Holov senzor

Holov efekt otkriven je još 1879. godine.  Njegova praktična primena postaje sve izrazitija zahvaljujući postojanju odgovarajućih poluprovodničkih materijala. Isto kao magnetorezistivni senzori, senzori na bazi Holovog efekta spadaju u red specijalnih elektromagnetnih senzora. Holov efekat nastaje kada se poluprovodnik kroz koji teče struja unese u magnetno polje.

gde su μn i μp pokretljivosti elektrona i šupljina, a n i p odgovarajuće koncentracije. Određivanjem veličine i znaka Holove konstante, utvrđuje se tip poluprovodnika i izračunava koncentracija nosilaca nepoznatog poluprovodničkog materijala.

  Na slici 2. prikazani su neki od oblika Holovih pločica. Analiza pokazuje da različita geometrija ne utiče bitno na karakteristike senzora. Međutim, neki od oblika imaju prednosti u jednostavnijoj tehnologiji proizvodnje. Pri proizvodnji Holovih senzora fotolitografskim postupkom, jednostavnije se postavljaju elektrode kod pločica oblika krsta (sl. 2.b) nego kod standardnih pravougaonih pločica (sl. 2.a).

  Holovi senzori mehaničkih veličina. Holovi senzori se koriste za merenje pomeraja sa kojima se utiče na promenu jačine ili pravca magnetne indukcije. Holovim senzorima se mere i druge veličine koje se elastičnim elementima pretvaraju u proporcionalno pomeranje (sila, pritisak, ubrzanje, itd.). Na slici 3. prikazana je primena Holovih senzora za merenje, odnosno detekciju pomeraja.

  Senzorski sistem se sastoji od stalnog magneta pričvršćenog na pokretni objekat i nepokretnog Holovog senzora. Na slici 3. prikazane su različite kombinacije odnosa pokretnog objekta i Holovog senzora. Holovi senzori se koriste i za merenje ugaone brzine i ugaonog pomeraja (npr. zupčanika). Tu se javlja problem određivanja smera rotacije, zbog čega se koriste dva Holova senzora. Oni se postavljaju na rastojanju od četvrtine koraka zupčanika. Tako se dobijaju izlazni impulsi, nakon uobličavanja signala, koji su fazno pomereni za 90º. Ovi signali se vode na logička kola koja detektuju fazni stav. Pri jednom smeru kretanja fazno prednjači jedna, a pri promeni smera druga povorka impulsa, što omogućuje detekciju smera.

  Integrisani Holovi senzori. Integrisani Holovi senzori sadrže Holovu pločicu i elektronska kola za pojačanje i prilagođenje izlaznog signala. Koriste se dve vrste tehnologija integracije:

• hibridna tehnologija
• tehnologija monolitnih integrisanih kola.

Hibridna tehnologija ima kao nedostatak dugotrajan proces završne obrade pojedinačnih uzoraka. Tehnologija monolitnih integrisanih kola omogućuje brži i time jeftiniji postupak proizvodnje celokupnog senzora. Za proizvodnju monolitnih integrisanih kola sa Holovim senzorom, najpogodniji materijali su silicijum i galijum arsenid (GaAs). Oni omogućavaju konstrukciju integrisanog kola sa malom disipacijom i potrošnjom struje. Ovi materijali su dobri u pogledu temperaturske stabilnosti, šuma i kompatibilnosti sa aktivnim elementima kola.

Postoje dva tipa integrisanih Holovih senzora:

• linearni
• impulsni

Na slici 4. prikazana je blok šema linearnog senzora. Oni daju izlazni signal koji je linearno srazmeran magnetskoj indukciji B. Senzor ima tri priključka od kojih dva služe za napajanje, dok se na trećem dobija izlazni signal. Pored Holove pločice, linearni senzori sadrže i stabilizator za napajanje, i pojačavač izlaznog napona.

  Impulsni integrisani Holov senzor, prikazan na slici 5., ima strukturu kao i linearni senzor, s tim što je izlazni stepen Šmitovo okidno kolo. Izlazni signal ima dva naponska stanja, visoko i nisko. Pri indukciji manjoj od donjeg praga komparacije (obično nekoliko mT), izlazni nivo je nizak. Kada normalna komponenta indukcije postane veća od gornjeg praga komparacije, izlazni signal skokovito prelazi na visok nivo. Ovo važi kada je Šmitovo kolo neinvertujući komparator sa histerezisom.

  Savremeni Holovi senzori i njihova primena. Posmatrani su novi tipovi integrisanih Holovih senzora Švajcarske firme Sentron. Ovi senzori su kombinacija Holovih senzora CMOS ASIC i Integrated Magnetic Concentrator (IMC-Hall). Ti senzori su osetljivi na magnetno polje paralelno sa površinom čipa, za razliku od konvencionalnih Holovih senzora, koji mere samo komponentu magnetnog polja normalnu na površinu senzora. Kao i kod konvencionalnih primena magnetnih senzora, IMC senzor se koristi kao pasivni magnetski pojačavač. Struktura IMC senzora je planarna i može se integrisati direktno na CMOS vejfer. To omogućuje integraciju čitavog senzorskog sistema na jednom čipu, pri čemu se značajno poboljšavaju performanse senzora i otvaraju nove mogućnosti merenja. Na slici 6. prikazan je jedan deo od nekoliko hiljada IMC-ova, koji se nalaze na CMOS silicijumskom vejferu koji sadrži čipove sa Holovim elementima i elektronskim kolima. Nanošenje feromagnetskog sloja je obavljeno jeftinim post procesom pogodnim za masovnu proizvodnju.

Slika 6. IMC struktura

  Zahvaljujući razvoju IMC-a, novi senzori imaju veću magnetsku osetljivost, manji ekvivalentni magnetski ofset i manji ekvivalentni magnetni šum nego konvencionalni Holovi senzori. Zato, sa stanovišta primene, ovi novi integtrisani Holovi senzori su slični sa hipotetičkim nisko ofsetnim i veoma linearnim magnetorezistivnim (MR) senzorima. IMC Holovi senzori su negde između MR i tradicionalnih ASIC Holovih senzora.

  Novi Sentronovi IMC Holovi senzori su:

• CSA-1V – strujni senzor sa jednom osom osetljivosti magnetnog polja
• 1SA-1V – senzor pomeraja sa jednom osom osetljivosti magnetnog polja
• 2SA-10 – ugaoni senzor i senzor pomeraja sa dve ose osetljivosti magnetnog polja

Svi ovi senzori su integrisani CMOS senzori koji u sebi imaju Holove elemente, izvor napajanja, pojačavač i mogućnost programiranja (određivanja) pojačanja, ofseta i temperaturnog koeficijenta.

  CSA-1V senzor se koristi za merenje struje kroz spoljašnji provodnik (sl. 7.) ili kroz trakasti provodnik na PCB-u i koji se nalazi ispod senzora (sl. 8.).

 

  CSA-1V senzor na izlazu daje diferencijalni analogni napon proporcionalan jačini magnetnog polja (magnetske indukcije), nastalog prolaskom struje kroz provodnik u blizini senzora:

  2SA-10 je senzor sa dve ose osetljivosti magnetnog polja i ima sledeće karakteristike [20]:

• osetljiv je na magnetno polje paralelno površini čipa senzora,
• velika osetljivost,
• meri dve komponente magnetnog polja u isto vreme,
• velika tačnost: maksimalna greška pri merenju ugla je manja 1º, u širokom temperaturnom opsegu (-40ºC,+150ºC),
• veoma mali histerezis,
• veoma mali šum,
• SOIC – 8 kućište za površinsko lemljenje na ploču.

Primena 2SA-10 senzora:

• merenje položaja u 2-D ravni,
• bez kontaktno merenje rastojanja i pomeraja,
• merenje uglova kod mikro motora,
• pravljenje minijaturnih bezkontektnih enkodera,
• bezkontaktni rotirajući prekidač,
• kod izrade joystick-a.

  Senzor 2SA-10 detektuje apsolutnu ugaonu poziciju malih magneta, koji se nalaze iznad površine senzora. Ovaj senzor je integrisana kombinacija CMOS Holovog senzora i tankog feromagnetnog diska. CMOS kolo sadrži dva para Holovih elemenata, za svaki od dva pravca X i Y, koja su paralelna sa površinom čipa. Feromagnetni disk pojačava spoljašnje magnetno polje i koncentriše ga na Holove elemente.

Senzor 2SA-10 je pogodan za primene kod određivanja pozicija rotirajućih elemenata u industrijskim uslovima [23]. On na izlazu daje dva linearna naponska signala, koji su proporcionalni sinusnoj i kosinusnoj funkciji ugla magnetnog polja, paralelnog sa površinom čipa.

Senzor se proizvodi korišćenjem standardnog CMOS procesa, a feromagnetski disk se dodaje u jednostavnom post procesnom koraku. U senzoru su integrisani: Holovi elementi, kolo za eliminaciju ofseta, strujni izvor i omogućeno je programiranje pojedinih parametara. Kao rezultat toga, uređaj ima jako stabilan izlazni signal i imun je na mehaničke potrese i temperaturne promene.