Hall-Effekt-Messsystem

Der Hall-Effekt wurde 1879 von Edwin Hall entdeckt, doch es dauerte noch viele Jahre, bis die technologische Entwicklung es integrierten Schaltkreisen ermöglichte, dieses Phänomen voll auszunutzen. Heute bieten Hall-Effekt-Sensor-ICs eine praktische Möglichkeit, genaue Strommessungen durchzuführen, bei denen die elektrische Isolierung zwischen dem gemessenen Strompfad und dem Messschaltkreis aufrechterhalten wird.

Von Lorentz nach Hall
Der Hall-Effekt ist eine Erweiterung der Lorentzkraft, die die Kraft beschreibt, die auf ein geladenes Teilchen – wie etwa ein Elektron – ausgeübt wird, das sich durch ein Magnetfeld bewegt. Wenn das Magnetfeld senkrecht zur Bewegungsrichtung des Elektrons ausgerichtet ist, erfährt das Elektron eine Kraft, die sowohl senkrecht zur Bewegungsrichtung als auch zur Ausrichtung des Magnetfelds ist.

Den Hall-Effekt nutzen
Die durch den Hall-Effekt erzeugten Spannungen sind im Vergleich zu Rauschen, Offsets und Temperatureffekten, die typischerweise einen Schaltkreis beeinflussen, gering. Daher waren praktische Sensoren auf Basis des Hall-Effekts erst weit verbreitet, als Fortschritte in der Halbleitertechnik hochintegrierte Komponenten ermöglichten, die ein Hall-Element und zusätzliche Schaltkreise zum Verstärken und Aufbereiten der Hall-Spannung enthielten. Allerdings sind Hall-Effekt-Sensoren in ihrer Fähigkeit, kleine Ströme zu messen, begrenzt. Der ACS712 von Allegro MicroSystems beispielsweise weist eine Empfindlichkeit von 185 mV/A auf. Das bedeutet, dass ein Strom von 10 mA eine Ausgangsspannung von lediglich 1,85 mV erzeugen würde. Diese Spannung kann akzeptabel sein, wenn der Schaltkreis ein geringes Grundrauschen aufweist, aber wenn ein 2-Ω-Widerstand in den Strompfad integriert werden könnte, wäre die resultierende Ausgangsspannung von 20 mV eine erhebliche Verbesserung.

Der Hall-Effekt ist für eine Vielzahl von Sensoranwendungen relevant. Geräte, die auf dieser relativ einfachen Beziehung zwischen Strom, Magnetfeld und Spannung basieren, können zur Messung von Position, Geschwindigkeit und Magnetfeldstärke verwendet werden. In diesem Artikel konzentrieren wir uns jedoch auf Geräte, die den Strom über die Hall-Spannung messen, die erzeugt wird, wenn ein durch den gemessenen Strom induziertes Magnetfeld auf ein integriertes Hall-Effekt-Element konzentriert wird.

Vor-und Nachteile
Die Leistungsmerkmale variieren von einem Hall-Effekt-Stromsensor zum anderen, daher ist es schwierig, die Vor- und Nachteile der Hall-Effekt-Sensorik im Vergleich zu der anderen gängigen Strommesstechnik, nämlich dem Einfügen eines Präzisionswiderstands in den Strompfad und dem Messen des resultierenden Spannungsabfalls mit einem Differenzverstärker, genau zusammenzufassen. Im Allgemeinen werden Hall-Effekt-Sensoren jedoch geschätzt, weil sie „nicht intrusiv“ sind und eine elektrische Isolierung zwischen dem Strompfad und dem Messkreis bieten. Diese Geräte gelten als nicht intrusiv, da kein nennenswerter Widerstand in den Strompfad eingefügt wird und sich der gemessene Schaltkreis daher fast so verhält, als ob der Sensor nicht vorhanden wäre. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Sensor nur minimale Leistung abgibt; dies ist besonders wichtig beim Messen großer Ströme.

Was die Genauigkeit betrifft, können derzeit verfügbare Hall-Effekt-Sensoren einen Ausgabefehler von nur 1 % erreichen. Ein gut konzipierter resistiver Strommesskreis könnte diesen Wert übertreffen, aber 1 % wäre in der Regel ausreichend für Anwendungen mit hohem Strom/hoher Spannung, für die Hall-Effekt-Geräte besonders geeignet sind.

Isolierung
Einer der größten Vorteile von Hall-Effekt-Sensoren ist die elektrische Isolierung, die im Zusammenhang mit Schaltkreis- oder Systemdesigns oft als galvanische Trennung bezeichnet wird. Das Prinzip der galvanischen Trennung kommt immer dann zum Einsatz, wenn ein Design erfordert, dass zwei Schaltkreise auf eine Weise kommunizieren, die jeden direkten Stromfluss verhindert. Ein einfaches Beispiel ist, wenn ein digitales Signal durch einen Optokoppler geleitet wird, der die Spannungsimpulse in Lichtimpulse umwandelt und so Daten optisch statt elektrisch überträgt. Einer der Hauptgründe für die Implementierung einer galvanischen Trennung ist die Vermeidung von Problemen im Zusammenhang mit Erdschleifen:

Grundlegende Prinzipien des Schaltungsdesigns gehen davon aus, dass miteinander verbundene Komponenten einen gemeinsamen Erdungsknoten haben, der bei 0 V liegt. In der Realität besteht der „Erdungsknoten“ jedoch aus Leitern mit einem Widerstand ungleich Null, und diese Leiter dienen als Rückweg für den Strom, der vom Schaltkreis zurück zur Stromversorgung fließt. Das Ohmsche Gesetz erinnert uns daran, dass Strom und Widerstand Spannung erzeugen, und diese Spannungsabfälle im Rückweg bedeuten, dass die „Erde“ in einem Teil des Schaltkreises oder Systems nicht das gleiche Potenzial hat wie die „Erde“ in einem anderen Teil. Diese Unterschiede im Erdungspotenzial können zu Problemen führen, die von vernachlässigbar bis katastrophal reichen.

Durch die Verhinderung des direkten Stromflusses zwischen zwei Schaltkreisen ermöglicht die galvanische Trennung eine erfolgreiche Kommunikation zwischen Schaltkreisen mit unterschiedlichen Massepotentialen. Dies ist insbesondere für Strommessanwendungen relevant: Ein Niederspannungssensor und eine Verarbeitungsschaltung müssen möglicherweise große, stark schwankende Ströme überwachen, beispielsweise in einem Motorantriebsschaltkreis. Diese großen, sich schnell ändernden Ströme führen zu erheblichen Spannungsschwankungen im Rückweg. Ein Hall-Effekt-Sensor ermöglicht es dem System, sowohl den Antriebsstrom zu überwachen als auch den hochpräzisen Sensorschaltkreis vor diesen schädlichen Masseschwankungen zu schützen.

Gleichtaktspannung
Eine weitere wichtige Anwendung für Hall-Effekt-Sensoren sind Strommessungen mit hohen Spannungen. In einem resistiven Strommesskreis misst ein Differenzverstärker die Spannungsdifferenz zwischen der einen Seite eines Widerstands und der anderen. Allerdings entsteht ein Problem, wenn diese Spannungen im Verhältnis zum Erdpotential groß sind:

Echte Verstärker haben einen begrenzten „Gleichtaktbereich“, was bedeutet, dass das Gerät nicht richtig funktioniert, wenn die Eingangsspannungen zwar relativ zueinander klein, aber relativ zur Masse zu groß sind. Die Gleichtaktbereiche von Strommessverstärkern reichen normalerweise nicht über 80 oder 100 V hinaus. Hall-Effekt-Sensoren hingegen können Strom in Spannung umwandeln, ohne auf das Massepotenzial des gemessenen Schaltkreises Bezug zu nehmen. Folglich hat Gleichtaktspannung keinen Einfluss auf den Betrieb eines Hall-Effekt-Geräts, solange die Spannungen nicht groß genug sind, um physische Schäden zu verursachen.

Der Hall-Effekt kann beobachtet werden, wenn die Kombination eines Magnetfelds durch eine Probe und eines Stroms entlang der Länge der Probe einen elektrischen Strom senkrecht zum Magnetfeld und zum Strom erzeugt, der wiederum eine Querspannung senkrecht zu beiden erzeugt. Das zugrundeliegende Prinzip ist die Lorentzkraft: die Kraft auf eine Punktladung aufgrund elektromagnetischer Felder

Hall-Effekt-Messungen sind von unschätzbarem Wert für die Charakterisierung von Halbleitermaterialien, egal ob es sich um Silizium-basierte Halbleiter, Verbindungshalbleiter, Dünnschichtmaterialien für Solarzellen oder nanoskalige Materialien wie Graphen handelt. Die Messungen umfassen Halbleitermaterialien mit niedrigem Widerstand (hochdotierte Halbleitermaterialien, Hochtemperatur-Supraleiter, verdünnte magnetische Halbleiter und GMR/TMR-Materialien) und mit hohem Widerstand, darunter halbisolierendes GaAs, Galliumnitrid und Cadmiumtellurid.

Ein Hall-Effekt-Messsystem ist nützlich, um verschiedene Materialparameter zu bestimmen, aber der wichtigste ist die Hall-Spannung (VH). Trägerbeweglichkeit, Trägerkonzentration (n), Hall-Koeffizient (RH), spezifischer Widerstand, Magnetowiderstand (RB) und der Trägerleitfähigkeitstyp (N oder P) werden alle von der Hall-Spannung abgeleitet.

Bei der Entwicklung von ICs der nächsten Generation und effizienteren Halbleitermaterialien sind Forscher besonders an Materialien mit hoher Trägermobilität interessiert, was auch der Grund für das große Interesse an Graphen ist. Diese einatomige Kohlenstoffform weist den Quanten-Hall-Effekt und infolgedessen einen relativistischen Elektronenstromfluss auf. Forscher halten Hall-Effekt-Messungen für entscheidend für die Zukunft der Elektronikindustrie.

Materialien mit hoher Trägerbeweglichkeit ermöglichen die Herstellung von Geräten, die bei niedrigeren Leistungsstufen mit schnelleren Schaltzeiten und höherer Bandbreite einen maximalen Stromfluss erreichen. Eine Manipulation des Ohmschen Gesetzes zeigt die Bedeutung der Trägerbeweglichkeit bei der Maximierung des Stroms. Der Strom ist direkt proportional zur Trägerbeweglichkeit

Zu den Möglichkeiten, den Stromfluss durch ein Gerät zu maximieren, gehören die Erhöhung der Spannung, der Ladungsträgerkonzentration, des Querschnitts der Probe oder der Mobilität der Ladungsträger. Bis auf die letzte Option haben alle diese Optionen schwerwiegende Nachteile.

Mobilität messen
Der erste Schritt zur Bestimmung der Trägerbeweglichkeit besteht darin, die Hall-Spannung (VH) zu messen, indem sowohl ein Magnetfeld senkrecht zur Probe (B) als auch ein Strom durch die Probe (I) angelegt werden. Diese Kombination erzeugt einen Querstrom. Das resultierende Potenzial (VH) wird über das Gerät gemessen. Genaue Messungen sowohl der Probendicke (t) als auch ihres spezifischen Widerstands (r) sind ebenfalls erforderlich. Der spezifische Widerstand kann entweder mit einer Vierpunktsonde oder der van-der-Pauw-Messtechnik bestimmt werden. Mit nur diesen fünf Parametern (B, I, VH, t und spezifischer Widerstand) kann die Hall-Mobilität berechnet werden:
Da sowohl die Hall-Spannungen als auch der gemessene Van-der-Pauw-Widerstand typischerweise recht gering sind, sind die richtigen Mess- und Mittelwertbildungsverfahren für genaue Mobilitätsergebnisse von entscheidender Bedeutung.