Systém měření Hallova jevu
Xiamen Dexing Magnet Tech. Co., Ltd.
Dexing Magnet je velký podnik s vynikající kvalitou a dokonalými službami v mezinárodním průmyslu magnetometrů a strojního zařízení.
proč nás vybrat
Profesionální tým
Disponuje skupinou zkušených techniků a manažerů v magnetometrovém a magnetickém průmyslu.
Výborná kvalita
Zavedla pokročilé technologie z Japonska a Evropy, spolupracovala s tuzemskými univerzitami a vědecko-výzkumnými ústavy a dokáže vyrábět kompletní sady magnetoelektrických zařízení.
Dobrá služba
Nabízíme komplexní přizpůsobení řešení, přizpůsobené specifickým potřebám a požadavkům našich klientů.
Řešení na jednom místě
Poskytování technické podpory, odstraňování problémů a servisních služeb.
Co je systém měření Hallova efektu?
Hallův jev je jev, který vytváří rozdíl napětí (Halovo napětí) na elektrickém vodiči napříč k elektrickému proudu ve vodiči ak aplikovanému magnetickému poli kolmo k proudu.
Hallův jev objevil Edwin Hall v roce 1879, ale trvalo mnoho let, než technologický vývoj umožnil integrovaným obvodům plně využít tohoto jevu. Integrované obvody snímačů Hallova efektu dnes nabízejí pohodlný způsob, jak dosáhnout přesných měření proudu, která udržují elektrickou izolaci mezi měřenou proudovou cestou a měřicím obvodem.
Od Lorentze k Hallovi
Hallův jev je rozšířením Lorentzovy síly, která popisuje sílu vyvíjenou na nabitou částici – jako je elektron – pohybující se magnetickým polem. Je-li magnetické pole orientováno kolmo ke směru pohybu elektronu, působí elektron silou, která je kolmá jak na směr pohybu, tak na orientaci magnetického pole.
Využití Hallova efektu
Napětí generovaná Hallovým jevem jsou malá vzhledem k šumu, posunům a teplotním efektům, které typicky ovlivňují obvod, a proto praktické senzory založené na Hallově jevu nebyly rozšířeny, dokud pokrok v polovodičové technologii neumožnil vysoce integrované součástky, které obsahují Hallův prvek a další obvody potřebné k zesílení a úpravě Hallova napětí. Přesto jsou senzory s Hallovým efektem omezené ve své schopnosti měřit malé proudy. Například ACS712 od Allegro MicroSystems má citlivost 185 mV/A. To znamená, že proud 10 mA by vytvořil výstupní napětí pouze 1,85 mV. Toto napětí může být přijatelné, pokud má obvod nízkou úroveň šumu, ale pokud by bylo možné do proudové cesty zařadit rezistor 2 Ω, výsledné výstupní napětí 20 mV by bylo velkým zlepšením.
Hallův jev je relevantní pro různé aplikace senzorů; zařízení založená na tomto relativně jednoduchém vztahu mezi proudem, magnetickým polem a napětím lze použít k měření polohy, rychlosti a intenzity magnetického pole. V tomto článku se však zaměříme na zařízení, která měří proud přes Hallovo napětí generované, když je magnetické pole indukované měřeným proudem soustředěno směrem k integrovanému prvku Hallova jevu.
Výhody a nevýhody
Výkonové charakteristiky se liší od jednoho snímače proudu Hallova jevu k druhému, takže je obtížné přesně shrnout výhody a nevýhody snímání Hallova jevu ve vztahu k jiné běžné technice snímání proudu; totiž vložení přesného rezistoru do proudové cesty a měření výsledného úbytku napětí diferenciálním zesilovačem. Obecně jsou však snímače s Hallovým efektem ceněny pro to, že jsou "nedotěrné" a poskytují elektrickou izolaci mezi proudovou cestou a měřicím obvodem. Tato zařízení jsou považována za nerušivá, protože do proudové cesty není vložen žádný významný odpor, a proto se měřený obvod chová téměř tak, jako by snímač nebyl přítomen. Další výhodou je, že snímačem je rozptylován minimální výkon; to je zvláště důležité při měření velkých proudů.
Pokud jde o přesnost, v současnosti dostupné snímače s Hallovým jevem mohou dosáhnout výstupní chyby pouhých 1 %. Dobře navržený odporový obvod se snímáním proudu by to mohl překonat, ale 1 % by obecně bylo dostačující pro aplikace s vysokým proudem/vysokým napětím, pro které jsou zvláště vhodná zařízení s Hallovým efektem.
Izolace
Jednou z dominantních výhod Hallových senzorů je elektrická izolace, která se v kontextu návrhu obvodu nebo systému často nazývá galvanická izolace. Princip galvanického oddělení se používá vždy, když návrh vyžaduje, aby dva obvody komunikovaly způsobem, který zabraňuje jakémukoli přímému toku elektrického proudu. Jednoduchým příkladem je, když digitální signál prochází optoizolátorem, který převádí napěťové impulsy na světelné impulsy a přenáší tak data spíše opticky než elektricky. Jedním z hlavních důvodů pro implementaci galvanické izolace je zabránění problémům souvisejícím se zemními smyčkami:
Základní principy návrhu obvodu předpokládají, že propojené součástky sdílejí společný uzemňovací uzel, o kterém se předpokládá, že má hodnotu 0 V. V reálném životě se však „zemní uzel“ skládá z vodičů s nenulovým odporem a tyto vodiče slouží jako zpětná cesta pro proud tekoucí z obvodu zpět do napájecího zdroje. Ohmův zákon nám připomíná, že proud a odpor vytvářejí napětí a tyto poklesy napětí ve zpětné cestě znamenají, že "zem" v jedné části obvodu nebo systému není na stejném potenciálu jako "zem" v jiné části. Tyto rozdíly v zemním potenciálu mohou vést k problémům od zanedbatelných až po katastrofické.
Zabráněním toku stejnosměrného proudu mezi dvěma obvody umožňuje galvanické oddělení obvodům s různými zemními potenciály úspěšnou komunikaci. To je zvláště důležité pro aplikace se snímáním proudu: nízkonapěťový senzor a procesní obvod může potřebovat monitorovat velké, vysoce proměnlivé proudy, například v obvodu pohonu motoru. Tyto velké, rychle se měnící proudy povedou ke značnému kolísání napětí ve zpětné cestě. Senzor Hallova efektu umožňuje systému jak monitorovat proud měniče, tak chránit obvod vysoce přesného senzoru před těmito škodlivými zemními výkyvy.
Napětí v běžném režimu
Další důležitou aplikací pro snímače s Hallovým jevem je měření proudu zahrnující vysoké napětí. V odporovém obvodu se snímáním proudu měří diferenciální zesilovač rozdíl napětí mezi jednou stranou rezistoru a druhou. Problém však nastává, když jsou tato napětí velká vzhledem k potenciálu země:
Skutečné zesilovače mají omezený „rozsah běžného režimu“, což znamená, že zařízení nebude správně fungovat, když vstupní napětí, i když jsou vůči sobě malá, jsou příliš velká vzhledem k zemi. Běžné rozsahy zesilovačů se snímáním proudu obvykle nepřesahují 80 nebo 100 V. Senzory s Hallovým efektem na druhé straně mohou převádět proud na napětí bez odkazu na zemní potenciál měřeného obvodu. V důsledku toho, pokud napětí nejsou dostatečně velká, aby způsobila fyzické poškození, neovlivňuje napětí v běžném režimu činnost zařízení s Hallovým efektem.
Když elektrický proud protéká jakýmkoliv materiálem, elektrony v proudu se přirozeně pohybují přímočaře, přičemž elektřina při nabíjení vytváří své vlastní magnetické pole.
Pokud je elektricky nabitý materiál umístěn mezi póly permanentního magnetu, místo toho, aby se pohyboval v přímce, elektrony se místo toho odchýlí do zakřivené dráhy, když se pohybují materiálem. To se děje proto, že jejich vlastní magnetické pole reaguje na kontrastní pole permanentního magnetu.
V důsledku tohoto nového zakřiveného pohybu je pak na jedné straně elektricky nabitého materiálu přítomno více elektronů. Díky tomu se potom napříč materiálem objeví potenciální rozdíl (nebo napětí) v pravém úhlu k magnetickému poli, jak z permanentního magnetu, tak z toku elektrického proudu.
Jak tedy funguje Hallův senzor?
Pomocí polovodičů (jako je křemík) pracují senzory s Hallovým efektem tak, že měří měnící se napětí, když je zařízení umístěno v magnetickém poli. Jinými slovy, jakmile senzor Hallova efektu zjistí, že se nyní nachází v magnetickém poli, je schopen snímat polohu objektů.
Hallovy senzory a magnety
Magnety jsou vlastní senzorům Hallova jevu, které jsou aktivovány přítomností vnějšího magnetického pole. Zařízení je pak schopno vnímat, jak se objekt pohybuje buď blíže, nebo dále, právě prostřednictvím různých sil magnetického pole.
Například, pokud by byl senzor Hallova efektu umístěn v rámu dveří a magnet na dveřích, senzor by byl schopen detekovat, kdy jsou dveře otevřené nebo zavřené prostřednictvím přítomnosti magnetického pole.
Všechna magnetická pole mají dvě důležité vlastnosti. Za prvé, to, co se nazývá „hustota toku“, což se týká množství magnetického toku procházejícího jednotkovou plochou, a za druhé, všechny magnety mají dvě polarity (severní a jižní pól).
Výstupní signál, který vychází z Hallova senzoru, představuje hustotu magnetického pole kolem zařízení. Senzory s Hallovým efektem mají přednastavený práh, a když hustota magnetického toku překročí tento limit, zařízení je schopno detekovat magnetické pole generováním výstupu nazývaného „Hallovo napětí“.
Všechny senzory s Hallovým efektem mají uvnitř tenký kus polovodičového materiálu, který přes sebe prochází nepřetržitý elektrický proud a vytváří magnetické pole. Když je zařízení umístěno v blízkosti vnějšího magnetu, magnetický tok působí silou na polovodičový materiál. Tato síla způsobuje pohyb elektronů, vytváří měřitelné Hallovo napětí a aktivuje Hallův senzor.
Výstupní Hallovo napětí z Hallova snímače je přímo úměrné síle magnetického pole procházejícího polovodičovým materiálem. Toto výstupní napětí je často poměrně malé - rovná se pouze několika mikrovoltům - u mnoha zařízení s Hallovým efektem včetně vestavěných stejnosměrných zesilovačů spolu s logickými spínacími obvody a regulátory napětí, které pomáhají zlepšit citlivost (a tedy účinnost) zařízení.
Hallův jev lze pozorovat, když kombinace magnetického pole procházejícího vzorkem a proudu po délce vzorku vytváří elektrický proud kolmý k magnetickému poli i proudu, což zase vytváří příčné napětí kolmé k oběma. Základním principem je Lorentzova síla: síla působící na bodový náboj v důsledku elektromagnetických polí
Měření Hallova jevu jsou neocenitelná pro charakterizaci polovodičových materiálů, ať už se jedná o křemíkové, složené polovodiče, tenkovrstvé materiály pro solární články nebo materiály v nanoměřítku, jako je grafen. Měření pokrývají nízké odpory (vysoce dopované polovodičové materiály, vysokoteplotní supravodiče, zředěné magnetické polovodiče a materiály GMR/TMR) a vysoce odolné polovodičové materiály, včetně poloizolačních GaAs, nitridu galia a teluridu kadmia.
Systém měření Hallova jevu je užitečný pro stanovení různých materiálových parametrů, ale primární je Hallovo napětí (VH). Pohyblivost nosiče, koncentrace nosiče (n), Hallův koeficient (RH), měrný odpor, magnetorezistence (RB) a typ vodivosti nosiče (N nebo P) jsou všechny odvozeny od Hallova napětí.
Jak výzkumníci vyvíjejí IC nové generace a účinnější polovodičové materiály, zajímají se zejména o materiály s vysokou mobilitou nosičů, což vyvolalo velký zájem o grafen. Tato forma uhlíku o tloušťce jednoho atomu vykazuje kvantový Hallův jev a v důsledku toho relativistický tok proudu elektronů. Výzkumníci považují měření Hallova jevu za zásadní pro budoucnost elektronického průmyslu
Materiály s vysokou mobilitou nosiče umožňují vytvářet zařízení, která dosahují maximálního toku proudu při nižších úrovních výkonu s rychlejšími časy přepínání a větší šířkou pásma. Manipulace s Ohmovým zákonem ukazuje důležitost mobility nosiče při maximalizaci proudu. Proud je přímo úměrný mobilitě nosiče
Možnosti, jak maximalizovat tok proudu zařízením, zahrnují zvýšení napětí, koncentraci nosiče náboje, plochu průřezu vzorku nebo pohyblivost nosičů náboje. Všechny kromě posledního z nich mají vážné nevýhody.
Měření mobility
Prvním krokem při určování mobility nosiče je měření Hallova napětí (VH) vynucením jak magnetického pole kolmého ke vzorku (B), tak proudu procházejícího vzorkem (I). Tato kombinace vytváří příčný proud. Výsledný potenciál (VH) se měří napříč zařízením. Požadována jsou také přesná měření tloušťky vzorku (t) a jeho měrného odporu (r). Rezistivita může být stanovena buď čtyřbodovou sondou nebo van der Pauwovou měřicí technikou. Pouze s těmito pěti parametry (B, I, VH, t a měrný odpor) lze Hallovu pohyblivost vypočítat:
Hallova napětí i naměřený van der Pauwův odpor jsou obvykle poměrně malé, takže pro přesné výsledky mobility jsou rozhodující správné techniky měření a průměrování.
Hallův snímač nebo snímač Hallova jevu je integrovaný snímač založený na Hallově jevu a složený z Hallova prvku a jeho pomocného obvodu. Hallův senzor je široce používán v průmyslové výrobě, dopravě a každodenním životě. Z vnitřní struktury Hallova senzoru nebo v procesu použití zjistíte, že permanentní magnet je důležitou pracovní částí.
Hallův jev je v podstatě odchylka pohybujících se nabitých částic způsobená Lorentzovou silou v magnetickém poli. Když jsou nabité částice (elektrony nebo díry) uzavřeny v pevných materiálech, vede tato výchylka k akumulaci kladných a záporných nábojů ve směru kolmém k proudu a magnetickému poli, čímž se vytváří další příčné elektrické pole.
Víme, že když se elektrony pohybují v magnetickém poli, budou ovlivněny Lorentzovou silou. Jako výše, podívejme se nejprve na obrázek vlevo. Když se elektron pohybuje nahoru, proud jím generovaný se pohybuje dolů. Použijme pravidlo levé ruky, nechejte magnetickou snímací linii magnetického pole B (vystřelená do obrazovky) proniknout do dlaně ruky, to znamená, že dlaň je směrem ven, a nasměrujte čtyři prsty na aktuální směr, tedy čtyři body dolů. Pak je směr palce směr síly elektronu. Elektrony jsou nuceny doprava, takže náboj v tenké desce se působením vnějšího magnetického pole nakloní na jednu stranu. Pokud se elektron nakloní doprava, vytvoří se potenciálový rozdíl na levé a pravé straně. Jak je znázorněno na obrázku vpravo, pokud je voltmetr připojen k levé a pravé straně, bude detekováno napětí. To je základní princip halové indukce. Zjištěné napětí se nazývá Hallovo indukované napětí. Pokud je vnější magnetické pole odstraněno, Hallovo napětí zmizí. Pokud je reprezentován obrázkem, Hallův efekt je jako na následujícím obrázku:
I: aktuální směr,
B: Směr vnějšího magnetického pole,
V: Hallovo napětí a malé tečky v krabici lze považovat za elektrony.
Z principu práce Hallova senzoru lze zjistit, že Hallův senzor je aktivní senzor, který ke své činnosti musí vyžadovat externí napájení a magnetické pole. Vzhledem k požadavkům na malý objem, nízkou hmotnost, nízkou spotřebu energie a pohodlné použití při aplikaci senzoru je pro napájení vnějšího magnetického pole použit spíše jednoduchý permanentní magnet než složitý elektromagnet. Navíc v hlavních čtyřech typech permanentních magnetů mají magnety vzácných zemin SmCo a NdFeB výhody, jako jsou vysoké magnetické vlastnosti a stabilní pracovní stabilita, což umožňuje vysoce výkonným snímačům nebo snímačům Hallova efektu dosáhnout přesnosti, citlivosti a spolehlivých měření. Proto se NdFeB a SmCo používají spíše jako magnety s Hallovým jevem.
Naše továrna
Dexing Magnet se nachází ve městě Xiamen, Čína, což je krásný poloostrov a mezinárodní námořní přístav, s továrnou v Jiangsu, Zhejiang Čína, byla založena v roce 1985, bývalá identita je jedna vojenská továrna, která zkoumá a vyvíjí komunikační části, toto zařízení později získala skupina Dexing v roce 1995.
FAQ
Jako jeden z předních výrobců a dodavatelů systémů měření halových efektů v Číně vás srdečně vítáme, abyste si z naší továrny koupili přizpůsobený systém měření halových efektů. Všechna zařízení mají vysokou kvalitu a konkurenceschopnou cenu.