Hall-Sensor
Ein Hall-Sensor [-] (auch Hall-Sonde oder Hall-Geber, nach Edwin Hall) nutzt den Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern.
Funktionsweise
Wird ein einfacher Hall-Sensor von einem Strom durchflossen und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum Produkt aus magnetischer Flussdichte und Strom ist (Hall-Effekt). Das Signal ist außerdem auch temperaturabhängig und kann einen Offset haben.
Ein Hall-Sensor liefert auch dann ein Signal, wenn das Magnetfeld, in dem er sich befindet, konstant ist. Dies ist der entscheidende Vorteil im Vergleich zu einem Sensor, der aus Magnet und Spule besteht. Sobald bei dieser Paarung Magnet und Spule zueinander nicht bewegt werden, ist die in der Spule induzierte Spannung null und der Magnet wird nicht erkannt. Ein weiterer wichtiger Vorteil von Hallsensoren ist, dass zu ihrer Realisierung keine magnetisch aktiven Materialien (wie z.B. Nickel oder Eisen) benötigt werden. Damit wird das zu messende Magnetfeld nicht schon dadurch verändert, dass man den Sensor hinein bringt. Magnetoresistive Sensoren oder Fluxgate-Magnetometer besitzen diese Eigenschaft nicht. Lediglich der Betriebsstrom des Hallelements erzeugt ein kleines zusätzliches Magnetfeld das dem zu messenden Magnetfeld additiv überlagert wird. Es entstehen dadurch aber keinerlei Hysterese oder Sättigungseffekte wie sie bei magnetisch aktiven Materialien unvermeidbar sind.
Typen (Klassifizierung nach der Art des Ausgangssignals)
In analogen Hallsensoren wird noch häufig der Strom geregelt, um die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Hallsensors zu reduzieren. In modernen Sensoren wird das Hallelement mittlerweile mit konstanter Spannung betrieben, um die maximal mögliche Empfindlichkeit zu erreichen und die Empfindlichkeitskorrektur erfolgt mittels digitaler Korrekturrechnung. Der Offset der Hallsensoren wird praktisch ausnahmslos durch eine spezielle Betriebsart des Sensorelementes, dem sogenannten Spinning-Current-Betrieb, reduziert. Nichtlinearitäten werden durch Korrekturfunktionen kompensiert, die man in Form von Wertetabellen im Sensor einprogrammieren kann. Die Qualität dieser Kompensation (sowie die Möglichkeit der Kalibrierung des Gesamtsystems) entscheidet über die Eignung und Qualität des Hallsensors als Messgerät für den magnetischen Fluss.
In digitalen Hallsensoren wird das Signal eines analogen Hallsensors über einen Komparator in ein digitales Signal verwandelt.
Bauformen
Diskrete Hall-Sensoren
Einachsige Hall-Sensoren werden aus dünnen Halbleiterplättchen hergestellt, weil in ihnen die Ladungsträger-Dichte klein (in einem dünnen Plättchen ist die Dichte genau so groß wie in einer dicken Platte) und somit die Elektronen-Geschwindigkeit groß ist, um eine möglichst hohe Hall-Spannung zu erzielen. In Silicium (Si) werden bei einer Ladungsträgerbeweglichkeit von ca. 1500 cm/Vs Empfindlichkeiten von 0,2-0,25 V/T erreicht, bei III-V-Halbleitern wie z. B. Indiumantimonid (InSb) werden bei einer Ladungsträgerbeweglichkeit von 80.000 cm/Vs sogar Empfindlichkeiten von bis zu 16 V/T erreicht. Typische Bauformen sind:
- Rechteckform
- Schmetterlingsform
- Kreuzform
Integrierte Hall-Sensoren
Meist werden Hall-Elemente in Schaltkreise integriert, in denen eine Signalverstärkung, Analog-Digital-Umsetzung, Digitale Signalverarbeitung sowie eine Offset- und Temperaturkompensation erfolgt.
Der Nachteil der niedrigeren Empfindlichkeit bei CMOS integrierten Hall-Sensoren wird durch die integrierte Signalverarbeitung mehr als kompensiert und es stehen Sensor-ICs zur Verfügung in denen die komplette Signalaufbereitung automatisch erfolgt. Der Sensor muss nur angeschlossen werden und liefert den fertigen digitalen oder analogen Messwert.
Bei integrierten Hall-Sensoren wird zwischen
- lateralen Hall-Sensoren (Messung der magnetischen Flussdichte senkrecht zur Chipoberfläche) und
- vertikalen Hall-Sensoren (Messung der magnetischen Flussdichte parallel zu Chipoberfläche) unterschieden.
Laterale Hall-Sensoren
Die typischen Bauformen der lateralen Hall-Sensoren entsprechen denen der Diskreten Hall-Sensoren.
Vertikale Hall-Sensoren
Da in CMOS-Prozessen die Hall-Elemente nur an der Oberfläche kontaktiert werden können, unterscheiden sich vertikale Hall-Sensoren deutlich von den lateralen Hall-Sensoren. Die typische Bauform ist ein sogenannter 5-Pinner, der 5 Kontakte in einer Reihe besitzt.
Vertikale Hall-Elemente gibt es bereits seit über 30 Jahren [1], doch haben sie aufgrund ihrer schlechteren Eigenschaften bisher kaum Einzug in industrielle Anwendungen erhalten. Erst in den letzten Jahren ist es durch unterschiedlichste Maßnahmen wie z.B. der Zwangssymmetrierung [2] gelungen, ihre Eigenschaften so weit zu verbessern, dass sie mittlerweile in ersten Serienprodukten zu finden sind.
3D-Hall-Sensoren
Werden laterale und vertikale Hall-Elemente zusammen auf einem Chip platziert, so kann der dreidimensionale Vektor der magnetischen Flussdichte (Bx, By, Bz) gemessen werden. Hierzu werden mehrere Hall-Elemente (meist 4) pro Richtung verwendet und punktsymmetrisch um einen Mittelpunkt angeordnet. So kann der 3D-Hall-Sensor quasi punktförmig messen. Ein anderes Prinzip benutzt mehrere einachsige Hallsensoren, um mit Hilfe eines kleinen (mit integrierten) Flusskonzentrators alle drei Komponenten des Magnetfeldes zu messen.
Gradienten-Hall-Sensoren
Werden zwei Hall-Elemente in einem gewissen Abstand nebeneinander platziert, so kann durch eine differentielle Auswertung der Hall-Sensor-Signale der Hall-Sensor robust gegenüber homogenen Störfeldern gemacht werden. Der Differenzenquotient wird dabei als Gradient des Magnetfeldes verstanden. Diese Gradienten-Hall-Sensoren eignen sich besonders gut für Messsysteme, die gradientenbasiert arbeiten können wie z.B.: Positionsmesssysteme und Stromsensoren. Ein Hall-Sensor-IC mit neun 3D-Hall-Sensoren kann neben dem dreidimensionalen Vektor der magnetischen Flussdichte auch die erste und zweite Ableitung des Magnetfeldes in einem Punkt messen.[3]
Anwendungen
- Magnetfeldmessung (magnetische Flussdichte)
- Potentialfreie Strommessung (Stromsensor): Wird das Magnetfeld durch einen stromdurchflossenen Leiter oder eine Spule erzeugt, kann man potentialfrei die Stromstärke in diesem Leiter bzw. der Spule messen z.B. bei Stromzangen[4].
- berührungs- und kontaktlose Signalgeber
- Schichtdickenmessgeräte
- Kommutierung elektronisch kommutierter Motoren
- Lageerfassung bewegter Permanentmagnete.
- Magnetfeld-Kameras
In der Automobilindustrie finden Hall-Sensoren vielfältige Anwendung, z. B. im Gurtschloss, als Raddrehzahlsensoren, im Türschließsystem, bei der Pedalzustandserkennung, in der Getriebeschaltung oder zur Erkennung des Zündzeitpunkts. Hauptvorteil ist die Unempfindlichkeit gegen (unmagnetischen) Schmutz und Wasser. In der Kraftwerkstechnik werden Hall-Sensoren beispielsweise zur Erfassung der Turbinendrehzahl verwendet.
Ferner findet man sie in bürstenlosen Motoren z. B. bei PC-Lüftern und Disketten-Laufwerken.
Es gibt auch Computertastaturen mit Hall-Sensoren unter jeder Taste.
Hall-Sensoren mit analogen Signalausgängen werden für die Messung sehr schwacher Magnetfelder (Erdmagnetfeld), z. B. als Kompass in Navigationssystemen, eingesetzt.
Als Stromsensoren werden sie im Spalt des Eisenkernes einer vom Messstrom durchflossenen Spule oder eines Leiters eingesetzt. Solche Stromsensoren werden als komplettes Bauteil angeboten, sind sehr schnell, können im Gegensatz zu Stromwandlern auch zur Messung von Gleichströmen eingesetzt werden und bieten eine Potenzialtrennung zwischen den meist mit dem Stromnetz verbundenen Leistungskreisen und der Steuerelektronik.
Als Lageerkennungssensoren oder kontaktlose Taster arbeiten sie in Verbindung mit Dauermagneten und haben einen Schwellenwertschalter integriert.
Hall-Sensoren können in Verbindung mit einer Erregerspule auch anstelle einer Empfängerspule in Metalldetektoren verwendet werden.
Spinning-Current-Betrieb bei Hall-Sensoren
Um die durch Geometriefehler, piezoresistive Effekte, inhomogene Temperaturen etc. entstehende Offsetspannung zu unterdrücken, werden Hall-Sensoren mit mehreren Anschlüssen (meist 4) rotationssymmetrisch konstruiert. Hallkontakte sind damit in ihrer Form identisch realisiert wie Stromkontakte. Zwei dieser Anschlüsse dienen als Stromversorgung, zwei als Hallspannungsabnehmer. Die Funktionen der Anschlüsse werden reihum vertauscht. Durch entsprechende Auswertung der Messergebnisse wird die Offsetspannung deutlich reduziert. Dabei ist es möglich diesen Spinning-Current Betrieb sowohl räumlich als auch zeitlich zu realisieren. Räumlich bedeutet, dass mehrere Hallsensoren in enger räumlicher Nachbarschaft realisiert und gleichzeitig mit unterschiedlichen Stromrichtungen betrieben werden. Zeitlich bedeutet, dass ein Hallsensor zeitlich hintereinander mit unterschiedlichen Stromrichtungen betrieben wird. Der finale Messwert ist jeweils der Mittelwert aus den Einzelmesswerten der unterschiedlichen Betriebsstromrichtungen. In besonders hochwertigen Hallsensoren werden sogar beide Vorgehensweisen miteinander kombiniert angewendet. Diese Verfahren finden vor allem bei integrierten Sensoren Anwendung und nutzen die Periodizität der piezoresistiven Konstanten in der Chipebene aus, um den sonst sehr großen Offset der Sensoren extrem stark zu reduzieren (ca. Faktor 1000 bis 10000).
Technische Daten
Die Empfindlichkeit wird üblicherweise in Millivolt pro Gauß (mV/G) angegeben. Dabei gilt:
Darüber hinaus finden auch mV/V-T, mV/A-T, mV/mA-mT etc. Verwendung. Dabei bezieht man die Versorgungs-/Testspannung bzw. -strom in die Angabe für die Sensitivität mit ein.
Siehe auch
Literatur
- Josef Janisch: Kleiner Effekt – Große Wirkung. In: elektronik industrie. Nr. 07/2006, ISSN 0374-3144 ([2] [PDF; abgerufen am 2. März 2015]).
Einzelnachweise
- ↑ R.S. Popovic: The Vertical Hall-Effect Device. In: IEEE Electron Device Letters. Volume 5, 1984, S. 357ñ358.
- ↑ Patent: Vertikaler Hall-Sensor
- ↑ M. Hackner, H.-P. Hohe, M. Stahl-Offergeld: An Integrated Nine-Dimension Hall-Gradient-Sensor In: Sensor + Test Conference 2009, Proceedings, Sensor 2009, Volume II, ISBN 978-3-9810993-5-5, S.23-28
- ↑ [1]
