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Aufgrund eines Stromes I und einer magnetischen Flussdichte B entsteht die Hallspannung U_H

Ein Hall-Sensor (auch Hall-Sonde oder Hall-Geber, nach Edwin Hall) nutzt den Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern.

Funktionsweise

‹bliches Schaltzeichen.

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 Feldstärke und Strom ist (Hall-Effekt). Das Signal ist auflerdem 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.

Typen

In analogen Hallsensoren wird der Strom geregelt und die Temperaturabhängigkeit des Signals, der Offset, sowie auffällige Nichtlinearitäten werden kompensiert. Die Qualität dieser Kompensation (sowie die Eichbarkeit des Gesamtsystems) entscheidet über die Eignung und Qualität des Hallsensors als Messgerät für magnetischen Fluss.

In digitalen Hallsensoren wird das Signal eines analogen Hallsensors über einen Komparator in ein digitales Signal verwandelt.

Bauformen

Diskrete Hall-Sensoren

Hall-Sensor zur Gleichstrommessung

Hall-Sensor zur Positionsbestimmung

Hall-Sensoren werden aus dünnen Halbleiterplättchen hergestellt, weil in ihnen die Ladungsträger-Dichte klein und somit die Elektronen-Geschwindigkeit grofl ist, um eine möglichst hohe Hall-Spannung zu erzielen. In Silizium (SI) werden bei einer Ladungsträgerbeweglichkeit von ca. 1.500cm≤/Vs Empfindlichkeiten von 0.2-0.25V/T erreicht, bei III-V Halbleitern wie z.B InSb werden bei einer Ladungsträgerbeweglichkeit von 80.000cm≤/Vs sogar Empfindlichkeiten von bis zu 16V/T erreichen. Typische Bauformen sind:

• Rechteckform
• Schmetterlingsform
• Kreuzform

Meist werden diese Hall-Elemente in Schaltkreise integriert, in denen eine Signalverstärkung und Temperaturkompensation erfolgt.

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.

Blockschaltbild eines Hall-Sensor-ICs mit integriertem Verstärker, Analog-Digital-Umsetzer und Signalverarbeitung.

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 vertikalen Hall-Sensoren deutlich von den lateralen Hall-Sensoren. Die typische Bauform ist ein sogenannter 5-Pinner, der 5 Kontakte in einer Reihe besitzt.

Schnitt durch einen vertikalen Hall-Sensor (mit fünf Kontakten) mit dem die magnetische Flussdichte parallel zur Chipoberfläche gemessen werden kann.

Vertikale Hall-Elemente gibt es bereits seit über 30 Jahren , doch haben sie aufgrund ihrer schlechteren Eigenschaften bisher kaum Einzug in Industrielle Anwendungen erhalten. Erst in den letzten Jahren ist es durch unterschiedlichste Maflnahmen wie z.B. der Zwangssymmetrierung 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 dreidimensional 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.

Gradienten-Hall-Sensoren

Werden zwei Hall-Elemente in einem gewissem 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 Gradienten basiert arbeiten können wie z.B.: Positionsmesssystemen und Stromsensoren. In wird ein Hall-Sensor-IC mit neun 3D-Hall-Sensoren gezeigt, mit dem neben dem dreidimensionalen Vektor der magnetischen Flussdichte auch die erste und zweite Ableitung des Magnetfeldes in einem Punkt gemessen werden kann.

Anwendungen

Hallsensor (rotes Plättchen) im magnetischen Kreis zur Strommessung

Anwendungsbeispiel eines Hall-Sensors zur Positionsbestimmung

• 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.
• berührungs- und kontaktlose Signalgeber
• Schichtdickenmessgeräte
• Kommutierung elektronisch kommutierter Motoren

oder zur Lageerfassung.

In der Automobilindustrie finden Hall-Sensoren vielfältige Anwendung, z. B. im Gurtschloss, als Raddrehzahlsensoren, im Türschlieflsystem, 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-Hall-Sensor

Um die durch Geometriefehler, piezoresistive Effekte, inhomogene Temperaturen etc. entstehende Offsetspannung zu unterdrücken, werden Hall-Sensoren mit mehreren Anschlüssen (meist 8) konstruiert. Zwei dieser Anschlüsse dienen als Stromversorgung, zwei als Hallspannungsabnehmer. Dieses Verfahren findet vor allem bei integrierten Sensoren Anwendung und nutzt die Periodizität der piezoresistiven Konstanten in der Chipebene aus. Die Funktionen der Anschlüsse werden reihum vertauscht. Durch entsprechende Auswertung der Messergebnisse wird die Offsetspannung deutlich reduziert.

Technische Daten

Die Empfindlichkeit wird üblicherweise in Millivolt pro Gaufl (mV/G) angegeben. Dabei gilt:

1 Tesla = 10.000 Gaufl (1 G = 10^-4 T).

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

• Feldplatte
• Magnetometer

Literatur

• Josef Janisch: Kleiner Effekt ñ Grofle Wirkung. In: elektronik industrie. Nr. 07/2006, ISSN 0374-3144 (PDF; 0,6 MB [abgerufen am 1. Mai 2007]). 
• Hans-Peter Hohe: Magnetfeldsensoren messen dreidimensional. In: Mechatronik. Nr. 07/2005 (mechatronik.info). 
• Hans-Peter Hohe: Robuste Positionsmessung in Hydraulik- und Pneumatikzylindern. In: Mechatronik. Nr. 11-12/2008 (mechatronik.info). 
• Markus Stahl-Offergeld: Robuste dreidimensionale Hall-Sensoren für mehrachsige Positionsmesssysteme. Shaker Verlag, Aachen 2011, ISBN 978-3-8440-0303-1.