۱. اثر هال چیست؟

اثر هال ناشی از برهمکنش بین میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی متناظر ذرات باردار (مانند الکترون‌ها) است. برای درک واضح‌تر و شهودی‌تر، می‌توانید به نمودار انیمیشن اصل اثر هال در زیر مراجعه کنید.

۲. اصل اثر هال

وقتی یک صفحه رسانا به مداری با باتری متصل می‌شود، جریان شروع به جریان یافتن می‌کند. حامل‌های بار در امتداد یک مسیر خطی از یک سر صفحه به سر دیگر آن حرکت می‌کنند. حرکت حامل‌های بار، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. وقتی یک آهنربا نزدیک صفحه قرار می‌گیرد، میدان مغناطیسی حامل‌های بار دچار اعوجاج می‌شود که جریان مستقیم حامل‌های بار را مختل می‌کند. نیرویی که جهت جریان حامل‌های بار را مختل می‌کند، نیروی لورنتس نامیده می‌شود.

به دلیل اعوجاج میدان مغناطیسی حامل‌های بار، الکترون‌های با بار منفی به یک طرف صفحه و حفره‌های با بار مثبت به طرف دیگر منحرف می‌شوند. یک اختلاف پتانسیل، که به عنوان ولتاژ هال شناخته می‌شود، بین دو طرف صفحه ایجاد می‌شود که می‌توان آن را با یک ابزار اندازه‌گیری کرد.

اثر هال و نیروی لورنتس: فلش آبی B نشان دهنده میدان مغناطیسی است که به صورت عمودی از صفحه رسانا عبور می‌کند.

اصل اثر هال بیان می‌کند که وقتی یک هادی یا نیمه‌رسانای حامل جریان در یک میدان مغناطیسی عمود قرار می‌گیرد، می‌توان ولتاژی را در موقعیت عمود بر مسیر جریان اندازه‌گیری کرد.

ولتاژ هال که با VH نشان داده می‌شود، با فرمول زیر بدست می‌آید:

· VH ولتاژ هال روی صفحه رسانا است

· I جریان عبوری از سنسور است

· B قدرت میدان مغناطیسی است

· q بار است

· n تعداد حامل‌های بار در واحد حجم است

d ضخامت حسگر است

۳. اصول کار حسگرهای اثر هال

وقتی چگالی شار مغناطیسی اطراف سنسور از یک آستانه از پیش تعیین شده خاص فراتر رود، سنسور آن را تشخیص داده و یک ولتاژ خروجی به نام ولتاژ هال (VH) تولید می‌کند. اصل خاص در شکل زیر نشان داده شده است.

یک حسگر اثر هال اساساً از یک قطعه مستطیلی نازک از ماده نیمه‌هادی نوع p مانند گالیوم آرسنید (GaAs)، ایندیوم آنتیمونید (InSb) یا ایندیوم آرسنید (InAs) تشکیل شده است که از آن جریان پیوسته‌ای عبور می‌کند.

نمودار شماتیک سنسور اثر هال

وقتی یک حسگر اثر هال در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، خطوط شار مغناطیسی نیرویی بر ماده نیمه‌رسانا اعمال می‌کنند و باعث می‌شوند حامل‌های بار (الکترون‌ها و حفره‌ها) به دو طرف صفحه نیمه‌رسانا منحرف شوند. این حرکت حامل‌های بار نتیجه نیروی مغناطیسی است که هنگام عبور از ماده نیمه‌رسانا تجربه می‌کنند.

با حرکت جانبی این الکترون‌ها و حفره‌ها، به دلیل تجمع این حامل‌های بار، اختلاف پتانسیلی بین دو طرف ماده نیمه‌رسانا ایجاد می‌شود. سپس حرکت الکترون‌ها از طریق ماده نیمه‌رسانا تحت تأثیر میدان مغناطیسی خارجی عمود بر آن قرار می‌گیرد و این اثر در مواد مستطیلی مسطح بارزتر است.

اثر هال اطلاعاتی در مورد نوع قطب مغناطیسی و بزرگی میدان مغناطیسی ارائه می‌دهد. به عنوان مثال، قطب جنوب باعث می‌شود دستگاه خروجی ولتاژ تولید کند، در حالی که قطب شمال هیچ تاثیری نخواهد داشت. معمولاً حسگرها و سوئیچ‌های اثر هال طوری طراحی می‌شوند که وقتی هیچ میدان مغناطیسی وجود ندارد، در حالت "خاموش" (حالت مدار باز) باشند. آنها فقط زمانی "روشن" (وضعیت مدار بسته) می‌شوند که در معرض میدان مغناطیسی با قدرت و قطبیت کافی قرار گیرند.

۲. سنسورهای اثر هال

در ساده‌ترین شکل، این حسگر به عنوان یک حسگر آنالوگ عمل می‌کند و مستقیماً ولتاژ را برمی‌گرداند. با یک میدان مغناطیسی معلوم، فاصله از صفحه هال را می‌توان تعیین کرد. با استفاده از گروهی از حسگرها، می‌توان موقعیت نسبی آهنربا را استنباط کرد.

معمولاً، سنسورهای اثر هال با مدارهایی ترکیب می‌شوند که به دستگاه اجازه می‌دهند در حالت دیجیتال (روشن/خاموش) کار کند و در این پیکربندی، ممکن است به آنها سوئیچ گفته شود. شکل زیر چرخی را نشان می‌دهد که دو آهنربا از کنار یک سنسور اثر هال عبور می‌کنند.