Система вимірювання ефекту Холла

Ефект Холла був відкритий Едвіном Холлом у 1879 році, але минуло багато років, перш ніж технологічний розвиток дозволив інтегральним схемам повністю використати це явище. Сьогодні мікросхеми датчика Холла пропонують зручний спосіб досягнення точних вимірювань струму, які зберігають електричну ізоляцію між вимірюваним шляхом вимірювання струму та ланцюгом вимірювання.

Від Лоренца до Холла
Ефект Холла є розширенням сили Лоренца, яка описує силу, що діє на заряджену частинку, таку як електрон, що рухається через магнітне поле. Якщо магнітне поле орієнтоване перпендикулярно до напрямку руху електрона, на електрон діє сила, перпендикулярна як напрямку руху, так і орієнтації магнітного поля.

Використання ефекту Холла
Напруги, створювані за допомогою ефекту Холла, є малими порівняно з шумом, зміщенням і температурними ефектами, які зазвичай впливають на схему, і тому практичні датчики, засновані на ефекті Холла, не були широко поширені, доки прогрес у напівпровідникових технологіях не дозволив високоінтегрованим компонентам, які включають Елемент Холла та додаткова схема, необхідні для посилення та кондиціювання напруги Холла. Однак датчики на ефекті Холла обмежені у своїй здатності вимірювати малі струми. Наприклад, ACS712 від Allegro MicroSystems має чутливість 185 мВ/А. Це означає, що струм 10 мА створить вихідну напругу лише 1,85 мВ. Ця напруга може бути прийнятною, якщо схема має низький рівень шуму, але якщо резистор 2 Ом можна включити в шлях струму, результуюча вихідна напруга 20 мВ буде значним покращенням.

Ефект Холла актуальний для різноманітних застосувань датчиків; пристрої, засновані на цьому відносно простому зв’язку між струмом, магнітним полем і напругою, можна використовувати для вимірювання положення, швидкості та напруженості магнітного поля. Однак у цій статті ми зосередимося на пристроях, які вимірюють струм за допомогою напруги Холла, що генерується, коли магнітне поле, індуковане виміряним струмом, концентрується на вбудованому елементі ефекту Холла.

Плюси і мінуси
Експлуатаційні характеристики відрізняються від одного датчика струму на ефекті Холла до іншого, тому важко точно узагальнити переваги та недоліки вимірювання ефекту Холла порівняно з іншими поширеними методами визначення струму; а саме, вставлення прецизійного резистора в шлях струму та вимірювання результуючого падіння напруги за допомогою диференціального підсилювача. Однак загалом датчики на ефекті Холла цінуються за те, що вони «неінтрузивні» та забезпечують електричну ізоляцію між струмовим шляхом і ланцюгом вимірювання. Ці пристрої вважаються ненав’язливими, оскільки в шлях струму не вставляється значний опір, і, таким чином, вимірювана схема поводиться майже так, ніби датчик відсутній. Додатковою перевагою є те, що датчик розсіює мінімальну потужність; це особливо важливо при вимірюванні великих струмів.

Щодо точності, наявні на даний момент датчики Холла можуть досягати вихідної похибки всього лише 1%. Добре розроблена резистивна схема вимірювання струму може перевершити це, але 1% зазвичай буде достатнім у застосуваннях із високим струмом/високою напругою, для яких особливо підходять пристрої на ефекті Холла.

Ізоляція
Однією з головних переваг датчиків на ефекті Холла є електрична ізоляція, яку в контексті проектування схеми або системи часто називають гальванічною ізоляцією. Принцип гальванічної розв’язки використовується щоразу, коли проект вимагає, щоб два кола з’єднувалися таким чином, щоб унеможливити будь-який прямий потік електричного струму. Простим прикладом є те, що цифровий сигнал пропускається через оптоізолятор, який перетворює імпульси напруги в імпульси світла і таким чином передає дані оптично, а не електрично. Однією з основних причин впровадження гальванічної розв’язки є запобігання проблемам, пов’язаним із контурами заземлення:

Основні принципи проектування схеми припускають, що взаємопов’язані компоненти мають спільний вузол заземлення, який, як припускається, знаходиться на рівні 0 В. Однак у реальному житті «вузол заземлення» складається з провідників із ненульовим опором, і ці провідники служать як зворотний шлях для струму, що тече від схеми назад до джерела живлення. Закон Ома нагадує нам, що струм і опір створюють напругу, і ці падіння напруги на зворотному шляху означають, що «земля» в одній частині ланцюга чи системи не має такого самого потенціалу, як «земля» в іншій частині. Ці відмінності в потенціалі землі можуть призвести до проблем від незначних до катастрофічних.

Запобігаючи проходженню постійного струму між двома ланцюгами, гальванічна ізоляція дозволяє успішно спілкуватися між ланцюгами з різними потенціалами землі. Це особливо актуально для додатків вимірювання струму: датчику низької напруги та схемі обробки може знадобитися відстежувати великі, дуже змінні струми, наприклад, у ланцюзі приводу двигуна. Ці великі струми, що швидко змінюються, призведуть до значних коливань напруги на зворотному шляху. Датчик Холла дозволяє системі як відстежувати струм приводу, так і захищати схему високоточного датчика від цих шкідливих коливань землі.

Синфазна напруга
Іншим важливим застосуванням датчиків Холла є вимірювання струму з високою напругою. У резистивній схемі вимірювання струму диференціальний підсилювач вимірює різницю напруги між однією стороною резистора та іншою. Однак виникає проблема, коли ці напруги великі відносно потенціалу землі:

Реальні підсилювачі мають обмежений «синфазний діапазон», тобто пристрій не працюватиме належним чином, якщо вхідна напруга, хоч і мала відносно одна одної, занадто велика щодо землі. Діапазон синфазних струмочутливих підсилювачів зазвичай не перевищує 80 або 100 В. Датчики на ефекті Холла, з іншого боку, можуть перетворювати струм у напругу без урахування потенціалу землі вимірюваного кола. Отже, поки напруги недостатньо великі, щоб спричинити фізичне пошкодження, синфазна напруга не впливає на роботу пристрою з ефектом Холла.

Ефект Холла можна спостерігати, коли комбінація магнітного поля, що проходить через зразок, і струму вздовж зразка створює електричний струм, перпендикулярний як магнітному полю, так і струму, який, у свою чергу, створює поперечну напругу, перпендикулярну до обох. Основним принципом є сила Лоренца: сила, що діє на точковий заряд через електромагнітні поля

Вимірювання ефекту Холла є безцінним для характеристики напівпровідникових матеріалів, незалежно від того, чи є вони на основі кремнію, складні напівпровідники, тонкоплівкові матеріали для сонячних елементів або нанорозмірні матеріали, такі як графен. Вимірювання охоплюють напівпровідникові матеріали з низьким опором (високолеговані напівпровідникові матеріали, високотемпературні надпровідники, розбавлені магнітні напівпровідники та матеріали GMR/TMR) і напівпровідникові матеріали з високим опором, включаючи напівізоляційний GaAs, нітрид галію та телурид кадмію.

Система вимірювання ефекту Холла корисна для визначення різних параметрів матеріалу, але основним є напруга Холла (VH). Рухливість носіїв, концентрація носіїв (n), коефіцієнт Холла (RH), питомий опір, магнітоопір (RB) і тип провідності носія (N або P) – усе це похідне від напруги Холла.

Оскільки дослідники розробляють мікросхеми наступного покоління та більш ефективні напівпровідникові матеріали, їх особливо цікавлять матеріали з високою рухливістю носіїв, що й викликало великий інтерес до графену. Ця форма вуглецю товщиною в один атом демонструє квантовий ефект Холла і, як наслідок, потік релятивістського електрона. Дослідники вважають вимірювання ефекту Холла вирішальними для майбутнього електронної промисловості

Матеріали з високою мобільністю носіїв дозволяють створювати пристрої, які забезпечують максимальний потік струму при менших рівнях потужності з швидшим часом перемикання та більшою пропускною здатністю. Маніпуляція законом Ома показує важливість рухливості носіїв для максимізації струму. Струм прямо пропорційний рухливості носія

Варіанти максимізації потоку струму через пристрій включають збільшення напруги, концентрації носіїв заряду, площі поперечного перерізу зразка або рухливості носіїв заряду. Усі, крім останнього, мають серйозні недоліки.

Вимірювання мобільності
Першим кроком у визначенні рухливості носіїв є вимірювання напруги Холла (VH) шляхом примусового натискання як магнітного поля, перпендикулярного зразку (B), так і струму через зразок (I). Ця комбінація створює поперечний струм. Результуючий потенціал (VH) вимірюється на всьому пристрої. Також необхідні точні вимірювання як товщини зразка (t), так і його питомого опору (r). Питомий опір можна визначити або за допомогою чотириточкового зонда, або за методом Ван-дер-Пау. Лише за цими п’ятьма параметрами (B, I, VH, t і питомий опір) можна розрахувати рухливість Холла:
І напруга Холла, і виміряний питомий опір Ван-дер-Пау зазвичай досить малі, тому правильні методи вимірювання та усереднення є критичними для точних результатів мобільності.