Système de mesure à effet Hall

Xiamen Dexing Magnet Tech. Co., Ltd.

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Qu'est-ce que le système de mesure à effet Hall ?

L'effet Hall est un phénomène qui produit une différence de tension (la tension Hall) à travers un conducteur électrique, transversale à un courant électrique dans le conducteur et à un champ magnétique appliqué perpendiculaire au courant.

Comprendre et appliquer l'effet Hall

L'effet Hall a été découvert par Edwin Hall en 1879, mais il a fallu de nombreuses années avant que les progrès technologiques ne permettent aux circuits intégrés d'exploiter pleinement ce phénomène. Aujourd'hui, les circuits intégrés de capteurs à effet Hall offrent un moyen pratique d'obtenir des mesures de courant précises qui maintiennent l'isolation électrique entre le trajet du courant mesuré et le circuit de mesure.

De Lorentz à Hall
L'effet Hall est une extension de la force de Lorentz, qui décrit la force exercée sur une particule chargée, comme un électron, se déplaçant dans un champ magnétique. Si le champ magnétique est orienté perpendiculairement à la direction du mouvement de l'électron, ce dernier subit une force perpendiculaire à la fois à la direction du mouvement et à l'orientation du champ magnétique.

Exploiter l'effet Hall
Les tensions générées par l'effet Hall sont faibles par rapport au bruit, aux décalages et aux effets de température qui influencent généralement un circuit. Par conséquent, les capteurs pratiques basés sur l'effet Hall n'étaient pas répandus jusqu'à ce que les progrès de la technologie des semi-conducteurs permettent des composants hautement intégrés qui intègrent un élément Hall et des circuits supplémentaires nécessaires pour amplifier et conditionner la tension Hall. Cependant, les capteurs à effet Hall sont limités dans leur capacité à mesurer de faibles courants. Par exemple, l'ACS712 d'Allegro MicroSystems a une sensibilité de 185 mV/A. Cela signifie qu'un courant de 10 mA produirait une tension de sortie de seulement 1,85 mV. Cette tension peut être acceptable si le circuit a un faible niveau de bruit, mais si une résistance de 2 Ω pouvait être incluse dans le trajet du courant, la tension de sortie de 20 mV résultante constituerait une amélioration majeure.

L'effet Hall est pertinent pour de nombreuses applications de capteurs. Les dispositifs basés sur cette relation relativement simple entre le courant, le champ magnétique et la tension peuvent être utilisés pour mesurer la position, la vitesse et l'intensité du champ magnétique. Dans cet article, nous nous concentrerons toutefois sur les dispositifs qui mesurent le courant via la tension Hall générée lorsqu'un champ magnétique induit par le courant mesuré est concentré vers un élément à effet Hall intégré.

Avantages et inconvénients
Les caractéristiques de performance varient d'un capteur de courant à effet Hall à l'autre, il est donc difficile de résumer précisément les avantages et les inconvénients de la détection à effet Hall par rapport à l'autre technique courante de détection de courant, à savoir l'insertion d'une résistance de précision dans le trajet du courant et la mesure de la chute de tension résultante avec un amplificateur différentiel. En général, cependant, les capteurs à effet Hall sont appréciés pour leur « non-intrusion » et pour fournir une isolation électrique entre le trajet du courant et le circuit de mesure. Ces dispositifs sont considérés comme non intrusifs car aucune quantité significative de résistance n'est insérée dans le trajet du courant, et ainsi le circuit mesuré se comporte presque comme si le capteur n'était pas présent. Un avantage supplémentaire est que la puissance dissipée par le capteur est minimale, ce qui est particulièrement important lors de la mesure de courants importants.

En ce qui concerne la précision, les capteurs à effet Hall actuellement disponibles peuvent atteindre une erreur de sortie aussi faible que 1 %. Un circuit de détection de courant résistif bien conçu pourrait dépasser ce seuil, mais 1 % serait généralement suffisant dans les applications à courant élevé/haute tension pour lesquelles les dispositifs à effet Hall sont particulièrement adaptés.

Isolement
L'un des principaux avantages des capteurs à effet Hall est l'isolation électrique, souvent appelée isolation galvanique dans le contexte de la conception de circuits ou de systèmes. Le principe d'isolation galvanique intervient chaque fois qu'une conception nécessite que deux circuits communiquent de manière à empêcher tout flux direct de courant électrique. Un exemple simple est celui d'un signal numérique qui passe par un opto-isolateur, qui convertit les impulsions de tension en impulsions lumineuses et transmet ainsi les données de manière optique plutôt qu'électrique. L'une des principales raisons de la mise en œuvre de l'isolation galvanique est d'éviter les problèmes liés aux boucles de masse :

Les principes de base de la conception des circuits supposent que les composants interconnectés partagent un nœud de terre commun, qui est supposé être à 0 V. Dans la réalité, cependant, le « nœud de terre » est composé de conducteurs ayant une résistance non nulle, et ces conducteurs servent de chemin de retour pour le courant circulant du circuit vers l'alimentation électrique. La loi d'Ohm nous rappelle que le courant et la résistance créent la tension, et ces chutes de tension dans le chemin de retour signifient que la « terre » dans une partie du circuit ou du système n'est pas au même potentiel que la « terre » dans une autre partie. Ces différences de potentiel de terre peuvent entraîner des problèmes allant de négligeables à catastrophiques.

En empêchant le flux de courant continu entre deux circuits, l'isolation galvanique permet aux circuits ayant des potentiels de terre différents de communiquer avec succès. Cela est particulièrement pertinent pour les applications de détection de courant : un capteur basse tension et un circuit de traitement peuvent avoir besoin de surveiller des courants importants et très variables dans, par exemple, un circuit de commande de moteur. Ces courants importants et à évolution rapide entraîneront des fluctuations de tension considérables dans le chemin de retour. Un capteur à effet Hall permet au système de surveiller le courant de commande et de protéger le circuit de capteur de haute précision contre ces fluctuations de terre préjudiciables.

Tension en mode commun
Une autre application importante des capteurs à effet Hall est la mesure de courant impliquant des tensions élevées. Dans un circuit de détection de courant résistif, un amplificateur différentiel mesure la différence de tension entre un côté d'une résistance et l'autre. Un problème se pose cependant lorsque ces tensions sont élevées par rapport au potentiel de terre :

Les amplificateurs réels ont une « plage de mode commun » limitée, ce qui signifie que l'appareil ne fonctionnera pas correctement lorsque les tensions d'entrée, bien que faibles les unes par rapport aux autres, sont trop élevées par rapport à la terre. Les plages de mode commun des amplificateurs de détection de courant ne s'étendent généralement pas au-delà de 80 ou 100 V. Les capteurs à effet Hall, en revanche, peuvent convertir le courant en tension sans référence au potentiel de terre du circuit mesuré. Par conséquent, tant que les tensions ne sont pas suffisamment élevées pour provoquer des dommages physiques, la tension en mode commun n'affecte pas le fonctionnement d'un dispositif à effet Hall.

Comment fonctionnent les capteurs à effet Hall ?

Lorsqu'un courant électrique traverse un matériau, les électrons contenus dans le courant se déplacent naturellement en ligne droite, l'électricité créant son propre champ magnétique lorsqu'elle se charge.

Si le matériau chargé électriquement est placé entre les pôles d'un aimant permanent, au lieu de se déplacer en ligne droite, les électrons vont plutôt dévier et suivre une trajectoire courbe lorsqu'ils se déplacent à travers le matériau. Cela se produit parce que leur propre champ magnétique réagit au champ contrasté de l'aimant permanent.

En raison de ce nouveau mouvement courbé, davantage d'électrons sont alors présents d'un côté du matériau chargé électriquement. De ce fait, une différence de potentiel (ou tension) apparaît alors à travers le matériau perpendiculairement au champ magnétique, provenant à la fois de l'aimant permanent et du flux de courant électrique.

Alors, comment fonctionne un capteur à effet Hall ?
Utilisant des semi-conducteurs (comme le silicium), les capteurs à effet Hall fonctionnent en mesurant la variation de tension lorsque l'appareil est placé dans un champ magnétique. En d'autres termes, une fois qu'un capteur à effet Hall détecte qu'il se trouve dans un champ magnétique, il est capable de détecter la position des objets.

Capteurs à effet Hall et aimants
Les aimants sont intrinsèques aux capteurs à effet Hall, qui sont activés par la présence d'un champ magnétique externe. L'appareil est alors capable de détecter si un objet se rapproche ou s'éloigne, simplement grâce aux différentes intensités du champ magnétique.

À titre d’exemple, si un capteur à effet Hall était placé dans un cadre de porte et un aimant sur la porte, le capteur serait capable de détecter quand la porte est ouverte ou fermée grâce à la présence du champ magnétique.

Tous les champs magnétiques ont deux caractéristiques importantes. Tout d'abord, ce que l'on appelle la « densité de flux », qui fait référence à la quantité de flux magnétique traversant une unité de surface, et ensuite, tous les aimants présentent deux polarités (les pôles Nord et Sud).

Le signal de sortie d'un capteur à effet Hall représente la densité d'un champ magnétique autour de l'appareil. Les capteurs à effet Hall ont un seuil prédéfini et, lorsque la densité du flux magnétique dépasse cette limite, l'appareil est capable de détecter le champ magnétique en générant une sortie appelée « tension Hall ».

Les capteurs à effet Hall sont tous dotés d'une fine couche de matériau semi-conducteur à l'intérieur, qui fait passer un courant électrique continu à travers elle-même pour générer un champ magnétique. Lorsque l'appareil est placé à proximité d'un aimant externe, le flux magnétique exerce une force sur le matériau semi-conducteur. Cette force provoque un mouvement d'électrons, créant une tension Hall mesurable et activant le capteur à effet Hall.

La tension de sortie du capteur à effet Hall est directement proportionnelle à l'intensité du champ magnétique traversant le matériau semi-conducteur. Souvent, cette tension de sortie est assez faible - égale à quelques microvolts seulement - avec de nombreux dispositifs à effet Hall comprenant des amplificateurs CC intégrés, ainsi que des circuits de commutation logique et des régulateurs de tension, qui sont là pour aider à améliorer la sensibilité (et donc l'efficacité) du dispositif.

Les mesures de l'effet Hall sont essentielles pour caractériser la mobilité élevée des porteurs

L'effet Hall peut être observé lorsque la combinaison d'un champ magnétique à travers un échantillon et d'un courant le long de la longueur de l'échantillon crée un courant électrique perpendiculaire au champ magnétique et au courant, qui à son tour crée une tension transversale perpendiculaire aux deux. Le principe sous-jacent est la force de Lorentz : la force exercée sur une charge ponctuelle par des champs électromagnétiques

Les mesures de l'effet Hall sont très utiles pour caractériser les matériaux semi-conducteurs, qu'ils soient à base de silicium, de semi-conducteurs composés, de matériaux à couches minces pour cellules solaires ou de matériaux à l'échelle nanométrique comme le graphène. Les mesures couvrent les matériaux semi-conducteurs à faible résistance (matériaux semi-conducteurs hautement dopés, supraconducteurs à haute température, semi-conducteurs magnétiques dilués et matériaux GMR/TMR) et à haute résistance, notamment le GaAs semi-isolant, le nitrure de gallium et le tellurure de cadmium.

Un système de mesure à effet Hall est utile pour déterminer divers paramètres de matériaux, mais le principal est la tension de Hall (VH). La mobilité des porteurs, la concentration des porteurs (n), le coefficient de Hall (RH), la résistivité, la magnétorésistance (RB) et le type de conductivité des porteurs (N ou P) sont tous dérivés de la tension de Hall.

Alors que les chercheurs développent des circuits intégrés de nouvelle génération et des matériaux semi-conducteurs plus efficaces, ils s'intéressent particulièrement aux matériaux à forte mobilité des porteurs, ce qui a suscité une grande partie de l'intérêt pour le graphène. Cette forme de carbone d'un atome d'épaisseur présente l'effet Hall quantique et, par conséquent, un flux de courant électronique relativiste. Les chercheurs considèrent que les mesures de l'effet Hall sont cruciales pour l'avenir de l'industrie électronique

Les matériaux à forte mobilité des porteurs permettent de créer des dispositifs qui obtiennent un flux de courant maximisé à des niveaux de puissance plus faibles avec des temps de commutation plus rapides et une bande passante plus élevée. Une manipulation de la loi d'Ohm montre l'importance de la mobilité des porteurs dans la maximisation du courant. Le courant est directement proportionnel à la mobilité des porteurs

Les options permettant de maximiser le flux de courant à travers un dispositif comprennent l'augmentation de la tension, de la concentration des porteurs de charge, de la section transversale de l'échantillon ou de la mobilité des porteurs de charge. Toutes ces options, à l'exception de la dernière, présentent de sérieux inconvénients.

Mesurer la mobilité
La première étape pour déterminer la mobilité des porteurs consiste à mesurer la tension de Hall (VH) en appliquant à la fois un champ magnétique perpendiculaire à l'échantillon (B) et un courant à travers l'échantillon (I). Cette combinaison crée un courant transversal. Le potentiel résultant (VH) est mesuré à travers l'appareil. Des mesures précises de l'épaisseur de l'échantillon (t) et de sa résistivité (r) sont également nécessaires. La résistivité peut être déterminée à l'aide d'une sonde à quatre points ou de la technique de mesure de van der Pauw. Avec seulement ces cinq paramètres (B, I, VH, t et résistivité), la mobilité de Hall peut être calculée :
Les tensions de Hall et la résistivité de van der Pauw mesurée sont généralement assez faibles, de sorte que les bonnes techniques de mesure et de moyenne sont essentielles pour obtenir des résultats de mobilité précis.

Pourquoi les aimants permanents sont-ils nécessaires dans les capteurs à effet Hall ?

Le capteur à effet Hall ou transducteur à effet Hall est un capteur intégré basé sur l'effet Hall et composé d'un élément Hall et de son circuit auxiliaire. Le capteur à effet Hall est largement utilisé dans la production industrielle, le transport et la vie quotidienne. À partir de la structure interne du capteur à effet Hall, ou dans le processus d'utilisation, vous constaterez que l'aimant permanent est une pièce de travail importante.

L'effet Hall est essentiellement la déviation des particules chargées en mouvement provoquée par la force de Lorentz dans un champ magnétique. Lorsque des particules chargées (électrons ou trous) sont confinées dans des matériaux solides, cette déviation conduit à l'accumulation de charges positives et négatives dans la direction perpendiculaire au courant et au champ magnétique, formant ainsi un champ électrique transversal supplémentaire.

Nous savons que lorsque les électrons se déplacent dans un champ magnétique, ils seront affectés par la force de Lorentz. Comme ci-dessus, regardons d'abord l'image de gauche. Lorsque l'électron se déplace vers le haut, le courant généré par celui-ci se déplace vers le bas. Eh bien, utilisons la règle de la main gauche, laissons la ligne de détection magnétique du champ magnétique B (tirée dans l'écran) pénétrer dans la paume de la main, c'est-à-dire que la paume de la main est vers l'extérieur, et pointons quatre doigts dans la direction du courant, c'est-à-dire quatre points vers le bas. Ensuite, la direction du pouce est la direction de la force de l'électron. Les électrons sont forcés vers la droite, de sorte que la charge dans la plaque mince s'inclinera d'un côté sous l'action du champ magnétique externe. Si l'électron s'incline vers la droite, une différence de potentiel se formera sur les côtés gauche et droit. Comme le montre la figure de droite, si le voltmètre est connecté aux côtés gauche et droit, la tension sera détectée. C'est le principe de base de l'induction de Hall. La tension détectée est appelée tension induite de Hall. Si le champ magnétique externe est supprimé, la tension Hall disparaît. Si l'on représente l'effet Hall par une image, cela ressemble à la figure suivante :

I : Direction actuelle,

B : Direction du champ magnétique externe,

V : Tension de Hall, et les petits points dans la boîte peuvent être considérés comme des électrons.

Le principe de fonctionnement du capteur à effet Hall montre que le capteur à effet Hall est un capteur actif, qui doit nécessiter une alimentation externe et un champ magnétique pour fonctionner. Compte tenu des exigences de petit volume, de poids léger, de faible consommation d'énergie et d'utilisation pratique dans l'application du capteur, un simple aimant permanent plutôt qu'un électroaimant complexe est utilisé pour alimenter le champ magnétique externe. De plus, parmi les quatre principaux types d'aimants permanents, les aimants en terres rares SmCo et NdFeB présentent des avantages tels que des propriétés magnétiques élevées et une stabilité de fonctionnement stable, ce qui peut permettre au transducteur ou au capteur à effet Hall haute performance d'atteindre la précision, la sensibilité et des mesures fiables. Par conséquent, NdFeB et SmCo sont davantage utilisés comme aimants de transducteur à effet Hall.

Notre usine

Dexing Magnet est situé dans la ville de Xiamen, en Chine, qui est une belle péninsule et un port maritime international, avec l'usine de Jiangsu, Zhejiang en Chine, a été fondée en 1985, l'ancienne identité est une usine militaire, recherchant et développant des pièces de communication, cette installation a ensuite été acquise par le groupe Dexing en 1995.

FAQ

Q : Qu'est-ce que le système de mesure à effet Hall ?

R : L'effet Hall est un phénomène qui produit une différence de tension (la tension Hall) à travers un conducteur électrique, transversale à un courant électrique dans le conducteur et à un champ magnétique appliqué perpendiculaire au courant.

Q : Qu'est-ce que la technique de mesure Hall ?

R : Une configuration de mesure de base de l'effet Hall comprendra probablement les composants et les options supplémentaires suivants : une source de courant constant dont l'amplitude dépend de la résistance de l'échantillon. Pour les échantillons de matériaux à faible résistivité, la source doit pouvoir produire un courant allant de quelques milliampères à quelques ampères.

Q : Quelle est la définition simple de l’effet Hall ?

R : L'effet Hall est la déviation des électrons (trous) dans un semi-conducteur de type n (type p) par un courant circulant perpendiculairement à un champ magnétique. La déviation de ces porteurs de charge crée une tension, appelée tension Hall, dont la polarité dépend de la charge effective du porteur.

Q : Que nous permet de déterminer l’effet Hall ?

A : Inversement, si le champ magnétique est connu, l'effet Hall peut être utilisé pour caractériser la vitesse de dérive des électrons et d'autres quantités microscopiques du matériau dont est constituée la sonde Hall. L'effet Hall permet de déterminer que ce sont des charges négatives qui circulent, et non des charges positives.

Q : Qu'est-ce que l'effet Hall pour les nuls ?

R : L'effet Hall est le mouvement des électrons à travers un conducteur vers une attraction magnétique. Il provoque une différence de tension mesurable à travers le conducteur de telle sorte qu'un côté est chargé positivement et l'autre négativement.

Q : Que mesure le courant à effet Hall ?

A : La détection de courant à effet Hall permet un contrôle en temps réel dans les systèmes d'onduleurs solaires avec des tensions de travail renforcées jusqu'à 1 100 V. Les capteurs de courant à effet Hall permettent des mesures de courant pour des rails jusqu'à 1 100 V, avec une isolation renforcée pour garantir la sécurité des autres composants électroniques du système.

Q : Comment l’effet Hall mesure-t-il la vitesse ?

R : Si un élément Hall est installé à proximité du plateau tournant, lorsque le plateau tournant tourne avec l'arbre, l'élément Hall est affecté par le champ magnétique généré par l'aimant, il génère donc un signal d'impulsion dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse, puis la vitesse peut être calculée en mesurant la période ou la fréquence d'impulsion.

Q : À quoi sert un capteur à effet Hall pour la mesure ?

A : Le capteur à effet Hall peut être utilisé pour mesurer le courant par le champ magnétique produit en raison du flux de courant.

Q : L’effet Hall est-il vrai pour les métaux et les semi-conducteurs ?

A : Cela stipule que si un échantillon (métal ou semi-conducteur) transportant un courant (I) est placé dans un champ magnétique transversal (B), un champ électrique est induit dans la direction perpendiculaire à I et B.

Q : Pourquoi l’effet Hall est-il si important ?

R : L'effet Hall peut également être utilisé pour mesurer la densité des porteurs de courant, leur liberté de mouvement ou mobilité, ainsi que pour détecter la présence d'un courant sur un champ magnétique.

Q : Quel est le principe de base de l’effet Hall ?

R : Le principe de l'effet Hall stipule que lorsqu'un conducteur parcouru par un courant ou un semi-conducteur est introduit dans un champ magnétique perpendiculaire, une tension peut être mesurée à angle droit par rapport au trajet du courant. Cet effet d'obtention d'une tension mesurable est connu sous le nom d'effet Hall.

Q : Quel est le but de l’effet Hall ?

R : L'effet Hall est fondamental pour la physique du solide et constitue un outil de diagnostic important pour la caractérisation des matériaux, en particulier des semi-conducteurs. Il permet de déterminer directement à la fois le signe des porteurs de charge, par exemple les électrons ou les trous (annexe A), et leur densité dans un échantillon donné.

Q : Qu'est-ce que l'effet Hall dans la mesure ?

R : L'effet Hall est donc très utile pour mesurer la densité des porteurs ou le champ magnétique. L'une des caractéristiques les plus importantes de l'effet Hall est qu'il permet de différencier les charges positives se déplaçant dans une direction et les charges négatives se déplaçant dans la direction opposée.

Q : À quoi sert l’effet Hall dans la vie réelle ?

R : Les applications des circuits intégrés à effet Hall incluent l'utilisation dans les systèmes d'allumage, les contrôles de vitesse, les systèmes de sécurité, les contrôles d'alignement, les micromètres, les interrupteurs de fin de course mécaniques, les ordinateurs, les imprimantes, les lecteurs de disque, les claviers, les machines-outils, les interrupteurs à clé et les interrupteurs à bouton-poussoir.

Q : Qu'est-ce qui ne peut pas être déterminé par l'effet Hall ?

R : L’effet Hall ne peut pas être utilisé pour déterminer le champ magnétique, qui n’agit pas perpendiculairement à la direction du champ électrique.

Q : Que peut-on trouver en utilisant l’effet Hall ?

R : L’effet Hall est donc utilisé pour mesurer la concentration de porteurs de charge des semi-conducteurs ou des isolants et la tension produite par le champ magnétique.

Q : Quelle est l’essence de l’effet Hall ?

R : Essentiellement, l’effet Hall concerne les porteurs de charge (le plus souvent, des électrons) se déplaçant dans une direction perpendiculaire à la fois à un courant électrique et à un champ magnétique.

Q : Quel est le changement détecté par un dispositif à effet Hall ?

R : Utilisant des semi-conducteurs (comme le silicium), les capteurs à effet Hall fonctionnent en mesurant la variation de tension lorsque l'appareil est placé dans un champ magnétique. En d'autres termes, une fois qu'un capteur à effet Hall détecte qu'il se trouve dans un champ magnétique, il est capable de détecter la position des objets.

Q : Quel est le but de la mesure Hall ?

R : Une mesure de l'effet Hall et de la résistivité fournit une multitude d'informations telles que la densité des porteurs, la mobilité des porteurs et le type de porteur. La densité des porteurs est le nombre de porteurs mobiles par volume dans le matériau et, pour les semi-conducteurs, elle est liée au dopage du semi-conducteur.

Q : Comment l’effet Hall mesure-t-il le courant ?

R : Ils sont constitués d'un capteur à effet Hall monté dans l'entrefer d'un noyau magnétique. La sortie du capteur à effet Hall est amplifiée et mesure le champ créé par le courant sans aucun contact avec celui-ci. Cela assure une isolation galvanique entre le circuit et le capteur.

En tant que l'un des principaux fabricants et fournisseurs de systèmes de mesure à effet Hall en Chine, nous vous invitons chaleureusement à acheter un système de mesure à effet Hall personnalisé dans notre usine. Tous les équipements sont de haute qualité et à prix compétitif.

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