздел «Комментарии»! Смело выражай свое мнение, задавай вопросы и рассказывай, о каких девайсах хотелось бы прочитать. Обрати внимание, что представленная в обзоре информация не носит прямого рекламного характера, а представляет субъективное мнение автора в сочетании с техническими данными, которые переданы Связному официальными производителями продуктов.

принцип работы, как проверить своими руками, применение

Замена смазки в любом двигателе – это крайне важная задача, ведь иначе нет возможности обеспечить качественную и долгую работу всех систем двигателя. Непосредственно от качества заливаемой смазки и зависит срок эксплуатации культиватора, так что не рекомендуется использовать автомобильное масло, подробнее СТО.

Не забывайте, что замена смазки обойдется в разы дешевле, чем приобретение новых деталей на агрегат.

КАК РАБОТАЕТ ДАТЧИК ХОЛЛА [РадиолюбительTV 84]

О том, как заменить масло в двигателе культиватора, смотрите ниже.

Во время работы мотоблока большой нагрузке подвергается двигатель и чтобы защитить его от преждевременного износа, применяют моторное масло. Средство бывает разным по химическому составу и свойствам, поэтому его используют согласно классификации.

Как правило, в инструкции к мототехнике производитель указывает, какую марку машинного масла и в каком объёме лучше использовать. Если же таких рекомендаций нет, средство выбирают по следующим характеристикам:

Параметр SAE свидетельствует о классе вязкости вещества и состоит из буквенно-цифровой аббревиатуры, где буква « W» указывает на возможность применения при низких температурах. Стоящее перед ней число обозначает вязкость при отрицательных значениях термометра, а цифры после « тире» — при плюсовых. Эти показатели характеризуют, насколько легко будет жидкость прокачиваться по системе и как быстро она достигнет поверхностей трущихся деталей, не допустив их сухого трения.

Параметр API разделяет смазочный материал по эксплуатационным свойствам на категории C и S. К категории C относят средства, предназначенные для четырёхтактных дизелей, у которых воздушное охлаждение, к категории S – для бензиновых моторов. Поэтому при выборе жидкости обязательно следует обращать внимание на эту маркировку, так как для дизельного и карбюраторного двигателя она имеет различный состав.

Параметр ACEA классифицирует масло по показателю HT (вязкость в условиях повышенных температур)/HS (скорости сдвига), который показывает, насколько смазка является энергосберегающей. Чем выше данная величина, тем она лучше предохраняет узлы двигателя от износа. Заливать вещество с высоким показателем мПа*с рекомендуется в трактор, минитрактор, а так же тяжёлые мотоблоки Нева, предназначенные для больших нагрузок.

Кратко о принципе работы

Рис .1. Демонстрация эффекта Холла

В соответствии с законами электродинамики, сила Лоренца воздействует на носители заряда, что и приводит к разности потенциалов. Величина напряжения Uхолла довольно мала, в пределах от 10 мкВ до 100 мВ, она зависит как от силы тока, так и напряженности электромагнитного поля.

Типы и сфера применения

Несмотря на разнообразие элементов, применяющих эффект Холла, условно их можно разделить на два вида:

Аналоговые, использующие принцип преобразования магнитной индукции в напряжение. То есть, полярность, и величина напряжения напрямую зависят от характеристик магнитного поля. На текущий момент этот тип приборов, в основном, применяется в измерительной технике (например, в качестве, датчиков тока, вибрации, угла поворота).

Датчики тока, использующие эффект Холла, могут измерять как переменный, так и постоянный ток

Цифровые. В отличие от предыдущего типа датчик имеет всего два устойчивых положения, сигнализирующих о наличии или отсутствии магнитного поля. То есть, срабатывание происходит в том случае, когда интенсивность магнитного поля достигла определенной величины. Именно этот тип устройств применяется в автомобильной технике в качестве датчика скорости, фазы, положения распределительного, а также коленчатого вала и т.д.

Следует отметить, что цифровой тип включает в себя следующие подвиды:

униполярный – срабатывание происходит при определенной силе поля, и после ее снижения датчик переходит в изначальное состояние;
биполярный – данный тип реагирует на полярность магнитного поля, то есть один полюс производит включение прибора, а противоположный – выключение.

Внешний вид цифрового датчика Холла

Пример использования аналогового элемента

Рассмотрим в качестве примера конструкцию датчика тока ы основе работы которого используется эффект Холла.

Упрощенная схема датчика тока на основе эффекта Холла

Обозначения:

А – проводник.
В – незамкнутое магнитопроводное кольцо.
С – аналоговый датчик Холла.
D – усилитель сигнала.

Принцип работы такого устройства довольно прост: ток, проходящий по проводнику, создает электромагнитное поле, датчик измеряет его величину и полярность и выдает пропорциональное напряжение UДТ, которое поступает на усилитель и далее на индикатор.

Назначение ДХ в системе зажигания автомобиля

Рис. 5. Принцип устройства СБЗ

Обозначения:

А – датчик.
B – магнит.
С – пластина из магнитопроводящего материала (количество выступов соответствует числу цилиндров).

Алгоритм работы такой схемы выгладит следующим образом:

При вращении вала прерывателя-распределителя (движущемуся синхронно коленвалу) один из выступов магнитопроводящей пластины занимает позицию между датчиком и магнитом.
В результате этого действия изменяется напряженность магнитного поля, что вызывает срабатывание ДХ. Он посылает электрический импульс коммутатору, управляющему катушкой зажигания.
В Катушке генерируется напряжение, необходимое для формирования искры.

Внешний вид датчика Холла для СБЗ ВАЗ 2110

Проявление неисправности и возможные причины

Нарушения в работе ДХ можно обнаружить по следующим косвенным признакам:

Происходит резкое увеличение потребления топлива. Это связано с тем, что впрыск топливно-воздушной смеси производится более одного раза за один цикл вращения коленвала.
Проявление нестабильной работы двигателя. Автомобиль может начать «дергаться», происходит резкое замедление. В некоторых случаях не удается развить скорость более 50-60 км.ч. Двигатель «глохнет» в процессе работы.
Иногда выход из строя датчика может привести к фиксации коробки передач, без возможности ее переключения (в некоторых моделях импортных авто). Для исправления ситуации требуется перезапуск мотора. При регулярных подобных случаях можно уверенно констатировать выход из строят ДП.
Нередко поломка может проявиться в виде исчезновения искры зажигания, что, соответственно, повлечет за собой невозможность запуска мотора.
В системе самодиагностики могут наблюдаться регулярные сбои, например, загореться индикатор проверки двигателя, когда он на холостом ходу, а при повышении оборотов лампочка гаснет.

попаданием мусора или других посторонних предметов на корпус ДП;
произошел обрыв сигнального провода;
в разъем ДП попала вода;
сигнальный провод замкнулся с «массой» или бортовой сетью;
порвалась экранирующая оболочка на всем жгуте или отдельных проводах;
повреждение проводов, подающих питание к ДП;
перепутана полярность напряжения, поступающего на датчик;
проблемы с высоковольтной цепью системы зажигания;
проблемы с блоком управления;
неправильно выставлен зазор между ДП и магнитопроводящей пластиной;
возможно, причина кроется в высокой амплитуде торцевого биения шестеренки распределительного вала.

Как проверить работоспособность датчика Холла?

Есть разные способы, позволяющие проверить исправность датчика СБЗ, кратко расскажем о них:

Имитируем наличие ДХ. Это наиболее простой способ, позволяющий быстро провести проверку. Но его эффективности может идти речь только в том случае, если не формируется искра при наличии питания на основных узлах системы. Для тестирования следует выполнить следующие действия:

отключаем от трамблера трехпроводной штекер;
запускаем систему зажигания и одновременно с этим «коротим» проводом массу и сигнал с датчика (контакты 3 и 2, соответственно). При наличии искры на катушке зажигания, можно констатировать, что датчик СБЗ потерял работоспособность и ему необходима замена.

Применение мультиметра для проверки. Это способ наиболее известный, и приводится в руководстве к автомобилю. Нужно подключить щупы прибора, как продемонстрировано на рисунке 7, и произвести замеры напряжения.

Схема подключения мультиметра для проверки ДХ

Осциллограмма исправного датчика Холла СБЗ

Установка заведомо рабочего ДХ. Если в наличии имеется еще один однотипный датчик, или имеется возможность взять его на время, то данный вариант тоже имеет место на существование, особенно если первые два сделать затруднительно.

Рис. 9. Светоиндикаторный тестер для проверки ДХ

Тестирование осуществляем по следующему алгоритму:

Проверяем питание на датчике. Для этой цели подключаем (соблюдая полярность) наш тестер к клеммам 1 и 3 ДХ. Включаем зажигание, если с питанием все нормально, светодиод загорится, в противном случае потребуется проверять цепь питания (предварительно убедившись в правильном подключении светодиода).
Проверяем сам датчик. Для этого провод с первой клеммы «перебрасываем» на вторую (сигнал с ДХ). После этого начинаем крутить распредвал (руками или стартером). Моргание светодиода засвидетельствует исправность ДХ. В противном случае, на всякий случай проверяем соблюдение полярности при подключении светодиода, и если оно выполнено правильно, – меняем датчик на новый.

Устройство Холла для критических автомобильных датчиков

Датчик Холла изменяет свое выходное напряжение в ответ на магнитное поле. Устройства на эффекте Холла используются в качестве датчиков приближения и для определения местоположения, скорости и тока. Датчик на эффекте Холла — это долговечное решение, поскольку в нем нет механических частей, которые со временем изнашиваются.

Melexis представляет интегральную схему линейного датчика Холла MLX с поддержкой ASIL, подходящую для использования в критически важных для безопасности автомобильных системах, таких как рулевое управление с электроусилителем (EPAS).MLX, разработанный как элемент безопасности вне контекста (SEooC), соответствует стандарту ISO 26262 и соответствует требованиям AEC Q-100 Grade 0.

Датчики на эффекте Холла

Эффект Холла — это измеряемое напряжение через проводник (или полупроводник), когда электрический ток, протекающий через него, находится под влиянием магнитного поля. В этих условиях поперечное напряжение создается перпендикулярно приложенному току из-за уравновешивания лоренцевых (электромагнитных) и электрических сил.

Конструкция любого устройства обнаружения эффекта Холла требует наличия магнитной системы, способной реагировать на физический параметр, обнаруживаемый через электронный интерфейс ввода. Датчик на эффекте Холла обнаруживает магнитное поле и выдает аналоговый или цифровой сигнал, соответствующим образом преобразованный в стандартный в соответствии с требованиями электронной системы.

Так как это позволяет им работать без контакта, датчики Холла находят широкий спектр применений: они используются, например, в качестве датчиков приближения, позиционирования и скорости.

В своей простейшей форме датчики Холла работают как аналоговые преобразователи, которые возвращают напряжение; Следовательно, в известном магнитном поле можно измерить расстояние до пластинки Холла. Также часто можно встретить датчики Холла в сочетании со схемами, которые позволяют устройству действовать в цифровом виде — включение / выключение — и, следовательно, в качестве переключателя. Другое типичное применение датчиков Холла — измерение скорости валов и колес, например, в спидометрах, системах зажигания двигателя внутреннего сгорания или антиблокировочных тормозных системах.

Автомобильная промышленность работает в самых разных условиях, от очень низких (-40 ° C) до очень горячих (160 ° C). Кроме того, они подвергаются сильной вибрации и потенциальному загрязнению грязью, пылью, жидкостями и т. Д. Даже в этих условиях они должны работать без сбоев в течение многих лет. Датчик Холла должен хорошо работать даже в этом широком диапазоне.

Решение Melexis

Обладая рабочей температурой окружающей среды до 160 ° C и сочетая высокую линейность с превосходной термической стабильностью, включая малое смещение и дрейф чувствительности, MLX поддерживает точное и надежное определение крутящего момента в системах EPAS, чтобы обеспечить безопасное управление при обычном и автономном вождении.

MLX удовлетворяет широкий спектр автомобильных и промышленных вариантов использования бесконтактного определения положения, включая датчики крутящего момента рулевого управления, датчики ускорения, тормоза или педали сцепления, датчики абсолютного линейного положения, датчики уровня поплавка, бесконтактные потенциометры, малоугловое положение. датчики и датчики положения малого хода.

«MLX обеспечивает улучшенные характеристики по всем направлениям, что позволяет использовать приложения с высокими требованиями к безопасности, такие как определение крутящего момента в автомобилях.В настоящее время нет доступных плат для разработки, однако MLX поддерживается стандартным инструментом программирования Melexis PTC-04 », — сказал Ник Чарнеки, менеджер по глобальному маркетингу, датчики положения и скорости, Melexis.

Рисунок 1: Блок-схема MLX
Программируемый диапазон измерений и многоточечная калибровка повышают гибкость для разработчиков, а разнообразие протоколов вывода позволяет использовать одну интегральную схему в нескольких приложениях, сокращая усилия и затраты на повторную аттестацию.Протокол короткого ШИМ-кода (SPC) позволяет производить измерения и передавать их после обнаружения пускового импульса. Это позволяет синхронизировать до четырех датчиков MLX с частотой до 2 кГц, что позволяет выполнять несколько одновременных измерений магнитных параметров с детерминированной задержкой для обеспечения высокой точности (рис. 1).
«В зависимости от типа выхода MLX может запускаться по протоколу или запускаться изнутри. MLX предлагает оба метода. При использовании протокола SPC MLX ждет, пока управляющий микроконтроллер не получит пусковой импульс », — сказал Ник Чарнеки.
Он продолжил: «Когда импульс обнаружен, датчик быстро получает магнитные данные, оцифровывает их и компенсирует ошибки смещения и чувствительности, линеаризует их в соответствии с программируемой справочной таблицей, а затем передает их мастеру в цифровом формате в соответствии с формат SENT. При работе в режиме аналогового вывода MLX автономно собирает данные, выполняет ту же компенсацию, что и в режиме SPC, а затем выводит значение через аналоговое ратиометрическое напряжение для считывания системным микроконтроллером.Оба интерфейса широко используются в автомобилестроении, причем SPC является более новым и обычно предпочтительным для конфигураций с несколькими ИС. Срабатывающий характер SPC позволяет всем датчикам регистрировать магнитное поле одновременно, тем самым сводя к минимуму временную задержку между измерениями на ИС. Время получения ответа зависит от конфигурации протокола, но обычно составляет <500 мксек и значительно меньше для аналогового выхода ».
Рисунок 2: Временная диаграмма SPC в режиме тикового интервала 1,5 мкс и H.2 формат
В режиме SPC MLX начинает сбор данных после получения пускового импульса, независимо от сконфигурированного режима. Полученные данные будут отправлены в том же кадре SENT. Эта функция доступна для любого времени тика больше или равного 1,5 мкс (рис. 2 и 3).
Рисунок 3: Стандартная конфигурация SPC ведущий-ведомый
MLX поддерживает уровень функциональной безопасности ASIL-C в цифровом режиме (SENT или SPC) и ASIL-B в аналоговом режиме, обеспечивая высокий уровень диагностики на уровне кристалла и способный обнаруживать внутренние неисправности и переводить себя в безопасное состояние. для предотвращения нежелательного поведения автомобиля.
Следующими проблемами будут все чаще и чаще операционная среда со все более критическими рабочими температурами. Аналогичным образом, невосприимчивость к полям утечки, с ростом электрификации транспортных средств, будет все более широко распространяться, как и требования функциональной безопасности.
Маурицио работал в области исследований гравитационных волн и в проектах космических исследований в качестве инженера-конструктора. Иногда он задается вопросом, не присылал ли нам кто-то там сообщения, которые мы не получили или не смогли расшифровать.Маурицио — инженер-электронщик и имеет докторскую степень. по физике. Маурицио любит писать и рассказывать истории о технологиях и электронике. Его основные интересы — энергетика, автомобилестроение, Интернет вещей, цифровые технологии. Маурицио в настоящее время является главным редактором Power Electronics News и европейским корреспондентом EE Times. Он также наблюдает за обсуждениями на EEWeb.com. Он написал различные технические и научные статьи, а также пару книг для Springer по сбору энергии, сбору данных и системе управления.
Причина и следствие
: поиск и устранение неисправностей датчиков Холла
Лампа из китового масла освещала место над кухонным столом, где Эдвин работал над тонкой прямоугольной полосой из золотой фольги. Он мог видеть свое отражение в полосе, и его мысли на мгновение заблудились, когда он подумал о том, каким усталым он выглядел. Было уже очень поздно, но Эдвин задумал что-то новое, что-то очень новое. Эдвин Холл работал над теорией электронного потока Кельвина, которая была представлена примерно 30 годами ранее, в 1849 году.Во время работы он случайно заметил, что если через золотую полоску протекает ток и магнитное поле помещается перпендикулярно одной стороне полоски, на краях полоски обнаруживается разность электрических потенциалов. Это открытие было приписано доктору Эдвину Холлу, и теперь оно называется эффектом Холла.
Как и многие другие открытия, блестящее наблюдение доктора Холла пришло не в результате его поиска, а в результате наблюдения чего-то необычного и последующего воздействия на него. Эффект Холла известен уже более 100 лет, но приложения для его использования не были разработаны до последних нескольких десятилетий.Автомобильная промышленность применила эту технологию ко многим системам, используемым в современных транспортных средствах, включая трансмиссию, систему контроля кузова, противобуксовочную систему и антиблокировочную тормозную систему. Чтобы охватить эти различные системы, датчик Холла конфигурируется несколькими способами / переключением, аналоговым и цифровым. Это датчики приближения; они не имеют прямого контакта, но используют магнитное поле для активации электронной схемы.
Эффект Холла может быть получен с помощью таких проводников, как металлы и полупроводники, и качество эффекта меняется в зависимости от материала проводника.Материал будет напрямую влиять на протекающие через него электроны или положительные ионы. В автомобильной промышленности обычно используются три типа полупроводников для изготовления элемента Холла / арсенида галлия (GaAs), антимонида индия (InSb) и арсенида индия (InAs). Самый распространенный из этих полупроводников — арсенид индия. Как и в эксперименте доктора Холла, важно, чтобы проводник был прямоугольным и очень тонким. Это позволяет протекающим через него носителям разделяться и объединяться по краям.
Теперь давайте посмотрим на принцип эффекта Холла (рис. 1 и 2 выше). Если ток течет по проводнику и магнитному полю (магнитному потоку) позволяют перемещаться по проводнику перпендикулярно потоку тока, заряженные частицы дрейфуют к краям прямоугольной полосы. Эти заряженные частицы собираются на краях поверхности. Магнитный поток передает силу на проводник, которая заставляет напряжение (положительную силу) дрейфовать к одному краю, в то время как электроны (отрицательная сила) дрейфуют к противоположному краю.Сила, действующая на текущий поток, называется силой Лоренца.
Пока к проводнику прикладывается магнитная сила, носители остаются на противоположных сторонах, создавая падение напряжения на проводнике. Этот перепад напряжения и есть напряжение Холла. Он пропорционален току, протекающему через него, напряженности магнитного поля и типу материала проводника. Если любая из этих трех переменных изменится, разность напряжений на проводнике также изменится. Вот почему элемент Холла должен иметь регулируемое напряжение, подаваемое на путь тока.Если ток регулируется и материал проводника задан, остается изменить только магнитную напряженность. Когда магнитная напряженность изменяется до угла 90 ° по отношению к пути тока, падение напряжения на проводнике также изменяется. Чем сильнее магнитный поток, тем больше падение напряжения на проводнике.
Генерируемое напряжение Холла является аналоговым сигналом. Этот сигнал Холла очень мал / обычно около 30 микровольт при магнитном поле 1 гаусс. Из-за небольшого генерируемого напряжения сигнал Холла должен быть усилен, если устройство будет использоваться в практических целях.
Тип усилителя, который лучше всего подходит для использования с элементом Холла, — это дифференциальный усилитель (рис. 3 на стр. 56), который усиливает только разность потенциалов между положительным и отрицательным входами. Если нет разницы напряжений между положительным и отрицательным входами усилителя, выходное напряжение усилителя не будет. Однако при наличии разности напряжений эта разница будет иметь линейное усиление. Величина усиления определяется дифференциальным усилителем, используемым в схеме.
Элемент Холла подключается непосредственно к дифференциальному усилителю, поэтому активность элемента Холла отражается усилителем. Когда магнитное поле отсутствует в элементе Холла, не создается напряжение Холла и отсутствует выходное напряжение из усилителя. Когда к элементу Холла прикладывается магнитное поле, на элементе создается напряжение Холла. Дифференциальный усилитель обнаруживает этот перепад напряжения и усиливает его.
Способ использования датчика Холла определяет изменения схемы, необходимые для обеспечения правильного вывода на устройство управления.Этот выходной сигнал может быть аналоговым, например датчик положения ускорения или датчик положения дроссельной заслонки, или цифровым, например датчик положения коленчатого вала или распределительного вала.
Давайте рассмотрим эти различные конфигурации датчика Холла. Когда элемент Холла должен использоваться для аналогового датчика, который может использоваться для шкалы температуры в системе климат-контроля или датчика положения дроссельной заслонки в системе управления трансмиссией, сначала необходимо изменить схему. Элемент Холла подключен к дифференциальному усилителю, а усилитель — к транзистору NPN (рис.4). Магнит прикреплен к вращающемуся валу. Когда вал вращается, магнитное поле усиливается на элементе Холла. Создаваемое напряжение Холла пропорционально напряженности магнитного поля.
Если бы вал дроссельной заслонки контролировался PCM, магнит вращался бы вместе с валом дроссельной заслонки. На холостом ходу дроссельная заслонка была закрыта. В этом случае напряженность магнитного поля будет низкой, а создаваемое напряжение Холла будет низким. Дифференциальный усилитель будет иметь небольшую разность потенциалов, а выход усилителя будет низким.База транзистора NPN будет получать выходной сигнал усилителя.
Поскольку напряжение на базе низкое, усиление транзистора NPN также низкое. В этом состоянии выходное напряжение TPS будет порядка 1 вольт. Когда двигатель находится под нагрузкой, вал дроссельной заслонки вращается, открывая дроссельную заслонку. При вращении вала дроссельной заслонки магнитное поле усиливается на элементе Холла. Создаваемое напряжение Холла увеличивается пропорционально напряженности магнитного поля. По мере увеличения напряжения Холла дифференциальный усилитель получает свою разность потенциалов.Затем усилитель усиливает разницу между отрицательным и положительным входами. Этот возрастающий выходной сигнал отправляется на базу транзистора NPN, который затем усиливает сигнал, создавая выходной сигнал датчика положения дроссельной заслонки. Этот линейный выход пропорционален вращению вала дроссельной заслонки.
Выходные данные TPS отправляются в PCM, где он сообщает об угле вала дроссельной заслонки. Микропроцессор PCM не может напрямую считывать аналоговое напряжение, отправляемое с TPS. Этот сигнал должен быть преобразован в двоичный формат — единицы и нули.Для этого используется устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем. В большинстве случаев используется 8-битный аналого-цифровой преобразователь. Это устройство преобразует уровень напряжения в последовательность единиц и нулей, которые микропроцессор может декодировать и использовать для определения фактического угла вала дроссельной заслонки.
Когда элемент Холла должен использоваться для цифрового сигнала, например, в датчике положения коленчатого или распределительного вала или датчике скорости автомобиля, сначала необходимо изменить схему. Элемент Холла подключен к дифференциальному усилителю, который подключен к триггеру Шмитта.В этой конфигурации датчик выдает цифровой сигнал включения / выключения. В большинстве автомобильных цепей датчик Холла является поглотителем тока или заземляет сигнальную цепь. Для этого к выходу триггера Шмитта подключается NPN-транзистор (рис. 5). Магнит расположен напротив элемента Холла. Спусковое колесо, или цель, расположено так, чтобы затвор мог находиться между магнитным полем и элементом Холла.
Когда затвор не находится между магнитом и элементом Холла, магнитное поле проникает через элемент Холла, создавая напряжение Холла.Это напряжение подается на положительный и отрицательный входы дифференциального усилителя. Усилитель увеличивает это дифференциальное напряжение и отправляет его на вход триггера Шмитта (цифрового пускового устройства). Когда напряжение от дифференциального усилителя увеличивается, оно достигает порога включения или рабочей точки. В этой точке срабатывания триггер Шмитта меняет свое состояние, позволяя отправить сигнал напряжения.
Точка срабатывания (отключения) установлена на более низкое напряжение, чем точка включения.Целью этой разницы между точками включения и выключения (гистерезис) является устранение ложного срабатывания, которое может быть вызвано незначительными отклонениями от дифференциального усилителя. Триггер Шмитта включается, и выходное напряжение отправляется на базу NPN-транзистора. Когда на базе транзистора присутствует напряжение, транзистор включается.
Регулятор напряжения блока управления подает напряжение на резистор или нагрузку. Схема резистора подключена к коллектору транзистора NPN, и когда NPN включен, ток течет в коллектор и выходит из эмиттера на землю.В этом состоянии сигнал заземлен. Поскольку резистор находится внутри блока управления, напряжение находится на плече заземления и будет падать очень близко к напряжению заземления.
При вращении спускового колеса затвор перемещается между магнитом и элементом Холла. Поскольку спусковое колесо сделано из железа, оно притягивает магнитное поле к затвору. В этот момент элемент Холла больше не имеет магнитного поля, проникающего через него, и напряжение Холла не создается. Без напряжения Холла дифференциальный усилитель не имеет выхода на триггер Шмитта.В свою очередь, триггер Шмитта не имеет выхода напряжения на базу NPN-транзистора, и транзистор изменяет состояние и закрывается. Затем земля снимается с груза. Это создает разрыв цепи. В разомкнутой цепи присутствует напряжение источника. Если бы регулятор напряжения был источником 5 вольт, то напряжение в разомкнутой цепи было бы 5 вольт. При вращении заслонка выдвигается между магнитом и элементом Холла. Включается цепь, замыкающая заземляющую ногу от нагрузки.Таким образом, напряжение сигнала падает очень близко к земле. Этот цикл повторяется для создания цифрового сигнала от датчика Холла с экранированным полем.
Зубчатый датчик Холла (рис. 6) — это еще один тип цифровых датчиков включения / выключения. Над элементом Холла помещен смещающий магнит. В этом датчике магнитное поле всегда проникает через элемент Холла, и всегда присутствует напряжение Холла. Когда зуб шестерни или цель проходит под элементом Холла, магнитное поле в элементе усиливается.По мере усиления магнитного поля напряжение Холла увеличивается. Это напряжение отправляется в схему, которая сравнивает выходное напряжение холла без зубцов с выходным напряжением холла.
Для срабатывания этого датчика цель должна пройти мимо элемента Холла. В положении без зубцов конденсатор заряжается для хранения незубчатого напряжения Холла, чтобы его можно было сравнить с зубчатым напряжением Холла. По мере приближения передней кромки зуба к датчику напряжение Холла увеличивается до заданной точки срабатывания.В этот момент компаратор отправляет сигнал в схему триггера. Триггер подает сигнал напряжения на NPN-транзистор и включает его. Транзистор NPN подключен к цепи резистора в блоке управления.
Одна сторона резистора подключена к регулятору напряжения, другая сторона — к коллектору NPN-транзистора. Когда транзистор меняет состояние и включается, сигнальное напряжение сбрасывается на землю. Когда цель вращается и задняя кромка зубца проходит через датчик Холла, напряжение падает ниже заданной точки срабатывания, и компаратор подает напряжение на схему триггера и выключает NPN-транзистор.Затем транзистор меняет состояние и размыкает цепь. Теперь в сигнальной цепи присутствует напряжение источника. Если регулятор представляет собой источник 5 В, напряжение сигнала теперь составляет 5 В. Когда зуб проходит под датчиком Холла, цепь активируется и тянет этот 5-вольтовый сигнал на землю. Этот цикл повторяется для создания цифрового выходного сигнала датчика Холла с зубчатым колесом.
Для поиска неисправностей в этих цепях (см. Рис. 7 и 8) необходимо измерить падение напряжения на питании, заземлении и сигнале.Если сигнал правильный на низком и высоком выходах, питание и заземление также будут в норме. Если источником питания является аккумуляторное напряжение, регулятор напряжения находится внутри датчика Холла. Если питание подается от электронного модуля, регулятор напряжения находится в этом модуле. Если источник питания падает из-за падения напряжения (сопротивления) или из-за проблемы регулятора, выходной сигнал также упадет. Если напряжение питания увеличится, выходной сигнал также увеличится. Если напряжение земли увеличивается из-за падения напряжения (сопротивления), выходной сигнал также увеличивается.
С аналоговым датчиком Холла, если есть падение напряжения или разрыв цепи между датчиком Холла и модулем управления, напряжение сигнала будет правильным на датчике, но неправильным на модуле. Если напряжение на модуле правильное, а напряжение на диагностическом приборе неправильное, значит, проблема в аналого-цифровом преобразователе внутри блока управления. Перед заменой блока всегда проверяйте питание, массу и сигналы на модуле управления.
Осциллограф необходим для поиска и устранения неисправностей цифрового датчика.Следующие рекомендации помогут в постановке диагноза:
• С цифровым датчиком на эффекте Холла, если сигнал на датчике высокий, прерывистый или полностью отсутствует, цепь от модуля управления исправна.
• В разных блоках управления используются разные уровни напряжения сигнала; Обычны 5, 8, 9 и 12 вольт. Этот уровень напряжения сигнала должен быть в пределах 10% от целевого напряжения, иначе блок управления не обнаружит изменение напряжения в состоянии.
• Если сигнал слабый, прерывистый или полностью неработоспособный, регулятор напряжения или цепь в блоке управления могут быть неисправны, сигнальный провод может быть разомкнут или заземлен, или датчик эффекта Холла может быть неисправен и тянет сигнал на землю.
• Если уровень напряжения заземления датчика не находится в пределах 10% от напряжения заземления автомобиля, блок управления не обнаружит изменение состояния сигнала.
• Если напряжение остается высоким или низким, убедитесь, что цель движется.
• При выходе из строя нескольких датчиков Холла убедитесь, что цель не попадает в один из них.
• Когда сигнальный провод Холла закорочен или периодически или постоянно закорочен на источник питания, он сгорает в электронных схемах внутри датчика Холла и обычно приводит к замыканию сигнала на землю.Датчик Холла рассчитан на ток 20 миллиампер или меньше. Резистор расположен в сигнальной цепи, поэтому он может ограничивать ток, протекающий по этой цепи. Если сопротивление этого резистора снизится, ток увеличится, что приведет к многочисленным отказам датчика Холла.
Существует множество конфигураций датчиков Холла. Все эти устройства работают по одним и тем же основным принципам, описанным здесь. Когда вы работаете в отсеке обслуживания, позвольте своему блеску сиять, как у доктора Эдвина Холла.Обратите внимание на то, что необычно, и действуйте в соответствии с этим.
Скачать PDF
Введение Учебное пособие по схемам датчиков переключателей на эффекте Холла

Рис. 1
by Lewis Loflin
Датчики на эффекте Холла — это твердотельные магнитные датчики, которые используются либо в качестве магнитных переключателей, либо для измерения магнитных полей. Здесь меня интересуют три основных типа: переключатель на эффекте Холла, защелка на эффекте Холла и логометрический или аналоговый выходной датчик. Подробнее об общих принципах работы см. В моем видео на YouTube выше.Здесь я хочу проиллюстрировать различные электронные схемы, а также то, как подключать датчики и использовать их.
Переключатель на эффекте Холла включается при наличии южного магнитного поля на его лицевой стороне или северного магнитного поля на противоположной стороне. Он выключится, когда магнит будет удален.
Защелка на эффекте Холла работает как выключатель, но остается включенной после удаления магнита. Он выключится, если приложить к лицу северный полюс или отключить питание. Ниже у меня есть схема использования переключателя Холла для включения / выключения однополюсного переключателя.
Логометрический датчик на эффекте Холла выдает аналоговое напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля. Устройства, которые я буду использовать на отдельной странице, являются однополярными, и, как правило, без приложения магнитного поля выходное напряжение составляет половину напряжения питания. Напряжение будет увеличиваться с южным магнитным полюсом на лице или уменьшаться с северным магнитным полюсом на лице.
См. Использование ратиометрических датчиков эффекта Холла
Здесь мы рассмотрим переключатели и защелки, которые начинаются как логометрические, а затем добавим компараторы, триггеры Шмитта и выходные транзисторы.Ниже приведен список спецификаций датчиков Холла, используемых в моем видео на YouTube.
На рисунке выше показаны типичные выводы датчиков Холла. Южный полюс магнита направлен в сторону «лица», включающего устройство. Северный полюс на лице не будет иметь никакого эффекта, если устройство не является защелкой, которую он выключит, если он уже включен.
Рассмотрим пятивольтовый переключатель Холла UGN3013T. Для срабатывания переключателя обычно требуется от 500 до 750 Гс.Но для того, чтобы отпустить или отключить, обычно требуется от 225 Гс до 110 Гс. Таким образом, у нас есть разумный диапазон 275, в котором нам нужно оставаться для надежной работы. Таким образом, очевидно, что даже небольшой железный магнит может работать хорошо или должен находиться очень близко к датчику. Обратите внимание, что это старая устаревшая деталь, которая у меня случайно оказалась. Новые устройства намного более чувствительны.

Рис. 2
На рисунке выше показана внутренняя блок-схема переключателя на эффекте Холла в данном случае UGN3013T. Он включает пластину Холла, усилитель, триггер Шмитта и транзисторный выход с открытым коллектором.Некоторые могут использовать МОП-транзистор с открытым стоком вместо биполярного транзистора.

Рис. 3
Логометрический датчик Холла с компаратором LM311 образует переключатель на эффекте Холла с выходом с открытым коллектором, образующий переключатель с регулируемой точкой срабатывания. Vcc составляет 5 вольт при использовании датчика, такого как UGN3502, и 12 вольт для TL174C. Его можно напрямую подключить к входному порту микроконтроллера или другой 5-вольтовой цифровой логике.

Рис. 4
Добавив триггер JK к нашему переключателю на эффекте Холла на рис.3 формируем защелку на эффекте Холла. Состояния Q и QNOT «меняются» с каждым циклом включения-выключения на TP2.

Рис. 5
На Рис. 5 показано, как использовать переключатель Холла с выходом «открытый коллектор / сток» с триггером CD4027 JK для формирования схемы защелки.
На этом мы завершаем введение в датчики и схемы на эффекте Холла.
Веб-сайт Авторские права Льюис Лофлин, Все права защищены.
Если вы используете этот материал на другом сайте, пожалуйста, дайте обратную ссылку на мой сайт.
Датчики на эффекте Холла
| Типы
Содержание:
Введение
Магнитные датчики
Датчики эффекта Холла
Что такое напряжение Холла (В _H)?
Коэффициент Холла (R _H)
Конструкция датчиков Холла
Символ датчика Холла
Принцип работы датчиков Холла

Эксперимент на эффекте Холла

Эксперимент на эффекте Холла
Аналоговый и цифровой датчик Холла
Тип датчиков Холла
Применение датчиков Холла
Что такое магнитный датчик?
Магнитные датчики
Магнитные датчики — это устройства, которые способны обнаруживать и анализировать магнитные поля, создаваемые магнитом или током.Их можно использовать для различных целей, например, для определения изменения положения и угла магнитного поля, для определения изменения силы или направления приложенного магнитного поля и т. Д.
Существуют различные типы магнитных датчиков, таких как датчик Холла (переключатели Холла, линейные датчики Холла и т. д.), используемых для обнаружения изменения силы магнитного поля, магниторезистивный датчик, используемый для обнаружения изменения направления магнитного поля, используемые датчики угла для обнаружения изменения угла магнитного поля, 3D-датчики Холла, а также магнитные датчики скорости.Датчики на эффекте Холла используются в широком диапазоне приложений, таких как датчик приближения, измерение положения и скорости и т. Д. Они даже используются в компьютерных принтерах, пневматических цилиндрах, компьютерных клавиатурах и т. Д.
Магнитные датчики обычно представляют собой твердотельные устройства, которые являются в настоящее время пользуются большим спросом благодаря своей высокой точности и точности, бесконтактной работе, сравнительно низким затратам на техническое обслуживание, компактной конструкции и т. д. В настоящее время доступны магнитные датчики без сердечника, предназначенные для различных видов промышленного применения, например, герметичные устройства на эффекте Холла. водонепроницаемы и сделаны таким образом, чтобы противостоять любой вибрации.
Магнитные датчики широко используются в автомобильных системах, особенно для анализа положения автомобильных сидений, ремней безопасности и для управления системой подушек безопасности, а также для определения скорости вращения колес антиблокировочной тормозной системой (ABS).
Датчики на эффекте Холла
Датчики на эффекте Холла — это магнитные датчики, выходной сигнал которых зависит от магнитного поля или плотности магнитного потока вокруг магнитного датчика.
Слово «Холл» пришло от доктора Эдвина Холла, который впервые открыл этот эффект Холла.
Если есть внешнее магнитное поле, вертикальное по отношению к объекту, через который проходит ток, электродвижущая сила будет генерироваться в направлении, перпендикулярном магнитному полю и току.
Датчик Холла устройство 1880
Что такое напряжение Холла (В _H)?
Если к магнитному датчику приложить внешнее магнитное поле, он активируется. Выходное напряжение датчика Холла пропорционально силе приложенного магнитного поля.После превышения внешним полем определенного порога плотности магнитного потока генерируется выходное напряжение, которое обычно известно как напряжение Холла (V _H) .
Коэффициент Холла (R _H)
Величина разности потенциалов на единицу толщины металлической полосы в эффекте Холла, распределенная как произведение магнитной напряженности и продольной плотности тока.
Единицы коэффициента Холла R _H обычно передаются как м ³ / C или Ом · см / G .
Конструкция датчиков Холла:
Конструкция датчика Холла
Датчики на эффекте Холла обычно состоят из прямоугольного полупроводника, такого как антимонит индия (InSb) или арсенид галлия (GaAs). зонд Холла, установленный на алюминиевой пластине и полностью закрытый внутри головки зонда. Рукоятка зонда, изготовленная из немагнитного материала, соединена с головкой зонда таким образом, что плоскость прямоугольной полупроводниковой пластины перпендикулярна ручке зонда.
Когда устройство активировано, через полупроводник протекает непрерывный ток. Если линии внешнего магнитного поля расположены под прямым углом к головке зонда, так что линии поля проходят под прямым углом через датчик зонда, возникает напряжение, известное как напряжение «эффекта Холла», и устройство выдает показания. плотности магнитного потока (B) внешнего поля.
Символ датчика Холла:
Что такое датчик эффекта Холла?
Принцип работы датчиков Холла
Датчик Холла в основном работает благодаря силе Лоренца (это сила, испытываемая заряженной частицей из-за электрического поля или магнитного поля, т.е.е. просто электромагнитное поле).
В присутствии существующего внешнего магнитного поля достаточной величины электроны в полупроводниковой пластине отклоняются к одному краю пластины, то есть отверстия и электроны смещаются по обе стороны пластины из-за силы Лоренца. действуя на них.
Для этого одна сторона полупроводника заряжена отрицательно, а противоположная сторона оказывается заряженной положительно. Это создает градиент напряжения на двух противоположных сторонах прямоугольной пластины из-за накопления противоположных зарядов на этих двух сторонах.Это напряжение известно как напряжение Холла (V _H), а эффект создания этого измеримого напряжения Холла с использованием внешнего магнитного поля известен как эффект Холла.
Для создания разности потенциалов, при которой создается измеримое напряжение, силовые линии внешнего магнитного поля должны располагаться под прямым углом к плоскости, в которой ток течет через пластину. Также необходимо обеспечить правильную полярность для работы датчиков Холла.
Преобразователь эффекта Холла Работа
По мере того, как электроны и дырки отдаляются друг от друга, создается градиент потенциала, и расстояние увеличивается до тех пор, пока сила, вызванная электрическим полем, не уравновесит силу, создаваемую магнитным полем.Когда обе силы уравновешивают друг друга, ток не изменяется, и было вычислено напряжение Холла, которое обнаруживается в этой точке и на основе этой плотности магнитного потока (B).
Если выходное напряжение линейно зависит от плотности магнитного потока, мы называем это датчиками линейного эффекта Холла, а если происходит резкое уменьшение выходного напряжения при различной плотности магнитного потока, то это называется пороговым эффектом Холла. датчик.
Мы слышали об индуктивных датчиках, которые реагируют на изменение магнитного поля, поскольку оно индуцирует ток в катушке с проводом и, следовательно, генерирует напряжение на его выходе.Следовательно, индуктивные датчики могут обнаруживать только статические (неизменяющиеся) магнитные поля, тогда как датчики на эффекте Холла могут обнаруживать как изменяющееся, так и неизменяющееся магнитное поле.
Датчик на эффекте Холла может предоставить информацию о типе магнитного полюса, используемом для генерации напряжения, а также о величине внешней плотности магнитного потока (B). Используя группу датчиков, мы можем определить относительное положение используемого внешнего магнита.
Выходное напряжение датчика Холла обычно имеет довольно небольшую величину, например несколько микровольт, даже когда к датчику приложено сильное внешнее магнитное поле.Следовательно, большинство имеющихся в продаже датчиков Холла имеют встроенный усилитель постоянного тока и регуляторы напряжения для улучшения чувствительности датчика и величины выходного напряжения.
Эксперимент на эффекте Холла
Аналоговый и цифровой датчик Холла
Выходной сигнал датчика Холла может быть линейным (аналоговым) или цифровым. Выходной сигнал линейного датчика Холла прямо пропорционален внешнему магнитному полю, т.е.е. Плотность магнитного потока проходит через датчик и на выходе снимается с выхода дифференциального OP-AMP. Линейные (аналоговые) датчики на эффекте Холла имеют постоянное выходное напряжение, которое изменяется в зависимости от изменения силы внешнего магнитного поля.
Формула эффектов Холла Датчик:
Выходной сигнал линейного датчика Холла может быть выражен как:
Где,
В _H — напряжение Холла
R _H — коэффициент Холла
I — ток, протекающий через датчик (полупроводниковую пластину)
t — толщина датчика
B — внешняя плотность магнитного потока
В случае цифрового датчика на эффекте Холла выходной сигнал берется с выхода OPAMP, который, в свою очередь, связан с триггером Шмитта со встроенным гистерезисом, который уменьшает колебания выходного напряжения.В этом случае, только когда напряженность внешнего поля выше определенного значения в устройстве, устройство переключается в состояние ВКЛ из состояния ВЫКЛ.
Тип сенсоров на эффекте Холла:
В зависимости от типа внешнего магнитного полюса, необходимого для их работы, датчики на эффекте Холла бывают двух типов.
Биполярный
Униполярный
Двумя наиболее распространенными конфигурациями считывания в датчике на эффекте Холла с использованием одного магнита являются обнаружение лобового и бокового обнаружения.При боковом обнаружении необходимо перемещать магнит боковым движением перед лицевой стороной элемента с эффектом Холла. При лобовом обнаружении магнит движется к элементу холла и от него перпендикулярно плоскости элемента.
Области применения датчиков Холла:
Датчик положения: при работе в режиме включения / выключения, то есть с цифровым выходом, обнаружение наличия магнитных материалов является одним из важных промышленных приложений датчиков Холла. .
Трансформаторы постоянного тока: Датчик на эффекте Холла используется для измерения магнитного потока постоянного тока, что позволяет рассчитать постоянный ток.
Переключатель клавиатуры: для некоторых компьютерных клавиатур используются переключатели эффекта Холла. Но из-за своей сравнительно высокой стоимости он ограничивается областью аэрокосмической и военной техники из-за своей высокой надежности.
Индикатор уровня топлива: Датчик Холла определяет положение плавающего элемента с помощью определения положения и используется в качестве автомобильного индикатора уровня топлива.
Электрическая беговая дорожка: здесь используются датчики Холла для датчиков скорости, а также для аварийной остановки при случайном падении. Пояс пользователя беговой дорожки прикреплен к шнурку, который, в свою очередь, прикреплен к магниту. Если пользователь случайно упадет, магнит отсоединится, и произойдет отключение электропитания, что остановит машину.
Для получения дополнительных статей по электронике щелкните здесь
Об Амрите Шоу
Свяжитесь с нашим бывшим автором: LinkedIn (https: // www.linkedin.com/in/amrit-shaw/)
Что такое эффект Холла и каково его применение?
XIX век был временем больших научных прорывов. Это было в ту эпоху, когда впервые был открыт эффект Холла; способ измерения магнитного поля. Может показаться, что это было давно, и открытия того времени могут показаться относительно первобытными по сравнению с более новыми научными концепциями, такими как секвенирование генома человека и квантовые вычисления. Но то, что он долго лежит в зубе, не означает, что он бесполезен.
Если вы читали наш блог «Что такое термопара?» вы будете знакомы с эффектом Зеебека, открытием 1800-х годов в измерении напряжения металлов для определения температуры; инструмент, который широко используется и по сей день. Эффект Холла следует аналогичным путем, но что такое эффект Холла и как он работает? Кто и как использует датчики Холла или устройства Холла? Читайте дальше, чтобы узнать основы этого впечатляющего и теперь плодотворного открытия.
Рис. 1. Магнит, одна из основных сил
Что такое эффект Холла?
Электромагнетизм — одна из четырех фундаментальных сил; гравитация, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие — вот остальные.Эти темы слишком широки для этого скромного блога, но имейте это в виду; существует связь между электричеством и магнетизмом. То, что мы воспринимаем как электричество, — это в основном движение свободных электронов по проводящему проводу. Поскольку электроны заряжены отрицательно, их можно толкать или притягивать магнитным полем. Следовательно, с помощью магнита можно протолкнуть электроны через провод и создать ток. Нет, это не волшебный трюк, это называется индукцией. На этой взаимосвязи между магнитом и электрическим током основан эффект Холла, а именно на влиянии магнитного поля на электроны, составляющие ток.
Устройства на эффекте Холла — один из наиболее распространенных способов измерения магнитных полей. В этом типе датчика путь электрического тока в полупроводнике изменяется с помощью расположенного поблизости магнита. Это изменение тока можно измерить как напряжение, поскольку на одной стороне полупроводника будет больше электронов и она будет заряжена отрицательно. В то время как на другой стороне будет меньше электронов и, следовательно, более положительный заряд. Величина напряжения пропорциональна влияющему магнитному полю; если он сильный, то будет большая разность потенциалов, а если он слабый, то будет небольшое напряжение.Давайте посмотрим на схему базового датчика на эффекте Холла, чтобы лучше понять эту идею.
Рисунок 2: Базовый датчик на эффекте Холла
Датчик на эффекте Холла представляет собой простую пластину из полупроводящего материала, которая является частью цепи. Как вы можете видеть на Рисунке 2, в настоящий момент ничего страшно захватывающего не происходит; электроны электрического тока проходят через нашу простую цепь. Мы собираемся поднести магнит к этому устройству.
Рисунок 3: Магнит, приближающийся к датчику Холла
Когда магнит приближается, электроны тока отклоняются.Следовательно, чем ближе магнит приближается, тем больше отклоняются электроны. Следовательно, по мере приближения магнита создается все большее и большее измеряемое напряжение. В качестве альтернативы, вместо того, чтобы подвигать магнит ближе, вы можете сделать магнит сильнее. Это создало бы большее магнитное поле и тем самым привело бы к большему увеличению напряжения.
Рисунок 4: Магнит, расположенный очень близко к датчику Холла, создающий большее напряжение
Обратите внимание на разные показания мультиметров на рисунках 2, 3 и 4.С увеличением напряженности магнитного поля одинаково увеличивается и напряжение. Даже в сильных магнитных полях создаваемая разность потенциалов невероятно мала. Полноценное устройство на эффекте Холла может включать в себя какой-то усилитель для усиления сигнала с целью создания напряжения такой величины, которую мы можем использовать.
Открытие эффекта Холла
Хотя эффект Холла был открыт в конце 19 века. Лишь 70 лет спустя это открытие было впервые использовано на практике.Переключатель мощности микроволн был первой реализацией устройства. По мере того, как производство полупроводников становится более дешевым, возможности использования датчиков на эффекте Холла росли. Теперь вы можете найти их везде, от самолетов до мобильных телефонов и даже в посудомоечных машинах.
Давайте на мгновение отложим теорию и подумаем над некоторыми практическими применениями этого принципа. Самым простым было бы использовать эффект Холла как своего рода датчик приближения. Если магнитное поле может вызвать изменение пути электрического тока, тогда мы могли бы встроить магнит в объект и количественно определить, сколько раз он приближался к другому объекту, просто ощущая изменение напряжения, когда он приближается к электрическому току.
Если бы мы, например, поместили наш примитивный датчик приближения на лопасть ветряного генератора, мы могли бы ощущать каждый раз, когда лопасть совершает полный оборот. Это определение вращения может позволить оператору ветряной мельницы измерять всевозможные вещи, такие как скорость наружного ветра или потенциальную мощность, которая может быть произведена. Информацию можно было даже использовать в качестве предохранительного выключателя, который мог вызвать тревогу, если вращающиеся лопасти вращались со слишком высокой скоростью.
Приложение датчика Холла
Довольно гипотетически, давайте быстро взглянем на одно современное устройство, автомобиль, и посмотрим, насколько распространены датчики Холла на самом деле.Если вам понравилось удобство управления стеклоподъемниками или боковыми зеркалами, то вы использовали датчик Холла. Будь то пожиратель бензина или эконом-класс, ваш автомобиль сокращает расход топлива за счет системы впрыска топлива и контроля работы коленчатого вала, что возможно благодаря датчикам Холла. Возможно, вы знакомы с термином «накачать тормоза», но в противном случае это означает, что вам повезло, что вы выросли в эпоху антиблокировочных тормозных систем.
В этом изобретении датчик Холла поддерживает вращение ваших шин с оптимальной скоростью и, вместо того, чтобы буксовать до полной остановки, фактически заставляет вашу машину останавливаться быстрее, когда вы нажимаете на тормоза.Действительно, датчики Холла можно встретить повсюду: в стиральных машинах, на платах компьютеров и в промышленном оборудовании. Использование этого устройства позволило увеличить количество изобретений; которые помогают нам во всем, от безопасности до эффективности, и даже просто о современных удобствах, которые мы считаем само собой разумеющимися.
Рис. 5: Элементы автомобиля, в которых используются датчики Холла
Еще одним большим применением датчиков Холла является их использование в качестве преобразователей тока.Поскольку эффект Холла измеряет магнитное поле, являющееся продуктом технологического провода, по которому проходит ток, это отличный тип датчика для использования в некоторых типах преобразователей тока. Когда технологический ток проходит через апертуру нашего преобразователя, он создает пропорциональное вторичное магнитное поле внутри прибора, которое воздействует на датчик Холла. Преобразователи тока — это увлекательное устройство управления технологическим процессом, и мы рассмотрим их более подробно в разделе «Что такое преобразователь тока?» Здесь, в Enercorp, мы поставляем преобразователи тока для всех профессионалов отрасли.Взгляните на наш Текущий раздел, где вы можете ознакомиться с некоторыми реальными примерами и увидеть широкий спектр возможностей и характеристик этого инструмента.
Рис. 6. Пара преобразователей тока Enercorp
Поскольку магнитное поле является ключевой переменной, вызывающей реакцию датчиков Холла. Все, к чему вы можете прикрепить магнит, может стать чем-то вроде устройства Холла. Теперь, когда управление процессами и автоматизация становятся такой важной частью операций; Потребность в настраиваемых и высокопроизводительных датчиках является безжалостной.Без датчиков Холла современные машины не могли бы работать с такими функциями и стандартной эффективностью, которые мы привыкли ожидать. Все, от транспорта, производства, здравоохранения, автоматизации зданий и других отраслей, будет экспоненциально отличаться от того, что мы знаем сегодня.
Датчики магнитного поля | Analog Devices
Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности. Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг.Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.
Принять и продолжить Принять и продолжить
Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:
Строго необходимые файлы cookie:
Это файлы cookie, которые необходимы для работы analog.com или определенных предлагаемых функций.Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.
Аналитические / рабочие файлы cookie:
Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту. Это помогает нам улучшить работу веб-сайта, например, за счет того, что пользователи легко находят то, что ищут.
Функциональные файлы cookie:
Эти файлы cookie используются для распознавания вас, когда вы возвращаетесь на наш веб-сайт. Это позволяет нам персонализировать наш контент для вас, приветствовать вас по имени и запоминать ваши предпочтения (например, ваш выбор языка или региона). Потеря информации в этих файлах cookie может сделать наши службы менее функциональными, но не помешает работе веб-сайта.
Целевые / профилирующие файлы cookie:
Эти файлы cookie записывают ваше посещение нашего веб-сайта и / или использование вами услуг, страницы, которые вы посетили, и ссылки, по которым вы переходили.Мы будем использовать эту информацию, чтобы сделать веб-сайт и отображаемую на нем рекламу более соответствующими вашим интересам. Мы также можем передавать эту информацию третьим лицам с этой целью.
Отклонить файлы cookie
Всесторонний обзор интегрированных эффектов Холла в макро-, микро-, наномасштабах и квантовых устройствах
Аннотация
Настоящим представлен всесторонний обзор основных существующих устройств, основанный на классических и новых связанных эффектах Холла. . Обзор разделен на подкатегории, в которых представлены существующие макро-, микро-, наноразмерные и квантовые компоненты и приложения для схем.Поскольку устройства на основе эффекта Холла используют ток и магнитное поле в качестве входа и напряжение в качестве выхода. Исследователи и инженеры десятилетиями стремились воспользоваться преимуществами и интегрировать эти устройства в крошечные схемы, стремясь реализовать новые функции, такие как высокоскоростные переключатели, в частности, в наноразмерной технологии. Этот обзорный документ представляет собой не только исторический обзор прошлых усилий, но и остающихся проблем, которые необходимо преодолеть. В рамках этих испытаний можно упомянуть сложную конструкцию, изготовление и определение характеристик интеллектуальных наноразмерных устройств, таких как датчики и усилители, для следующих поколений схем и модулей в нанотехнологиях.По сравнению с предыдущими учебниками по предметной области, специализированными техническими руководствами и специализированными научными обзорами, опубликованными несколько десятилетий назад, в этом современном обзорном документе представлены важные преимущества и новинки: широкий охват всех областей и приложений, четкая ориентация на наноразмерные размеры, расширенная библиография из почти ста пятидесяти недавних ссылок, обзор избранных аналитических моделей, сводные таблицы и схемы явлений. Кроме того, обзор включает в себя латеральное изучение интегрированного эффекта Холла для каждой подклассификации предметов.Среди прочего, представлены следующие подобзоры: основные существующие макро / микро / наноразмерные устройства, материалы и элементы, используемые для изготовления, аналитические модели, дополнительные числовые модели и инструменты, используемые для моделирования, а также технологические проблемы, которые необходимо преодолеть для реализации эффект в нанотехнологиях. Такой современный обзор может служить научному сообществу в качестве основы для новых исследований, ориентированных на новые рынки наноразмерных устройств, модулей и комплектов для разработки процессов (PDK).
Ключевые слова: эффект Холла, наноразмер, микромасштаб, макромасштаб, квантовые устройства, датчики, усилители, моделирование, симуляция, обзор
1. Введение
1.1. Эффекты Холла — краткая история и эволюция
Эффект Холла — хорошо известный и установленный феномен, поскольку он был открыт Эдвином Гербертом Холлом (1855–1938) в 1879 году [1,2], когда он был аспирантом под руководством Генри Роуленда (1848–1901) на физическом факультете Университета Джонса Хопкинса.Спустя сто лет, 13 ноября 1979 г., в Университете Джонса Хопкинса был проведен симпозиум, посвященный 100-летию открытия и представивший обновленный статус последних достижений [3]. Следовательно, была опубликована процедура обзора для обобщения существующих приложений и компонентов того времени [4]. Хотя это было статусом макромасштаба в восьмидесятые годы, хороший прогресс был достигнут в следующие десятилетия, когда были обнаружены дополнительные связанные эффекты Холла, открывшие новые возможности.Фактически, можно заметить, что существует не один уникальный эффект Холла, согласно базовым знаниям, а серия связанных с Холлом явлений, различающихся размерами и контекстом, в котором они анализируются.
Эффект Холла, также называемый первоначальным или обычным эффектом Холла (OHE), может использоваться для различения токов, состоящих из положительно заряженных частиц, от тех, которые состоят из отрицательно заряженных частиц, как подчеркивал Лоренц [5]. В 1880 и 1881 годах Аномальный эффект Холла (АЭХ) [6] наблюдал на ферромагнетиках сам Холл [7,8].Если эти эффекты были первоначально обнаружены и применены на макромасштабном уровне, то другие эффекты, связанные с Холлом, проявились на микромасштабном уровне с годами. Действительно, сто лет спустя, в 1971 году, было сообщено о спин-эффекте Холла и о целочисленном квантовом эффекте Холла (QHE) [9,10] в 1980 году. Совсем недавно был обнаружен и понят квантовый спиновый эффект Холла (QSHE) [ 11,12] в 2007 году и квантовый аномальный эффект Холла (QAHE) [13,14,15,16] в 2013 году. Предыдущие ссылки были сосредоточены только на наблюдаемых физических явлениях, но не на возможных приложениях, и в в частности о потенциальных устройствах, которые могут быть спроектированы с использованием таких явлений.представляет собой схематическую временную шкалу десяти основных обнаруженных эффектов Холла. Если между открытием оригинальных эффектов Холла (OHE и AHE) и квантовыми эффектами (в основном SHE и QHE) отделяет почти столетие, то между открытием более сложных явлений (QSHE и QAHE) более короткие временные рамки — тридцать лет. .
Схематическая временная диаграмма основных наблюдаемых эффектов Холла. OHE — оригинальный эффект Холла; AHE — аномальный эффект Холла; SHE — спиновый эффект Холла; IQHE — целочисленный квантовый эффект Холла; FQHE — дробный квантовый эффект Холла; ISHE — обратный спиновый эффект Холла; QSHE — квантовый спиновый эффект Холла; QAHE — квантовый аномальный эффект Холла; PHE — плоский эффект Холла; VHE — эффект Холла долины; PIHE — фотоиндуцированный эффект Холла.
1.2. Интеграция эффекта Холла на уровнях проектирования: комплекты для разработки устройств, схем и процессов
Переходя от теоретической физики к прикладной физике или от исследования явлений к конкретным приложениям устройств, кажется, что со временем идея использования и перемещения эффекта Холла от макро до микро и наномасштабов привлекли 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], которые в основном были опубликованы несколько десятилетий назад и в основном посвящены физике OHE, в начале двадцать первого века появилась серия новых книг, на этот раз посвященных физике QHE [18 , 19,20,21,22,23,24,25,26] и QSHE [27].Имея в виду сложные попытки интегрировать явление эффекта Холла в устройства, схемы и наборы для разработки процессов (PDK), было подготовлено 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 исследование эффекта Холла и измерений магнитосопротивления в материалах и устройствах на основе GaAs [33].Опять же, большинство этих важных анализов были опубликованы несколько десятилетий назад и были специализированными и ограничивались конкретными областями. Более того, некоторые из представленных устройств и систем в настоящее время устарели, поскольку в значительной степени заменены решениями цифровой электроники. Именно в этом контексте актуальный обзор, охватывающий все области и ориентированный на эру нанотехнологий, более чем необходим.
Изучив 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 посмотрим на два примера: В шестидесятые годы W. E. Bulman представил набор классических приложений и устройств в большом исследовании [34], причем в различных конфигурациях. Он разделил области применения на три части: измерение магнитных полей, управление магнитными полями и измерение мощности микроволнового излучения. В случае комбинированных зондов на эффекте Холла и дополнительных электромагнитов можно получить серию макроустройств. Среди прочего, можно найти изоляторы, гираторы, преобразователи, циркуляторы, фазовые детекторы, а также магнитометры и считывающие головки с магнитной ленты.Спустя несколько десятилетий, в 1990-х годах, компания Honeywell Corporate, которая все еще соответствовала макромасштабным размерам, представила специализированные устройства, применяемые для измерения параметров и приложений [31]. Среди прочего, как ключевой игрок в деятельности по зондированию, они представили датчики на основе эффекта Холла для измерения физических параметров, таких как скорость потока, сила тока, температура, давление, скорость, угол, количество оборотов в минуту (об / мин), положение, Они предложили устройства для различных применений, связанных с гражданской жизнью, такие как датчик офисной машины, датчики считывателя магнитных карт, датчики блокировки дверей и датчики зажигания.Другие устройства были больше ориентированы на саму промышленность, такие как 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 желательно разрабатывать устройства нанометрового уровня со встроенным эффектом Холла, как это было представлено на протяжении всего этого современного обзора. представляет собой схематический поток параллельного прогресса с разработкой устройств в макро-, микро- и наномасштабе, изображенной на временной оси открытий по Эффекту Холла.
Улучшенная временная диаграмма основных наблюдаемых эффектов, связанных с Холлом, по сравнению с интегрированными устройствами.
1.3. Устройства на основе эффекта Холла — почему?
Есть несколько преимуществ устройств на эффекте Холла. Высокая функциональность и производительность, адекватное / хорошее качество и надежность, широкий диапазон температур (от -40 до +150 ° C) и низкая стоимость — лишь часть этих преимуществ. Более того, эффект Холла обеспечивает гальваническую развязку, то есть бесконтактное зондирование, что во многих отношениях имеет решающее значение.Несколько десятилетий назад был опубликован длинный список общих характеристик и желательных технических характеристик сенсорных устройств на макроуровне, основанных на эффекте Холла [31]. Сегодня микро- и наноразмеры позволяют использовать более продвинутые приложения. Даже простой повседневный акт выключения экрана смартфона путем закрытия его бумажника основан на датчике Холла. Из-за технического прогресса с течением времени изменилась и причина использования устройства на основе эффекта Холла. Например, обновленный и точный список преимуществ и недостатков, впервые опубликованный в 2012 году, был обновлен и представлен в 2019 году [35].Датчики на эффекте Холла (HES) обладают дополнительными важными преимуществами. С точки зрения качества и надежности износ таких устройств со временем обычно невелик. Кроме того, внешние условия, такие как вибрация, влажность или пыль, не влияют на долговременную работу. Среди недостатков — ограничение рабочего расстояния между датчиком и магнитом. Более того, поскольку HES использует принцип магнитного поля, можно ожидать, что внешние магнитные поля будут мешать измерению тока и смещать его.Температура может влиять на электрическое сопротивление элемента, подвижность носителей и, как следствие, на его чувствительность. Несмотря на эти недостатки, эффекты Холла представляют огромный интерес для отрасли.
2. Принципы семейства эффектов Холла — краткий качественный обзор
2.1. OHE — Оригинальный эффект Холла, 1879
Исходный эффект Холла представлен в файле. В состоянии равновесия разница напряжений, называемая напряжением Холла (HV), возникает, когда магнитное поле прикладывается к электрическому проводнику, пересекающему электрический ток.ВН становится максимальным, когда магнитное поле перпендикулярно току. Согласно a, когда свободные носители движутся вдоль направления тока Ix через проводник, лежащий в перпендикулярном магнитном поле Bz, на них будет влиять магнитная сила, которая заставит их двигаться в направлении Y и накапливаться в одном сторона проводника. Это разделение зарядов приводит к электрическому полю E _Y и, следовательно, к разности потенциалов. Заряд накапливается до тех пор, пока электрическая сила, индуцированная электричеством, не уравновесит магнитную силу.Затем можно измерить установившееся напряжение Холла, которое пропорционально как электрическому току, так и магнитному полю, как показано в разделе 3.
Основные известные эффекты Холла и год их публикации. ( a ) Оригинальный эффект Холла (OHE) [1], 1879 г .; ( b ) Аномальный эффект Холла (AHE) [6], 1881 г .; ( c ) Спиновый эффект Холла (SHE) [41,42], 1971; ( d ) Квантовый эффект Холла (QHE) [9,10], 1980; ( e ) Обратный спиновый эффект Холла (ISHE), 1984 [50, 62, 63]; ( f ) Квантовый спиновый эффект Холла (QSHE) [11,12], 2007; ( г ) Квантовый аномальный эффект Холла (QAHE) [13,14,15,16], 2013; ( h ) Фотоиндуцированный эффект Холла (PIHE), 2018 [58].
Магнитные поля постоянного тока традиционно используются для извлечения подвижности большей части свободных носителей из напряжения Холла, как описано в разделе 3 ниже. Однако ошибка измерения может появиться из-за несовпадения контактов, что приводит к паразитному напряжению, которое оказывается пропорциональным току, и удельному сопротивлению материала. Хотя этот вид напряжения смещения может быть уменьшен путем изменения направления тока и магнитного поля, более эффективно использовать переменное магнитное поле, особенно для материалов с низкой подвижностью (<1 см ² / Вс).В этом случае подвижность может быть точно извлечена с помощью техники блокировки [36,37,38].
2.2. AHE — аномальный эффект Холла, 1881
В 1881 году, через два года после открытия OHE, Холл сообщил, что в ферромагнитных проводниках этот эффект был в десять раз больше, чем в немагнитных. Этот новый эффект, названный «аномальным» эффектом Холла (AHE), представлен на b. Согласно Nagaosa et al. [6], оба открытия были замечательными, учитывая ограниченные в то время знания о том, как свободные носители перемещаются по проводникам.Первое открытие, OHE, предоставило элегантный инструмент для более точного измерения концентрации носителей в немагнитных проводниках и представило физику полупроводников и твердотельную электронику в конце 1940-х годов. В течение долгого времени AHE оставался загадочной проблемой для объяснения, поскольку он включает в себя концепции топологии и геометрии, которые были сформулированы только в последние десятилетия. Только после того, как был принят фазовый подход Берри [39], появилась возможность связать топологическую природу холловских токов с самим АЭХ.В наноразмерных системах, где априорные прямые измерения непросты и иногда невозможны, АЭХ может служить полезным зондом спиновой поляризации электронов [40].
2.3. SHE — Спиновый эффект Холла, 1971
Спиновый эффект Холла (SHE), представленный в c, представляет собой явление переноса спина, теоретически предсказанное Дьяконовым и Перелем в 1971 году [41,42]. Это вызывает рассеяние и накопление спинов противоположных знаков на противоположных боковых краях образца, индуцированное продольным током заряда.Поскольку SHE является чисто спиновым явлением, ток, переносимый образцом, будет генерировать поперечно поляризованный спиновый ток, но без чистого зарядного тока. Поскольку этот эффект не требует нарушения симметрии обращения времени (TR), он может происходить без какого-либо магнитного поля. Впервые СТЭ подтверждена экспериментально в 2004 г. на полупроводниках GaAs и InGaAs при 30 К [43].
2.4. IQHE — Целочисленный квантовый эффект Холла, 1980
Что касается квантового эффекта Холла, представленного в d, было бы разумнее упомянуть две части по отдельности: целочисленный квантовый эффект Холла (IQHE) и дробный квантовый эффект Холла (FQHE). ).Обнаруженный примерно через 100 лет после первоначальной работы Холла и впервые опубликованный в 1980 году Фон Клитцингом [44], эффект IQHE наблюдался в двумерной электронной системе, расположенной на границе раздела Si / SiO ₂ или полевом транзисторе (MOS- FET). Устройство, имеющее геометрию стержня Холла, помещено в сильное магнитное поле около 15 Тл при температуре жидкого гелия. Это важное исследовательское открытие принесло фон Клитцингу Нобелевскую премию по физике 1985 года и привело к принятию международно признанных правил калибровки сопротивления [45,46].IQHE получается путем изменения напряжения затвора таким образом, что сопротивление Холла изменяется ступенчато на значения h / т.е. ² ( i — целое число), в то время как h — постоянная Планка и e заряд электрона. Шаг – указывает на заполнение уровня Ландау, соответствующего квантованной циклотронной орбите электрона в магнитном поле. Как ясно объяснил профессор Д. Тонг в своих недавних лекциях в Кембриджском университете [47], происхождение этих плато связано с примесями, создающими «беспорядок» и вызывающими расщепление, которое вырождает собственные состояния электронных волновых функций.Фактически, такое квантовое явление можно объяснить без рассмотрения взаимодействий между электронами, предполагая, что существуют квантовые состояния для отдельной частицы в магнитном поле. Совсем недавно, в 2007 году, сообщалось о целочисленном квантовом эффекте Холла в графене при комнатной температуре [48].
2.5. FQHE — Дробный квантовый эффект Холла, 1982
Дробный квантовый эффект Холла (FQHE) был впервые обнаружен и описан в 1982 году Tsui et al. [49] в двумерной гетероструктуре GaAlAs с высокой подвижностью электронов при температуре жидкого гелия.По сравнению с целочисленным квантовым эффектом Холла, дробный квантовый эффект Холла (FQHE) представляет дополнительные плато холловского сопротивления при дробных значениях i = 1/3, 2/3 и 3/2 в h / ie. ² выражение. Десять лет спустя, в 1998 году, Цуй вместе с Лафлином и Стромером получил Нобелевскую премию по физике за «открытие новой формы квантовой жидкости с частично заряженными возбуждениями». Действительно, в FQHE ожидается, что электроны будут связываться вместе с линиями магнитного потока и образовывать новые квазичастицы, также называемые «составными фермионами», прокладывая путь к новому квантовому состоянию материи, как более подробно описано Д.Тонг в своих лекциях [47].
2.6. ISHE — Обратный спиновый эффект Холла, 1984
Обратный спиновый эффект Холла (ISHE), представленный в e, был впервые продемонстрирован Бакун и др. [50] в 1984 г. путем экспериментальных наблюдений спин-орбитального фототока на кристаллах AlGaAs при 77 К. Если для SHE регистрируется только спиновый ток, то в обратном эффекте ISHE связь спин-тока может генерировать поперечный зарядный ток. В 2014 году, проведя глубокий анализ, Sinova et al. [51] во многом объяснили разницу между SHE и ISHE.Однако, как точно определил Беме в 2016 году [52,53], «обратный спиновый эффект Холла — замечательное явление, которое превращает так называемый спиновый ток в электрический. Эффект настолько странный, что на самом деле никто не знает, для чего он в конечном итоге будет использоваться, но возможно множество технических приложений, включая очень странные новые схемы преобразования мощности ».
2.7. QSHE — Квантовый спиновый эффект Холла, 2007
Квантовый спиновый эффект Холла, представленный на f, экспериментально наблюдался в 2007 году в квантовых ямах CdTe / HgTe [54,55].Этот эффект связан с предшественником QHE, но также сильно отличается. Фактически, новые топологические состояния, называемые квантовыми спин-холловскими (QHS) состояниями, характеризуются квантованной спин-холловской проводимостью и исчезающей зарядовой холловской проводимостью. В отличие от уровней Ландау КЭХ, существование состояний КШ не требует большого магнитного поля. В самом деле, поскольку эти состояния инвариантны относительно обращения времени (TR), нет необходимости во внешнем поле для нарушения TR-симметрии.
2,8. QAHE — Квантовый аномальный эффект Холла, 2013
В случае квантового аномального эффекта Холла (QAHE), представленного на рис. G, явление протекает в системе без какого-либо внешнего приложенного магнитного поля, как четко описано только недавно Лю и др. .[56]. Определенный как квантованный эффект Холла, он представляет собой новое проявление топологической структуры в многоэлектронных системах и обладает широким потенциалом возможных приложений в электронных устройствах. Совсем недавно этот эффект был широко исследован, теоретически смоделирован и физически экспериментирован [57].
2.9. PIHE — Фотоиндуцированный эффект Холла, 2018
В конце концов, новый эффект, названный Фотоиндуцированным эффектом Холла (PIHE) и представленный в h, был недавно предложен и опубликован Ли и Рутуоло [58].В этой новой технике и конфигурации установки создается фотоиндуцированный эффект в металлах, предназначенный для магнитного зондирования без смещения. Идея состоит в том, чтобы преодолеть существующее ограничение исходного эффекта Холла (OHE) в металлах, поскольку обнаруженный эффект иногда слишком мал для практического применения по сравнению с тем же эффектом в полупроводниках, где он является стандартом для измерения магнитного поля. . В этой установке есть прозрачный металл, образующий контакт Шоттки с полупроводником.Полученная инжекция заряда является результатом триггера падающего света, достигающего границы раздела из области пространственного заряда. Каждый раз, когда прикладывается магнитное поле, на краях металла появляется напряжение, пропорциональное полю, а также интенсивности света. Освещая металл, возникают фотоиндуцированные заряды, которые инжектируются из области пространственного заряда. При приложении магнитного поля на краях контакта появляется поперечное напряжение холостого хода, пропорциональное силе света и магнитному полю.Как описано в h, заряды отклоняются магнитным полем, чтобы произвести электрическое, которое перпендикулярно направлениям света и поля.
Со временем, в дополнение к вышеупомянутым девяти основным эффектам, несколько обнаруженных концепций и экспериментальных конфигураций в конечном итоге были названы и получили аббревиатуры. Ниже приводится описание некоторых из них. В конце, общие параметры и единицы электромагнетизма были приведены в Приложении A, в то время как акронимы, связанные с эффектом Холла, приведены в Приложении B, а полный обзор — в Приложении C.
2.10. PHE — Planar Hall Effect, 1968
Среди всех устройств, представленных в этом обзоре, одним является планарный датчик Холла, основанный на плоском эффекте Холла ферромагнитных материалов, обладающих анизотропным магнитосопротивлением. Измеряя изменение магнитосопротивления, можно отобразить компоненты магнитного поля внутри плоскости датчика. Эффект уже исследовался в 1960-х годах Ву Динь Ки на пленках Ni, Fe, Co и Ni-Fe толщиной от 10 до 150 нм в диапазоне температур от 77 до 293 К [59].Обоснование названия этой концепции «Планарный эффект Холла (PHE)» заключается в том, что его основные характеристики отличаются от поведения обычного датчика Холла, который измеряет компоненты поля перпендикулярно плоскости датчика. Для ферромагнитных материалов сопротивление Холла зависит от ориентации тока относительно направления намагничивания. Следовательно, такое свойство вызывает асимметричное электрическое поле, перпендикулярное току, в зависимости от ориентации намагниченности датчика.Когда к плоскости датчика прикладывается внешнее магнитное поле, оно изменяет направление намагниченности. Таким образом, считываемое с датчика напряжение будет изменяться линейно с магнитным полем в плоскости.
2.11. VHE — Valley Hall Effect, 2014
Mak et al. [60] наблюдали эффект Холла долины (VHE) в монослое MoS ₂. В двумерном материале электронная структура позволяет различать две разделенные энергетические долины. Электроны различных долин движутся по образцу в противоположных направлениях.Используя разные методы, было несколько попыток создать неравенство среди населения двух долин. Похоже, что эта область может стать новой областью «доллотроники», которая будет расширена позже дополнительными группами [61].
3. Обзор аналитических и численных моделей
В то время как в разделах 3.1 и 3.2 рассматриваются аналитические модели постоянного тока, в разделах 3.3, разделах 3.4 и 3.5 представлены несколько моделей переменного тока. В моделях постоянного тока в разделе 3.1 представлен изотропный подход (т. Е., Эффект Холла в одном направлении), а в разделе 3.2 — анизотропный подход (т. Е. Несколько направлений). Все пять секций представляют собой классические модели. Квантовые модели эффекта Холла все еще находятся в процессе исследования и еще не полностью применимы в численных инструментах. Раздел 3.6 завершает картину обзором основных дополнительных численных методов Best Known (BKM).
3.1. Классический эффект Холла
По сравнению с новыми моделями, имеющими дело с дополнительными проблемами и соображениями в наномасштабе, классический подход эффекта Холла основан на хорошо известном наборе допущений и уравнений.Однако, чтобы представить и проанализировать несколько передовых тематических исследований позже в этом обзоре, необходимо вернуться к основам. Предполагая, что свободный носитель находится в равновесии, а также принимая следующие определения:
L _y — поперечная ширина стержня Холла; A _x = L _y .d — площадь поперечного сечения стержня Холла; v _D — скорость дрейфа свободного носителя; B _z — магнитное поле в направлении Z; E _y — электрическое поле в направлении Y; V _H — напряжение Холла; V _Y — напряжение в направлении Y; I _x — электрический ток в стержне Холла; q — элементарный заряд; n — плотность свободных электронов.Получаем:
F⇀electric = F⇀minent
(1)
После проецирования оси (а) получаем:
А также:
‖E⇀Y‖ = ‖v⇀D‖‖B⇀ Z‖
(3)
Начиная с:
Напряжение Холла V _Y определяется как потенциал V _Y в состоянии равновесия. Следовательно, из уравнений (3) и (4) мы получаем уравнение (5):
И поскольку:
получаем:
Сопротивление холловского магнето определяется как отношение электрического напряжения в направлении Y к току. в направлении X:
R _H — это трехмерный коэффициент Холла, который определяется как:
3.2. Магнитосопротивление Холла постоянному току
Для этой новой модели необходимо использовать модель Друде [64]. Такой подход позволяет хорошо оценить сопротивление. Более того, такая модель применима в случае, если понимание рассеяния не зависит от природы механизма рассеяния носителей. Это подводит нас к уравнению движения для количества движения на один свободный носитель:
dp⇀dt = −p⇀τ + F⇀
(10)
где p — импульс, приходящийся на один свободный носитель, τ — время столкновения (среднее свободное время), а F — внешняя сила.Обычно скорость свободного носителя составляет:
Предполагая, что электрическое поле равно:
а магнитное поле:
Итак, уравнение движения:
me (ddt + 1τ) v → = q (E → + v → × B →)
(14)
где m _e — эффективная масса свободного носителя, q — заряд носителя, равный + e для дырки и −e для электрона. В случае электропроводности постоянного тока получаем два следующих уравнения:
Fx = me (ddt + 1τ) vx = q (Ex + vyBz)
(15)
Fy = me (ddt + 1τ) vy = qvxBz
(16)
В установившемся режиме:
mevxτ = q (Ex + vyBz) → vx = qτExme + ωcvyτ
(17)
mevyτ = q (Ey − vxBz) → vy = qτEyme 9 ωcvxτ
(18)
где:
ωc = qBzme — циклотронная частота (в единицах Гц)
(19)
В установившемся режиме, поскольку:
Тогда:
И:
Следовательно:
При наличии магнитного поля тензор удельного сопротивления определяется по формуле:
(ExEy) = [ρxxρxyρyxρyy] (jxjy)
(24)
Действительно, согласно уравнению (17):
jx = qnvx = nq2τmeEx + qn0002
Определив σ ₀ собственную проводимость без магнитного поля (для B _z = 0) как:
Тогда:
Таким же образом, на основе уравнения (18):
jy = qnvy = σ0Ey + qnωcvy
(28)
Получаем:
{σ0Ex = jx − ωcτjyσ0Ey = −ωcτjx + jy
(29)
Тогда матричное уравнение выглядит как:
(ExEωcτ ] (jxjy)
(30)
где коэффициенты тензора удельного сопротивления отождествлены с (27).
ρxx = ρyy = 1σ0 = meq2nτ
(31)
ρxy = −ρyx = ωcτσ0 = Bznq = RHBz
(32)
Теперь мы можем определить тензор проводимости как:
σ ] (ExEy)
(33)
где:
[σxxσxyσyxσyy] = [ρxxρxyρyxρyy] −1
(34)
где:
σxx = σyy = ρxxρxx2 + ρxy2 = σ01 + (ωcτ) 2 = σ01 + (σ0RHBz) 2
(35)
σxy = −σyx = −ρxyρxx2 + ρxy2 = −σ0ωcτ1 + (ωcτ) 2 = ) 2
(36)
3.3. Динамический тензор магнитопроводимости для свободных носителей
В случае осциллирующего магнитного поля в направлении z приближение динамического тензора магнитопроводимости для свободных носителей потребует нового подхода. Для расчета модель будет сочетать как теорию возмущений, так и допущения модели Друде, представленные в предыдущем абзаце, для магнитосопротивления Холла по постоянному току. В качестве оговорки следует подчеркнуть, что баллистическая проводимость и квантовый эффект Холла не будут учитываться для модели, даже если последний становится более актуальным при сильных магнитных полях (B> 0.5 т). Следовательно, уравнения движения для количества движения на носитель будут следующими:
me (dv⇀dt + v⇀τ) = q (E → + v → × B →)
(37)
где:
v⇀ = v → 0 + εv → 1 + ε2v → 2
(38)
и
ε = ‖v → 0‖‖B → ‖‖E → ‖≪1
(39)
— возмущающий член магнитного поля.
V ₁ и V ₂ — соответственно первая и вторая составляющие возмущения скорости носителя, тогда как V ₀ — невозмущенный член (отсутствие магнитного поля).
ε ¹ и ε ² являются соответственно первым и вторым порядками возмущения (1 и 2 — показатели коэффициента возмущения) скорости носителей, а ε ⁰ = 1 — невозмущенный коэффициент. Мы использовали его, чтобы связать порядок возмущения с членом возмущения скорости.
Для приближения нулевого порядка (без магнитного возмущения) ε ⁰ уравнение принимает следующий вид:
me (dv → 0dt + v → 0τ) = qE →
(40)
Поскольку E → статично, получаем
Следовательно:
мэв → 0τ = qE → → V → 0 = qτmeE → → v → 0 = μeE →
(42)
где µ _e — эффективная подвижность свободных носителей заряда.
Начиная с
J → 0 = nq2τmeE → = σ0E →
(44)
Для ε ¹ первого порядка уравнение принимает следующий вид:
me (dv → 1dt + v → 1τ) = qv → 0 × B →
(45)
Начиная с
B → (t) = B → 0e − iωt, v → 1 = v → 10e − iωt
(46)
Следовательно:
me (−iω + 1τ) v → 10e − iωt = −ev → 0 × B → 0e − iωt
(47)
Так как
v → 0 = + / — μeE → (+ в случае дырок, — в случае электронов)
(48)
(1 − iωτ) v → 10 = qτμemeE → × B → 0 → v → 10 = μe2E → × B → 0 (1 − iωτ)
(49)
Так как
Дж → 10 = σ0μeB → 0 × E → (1 − iωτ) = [0 − σ0μe‖B → ‖1 − iωτ0σ0μe‖B → ‖1 − iωτ00000] E →
(51)
J → 10 = [0 − σ0ε1 − iωτ0σ0ε1 − iωτ00000] E →
(52)
Для второго порядка ε ² уравнение принимает следующий вид:
me (dv → 2dt + v → 2τ) = qv → 1 × B →
(53)
С
v → 1B → = v → 10B → 0e − i2ωt
(54)
и
v → 2 = v → 20e − i2ωt
(55)
Следовательно:
me (−i2ω + 1τ) v → 20e − i2ωt = −ev → 10 × B → 0e − i2ωt
(56)
Начиная с
v → 10 = μe2E → × B → 0 (1 − iωτ)
(57)
Тогда
(1 − i2ωτ) v → 20 = −qτmeμe2 (E → × B → 0) (1 − iωτ) × B → 0 = −qτmeμe2B → 0 (1 − iωτ) × (B → 0 × E →)
(58)
Начиная с
Тогда
Дж → 20 = σ0μe2B → 0 (1 − iωτ) (1 − i2ωτ) × (B → 0 × E →)
(60)
Дж → 20 = σ0μe2‖B → 0‖2 (1 − iωτ ) (1 − i2ωτ) [0−10100000] [0−10100000] E →
(61)
J → 20 = σ0μe2‖B → 0‖2 (1 − iωτ) (1 − i2ωτ) [- 1000− 10000] E →
(62)
J → 20 = σ0ε2 (1 − iωτ) (1 − i2ωτ) [- 1000−10000] E →
(63)
Так как
Дж → = J → 0 + J → 1 + J → 2
(64)
и
J → = [σ0 − σ0ε2 (1 − iωτ) (1 − i2ωτ) −σ0ε1 − iωτ0σ0ε1 − iωτσ0 − σ0ε2 (1 − iωτ) (1 − i2ωτ) 000σ0] E →
(66)
[σ |4. Двумерный электронный газ (2DEG) и гетеродинный эффект Холла
В сочетании с эффектом Холла таким образом, что и магнитное, и электрическое поля колеблются на резонансных частотах, мы получаем пример гетеродинного устройства. Как недавно сообщили Ока и Буччантини [65], гетеродинное устройство может быть реализовано путем приложения осциллирующего электрического поля, действующего как входной сигнал к 2DEG, и в сочетании с осциллирующим магнитным полем, действующим как управляющий сигнал. Из-за эффекта Холла ток, протекающий перпендикулярно приложенному электрическому полю, оказывается резонансным на частоте входного сигнала, смещенной на целые числа, кратные частоте возбуждения.В таких случаях мы определяем j _a (мОм) плотность электрического тока как выходной сигнал, разделяющий частоту мОм и текущий в направлении a (a, b = x, y, z) и слабое электрическое поле. , в направлении b и частотой nΩ. В этом случае проводимость гетеродина представляет собой четырехиндексный тензор [65], а электрическое поле обозначается Ebn.
ja (мОм) = bσabm, n (nΩ) Ebn
(68)
Можно показать, что для классического случая проводимость гетеродина σabm, n для n = 0 (статическое электрическое поле) [65] равна :
σxy0,0 = 0, σyy0,0 = σ0J0 (r) 2
(69)
σxy1,0 = σ0ΩτJ0 (r) J1 (r) 1+ (Ωτ) 2, σyy1,0 = σ0ΩτJ0 ( r) J1 (r) 1+ (Ωτ) 2,
(70)
, где σ ₀ = q ² n / (ηm) является выражением проводимости в нулевом поле.η — малый феноменологический параметр рассеяния. J ₀ (r) — функция Бесселя нулевого порядка; J ₁ (r) — первый порядок функции Бесселя; Ω — частота магнитного поля; ω _c — циклотронная частота; а r = ω _c / Ω — аргумент функции Бесселя.
3.5. Модель свободных электронов и диэлектрический тензор
Тензор диэлектрической проницаемости среды связан с тензором проводимости следующим образом:
[ϵ] = 1 + i (1∈0ω) [σ]
(71)
Следовательно:
∈ = [1 + i∈0ωσxxi∈0ωσxy0i∈0ωσyx1 + i∈0ωσyy0001 + i∈0ωσzz],
(72)
3.6. Численные модели и инструменты — моделирование, сетка и точность анализа
Аналитические модели, конечно, желательны для математического определения физического поведения и тематических исследований интегрированного эффекта Холла в устройство или модуль. Тем не менее, дополнительный анализ с использованием численных моделей и моделирования остается желательным для моделирования и прогнозирования такого поведения. Существует несколько инструментов TCAD, которые использовались на протяжении многих лет, чтобы дополнить спецификации устройства. Ниже мы приведем несколько примеров таких программных платформ и пакетов.
При проектировании структуры Холла также важно обращать внимание на влияние неомических контактов и несимметричных структур на напряжение Холла. Действительно, точно установлено, что они вносят вклад в нелинейность с магнитным полем и смещением соответственно. Обычно этих артефактов можно избежать путем правильного выбора контактных материалов и тщательного проектирования симметричных рисунков контактов, как сообщает, например, Сандер [66].
Для выполнения полного и точного численного исследования таких устройств, конструкции и моделирования обычно используется платформа пакета программного обеспечения Comsol Multi-Physics [67].Подход этой платформы основан на методе конечных элементов (FEM) [68,69] и имеет несколько общих модулей. На этой платформе было разработано несколько типов микро- и наноразмерных устройств [70,71]. В конкретном случае усилителя Холла [71] необходимыми имитационными моделями являются модуль переменного / постоянного тока, модуль полупроводников и модуль теплопередачи. Даже для простой конструкции, такой как показанная на рисунке планка Холла (HB), необходимо следовать хорошо выстроенной последовательности шагов, таких как проектирование геометрических фигур, определение портов и слоев, а также автоматическое или ручное определение сетки для улучшения разрешения моделирования. .Comsol позволяет использовать несколько форм элементов сетки, и опытный дизайнер будет знать, как оптимизировать использование сетки для повышения плотности и точности в чувствительных частях проектируемой конструкции. Точность сетки очень важна, поскольку она позволяет повысить точность эффекта короткого замыкания и других вторичных эффектов, таких как планарный эффект Холла и т.д. при ручной оптимизации треугольными элементами меньшего размера.Конечно, такая оптимизация требует компромисса: точность всегда требует более длительного времени выполнения, поскольку весь том делится на гораздо большее количество элементов. Вот почему обычно рекомендуется сначала проверять прогоны с помощью грубого МКЭ, а затем постепенно повышать точность критических зон. Только после этого можно выполнять моделирование функциональности и дополнительные проверки. Иногда для моделирования сложных анализов необходимо совместить использование нескольких дополнительных модулей.
Расчетный поток для трехмерной (3D) барной стойки холла.( а ) Эскизный проект и определение портов. ( b ) Определение слоев. ( c ) Стандартная автоматическая сетка. ( d ) Адаптированная ручная сетка с зонами разной плотности, используемая с элементами тетраэдра по умолчанию или сверхтонкими элементами.
Существуют дополнительные пакеты программного обеспечения на основе МКЭ, которые используются для моделирования устройств. Например, анализ методом конечных элементов (FEA) сенсорного модуля был выполнен с использованием программного обеспечения Flux 2D [72], а проверка изменения потока утечки сенсорного модуля в двух различных положениях A и B была выполнена с помощью отображения цветового распределения. , описывающий плотность магнитного потока.В другом тематическом исследовании для моделирования магнитных сил [74] использовался 2D метод конечных элементов с открытым исходным кодом Magnetics (FEMM), созданный Микером [73]. В дополнение к Comsol, Flux, FEMM и другим видам методов конечных элементов необходимо использовать дополнительное программное обеспечение MATLAB [75] для математического моделирования поведения устройства.
Дополнительным инструментом TCAD, используемым для численного прогноза устройств на основе эффекта Холла, является инструмент Synopsys Sentaurus TCAD [76]. Например, эта трехмерная платформа была использована для сравнительного исследования устройств на эффекте Холла [77].Иногда TCAD выбирается в зависимости от приложения, поскольку он соответствует потребностям моделирования. Например, в области формы и расположения датчика Холла и магнитов для мягкого кончика пальца модель была построена в Abaqus (Dassault System, Уолтем, Массачусетс, США) для моделирования [78], опять же с использованием метода конечных вычислений. Элементы (FE) модели.
4. Обзор устройств на основе эффекта Холла на макроуровне
Поскольку в литературе можно найти множество устройств и приложений на основе эффекта Холла, для ясности возникла необходимость классифицировать их по трем категориям: (1) MEM и устройства макромасштаб (≥1 мм), (2) устройства микромасштаба (≥1 мкм), (3) устройства нанометрового и квантового масштаба (<100 нм), как рассмотрено и представлено в следующих параграфах и в алфавитном резюме, и , соответственно.В рамках обзора особые усилия были вложены в конструкцию таблиц и в привязку существующих устройств к соответствующим эффектам Холла, о которых говорилось выше, на которых они созданы. Можно заметить, что чем меньше устройства, тем меньше их списки. Причина этого в том, что интеграция эффекта Холла в мир нанотехнологий довольно сложна и ограничена несколькими причинами, обсуждаемыми в параграфе 6. В таблицах мы попытались расширить список существующих устройств, тогда как в обзорных параграфах мы попытались чтобы сосредоточиться на недавно выбранных опубликованных приложениях.
Таблица 1
Сводная таблица основных известных макроустройств со встроенным эффектом Холла. Классификация производится по измеряемой величине / физическому параметру.
Тип (измеренное количество) Определение и применение Область Год
Угловые датчики [82,83] Бесконтактный датчик, разработанный для измерения угла поворота вала. Сигнал пропорционален угловому положению. Автомобильная промышленность, аэронавтика 2013, 2001
Датчики положения и скорости [84,85] Управление положением и скоростью бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC) с помощью нескольких датчиков Холла внутри статора на неприводной стороне мотора. Медицина, военное дело, робототехника 2010, 2019
Датчики тока [86,87] Регулируемый датчик для токов от мкА до кА. Power 2016, 2018
Датчики изгиба кривизны [88] Датчик изгиба большой кривизны на основе внутреннего датчика Холла в кабеле. Обратная связь необходима для аналогового управления. Робототехника, движение 2016
Датчики расхода [89,90] Измерьте расход жидкости или воздуха.Автозаправочные станции самообслуживания разделяют спрос на насосы с дистанционным считыванием показаний. Контроль надоев молока. Жидкости, автомобилестроение, сельское хозяйство 2013, 2013
Датчики компонентов магнитного поля [79,91,92,93] Магнитометры на основе эффекта Холла и датчики PHE с высоким разрешением. Биомедицинский 2018, 2019, 2020, 2013
Датчики положения [72,94] Положение в линейных двигателях с помощью магнитных датчиков. Датчик офисной машины для оборудования с движущимися частями, такого как копировальные аппараты, факс, принтеры. Робототехника, офис 2015, 2017
Датчики давления [95,96] Измерение давления, положение поршня в зоне высокого давления. Сенсорная индикация того, что машина не выровнена. Промышленное, автомобильное, контрольное 2011, 2015
Датчики приближения [74] Линейные датчики приближения (LSP) с возможностями измерения среднего и низкого диапазона, широко используемые в промышленных и непромышленных приложениях. Промышленное, непромышленное 2016
Датчики идентификации, местоположения и движения целей [97] Технология радиочастотной идентификации (RFID) для идентификации сигналов дорожного движения и высокоточного измерения скорости транспортного средства с эффектом Холла. датчик на базе, размещенный на колесе автомобиля. Автомобильная промышленность 2010
Датчики числа оборотов в минуту [98] Управление скоростью, управление синхронизацией двигателя, обнаружение нулевой скорости, вращение ленты, обнаружение пониженной / повышенной скорости, обнаружение скорости диска, контроллер трансмиссии автомобиля, движение вентилятора, счетчик вращения вала, счетчик бутылок, индикация положения корня, сверлильные станки, линейное или вращательное позиционирование, положение заслонки камеры, определение положения вращения, расходомер, тахометрические датчики. Автомобильная промышленность 2014
Мягкие тактильные сенсоры и сенсоры кожи [81,99,100] Магнитные сенсоры для сенсорных поверхностей.Текущее обнаружение нескольких уровней. Робототехника 2016, 2019, 2017
Датчики скорости [101] Датчик скорости трубопровода (PIG) основан на датчике эффекта Холла. Порядок и / или продолжительность операций. Petroleum 2017
Тактильные датчики [78,102,103] Мягкие тактильные датчики на основе эффекта Холла. Робототехника 2019, 2020, 2016
Датчики температуры [104,105] Измерение температуры.Датчик зажигания, установленный на распределителе. Диапазон температур от −40 до 150 ° C. Электроблокировка двери системы зажигания. Automotive, Office 2016
Таблица 2
Сводная таблица в алфавитном порядке основных известных микроустройств со встроенным эффектом Холла. Классификация производится по аббревиатуре устройства.
HEBCS HEBCS
99 основных известных наноустройств и ст. структуры со встроенным эффектом Холла.Классификация осуществляется по аббревиатуре и функции устройства. Можно заметить, насколько мало устройств нанометрового масштаба по сравнению с их макро- и микропредшественниками.
Тип Определение и применение Домен Год
КМОП-сенсоры [77,108] КМОП-датчики на эффекте Холла Микроэлектроника MAGFET, стабилизированный прерывателем Микроэлектроника 2018
GHE [114] Графеновый элемент Холла Микроэлектроника 2013
HEBCS Эффект Холла

2018
мкА Датчик Холла [116] Функция переключения в маломощном режиме Микроэлектроника 2018
MOS датчик тока [110,117] Силовая электроника Преобразователи 91 91 Микроэлектроника
Магнитный датчик MOS [111] Метод устранения влияния напряжений упаковки и колебаний температуры Микроэлектроника 2001
Датчики PHE [80] Обнаружение чувствительного магнитного поля
91
91
SHEM [118] Сканирующий микроскоп на эффекте Холла Геология 2019
VHS [66] Вертикальный датчик Холла Микроэлектроника 2013 Таблица
P3HT-ZnO NO Датчик газа Nanowires Структура QVHE [131]
Тип Определение и применение Домен Год Эффект
Усилитель (ТГц) [71] Усилитель Холла Электроника в наноуровне (911 ) 911 OHE
Нано-зонды Холла [133] Магнитометры, активные области <100 × 100 нм ² Визуализация 2006
LHEIC [130] Интегральная схема с линейным эффектом Холла 2015 LHE
LF Датчик AHE [134] Низкочастотный шумовой магнитный датчик AHE Электроника 2019 AHE
P3HT-13590 P3HT-ZnO Химия 2018
PHRB [136] Планарный биосенсор холловского сопротивления Биология 2020 PHE
PTI [132] Структура фотонного топологического изолятора Монослой SiC на квантовом эффекте Холла Теоретический 2020 QVHE
Датчик [119] Диагностика и измерение магнитного поля Биология 2015
Датчик [120] Магнитное изображение окружающей среды с высоким разрешением Визуализация 2019
4.1. Планарные датчики на эффекте Холла (PHE)
При работе с макромасштабом можно исследовать широкий диапазон измерений, от мегамагнитов до микроэлектромеханической системы (MEMS). Наша цель в этой статье больше ориентирована на МЭМС и более тонкие устройства. Поскольку PHE часто встречается в литературе, мы рассмотрим только несколько репрезентативных публикаций, чтобы подчеркнуть важность его возможных приложений. Недавно Grosz et al. [79] сообщили о изготовлении некоторых эллиптических датчиков на плоском эффекте Холла (PHE).Эти датчики, изготовленные из пермаллоя, обладают особой одноосной анизотропией, обусловленной формой. Впечатляющие результаты и разрешение были получены после оптимизации толщины сенсора и амплитуды тока возбуждения: разрешение магнитного поля 600 пТл / √Гц при 1 Гц и 1 нТГц при 0,1 Гц. Конечно, обсуждаются дополнительные способы улучшения. Фактически, такое устройство PHE не является полностью новым, и исследования его предшественников были опубликованы около трех десятилетий назад с микрометрическими размерами [80].Действительно, команда Van Dau et al. изготовлены чувствительные устройства обнаружения магнитного поля на основе ПТО. По сравнению с последней версией PHE [79] структура, созданная Van Dau et al. имеет размеры ножек 28 мкм на расстоянии 200 мкм. Структура снова сделана из пермаллоя с ультратонкими слоями толщиной 6 нм поверх дополнительных слоев (), выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МБЭ). Оптимизация показала чувствительность минимально обнаруживаемого поля ниже 10 нТл.
Таблица 4
Сводная таблица материалов и элементов, используемых для исследований эффекта Холла в литературе.
Галлий
Галлий
9 1190 InGaAs обычно 80% никеля, 20% железа) 9 1190 Ta (5 нм) / NiFe (10 нм) / Cu (x = 0 ~ 1.2 нм) / IrMn (10 нм) / Ta (5 нм) / Si подложка
Символ / формула Имя Основные ссылки
Al Алюминий [31]
AlGaAs
Железо [80]
Fe-Pt Ферромагнитные сплавы железо-платин [134]
Ga Галлий [71,116] 11 Галлий 11 Галлий 11 [71,116]
GaAs-InGaAs-AlGaAs Арсенид галлия — арсенид галлия индия — арсенид алюминия-галлия [130]
C ₁₄₀ H1
C ₁₄₀ H1 9116 [114,119,120]
h-BN / графен / h-BN Гетероструктуры графена [137]
Арсенид галлия индия [130]
InSb Антимонид индия [121]
Mg Магний Mg Магний Mg [80]
Nd-Fe-B Неодимовый магнит с никелевым покрытием [81]
Ni Никель [80]
Ni-Fe-Mo Per [79,80]
Pd Палладий [80]
P3HT-ZnO Массив нанопроволок оксида цинка (ZnO), изготовленный методом атомного осаждения и органический материал полупроводник p-типа поли (3-гексилтиофен) (P3HT) [135]
Si Кремний [77,80,108,109]
Ta / NiFe / Cu / IrMn / Ta / NiFe / Cu / IrMn / Ta Si [136]
4.2. Датчики для мягкой кожи (SSS)
Другой типичной областью, в которой желательны датчики макромасштабирования, является робототехника. Например, несколько команд недавно работали над разработкой датчиков мягкой кожи (SSS) для роботизированных приложений. В 2016 году Томо и др. представили новую версию такого НДС на основе эффекта Холла [81]. На протяжении многих лет производился ряд устройств, и здесь представлен краткий обзор самых последних разработанных компонентов.
5. Обзор микромасштабных устройств на основе эффекта Холла
В рамках нашего исследования мы представим избранный обзор основных тенденций в микромасштабном диапазоне. На этот раз мы сравним два типа компонентов и соответствующие им материалы. Краткое изложение недавних применений таких устройств приведено в.
5.1. КМОП-датчики Холла на кремнии
Если устройства макроуровня используются в самых разных областях, таких как робототехника [103], биомедицина [92], медицина [102], астрономия [106], автомобилестроение [31], военное дело, сельское хозяйство [89], офис [31] и др.Похоже, что микромасштабные устройства больше ориентированы на интеграцию в схемы и промышленность микроэлектроники. Было выполнено несколько исследований эффекта Холла в полупроводниках в целом и в кремнии в частности [107]. В качестве примера можно привести разработку КМОП-сенсоров [77], в которой были определены специальные правила проектирования для их создания [108]. Дополнительные исследования были сосредоточены на конструкции и интеграции датчиков Холла в технологию CMOS 0,35 мкм при сравнении девяти различных форм устройств [109].Целью было обеспечить максимальную чувствительность в зависимости от геометрии и размеров. Позже, и в процессе интеграции в меньших размерах, полупроводниковые магнитные датчики, такие как датчики Холла, были реализованы в КМОП-технологии 0,18 мкм, чтобы реализовать новую концепцию моделирования тока стока в прямоугольных МОП-транзисторах [110]. Еще один пример — интеграция магнитных датчиков на эффекте Холла в КМОП-технологию, которая была разработана и исследована двадцать лет назад [111] для устранения влияния напряжения упаковки и колебаний температуры.
КМОП-устройства на эффекте Холла являются наиболее изученными и производимыми устройствами (ежегодно производится несколько миллиардов устройств только для автомобильного сектора). В частности, были широко изучены новые устройства и методы преобразования сигнала для уменьшения напряжения смещения и упаковки в кремниевых устройствах, и были представлены новейшие разработки [66,112,113]. Например, Сандер представил новое устройство с интегрированной КМОП-структурой, названное Вертикальный датчик Холла (VHS) [66], обладающее оптимизированной симметрией для измерения компонент магнитного поля в плоскости.Это новое устройство обеспечивает более высокую степень симметрии за счет соответствующего соединения четырех идентичных трехконтактных элементов. Устройство привело к двум важным улучшениям: во-первых, более чем в четыре раза по сравнению с 5CVHS, изготовленным на той же пластине, и, во-вторых, снижение энергопотребления на 47%. Пять лет спустя Фрик и Осбергер представили стабилизированный прерывателем MAGFET (CHOPFET) [112], магнитотранзистор, который совместим с техникой вращающегося тока для низкочастотного шума и компенсации смещения.Хотя прототип был изготовлен в процессе КМОП 0,35 мкм, он мог показать минимальное значение корреляции шума 0,75 между двумя последовательными фазами переключения.
5.2. Биполярные переходы PNP в графене
Согласно библиографии большого количества публикаций, кажется, что помимо усилий, вложенных в устройства на основе кремния [77,107,108,109], также желательны устройства на основе графена [114]. Благодаря своей исключительной 2D-высокой электрической подвижности и теплопроводности, графен может изменить правила игры в индустрии микроэлектроники, перейдя от кремния к приложениям с графеном, включая интегрированные устройства с эффектом Холла.Более того, как сообщается в следующем абзаце, графен является плодотворным субстратом для новых эффектов Холла в наноразмерном диапазоне при создании наноструктур [115]. Действительно, при наблюдении за измерениями электронного переноса было обнаружено плато дробной квантовой холловской проводимости в соединениях PNP биполярного графена.
6. Обзор устройств на основе наномасштабного эффекта Холла
6.1. Датчики на эффекте Холла (HES)
Учитывая сложную перспективу внедрения эффекта Холла в область нанотехнологий, некоторые усилия были сосредоточены на использовании этого явления в качестве основы для создания точных датчиков.Краткое изложение недавних применений таких устройств приведено в. Нано-датчики находят множество применений в различных науках, таких как биомедицина, окружающая среда, связь и производство интеллектуальных веществ. Фактически, эти исследования сначала были сосредоточены на исследованиях в области биологии, где материалом, используемым для сенсора, является графен [119]. Поскольку графен представляет собой двумерный материал, состоящий из атомов углерода, который привлек внимание исследователей не только из-за особых свойств, таких как высокая подвижность электронов и ширина запрещенной зоны, близкая к нулю, но и из-за его высокой биологической совместимости, было естественным перейти к биологии. ориентация на основе графеновой подложки.Оставаясь с графеновой опорой, фокус недавно переместился на наноразмерное магнитное зондирование и визуализацию [120]. В этой ссылке графеновые датчики Холла были изготовлены с использованием процесса химического осаждения из паровой фазы (CVD), с общей шириной проводов от 50 до 1500 нм, и для того, чтобы использовать высокую подвижность носителей и настраиваемость этого материала.
Дополнительной областью применения наноразмеров на эффекте Холла является ультрамикроскопия. Около двух десятилетий назад было проведено несколько исследований, посвященных нано- и микродатчикам на эффекте Холла для сканирующей зондовой микроскопии Холла при комнатной температуре.Целью было разработать и изготовить нано- и микродатчики на эффекте Холла с использованием тонких пленок Bi и InSb и показать, как они могут быть практической альтернативой зондам GaAs-2DEG для сканирующей зондовой микроскопии Холла (SHPM) [121]. Опять же, можно заметить, что приложения и материалы работают вместе, когда каждый раз домен определяет оптимальный материал для использования. Также были исследованы несколько попыток, таких как транзисторы MoS ₂ [60] и датчики на эффекте Холла [122]. Продвигаясь вперед с электромагнитными полями в схемах, были также исследованы баллистические отклоняющие транзисторы [123].В этих случаях были исследованы баллистические эффекты в транзисторах [124,125,126].
6.2. Наноуровневое устройство с усилителем Холла (HAND)
Если датчики на эффекте Холла являются хорошо известными устройствами, то дополнительные компоненты, такие как усилители, менее известны. Недавно был разработан, смоделирован и смоделирован новый наноразмерный компонент устройства под названием HAND (Hall Amplifier Nanoscale Device) () [71]. Цель состояла в том, чтобы сделать возможным интеграцию исходного макроэффекта Холла в крошечные схемы, совместимые с современными процессами изготовления кремния.Поскольку мы можем ожидать сверхвысоких рабочих частот (> 10 ТГц), устройство HAND может изменить правила игры для вычислительных схем. Дизайн и числовые проверки были выполнены с использованием программного обеспечения Comsol Multi-Physics Package. Дополнительные усилия были вложены в дополнительные аналитические модели, чтобы лучше понять функциональность устройства. Как показано на рисунке, конструкция HAND’S включает медную катушку с различным количеством петель, окружающую холловскую шину из легированного GaAs. Этот материал был выбран из-за его высокой мобильности.Ширина полосы 50 нм. Обоснование состоит в том, чтобы пропустить высокочастотный электрический ток через окружающую катушку, создавая при этом магнитное поле переменного тока внутри самой панели Холла, что из-за эффекта Холла приводит к возникновению переменного напряжения между двумя ее ручками. На самом деле идея усилителя на эффекте Холла не нова, поскольку она уже появилась в пятидесятых годах [127,128,129]. Эти ссылки еще раз напоминают нам, что, хотя идея появилась почти семь десятилетий назад, технология не была достаточно продвинутой, чтобы изготавливать микро- или наноразмерные устройства, которые можно было бы интегрировать в схемы.Иногда между идеей и ее реализацией проходит длительная задержка из-за отсутствия подходящих технологий и / или соответствующих материалов. Основное нововведение и применение, которое предлагает HAND, — это возможность использовать знания нанотехнологий для интеграции чрезвычайно малых устройств и включения терагерцовых электронных частот. Такое устройство могло бы изменить правила игры. Фактически, по сравнению с предыдущими исследованиями устройств баллистической дефляции, где отклонение осуществляется с помощью электрических полей, текущие исследования ищут альтернативный вариант с использованием магнитных полей.
Усилитель Холла, наноразмерное устройство (HAND), двумерная (2D) структура в Comsol. ( a ) С активированным полем. ( b ) 3D вид. ( c ) В симуляторе.
Плотность магнитного потока Norm (T), создаваемая медной катушкой 15 нм с несколькими петлями и входным электрическим током 30 мкА. ( а ) Вид спереди, пять петель; ( б ) поперечный разрез, пять петель; ( c ) накид, пять петель; ( д ) вид лицевой, десять петель; ( е ) поперечный, десять петель; ( ф ) накид, десять петель.
6.3. Холловские квантовые структуры
С момента, когда мы достигаем наноразмерных размеров (1–100 нм), мы можем ожидать квантовые эффекты и явления, происходящие в сокращенном диапазоне 1–10 нм. В дополнение к вышеупомянутым наноразмерным датчикам и усилителям, несколько команд работали над разработкой квантовых структур, используя также эффект Холла. Одним из недавних примеров является разработка высокочувствительной интегральной схемы с квантовым эффектом Холла (ИС) нанотесла, использующей технологию двумерного электронного газа (2DEG) GaAs-InGaAs-AlGaAs.Эта квантовая структура носит название сверхчувствительных интегральных схем с линейным эффектом Холла (LHEIC) [130]. Его характеристики весьма примечательны, поскольку он способен обнаруживать слабые магнитные поля переменного тока до 177 нТл. Имея дело с диапазоном квантовых размеров, можно заметить, что опубликованные исследования больше ориентированы на монослойные «структуры», чем на применимые устройства. Еще предстоит пройти долгий путь, чтобы превратить квантовый эффект в хорошо работающий компонент. Конечно, эти исследования очень важны для понимания поведения носителей, однако они остаются в теоретической области.Примером такого случая является недавнее исследование эффекта Холла в квантовой долине (QVHE) [131] с использованием монослоя SiC. В таких случаях мы имеем дело с двумерными материалами элементов IV группы, такими как графен, силицен, германен и станнен, которые являются одноатомными. Другой пример структуры — это фотонный топологический изолятор на основе кремния (PTI) [132], также основанный на QVHE. Поскольку топологические фазы света изучались в последнее десятилетие, следующим этапом стала разработка полностью диэлектрического PTI Холла.
7. Прогноз, ожидаемые тенденции и перспективы
В этом обзорном документе сделана попытка связать явления и соответствующие устройства, как представлено выше в резюме, и. В этом последнем абзаце мы стремимся попытаться спрогнозировать следующие шаги в эволюции интегрированных эффектов Холла в интеллектуальных наноразмерных устройствах, а также то, почему некоторые из этих явлений все еще остаются сложными проблемами для интеграции. Ссылаясь на более чем 150 недавних статей и книг и просмотрев еще несколько сотен, нам кажется, что прекрасная идея реализовать феномен в приложениях еще не является прямой, и по крайней мере шесть основных проблем все еще остаются.Десятки групп по всему миру все еще работают над решением этих проблем. Основная причина заключается в том, что потребность и мировой рынок датчиков, основанных на магнитных полях, очень высок, как описано ниже.
7.1. Обзор проблем наномасштаба
7.1.1. Выбор материала: размеры, применение и интеграция
Выбор материала остается первым вопросом, который необходимо решить при разработке устройства на основе эффекта Холла. Как было рассмотрено выше, за прошедшие годы было выбрано несколько элементов и материалов-кандидатов: кремний, графен, GaAs и легированный GaAs, InGaAs, AlGaAs, пермаллой, медь и т. Д.Решение об элементе или материале будет в основном зависеть от трех основных параметров: (1) требуемые размеры планируемого устройства, (2) применение, которое будет реализовано, и (3) насколько гладкими могут быть эти два — материал и устройство — быть интегрированным в существующую отрасль. От макро- до нано- и микромасштаба — стремление обеспечить плавную интеграцию в существующие технологии. Например, для интеллектуальной разработки и интеграции новых устройств в мир микроэлектроники и технологии CMOS потребуются устройства на основе кремния.Согласно Dankert et al. [137], в мире микроэлектроники есть три материала-кандидата для реализации датчиков Холла: кремний, полупроводники соединения III-V и графен. Из-за низкой стоимости изготовления и возможной плавной интеграции в технологию CMOS кремниевые датчики Холла (использующие активную область) широко представлены на рынке. В качестве второго варианта, обеспечивающего гораздо лучшие характеристики [138], полупроводниковые соединения III-V по-прежнему очень трудно интегрировать в старую, хорошо зарекомендовавшую себя кремниевую промышленность.Та же дилемма существует для устройств электрооптики и фотоники. В конце концов, графен стал интересным материалом для использования в качестве активных областей для магнитных датчиков из-за его характеристик: двумерной природы, низкой концентрации носителей и высокой подвижности носителей. Поскольку приложения эффекта Холла были изучены в нескольких типах элементов и материалов в литературе, представлен краткий обзор материалов, используемых в этой области.
7.1.2. Классические ограничения: мегамагнит, высокая температура и самонагревание
В некоторых тематических исследованиях, например, в схемах нанотехнологий, можно столкнуться с трудным выбором между необходимостью физического сильного магнитного поля, т.е.е. мега-магнит, а с другой стороны — выбранное приложение, в котором будет реализовано устройство, и в котором нельзя допустить такой мега-магнит. По той же причине, что нельзя допускать наличие магнитного поля большой амплитуды (> 0,5 Тл) внутри цепи, также не рекомендуется использовать высокую температуру, которая может повлиять на функциональность и производительность схемы. В мире микроэлектроники и нанотехнологий нельзя допускать высокой температуры внутри схем, так как это может вызвать деградацию устройства и повлиять на характеристики схемы или вызвать нежелательное явление самонагрева.Когда имеешь дело со схемами и устройствами, кажется, что хорошая функциональность не является достаточным основанием для утверждения, что компонент работает успешно. Проблемы и соображения, связанные с качеством и надежностью (Q&R), также следует анализировать и прогнозировать. Более того, при достижении микро- и наномасштабов могут возникать дополнительные явления. Например, в случае стержня Холла (HB), сделанного из металла, явление высокой температуры, упомянутое выше, может создавать механизмы деградации, такие как электромиграция (EM) [139, 140] и самонагревание (SH) [141], такие как в металлических межсоединениях в технологии СБИС.
Несмотря на перечисленные выше классические ограничения, нанотехнологии и мегамагниты не обязательно всегда будут несовместимы или не смогут использовать одно и то же приложение. В качестве первого примера мы можем рассмотреть приложения для биомедицинской визуализации, в которых тяжелое медицинское оборудование может совместно использовать мегамагниты и магнитный резонанс, работая в гармонии с рядом нанодатчиков, расположенных в отдельных областях. Такие приложения обычно ориентированы на улучшение качества процесса визуализации и анализа результатов проверенных образцов или людей.В таких мегасистемах требуемые мегамагниты и ряд нанодатчиков будут работать в гармонии, несмотря на то, что они отделены друг от друга. Дополнительная и аналогичная область, объединяющая обе стороны компромисса, — это оборудование, необходимое для изучения частиц и чистой физики. Можно ожидать, что в недалеком будущем подобное оборудование для анализа будет меньше по размеру и станет портативным для мобильных приложений.
Сделав шаг вперед, подойдет еще один пример желательного сочетания классических ограничений (мегамагнит, высокие температуры) и нанотехнологий.Снова посмотрев на упомянутое выше устройство усилителя Холла в наномасштабе (HAND) [71], можно заметить, что оно не переносит высоких температур. Для этого конкретного устройства, чтобы решить проблему высокой температуры, вызванной чрезвычайно высокой плотностью тока в медной нанопроволоке, которая окружает стержень холла, можно предложить несколько возможных путей оптимизации: размеры, материалы, плотность петель катушек и геометрия. Также могут возникнуть компромиссы и соображения. Например, увеличение площади поперечного сечения электромагнита для увеличения постоянного тока и более сильного магнитного поля.С другой стороны, для сохранения преимущества наноразмеров необходимо, чтобы устройство оставалось достаточно маленьким. Следовательно, если оптимизация размера устройства может быть первым направлением для проверки, использование альтернативных материалов, обеспечивающих более высокие плотности тока, могло бы стать частью решения этой дилеммы. В области сверхпроводников они могут помочь в создании необходимого магнитного поля, на этот раз с более низкими генерируемыми температурами. Решением проблемы может стать изменение геометрии деталей устройства.Например, магнитное поле становится сильнее по мере увеличения количества витков (a – f) и более однородным вокруг стержня Холла, чем в случае с однопетлевой катушкой. Максимальное поле находится в диапазоне от 1 мТл для пяти петель и до 2 мТл для десяти петель [71]. Чтобы создать более сильное магнитное поле с меньшей плотностью тока, можно проверить дополнительные решения.
7.1.3. Квантовые ограничения и баллистические модели
Имея дело с наномасштабами, нельзя игнорировать дополнительные явления, такие как баллистические эффекты, эффекты дополнительного переноса носителей и квантовые эффекты.Иногда предварительно разработанные аналитические модели могут потребовать дополнительного анализа, улучшения и адаптации, как в случае HAND [71], путем включения дополнительных соображений по транспортировке. Эти улучшения могут поддерживаться несколькими дополнительными моделями. Например, формулировка Кубо-Гринвуда-Честера-Теллунга [65, 142] подходит для исследований квантового переноса в неупорядоченных объемных материалах. Однако моделирование наноразмерных устройств, приближающихся к баллистическому режиму, может быть неполным. Дополнительный подход, такой как формализм Ландауэра-Бюттикера [142,143,144,145], требуется для контактных эффектов и свойств неравновесного переноса.Квантовый эффект Холла незначителен, если магнитное поле будет меньше B <0,5 Тл [145]. Сверхпроводники, возможно, позволят создать более сильное магнитное поле с меньшим выделением тепла и сделать квантовый эффект Холла релевантным для работы усилителя Холла.
7.1.4. Изготовление и плавная интеграция
Изготовление наноразмерных структур и устройств является одной из основных проблем по нескольким причинам. Во-первых, существуют огромные различия между лабораторным процессом для исследовательских целей и промышленным производством для массового производства.Оборудование, стандарты, режим работы, ожидания, квалификация и части для испытаний несопоставимы. В то время как научные лаборатории и центры нанотехнологий обычно заинтересованы в подтверждении концепции новой структуры, уделяя основное внимание аспекту функциональности, высокотехнологичные отрасли с нетерпением ждут критериев качества и надежности (Q&R) своих изготовленных устройств. Во-вторых, пока недостаточно производственных предприятий с точностью и производительностью в нанометровом диапазоне.Если технологический процесс макромасштабных устройств на эффекте Холла, таких как автомобильные и робототехнические приложения, хорошо известен, такие технологические процессы для наномасштабного диапазона еще не существуют или еще недостаточно развиты. Переходя к нанесению тонких слоев для небольших устройств, в прошлом успешно использовалось некоторое стандартное оборудование. Около двух десятилетий назад Boero et al. уже сообщалось об использовании нескольких методов в зависимости от используемых элементов [146] для микроустройств. Например, молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) или металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) с помощью оптического, электронного и ионного пучков использовались для реализации гетероструктур GaAs и InSb.Химическое осаждение из паровой фазы сегодня часто используется [120, 137] для графена. Что касается наноразмерных устройств, то было показано, что сфокусированный ионный пучок (FIB) полезен для изготовления нанозондов из золота и GaAs, легированного кремнием, как сообщалось выше [133]. Индуцированный сфокусированным электронным пучком был использован для субмикронных устройств Холла [147], как сообщалось Boero et al.
7.2. Ожидаемые тенденции
Согласно недавнему исследованию MarketAndMarket [148], рынок датчиков тока на эффекте Холла огромен. Например, в период с 2016 по 2023 год ожидаемый рост составит от 831 доллара США.От 0 до 1473,7 миллиона, при среднегодовом темпе роста (CAGR) 8,4%. Некоторые параметры, помимо растущего спроса на такие устройства, могут послужить катализатором роста этого рынка в последующие годы.
Кроме того, рынок медицинских устройств и приложений на основе нанотехнологий также расширяется [149], который оценивается примерно в 5 миллиардов долларов в 2014 году и, как ожидается, достигнет примерно 8,5 миллиардов долларов к 2019 году при среднегодовых темпах роста (CAGR) около 11–12% в прогнозный период 2014–2019 гг.Как сообщается там, «рост стареющего населения, увеличение расходов на НИОКР и международное сотрудничество в области исследований в основном стимулируют этот рынок.