مستشعر تأثير هول المغناطيسي - Hall Effect Sensor

ما هو مستشعر تأثير هول المغناطيسي – Hall Effect Sensor؟

سوف نتحدث أجهزة الاستشعار المغناطيسية وخاصة مستشعر تأثير هول الأكثر استخدامًا، تقوم المستشعرات المغناطيسية بتحويل المعلومات المغناطيسية أو المشفرة مغناطيسيًا إلى إشارات كهربائية للمعالجة بواسطة الدوائر الإلكترونية، وهناك أيضًا مستشعرات القرب الحثّي و (LDVT) بالإضافة إلى مشغلات إخراج الملف اللولبي والمرحل.

المستشعرات المغناطيسية هي أجهزة ذات حالة صلبة أصبحت أكثر شيوعًا لأنّها يمكن استخدامها في العديد من أنواع التطبيقات المختلفة مثل موضع الاستشعار أو السرعة أو الحركة الاتجاهية، كما أنّها خيار شائع لأجهزة الاستشعار لتصميم الإلكترونيات نظرًا لتشغيلها بدون تلامس بدون تآكل، وقلة صيانتها، وتصميمها القوي، كما أنّ أجهزة تأثير هول المغلقة محصنة ضد الاهتزازات والغبار والماء.

شرح مستشعر تأثير هول المغناطيسي:

أحد الاستخدامات الرئيسية لأجهزة الاستشعار المغناطيسية هو في أنظمة السيارات لاستشعار الموقع والمسافة والسرعة، على سبيل المثال، الموضع الزاوي لعمود الكرنك لزاوية إطلاق شمعات الإشعال، وموضع مقاعد السيارة وأحزمة الأمان للتحكم في الأكياس الهوائية أو الكشف عن سرعة العجلة لنظام المكابح المانعة للانغلاق (ABS).

تم تصميم المستشعرات المغناطيسية للاستجابة لمجموعة واسعة من المجالات المغناطيسية الإيجابية والسلبية في مجموعة متنوعة من التطبيقات المختلفة ونوع واحد من مستشعرات المغناطيس التي تكون إشارة خرجها دالة لكثافة المجال المغناطيسي حولها تسمّى “مستشعر تأثير هول” أو “مستشعر تأثير القاعة”.

مستشعرات تأثير هول هي أجهزة يتم تنشيطها بواسطة مجال مغناطيسي خارجي، نحن نعلم أنّ المجال المغناطيسي له سمتان مهمتان كثافة التدفق، والقطبية “القطب الشمالي والجنوبي”، إشارة الخرج من مستشعر تأثير هول هي وظيفة كثافة المجال المغناطيسي حول الجهاز، عندما تتجاوز كثافة التدفق المغناطيسي حول المستشعر عتبة معينة محددة مسبقًا، يكتشفها المستشعر ويولد جهد خرج يسمّى “جهد هول” (Hall Voltage)، (VH).

أساسيات مستشعر تأثير هول المغناطيسي:

تتكون مستشعرات تأثير هول بشكل أساسي من قطعة رقيقة من مادة شبه موصلة مستطيلة الشكل من النوع (p) مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) أو أنتيمونيد الإنديوم (InSb) أو زرنيخيد الإنديوم (InAs) التي تمر بتيار مستمر من خلال نفسها، عندما يتم وضع الجهاز داخل مجال مغناطيسي، تمارس خطوط التدفق المغناطيسي قوة على مادة أشباه الموصلات ممّا يؤدي إلى انحراف حاملات الشحنة والإلكترونات والثقوب إلى جانبي لوح أشباه الموصلات، هذه الحركة لحاملات الشحنة هي نتيجة للقوة المغناطيسية التي تمر بها عبر مادة أشباه الموصلات.

نظرًا لتحرك هذه الإلكترونات والثقوب في الأجنحة الجانبية، يتم إنتاج فرق جهد بين جانبي مادة أشباه الموصلات من خلال تراكم حاملات الشحنة هذه، ثمّ تتأثر حركة الإلكترونات عبر مادة أشباه الموصلات بوجود مجال مغناطيسي خارجي بزوايا قائمة عليها ويكون هذا التأثير أكبر في مادة مستطيلة الشكل.

ما هو جهد تأثير هول؟

إنّ تأثير توليد جهد قابل للقياس باستخدام مجال مغناطيسي يسمّى تأثير هول بعد أن اكتشفه “إدوين هول” في سبعينيات القرن التاسع عشر مع المبدأ الفيزيائي الأساسي الكامن وراء “تأثير هول” وهو “قوة لورنتز“، لتوليد فرق جهد عبر الجهاز، يجب أن تكون خطوط التدفق المغناطيسي متعامدة (90) درجة، على تدفق التيار وأن تكون ذات قطبية صحيحة، وعمومًا قطب جنوبي.

يوفر تأثير هول معلومات عن نوع القطب المغناطيسي وحجم المجال المغناطيسي، على سبيل المثال، قد يتسبب القطب الجنوبي في قيام الجهاز بإنتاج جهد كهربائي بينما لن يكون للقطب الشمالي أي تأثير، بشكل عام، تمّ تصميم مستشعرات ومفاتيح (Hall Effect) لتكون في وضع (OFF)، “حالة الدائرة المفتوحة” في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي، يتم تشغيلها فقط (ON)، “حالة الدائرة المغلقة” عند تعرضها لمجال مغناطيسي ذي قوة وقطبية كافية.

شرح جهد تأثير هول:

يتناسب جهد الخرج، المسمّى بجهد هول، (VH) لعنصر هول الأساسي بشكل مباشر مع قوة المجال المغناطيسي الذي يمر عبر مادة أشباه الموصلات (الخرج ∝ H)، يمكن أن يكون جهد الخرج هذا صغيرًا جدًا، فقط بضع فولتات ميكروية حتى عند تعرضه لمجالات مغناطيسية قوية، لذلك يتم تصنيع معظم أجهزة تأثير هول المتاحة تجاريًا بمضخمات تيار مستمر مدمجة ودوائر تبديل منطقية ومنظمات جهد لتحسين حساسية المستشعرات والتباطؤ وخرج الجهد الكهربائي، يسمح هذا أيضًا لمستشعر تأثير (Hall) بالعمل على نطاق أوسع من مصادر الطاقة وظروف المجال المغناطيسي.

تتوفر مستشعرات تأثير هول مع مخرجات خطية أو رقمية، يتم أخذ إشارة الخرج لأجهزة الاستشعار الخطية “التماثلية” مباشرة من خرج مكبر التشغيل مع جهد الخرج الذي يتناسب طرديًا مع المجال المغناطيسي الذي يمر عبر مستشعر هول، يتم إعطاء جهد هول الناتج على النحو التالي:

V_H = R_H [I/t × B]

تعطي المستشعرات الخطية أو التماثلية ناتج جهد مستمر يزداد مع وجود مجال مغناطيسي قوي وينخفض مع وجود مجال مغناطيسي ضعيفk في مستشعرات تأثير هول الخطية، حيث أنّ قوة المجال المغناطيسي تزيد من إشارة الخرج من مكبر الصوت ستزداد أيضًا حتى تبدأ في التشبع بالحدود التي يفرضها عليها مصدر الطاقة، أي زيادة إضافية في المجال المغناطيسي لن يكون لها أي تأثير على الخرج ولكن تدفعه أكثر إلى التشبع.

من ناحية أخرى تحتوي مستشعرات الخرج الرقمية على (Schmitt-trigger) مع خلفية مدمجة متصلة بجهاز (op-amp)، عندما يتجاوز التدفق المغناطيسي الذي يمر عبر مستشعر هول قيمة محددة مسبقًا، ينتقل خرج الجهاز بسرعة بين حالة “إيقاف التشغيل” إلى حالة “التشغيل” دون أي نوع من ارتداد التلامس، يزيل هذا التباطؤ المدمج أي تذبذب لإشارة الخرج عندما يتحرك المستشعر داخل وخارج المجال المغناطيسي، بعد ذلك، تحتوي أجهزة استشعار الخرج الرقمية على حالتين فقط، “تشغيل” و “إيقاف”.

تطبيقات مستشعر تأثير هول:

يتم تنشيط مستشعرات تأثير هول بواسطة مجال مغناطيسي وفي العديد من التطبيقات يمكن تشغيل الجهاز بواسطة مغناطيس دائم واحد متصل بعمود متحرك أو جهاز، هناك العديد من أنواع محركات المغناطيس المختلفة، مثل محركات الاستشعار (Head-on) أو (Sideways) أو (Push-pull) أو (Push-push) وغيرها، يتم استخدام كل نوع من التكوين، لضمان أقصى حساسية، يجب أن تكون الخطوط المغناطيسية للتدفق دائمًا متعامدة مع منطقة الاستشعار بالجهاز ويجب أن تكون ذات قطبية صحيحة.

للتأكد من الخطية (linearity) أيضًا وضمانها، يلزم وجود مغناطيسات ذات قوة مجال عالية تؤدي إلى تغيير كبير في شدة المجال للحركة المطلوبة، هناك العديد من المسارات الممكنة للحركة لاكتشاف مجال مغناطيسي، وفيما يلي نوعان من تكوينات الاستشعار الأكثر شيوعًا باستخدام مغناطيس واحد: الكشف المباشر (Head-on Detection) والكشف الجانبي (Sideways Detection).