سنسورهای اثرهال

Hall Effect Sensors

---

مقدمه یک عنصر هال از لایه نازکی ماده هادی با اتصالات خروجی عمود بر مسیر شارش جریان ساخته شده است وقتی این عنصر تحت یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، ولتاژ خروجی متناسب با قدرت میدان مغناطیسی تولید می کند. این ولتاژ بسیار کوچک و در حدود میکرو ولت است. بنابراین استفاده از مدارات بهسازی ضروری است. اگر چه سنسور اثرهال، سنسور میدان مغناطیسی است ولی می تواند به عنوان جزء اصلی در بسیاری از انواع حسگرهای جریان، دما، فشار و موقعیت و … استفاده شود. در سنسورها، سنسور اثر هال میدانی را که کمیت فیزیکی تولید می کند و یا تغییر می دهد حس می کند. ویژگیهای عمومی ویژگیهای عمومی سنسورهای اثرهال به قرار زیر می باشند: 1 - حالت جامد ؛ 2 - عمر طولانی ؛ 3 - عمل با سرعت بالا-پاسخ فرکانسی بالای 100KHZ ؛ 4 - عمل با ورودی ثابت (Zero Speed Sensor) ؛ 5 - اجزای غیر متحرک ؛ 6-ورودی و خروجی سازگار با سطح منطقیLogic  Compatible  input and output ؛ 7 - بازه  دمایی گسترده  (-40°C ~ +150°C) ؛ 8 - عملکرد تکرار پذیرعالی Highly  Repeatable  Operation ؛ 9 - یک عیب بزرگ این است که در این سیستمها پوشش مغناطیسی مناسب باید در نظرگرفته شود، چون وجود میدان های مغناطیسی دیگر باعث می شود تا خطای زیادی در سیستم اتفاق افتد. تاریخچه اثرهال توسط دکتر ادوین هال (Edvin   Hall) درسال 1879 در حالی کشف شد که او دانشجوی دکترای دانشگاه Johns  Hopkins در بالتیمر(Baltimore) انگلیس بود. هال درحال تحقیق بر تئوری جریان الکترون کلوین بود که دریافت زمانی که میدان یک آهنربا عمود بر سطح مستطیل نازکی از جنس طلا قرار گیرد که جریانی از آن عبور می کند، اختلاف پتانسیل الکتریکی در لبه های مخالف آن پدید می آید. او دریافت که این ولتاژ متناسب با جریان عبوری از مدار و چگالی شار مغناطیسی عمود بر مدار است. اگر چه آزمایش هال موفقیت آمیز و صحیح بود ولی تا حدود 70 سال پیش از کشف آن کاربردی خارج از قلمرو فیزیک تئوری برای آن بدست نیامد. با ورود مواد نیمه هادی در دهه 1950 اثرهال اولین کاربرد عملی خود را بدست آورد. درسال 1965 Joe  Maupin ,Everett Vorthman برای تولید یک سنسور حالت جامد کاربردی وکم هزینه از میان ایده های متفاوت اثرهال را انتخاب نمودند. علت این انتخاب جا دادن تمام این سنسور بر روی یک تراشه سیلیکن با هزینه کم و ابعاد کوچک بوده است این کشف مهم ورود اثر هال به دنیای عملی و پروکاربرد خود درجهان بود. تئوری اثرهال             اگر یک ماده هادی یا نیمه هادی که حامل جریان الکتریکی است در یک میدان مغناطیسی به شدت B که عمود برجهت جریان عبوری به مقدار I می باشد قرار گیرد، ولتاژی به مقدار V در عرض هادی تولید می شود. این خاصیت در مواد نیمه هادی دارای مقدار بیشتری نسبت به مواد دیگر است و از این خاصیت در قطعات اثرهال تجارتی استفاده میشود. ولتاژها به این علت پدید می آید که میدان مغناطیسی باعث می شود تا نیروی لرنتز برجریان عمل کند و توزیع آنرا برهم بزند[F=q(V´B)]. نهایتا حاملهای جریان مسیر منحنی را مطابق شکل بپیمایند.   حاملهای جریان اضافی روی یک لبه قطعه ظاهر می شوند، ضمن اینکه در لبه مخالف کمبود حامل اتفاق می افتد. این  عدم تعادل بار باعث ایجاد ولتاژ هال می شود، که تا زمانی که میدان مغناطیسی حضور داشته و جریان برقرار است باقی می ماند. برای یک قطعه نیمه هادی یا هادی مستطیل شکل با ضخامت t ولتاژهایV توسط رابطه زیر بدست می آید: KH ضریب هال برای ماده مورد نظر است که بستگی به موبیلیته بار و مقاومت هادی دارد. آنتیمونید ایریدیم ترکیبی است که در ساخت عنصر اثرهال استفاده می شود  و مقدار KH برای آن 20  است. ولتاژهال در رنج  در سیلیکن بوجود می آید و تقویت کننده برای آن حتمی است. سیلیکن اثر پیز و مقاومتی دارد و بنابراین براثر فشار مقاومت آن تغییر می کند. در یک سنسور اثر هال باید این خصوصیت را به حداقل رساند تا دقت و صحت اندازه گیری افزوده شود. این عمل با قرار دادن عنصر هال بریک IC برای به حداقل رساندن اثر فشار و با استفاده از چند عنصر هال انجام میشود. بطوری که بر هر یک از دو بازوی مجاور مدار پل یک عنصر هال قرار گیرد، در یکی جریان بر میدان مغاطیسی عمود است و ولتاژ هال ایجاد می شود و در دیگری جریان موازی با میدان مغناطیسی می باشد و ولتاژ هال ایجاد نمی‌شود. استفاده از 4 عنصر هال نیز مرسوم می باشد. اساس سنسورهای اثرهال عنصرهال، سنسور میدان مغناطیسی است. باتوجه به ویژگیهای ولتاژ خروجی این سنسور نیاز مندیک طبقه تقویت کننده و نیز جبران ساز حرارتی است. چنانچه از منبع تغذیه با ریپل فراوان استفاده کنیم وجود یک رگولاتور ولتاژ حتمی است. رگولاتور ولتاژ باعث می شود تا جریان I ثابت باشد بنابراین ولتاژ هال تنها تابعی از شدت میدان مغناطیسی می باشد. اگر میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد ولتاژی تولید نمی شود. با وجود این اگر ولتاژ هر ترمینال اندازه گیری شود مقداری غیر ا ز صفر به ما خواهد داد. این ولتاژ  که برای تمام ترمینال ها یکسان است با (CMV) Common Mode Voltage شناخته می‌شود. بنابراین تقویت کننده بکار گرفته شده می بایست یک تقویت کننده تفاضلی باشد تا تنها اختلاف پتانسیل را تقویت کند. مطالبی اضافه در مورد مدارات بهسازی سنسورهای اثر هال    Applying Linear Output Hall Effect Transducers 715k    Current Sink and Outsource Interface for Solid State Sensors 367k    Interfacing Digital Hall Effect Sensors 114k    Interfacing the SS9 LOHET with Comparators and OP Amps 387k سنسورهای هال دیجیتال             در این سنسورها وقتی بزرگی میدان مغناطیسی به اندازه مطلوبی رسید سنسور ON می شود و پس از اینکه بزرگی میدان از حد معینی کاهش یافت سنسور خاموش می شود. لذا در این سنسورها خروجی تقویت کننده تفاضلی را به مدار اشمیت تریگر می دهند تا این عمل را انجام دهد، برای جلوگیری از پرش های متوالی از تابع هسترزیس زیر استفاده می کنند.  سنسورهای آنالوگ             سنسورهای آنالوگ ولتاژ خروجی خود را متناسب با اندازه میدان مغناطیسی عمود بر سطح خود، تنظیم می کنند. با توجه به کمیت های اندازه گیری این ولتاژ می تواند مثبت یا منفی باشد. برای اینکه سنسورهای ولتاژ خروجی منفی تولید نکند و همواره خروجی تقویت کننده تفاضلی را با یک ولتاژ مثبت را پاس می کنند. در شکل بالا توجه داریم که یک نقطه صفر وجود دارد که در آن ولتاژی تولید نمی شود . از ویژگیهای اثرهال نداشتن حالت اشباع است و نواحی اشباع در شکل مربوط به آپ امپ در سنسور اثر هال می باشد . معمولا خروجی تقویت کننده تفاضلی را به ترانزیستور پوش-پول می د هند. سنسور آنالوگ اثر هال سیستم های مغناطیسی سنسور اثر هال درحقیقت بدین  ترتیب عمل میکند که توسط یک سیستم مغناطیسی کمیت فیزیکی به میدان مغناطیسی تبدیل می شود. حال این میدان مغناطیسی توسط سنسور اثر هال حس می شود. بسیاری از کمیت های فیزیکی با حرکت یک آهنربا اندازه گیری می شوند. مثلاً  دما و فشار را می توان بوسیله انقباض و انبساط یک Bellows که به آهنربا  متصل است اندازه گیری نمود.  روش های مختلفی جهت ایجاد میدان مغناطیسی وجود دارد. ]        Unipolar head-on  mode در این حالت آهنربا نسبت به نقطه مرجع سنسور حرکت می کند.  همانطور که در شکل بالا دیده می شود منحنی تغییرات فاصله ومیدان مغناطیسی در این شکل آمده است (منحنی بدست آمده غیر خطی است) و دقت درحد متوسط است. مثلاً اگر یک سنسور اثرهال دیجیتالی را در نظر بگیریم در این حالت در فاصله أی که G1 حاصل می شود سوئیچ عمل می کند و On میشود و وقتی که فاصله به حدی رسید که G1 حاصل شود سوئیچ OFF میکند.  ]        Unipolar   slide-by  mode در این حالت آهنربا در یک مسیر افقی نسبت به سنسور تغییر مکان می کند.  منحنی تغییرات مکان نسبت به میدان مغناطیسی بازهم غیر خطی است- دقت این روش کم است و لی حالت تقارنی کاملاً دیده می شود. مثلاً سنسور اثرهال دیجیتالی را در نظر بگیرید که در اثر میدان G1 روشن شده و در میدان G2 خاموش می شود وقتی آهنربا از سمت راست حرکت می کند و به موقعیت +D1 می رسد آنگاه سنسور عمل میکند. این حرکت ادامه می تواند داشته باشد تا به موقعیت –D2 برسد، در این هنگام سنسور آزاد می شود و به همین ترتیب. ]        Bipolar  Slide –By  made در این حالت از 2 آهنربا که قطب S,N هر کدام بصورت ناهمنام در مجاورت هم قرار گرفته است استفاده می کنیم. دقت در این روش درحد متوسط است- حالت تقارن وجود ندارد ولی می توان در بخش هایی، از خاصیت خطی منحنی استفاده نمود. اگر همان سنسور دیجیتالی قبلی را در نظر بگیریم در حرکت از راست به چپ وقتی که فاصله به D2 می رسد آنگاه سنسور عمل می کند و تا به مرحله D4 پیش می رود. بنابراین در یک حرکت پیوسته از راست به چپ سنسور در بخش شیب تند عمل می کند و در بخش شیب کند رها میکند. جهت حذف شیب تند در بخش مبدأ از یک تکنیک دیگر استفاده می شود. بدین ترتیب که در میان ایندو آهنربا فاصله معینی قرار می دهند.  این عمل بطور چشمگیری دقت را افزایش می دهد. حالت دیگری نیز به کار می‌رود که در آن منحنی حاصل بصورت یک تابع پالس است. در این روش در میان دو آهنربا، آهنربای دیگری قرار می دهند که پهنای پالس متناسب با پهنای این آهنربا می باشد.  ]        Bipolar  Slide –By  mode (ring  magnet) در این حالت از یک آهنربای حلقه استفاده می شود آهنربای حلقه ای یک قطعه آهنربای دیسک مانند است که قطب های آن در پیرامون آن قرار دارند. در شکل زیر آهنربای حلقه ای با دو جفت قطب نمایش داده می شود. به منحنی حاصل شیبه به یک منحنی سینوسی است.  هرچه تعداد قطبهای آهنربای حلقه ای بیشتر باشد مقدار پیک حاصل در اندازه میدان کمتر خواهد بود. تعداد پالس های حاصل در این روش برابر با جفت قطبهای آهنربا می باشد. محدودیت در ساخت آهنربای حلقه ای با جفت قطبهای زیاد،  محدودیت این روش محسوب می شود. مقایسه ای از این سیستمها در زیر آمده است : منظور از All حرکتهای چرخشی، پیوسته و رفت و برگشتی است. هم اکنون به تشریح برخی از کاربرد های سنسورهای اثرهال می پردازیم . سنسورهای موقعیت تشخیص پره ( Vane Operated Position Sensor) این سنسورها گاهاً تحت عنوان سنسورهای پره شناخته می شوند و شامل یک آهنربا و یک سنسور اثرهال با خروجی دیجیتالی می باشند. شکل زیر این دو بخش را در یک بسته نشان میدهد. این سنسور دارای یک فاصله هوایی میان آهنربا و سنسور اثرهال می باشد و توانایی موقعیت سنجی خطی و نیز موقعیت سنجی زاوایه ای را نیز دارد. پره خطی پره یکنواخت پره دایروی اساس عملکرد شکل مقابل را در نظر بگیرید. وقتی که پره در فاصله هوایی بین اهنربا وسنسور اثرهال قرار گیرد خطوط شار مغناطیسی پراکنده می شوند و توسط سنسوراثر هال احساس نمی شوند، بنابراین خروجی سنسور در سطح منطقی صفر (OFF) قرار می گیرد. شکل بالا نشان میدهد که وقتی که یک پره میان این سنسور می رود چه اتفاقی می افتد. درحرکت از چپ به راست وقتی لبه جلوی پره به ناحیه b می رسد، آنگاه سنسور از حالت ON به حالت OFF تغییر وضعیت می دهد و این حالت تا زمانی که لبه انتهایی پره به ناحیه d برسد ادامه پیدا می کند تا در آن لحظه از OFF به ON تغییر وضعیت دهد. بنابراین مدت زمانی که خروجی سنسور OFF است برابر با فاصله بین d ,b بعلاوه پهنای پره می باشد. درحرکت از راست به چپ نیز وضعیت کاملاً مشابه است. در اکثر مواقع پره ها بصورت به هم پیوسته می باشند. این حالت در شکل زیر در نظر گرفته شده است. توجه کنید که این دو حالت هیچ تفاوتی باهم ندارند. رابطه بین مدت زمان OFF ,ON برای حالت پره دندانه ای به پیوسته در جدول زیر خلاصه شده است.   نمونه هایی از این سنسور ها در زیر آمده است . 2AV series 4AV series SR 17 / 16 series Sequence Sensors شکل زیر را در نظر داشته باشید. تعدادی دیسک آهنی بر روی یک شفت قرار گرفته اند. این دیسکها از فاصله هوایی سنسورهای پره (Vane Sensor) عبور می کنند. شکل هر کدام از این دیسکها بگونه ای است که یک مجموعه از آنها منجر به تولید کدهای خاصی می شود. سنسور پره در اثر حضور دیسک در فاصله هوایی خروجی را صفر و در اثر عدم حضور آن خروجی را یک می گویند. به این ترتیب کد حاصل از این روش موقعیت یا وضعیت شفت را نشان می دهد. به جای استفاده از دیسک ها و سنسورهای پره می توان از آهنربای حلقه ای متصل به شفت و سنسورهای اثرهال دو قطبی (bipolar) استفاده نمود. سنسورهای مجاورتی     Proximity  Sensor در دو طرح زیر  4 سنسور اثرهال با خروجی دیجیتالی که بر یک صفحه آلومینیومی قرار گرفته اند نشان داده شده است .در شکل اول سنسورها تک قطبی و در شکل دوم سنسورها دو قطبی هستند. تک قطبی دوقطبی سنسور ماشین های اداری دستگاههای فتوکپی، فاکس، پرینترهای کامپیوتر از این سنسورها می توانند استفاده کنند. برای مثال پرینتر، جهت دریافت وجود کاغذ و نیز جریان کاغذ ازسوئیچ های اثرهال استفاده می کنند. ویژگی : بدون تماس - بدون اعمال نیروی اضافی - عمر طولانی سنسور موقعیت چندگانه (Multiple position sensor) شکل مقابل سنسور اثرهال را در کنار 3 مقایسه کننده ولتاژ نشان می دهد این سنسور چندگانه دارای 3 خروجی دیجیتالی است. سنسور ضد لغزشی Anti-Skid sensor شکل زیر راه حلی را برای کنترل نیروی ترمز یک چرخ نشان میدهد. هدف این است بدون اینکه چرخ به اصطلاح قفل شود اتومبیل درحداقل زمان ممکن متوقف شود. در این سیستم سنسور بگونه ای قرار گرفته است که یک چرخ دنده داخلی را حس می کند. زمان عکس العمل سیستم توقف بر مبنای فرکانس سیگنالی که سنسور تولید می کند تخمین زده می شود. سنسور موقعیت پیستون (Piston detection sensors) در شکل مقابل روشی جهت موقعیت سنجی پیستون در یک سیلندر غیر آهنی داده شده است. درحالت نخست آهنربا هایی را در درون پیستون به گونه ای قرار می دهند تا توسط چند سنسور اثرهال با خروجی خطی دریافت شوند. در حالت دوم از یک پیستون آهنی و آهنربا و سنسور اثرهال استفاده می شود. در این حالت نیاز است تا مشخصات سیستم مغناطیسی بطور مطلوبی در دسترس باشد. برقراری های استفاده از اثرهال در این موقعیت سنجی به شرح زیر می باشد: 1- ابعاد کوچک سنسورها 2 - عدم نیاز به منبع قدرت خارجی برای آهنرباها 3 - رنج دمایی بزرگ از 40°c تا 150°c 4 - توانایی عمل در محیط کثیف و آلوده برخی از  نمونه ها در این بخش برخی از سنسورهای شرکت Honeywell به همراه اطلاعات کلی آنها آمده است.    SS552MT Series Surface Mount Sensor 230k    SS49E/SS59ET Series Economical Linear Position Sensor 260k    RPN Series Hall-Effect Rotary Position Sensor 112k    GTN Series Hall-Effect Gear-Tooth Sensor 103k    SS 520 Series Dual Hall-effect Digital Position Sensor with speed and direction outputs 72k    SR 13/15 Series Hall Effect Sensor 247k    SS490 Series Miniature Ratiometric Linear Hall Effect Sensor 148k    103SR Series Analog Position Sensors 154k    103SR Series Digital Position Sensors 131k    2SSP Series Digital Position Sensors 124k    Analog Solid State Position Sensors 62k    Digital Solid State Position Sensors 73k    GT1 Series Hall Effect Gear Tooth Sensors 213k    SR3 Series Digital Position Sensors 126k    SS10 Series Digital Position Sensors 117k    SS40 Series Digital Position Sensors 97k    SS100 Series Digital Position Sensors 209k    SS400 Series Digital Position Sensors 238k    SS49/SS19 Series Analog Position Sensors 140k    SS94A Series Analog Position Sensors 126k    SS94B1 Series Analog Position Sensors 139k    SS490 Series Miniature Ratiometric Linear Sensors 551k    VX Series Solid State Basic Switches 222k مراجع یکی از شرکت هایی که در تولید سنسور های اثرهال فعالیت می کند شرکت Honeywell است . در سایت این شرکت اطلاعات کاملی در مورد این نوع سنسورها و نیز انواع آنها وجود دارد. دراین سایت کتابی نیز در مورد سنسورهای اثرهال وجود دارد که در این لوح فشرده نیز موجود می باشد . 1-www.honeywell.comsensing 2-Book : HALL EFFECT SENSING AND APPLICATION 3.http://mariottim.interfree.it/index_e.htm 4.www.wondrmagnet.com