Гальваномагнитные эффекты

Эффект Холла, определяется прежде всего с помощью полупроводниковых пластин. Если через такую пластинку, по которой проходит ток, вертикально пропустить магнитную индукцию В, то носители заряда будут отклоняться от прямого пути за счет силы Лоренца вертикально по отношению к полю и к току I на угол ф. Таким образом перпендикулярно направлению тока между двумя крайними противоположными точками пластинки пропорциональное напряжение UH будет сниматься напряжение, пропорциональное полю В и току I (эффект Холла):

UH = RH*I*B/d
mit RH = коэффициент Холла,
d = толщина пластинки

Гальваномагнитные эффекты

Рис. Гальваномагнитные эффекты:

  • а Схема
  • b Процесс создания напряжения Холла UH
  • с Рост сопротивления пластинки R (эффект Гауса)
  • В Магнитная индукция
  • I Ток пластинки
  • IН Ток Холла
  • Iv Питающий ток
  • UR Продольное напряжение
  • а Отклонение электронов за счет магнитного поля

Одновременно продольное сопротивление пластинки увеличивается независимо от направления поля по параболе (эффект Гаусса, магниторезистор).

Коэффициент RH , являющийся определяющим для измерительной чувствительности пластинки, при использовании кремния сравнительно мал. Поскольку толщину пластинки d можно уменьшить с помощью диффузионной технологии, напряжение Холла опять достигнет величины, технически пригодной для использования. Применяя кремний в качестве основного материала, одновременно на пластинку можно интегрировать переключатель для подготовки сигнала, благодаря чему производство таких датчиков может стать очень выгодным.

В отношении измерительной чувствительности и температурного режима кремний является далеко не самым подходящим полупроводниковым материалом для производства датчиков Холла. Лучшими характеристиками обладают, например, полупроводники III-V, такие как арсенид галлия или антимонид индия.

Переключатель Холла

В самом простом случае напряжение Холла подается на пороговую электронику, интегрированную в датчик (Schmitt-Trigger), которая производит цифровой выходной сигнал. Если магнитная индукция В существующая на датчике, находится ниже определенного нижнего порогового параметра, то выходное значение соответствует, например, логическому «О» («release»-состояние); если оно выше определенного верхнего порогового параметра, то выходной сигнал соответствует логической «1» («operate»-состояние). Поскольку такой процесс гарантирован для всего диапазона рабочей температуры и для всех экземпляров одного типа, оба пороговых значения относительно далеки друг от друга. Поэтому для включения переключателя Холла требуется значительный индукционный ход АВ.

Заграждения Холла

Рис. Заграждения Холла:

  1. Заглушка шириной b
  2. Магнитомягкие проводники
  3. Холл-IC
  4. Воздушный зазор
  5. а Беспрепятственный Магнитный поток
  6. b короткозамкнутый Магнитный поток
  7. U0 Питающее напряжение
  8. Us Напряжение датчика

Такие датчики, производимые еще по биполярной технологии, использовались, например, в заграждениях Холла, которые были встроены в корпус распределителя зажигания, приводящегося в движение распределительным валом. Это заграждение Холла кроме датчика имеет еще постоянные магниты и магнитомягкие проводники. Магнитный контур имеет U-образную или вилкообразную форму, так что благодаря открытому концу можно использовать замыкатель из мягкомагнитного материала, который попеременно экранирует или разблокирует магниты, благодаря чему датчик Холла выполняет переключения между состояниями operate и release. Следующий способ применения — в цифровом датчике угла поворота рулевого колеса LWS1.

Датчики Холла такого типа достаточно недорогие, однако хороши только для переключающего режима работы и слишком неточны для анализа аналоговых величин.

Датчики Холла, работающие по принципу «Spinning Current»

Датчик Холла, работающий по принципу «Spinning-Current»

Рис. Датчик Холла, работающий по принципу «Spinning-Current»:

  1. Полупроводниковая пластинка
  2. Активный Электрод
  3. Пассивный Электрод
  4. а Фаза поворота ф1
  5. b Фаза поворота ф2 = ф1 + 45°
  6. I Ток питания
  7. UH Напряжение Холла

Недостатком в простом кремниевом датчике Холла является одновременная чувствительность к механическим напряжениям (пьезоэффект), которые неизбежны при сборке и приводят к нежелательным температурным смещениям характеристик. Используя принцип «Spinning Current», в сочетании с переходом к технологии CMOS, этот недостаток удалось преодолеть. Хотя пьезоэффект и появляется, он компенсируется временным усреднением сигнала, поскольку появляется при быстрой, регулируемой электронным способом смене электродов (ротации) с различными знаками. Если есть необходимость в экономии трудозатрат на изготовление сложной электроники для переключения электродов, можно интегрировать несколько датчиков Холла (два, четыре или восемь) с соответственно разными направлениями тока, расположив их близко друг к другу, а их сигналы суммировать в контексте сообщения. Принцип Hall-ICs очень хорошо подходит для использования в аналоговых датчиках. Температурные воздействия, оказывающие частично отрицательное влияние на измерительную чувствительность не уменьшаются за счет этого.

Такие интегрированные Hall-ICs подходят преимущественно для измерения малых отрезков, в ходе которого они считывают изменяющиеся показания напряженности поля аппроксимирующего постоянного магнита (например, датчик усилия iBolt, он считывает показания веса пассажира на переднем сидении для оптимального срабатывания подушки безопасности). Подобные хорошие результаты до сих пор были получены только благодаря использованию отдельных элементов Холла, например, сочетания соединений III-V с гибридным последовательно включенным усилителем (например, датчики ускорения Холла).

Дифференциальные датчики Холла

Дифференциальный датчик Холла

Рис. Дифференциальный датчик Холла:

  1. Зубчатый венец
  2. Дифференциальный IС Холла
  3. Гомогенизирующая пластина (мягкое железо)
  4. Постоянный магнит
  5. а Конструкция
  6. b Движение поля (1,5-кратное инкрементное расстояние)
  7. с Движение сигнала для ширина воздушного зазора L

В двойном датчике Холла (дифференциальный датчик Холла) на определенном расстоянии на чипе расположены две полноценные системы Холла. Электроника определяет разницу обоих напряжений Холла. Эти датчики обладают преимуществом, которое состоит в том, что их выходной сигнал не зависит от абсолютного значения магнитной напряженности поля, и они определяют только пространственные изменения магнитной индукции как: дифференциальный датчик, т.е. градиенты поля (поэтому они также часто называются градиентными зондами).

Такие датчики в большинстве случаев используются для измерения числа оборотов, поскольку полярность их выходного сигнала не зависит от воздушного зазора между ротором и датчиком. Если для сканирования зубчатого колеса используется только один простой датчик Холла, он не может распознать, изменяется ли магнитный поток за счет продолжения вращения зубчатого колеса или за счет изменения расстояния (например, вибраций, монтажных допусков). Это приводит к серьезным ошибкам сканирования, поскольку сигнал должен подводиться к детектору порогового значения. У дифференциальных датчиков принцип работы другой. Они оценивают только разницу сигналов двух расположенных на нужном расстоянии друг от друга датчиков Холла. Если разница сигналов, например, положительная, расстояние между зубчатым колесом и датчиком можно изменять как угодно; разница будет оставаться положительной, если, даже в сумме она станет меньше. Знак может измениться только в случае продолжения вращения ротора. Последовательно подключенный детектор порогового значения также не имеет проблем с определением изменения расстояния и вращением.

Для достижения максимального выходного сигнала выбирают расстояние между двумя — зачастую установленных по краям (продольно) чипа — датчиков Холла, составляющее около половины инкрементного расстояния (расстояние между зубьями). Этот максимум сигнала очень широкий, т.е. он покрывает широкий диапазон вибрации инкрементного расстояния.

Большие отклонения от инкрементного расстояния требуют более сложного изменения конструкции датчика. В качестве градиентного зонда датчик нельзя устанавливать в произвольном положении, он должен максимально точно устанавливаться в направлении вращения инкрементного ротора.

Угловые датчики Холла в диапазоне до 180°

Аналоговый угловой датчик Холла

Рис. Аналоговый угловой датчик Холла (мобильный магнит). Линейная графическая характеристика угла до 180°:

  1. Обратное замыкание железа (мягкая сталь)
  2. Статор (мягкая сталь)
  3. Ротор (перманентный магнит)
  4. Воздушный зазор
  5. Датчик Холла
  6. а Положение а
  7. b Положение b
  8. с Выходной сигнал
  9. Ф Угол поворота

С помощью вращающегося магнитного кольца («Movable Magnet»), а также нескольких стационарных магнитомягких проводников можно получить прямой линейный выходной сигнал для углов большего диапазона. При этом двухфазное поле магнитного кольца проводится через датчик Холла, расположенный между полукруглыми проводниками с прямой проводимостью. Эффективный магнитный поток, проходящий через датчик Холла, зависит от угла поворота ф.

Этот принцип применяется в датчиках педали газа.

Производную форму основного принципа «подвижного магнита» представляет собой угловой датчик Холла типа ARS1 с измерительным диапазоном 90°. Магнитный поток постоянно намагниченного диска полукруглой формы отводится к магниту через полюсный башмак, два проводника с прямой проводимостью и ферромагнитную ось. При этом в зависимости от положения угла поток проводится в большей или меньшей степени через оба проводника с прямой проводимостью, в магнитном пути которых также находится датчик Холла.

Угловой датчик Холла ASR 1

Рис. Угловой датчик Холла ASR 1  (мобильный магнит). Линейная графическая характеристика для угла до 90°:

  1. Роторный диск (постоянно магнитный)
  2. полюсный башмак
  3. Проводник с прямой проводимостью
  4. Воздушный зазор
  5. Датчик Холла
  6. Ось (магнитомягкий)
  7. а Конструкция
  8. b Графическая характеристика в рабочем диапазоне А

Таким образом магнитный диапазон позволяет достичь линейной характеристики. При упрощенном расположении в модели типа ARS2 отсутствуют магнитомягкие проводники. Здесь магнит движется по дуге окружности вокруг датчика Холла. Образующийся при этом синусоидальный ход графической характеристики только на относительно коротком отрезке имеет хорошую линейность. Если датчик Холла расположен немного за пределами середины круга, характеристика значительно отклоняется от синусоидальной формы.

Угловой датчик Холла ASR2

Рис. Угловой датчик Холла ASR2 (мобильный магнит). Линейный график для угла более 180°:

  1. IС Холла, расположен в центре круговой направляющей
  2. IС Холла, смещен от центра (линеаризация)
  3. Магнит
  4. а Принцип
  5. b Графическая характеристика

Она демонстрирует только короткий измерительный диапазон 90° и длинный отрезок с хорошей линейностью чуть более 180°. Недостатком является незначительное экранирование от посторонних полей, остающаяся зависимость от геометрических допусков магнитного контура и колебания интенсивности магнитного потока в постоянных магнитах в зависимости от температуры и старения.

Угловые датчики в диапазоне до 360°

Аналоговый датчик Холла для угла 360°

Рис. Аналоговый датчик Холла для угла 360°:

  1. Сигнальная электроника
  2. Распределительный вал
  3. Управляющий магнит
  4. а Конструкция дискретного IС Холла
  5. b Конструкция из планарного интегрированного IС Холла
  6. В Индукция
  7. I Ток
  8. U Spannung
  9. UA Напряжение
  10. Ф Выходное напряжение

Аналоговый угловой датчик с диапазоном измерений до 360° означает, что постоянный магнит вращается, как изображено, над ортогональным расположением двух датчиков Холла. Чтобы не слишком зависеть от допуска положения магнита, магнит должен быть достаточно большим. При этом оба датчика Холла должны быть расположены максимально близко друг к другу в части того же направления постоянного магнитного поля рассеяния, которое отображает положение угла ф постоянного магнита. Они направлены под прямым углом относительно друг друга и параллельно оси вращения постоянного магнита, таким образом считывают показания компонентов х- и у- вектора напряженности поля В, вращающегося над ними:

UH1 = Ux = B*sinф
UH2 = Uy = B*cosф

На основании этих двух сигналов можно рассчитать угол ф по тригонометрическому соотношению ф = arctg (UH1/UH2) в чипе для обработки данных, который можно приобрести в продаже и с помощью которого оцифровывается сигнал.

Такое расположение датчика Холла позволяет осуществлять интеграцию с вертикальными устройствами Холла (Vertical Hall Devices) в таком виде, как изображено на рисунке, так, чтобы площадь сенсорного чипа располагалась вертикально по отношению к оси вращения, а датчик, в отличие от обычного, планарного датчика Холла, обладал чувствительностью в плоскости вращения. Монолитная интеграция гарантирует высокую точность необходимого расположения под прямым углом, а также желаемую компактную конструкцию обеих систем Холла. Компания «Sentron» («Melexis»), Швейцария работает над созданием таких датчиков и в будущем представит их на рынке. Угловые датчики такого типа рассматривались, например, для реализации пусковых систем мгновенного старта, в которых абсолютного положение вращения распределительного вала должно измеряться в диапазоне 360°.

Вертикальное устройство Холла в поперечном разрезе

Рис. Вертикальное устройство Холла в поперечном разрезе: Потоки I, направленные внутрь чипа, отклоняются за счет сил Лоренца по причине магнитной индукции В, направленной параллельно поверхности чипа, таким образом, что между поверхностными электродами А и А’ снимается напряжение Холла UH

В принципе, существует еще один способ, с помощью которого обычному планарному датчику Холла (дополнительно) можно придать чувствительность в плоскости вращения. При методе, используемом компанией Melexis-Sentron (например, тип 2SA-10) для измерения компонентов поля, появляющиеся в плоскости вращения Вх и Ву на одинаковом чипе вместе с четырьмя датчиками Холла, смещенными по отношению друг к другу на 90°, располагаются на узкой окружности. При этом каждый датчик состоит по указанным выше причинам из пары элементов Холла, повернутых на 90°. После завершения изготовления чипа на его поверхность устанавливается круглый диск из магнитомягкого материала с диаметром ок. 200 мкм, как: показано на рисунке таким образом, чтобы датчики Холла четко попали под край диска.

Комплект 4x2 планарных датчиков Холла с IMC

Рис. Комплект 4×2 планарных датчиков Холла с IMC: IMC — интегрированный магнитный концентратор. Элементы Холла расположены на чипе попарно под углом 90° друг к другу прямо под краем маленькой ферромагнитной шайбы. Благодаря их присутствию магнитная индукция B2 параллельная поверхности чипа преобразуется в магнитную индукцию В1, перпендикулярную его поверхности, для того, чтобы быть распознанной датчиками Холла

На основании их высокой относительной магнитной проницательности этот диск действует как: концентратор потока (IMC, встроенный магнитный концентратор) и вынуждает все линии поля вертикально входить в его поверхность. За счет этого линии поля, проходящие горизонтально без концентратора потока (в плоскости вращения) в месте расположения датчиков Холла., вынужденно направляются в вертикальном направлении (вне плоскости вращения) и поэтому могут модулировать элементы Холла. Поскольку элементы, расположенные диагонально друг к другу, «видят» противоположные направления поля, то для. считывания одного компонента поля будет определяться разница обеих противоположных одинаковых напряжений Холла. Одновременно за счет этого существующие вертикальные компоненты Bz взаимно устраняют свой эффект.

За счет дополнительного анализа суммарных сигналов элементов, расположенных по диагонали друг к другу, можно определить также параметры вертикальных компонентов поля Bz; поскольку на них ферромагнитный диск не оказывает воздействия, и элементы из-за их расположения не утрачивают свою обычную чувствительность вне плоскости вращения. Таким образом, благодаря такому расположению индукционный вектор В, действующий в месте расположения датчика, считывается во всех трех компонентах. Электронные переключающие средства, необходимые для анализа сигнала, вкмочая цифровой сигнальный процессор, который используется для расчета функции арктангенса, базирующийся на базе микроконтроллера (DSP), и средства, необходимые для конечной корректировки датчика (EEPROM), могут быть интегрированы вместе с датчиком на тот же чип без особых затрат.

Для измерения углов до 360° достаточно, чтобы над чипом датчика с интегрированным анализатором сигнала вращался постоянный магнит, преимущественно круглой формы, намагниченный параллельно чипу. Поскольку угол поворота образуется с помощью функции арктангенса из соотношения обоих возникающих синусоидальных и косинусоидальных сигналов датчика, интенсивность магнитного поля, а стало быть, и старение магнита, его температурная зависимость и расстояние до поверхности датчика не играют никакой роли. Датчик определяет только положение вращения своего возбуждения.

Измерение угла больше 360° с помощью четверного датчика Холла

Рис. Измерение угла больше 360° с помощью четверного датчика Холла: Измерение угла в конце вала вращения с помощью четверного датчика Холла фирмы Melexis, в состав которого входит интегрированный концентратор потока (IMC) для переключения поля.

  • а Измерительное устройство
  • b Первичные выходные сигналы

Максимальная собственная погрешность датчика указана производителем в диапазоне 360° в размере + 2°. Ее можно уменьшить при калибровке датчика пользователем. В этом случае точность цифрового выхода составит 10 бит при разрешающей способности 12 бит. На основании времени обработки сигнала процессором кратчайшая частота дискретизации для частоты такта 20 МГц составляет 200 мкс. Выход сигнала, модулированный частотой пульсации, можно использовать при максимум 1 кГц. Для инициализации датчику требуется 15 мс. Стандартный параметр силы электромагнитного поля составляет ок. 40 mТ. При плотности потока выше 0,7 Т пластинка концентратора переходит в состояние насыщения.

Датчик преимущественно можно программировать также для любого диапазона измерений < 360°, при этом создается дополнительная эксплуатационная надежность за счет контроля выхода за пределы диапазона (использование, например, в качестве углового датчика в режиме работы педали газа FPM2.3).

Углы до 360° можно определять также с помощью самых простых устройств IС Холла (переключателей Холла), которые также используются для измерения числа оборотов (применение в датчиках угла поворота рулевого колеса типа LWS1). Для этого датчики Холла n располагаются однолинейно и равномерно на окружности для считывания n бит.

Цифровой угловой датчик Холла с n переключателями Холла

Рис. Цифровой угловой датчик Холла с n переключателями Холла. Измерение угла до 360° при равноудаленном расположении простых переключателей Холла по окружности:

  1. Корпус с постоянными магнитами
  2. Кодовый диск
  3. Проводниковая пластина с переключателями Холла

Магнитомягкий кодовый диск блокирует поле отдельных расположенных над ним постоянных магнитов или разблокирует его так, чтобы датчики Холла в случае продолжение вращения диска последовательно выдавали различные кодовые слова (серийный код). Во избежание серьезных ошибок в показаниях в моменты перехода целенаправленно используется код Грея. Код Грея разработан таким образом, что кодовые слова для двух соседних позиций — в отличие от двоичного кода — различаются только на 1 бит, чтобы возможный ошибочный показатель при переходе от одной позиции к следующей не превышал шаг угла.

Для создания датчика угла поворота рулевого колеса кодовый диск, например, соединяется с валом рулевого управления, а оставшаяся часть датчика с шасси. Сложность этого датчика состоит в том, что магнитомягкий кодовый диск должен монтироваться на подшипниках в плавающем состоянии, что приводит к выполнению сложного и объемного крепления с помощью гибких пластиковых манжет. Кодовый диск из соображений допусков по воздушному зазору между верхним и нижним дисками должен проходить впритирку. Соответствующее оптоэлектронное решение с использованием фотоячеек не является полностью удовлетворительным, поскольку в связи с чувствительностью элементов датчика к загрязнению нет возможности обеспечить их качественную защиту.

Многократное число оборотов можно считывать с помощью дополнительного простого 3-битного устройства, кодовый диск которого движется над понижающим редуктором. Разрешающая способность таких устройств зачастую не выше 2,5°.

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.