Capteur à effet Hall

Un capteur à effet Hall (également appelé capteur Hall ou sonde Hall ) est tout capteur incorporant un ou plusieurs éléments Hall, chacun produisant une tension proportionnelle à une composante axiale du vecteur de champ magnétique B en utilisant l' effet Hall (du nom du physicien Edwin Hall ).

Les capteurs à effet Hall sont utilisés pour les applications de détection de proximité , de positionnement , de détection de vitesse et de détection de courant et sont courants dans les applications industrielles et grand public. Des centaines de millions de circuits intégrés (CI) à capteur à effet Hall sont vendus chaque année par environ 50 fabricants, le marché mondial s'élevant à environ un milliard de dollars .

Dans un capteur à effet Hall, un courant de polarisation continu fixe est appliqué le long d'un axe à travers une fine bande de métal appelée transducteur à effet Hall . Des électrodes de détection situées sur les côtés opposés de l'élément à effet Hall le long d' un autre axe mesurent la différence de potentiel électrique ( tension ) à travers l'axe des électrodes. Les porteurs de charge du courant sont déviés par la force de Lorentz en présence d'un champ magnétique perpendiculaire à leur flux. Les électrodes de détection mesurent la différence de potentiel (la tension de Hall) proportionnelle à la composante axiale du champ magnétique qui est perpendiculaire à la fois à l'axe du courant et à l'axe des électrodes de détection.

Les capteurs à effet Hall réagissent à la fois aux champs magnétiques statiques et aux champs magnétiques changeants. ( Les capteurs inductifs , en revanche, ne réagissent qu'aux variations de champs.)

Les dispositifs à effet Hall produisent un niveau de signal très faible et nécessitent donc une amplification. La technologie des amplificateurs à tube à vide disponible dans la première moitié du 20e siècle était trop grande, trop chère et consommatrice d'énergie pour les applications quotidiennes des capteurs à effet Hall, qui se limitaient aux instruments de laboratoire. Même la technologie des transistors de la première génération n'était pas adaptée ; ce n'est qu'avec le développement de la microtechnologie des circuits intégrés (CI) à puce de silicium à faible coût que le capteur à effet Hall est devenu adapté à une application de masse. Les appareils vendus aujourd'hui comme capteurs à effet Hall contiennent à la fois le capteur tel que décrit ci-dessus et un amplificateur à CI à gain élevé dans un seul boîtier. Ces CI de capteurs à effet Hall peuvent ajouter un régulateur de tension stable en plus de l'amplificateur pour permettre un fonctionnement sur une large plage de tension d'alimentation et augmenter la tension Hall pour une sortie de signal analogique pratique proportionnelle à la composante du champ magnétique. Dans certains cas, le circuit linéaire peut annuler la tension de décalage des capteurs à effet Hall. De plus, la modulation CA du courant d'attaque peut également réduire l'influence de cette tension de décalage.

Les capteurs à effet Hall sont dits linéaires si leur sortie est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique incident. Ce signal de sortie peut être une tension analogique , un signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) ou être communiqué numériquement via un protocole de bus moderne . Les capteurs à effet Hall peuvent également être ratiométriques si leur sensibilité est également proportionnelle à leur tension d'alimentation. Sans champ magnétique appliqué, leur tension de sortie au repos est généralement la moitié de la tension d'alimentation. Ils peuvent avoir une sortie rail-to-rail (par exemple, A1302).

Bien que l'élément Hall soit un dispositif analogique , les circuits intégrés de commutation Hall intègrent souvent en plus un circuit de détection de seuil pour former un commutateur électronique doté de deux états (marche et arrêt) qui génèrent un signal numérique binaire .

Leurs sorties peuvent être des transistors NPN à collecteur ouvert (ou des MOSFET de type n à drain ouvert ) pour la compatibilité avec les circuits intégrés qui utilisent des tensions d'alimentation différentes. Plutôt qu'une tension produite au niveau du fil de sortie du signal du capteur Hall, un transistor de sortie est activé, fournissant un circuit à la terre via le fil de sortie du signal.

Le filtrage par déclenchement de Schmitt peut être appliqué (ou intégré dans le circuit intégré) pour fournir une sortie numérique propre et robuste contre le bruit du capteur. Les seuils d'hystérésis pour la commutation (spécifiés comme B _OP et B _RP ) classent les circuits intégrés Hall numériques en commutateurs unipolaires , commutateurs omnipolaires ou commutateurs bipolaires , qui peuvent parfois être appelés verrous. Unipolaire (par exemple, A3144) fait référence au fait d'avoir des seuils de commutation dans une seule polarité du champ magnétique. Les commutateurs omnipolaires ont deux ensembles de seuils de commutation, pour les polarités positives et négatives, et fonctionnent donc alternativement avec un champ magnétique positif ou négatif fort.

Les commutateurs bipolaires ont un B _{OP positif et un B RP} négatif (et nécessitent donc des champs magnétiques positifs et négatifs pour fonctionner). La différence entre B _OP et B _RP tend à être plus grande pour les commutateurs bipolaires décrits comme des verrous, qui restent dans un état beaucoup plus longtemps (c'est-à-dire qu'ils se verrouillent sur leur dernière valeur) et nécessitent une intensité de champ plus élevée pour changer d'état que les commutateurs bipolaires. La distinction de dénomination entre « bipolaire » et « verrou » peut être un peu arbitraire, par exemple, la fiche technique du Honeywell SS41F le décrit comme « bipolaire », tandis qu'un autre fabricant décrit son SS41F avec des spécifications comparables comme un « verrou ».

Les éléments à effet Hall mesurent uniquement la composante de l'axe de détection du vecteur de champ magnétique. Étant donné que cette composante axiale peut être positive ou négative, certains capteurs à effet Hall peuvent détecter la direction binaire de la composante axiale en plus de sa grandeur. Un élément à effet Hall orienté perpendiculairement supplémentaire (par exemple dans les circuits intégrés de capteurs à effet Hall doubles) doit être incorporé pour déterminer une direction 2D, et un autre élément à effet Hall orienté perpendiculairement doit être ajouté pour détecter les composantes 3D complètes du vecteur de champ magnétique.

Les circuits intégrés de capteurs à effet Hall étant des dispositifs à semi-conducteurs , ils ne sont pas sujets à l'usure mécanique. Ainsi, ils peuvent fonctionner à des vitesses beaucoup plus élevées que les capteurs mécaniques et leur durée de vie n'est pas limitée par une défaillance mécanique (contrairement aux potentiomètres , aux commutateurs à lames électromécaniques , aux relais ou à d'autres commutateurs et capteurs mécaniques). Cependant, les capteurs à effet Hall peuvent être sujets à une dérive thermique due aux changements des conditions environnementales et à une dérive temporelle au cours de la durée de vie du capteur.

Les dispositifs à effet Hall (lorsqu'ils sont correctement conditionnés) sont insensibles à la poussière, à la saleté, à la boue et à l'eau. Ces caractéristiques rendent les dispositifs à effet Hall plus adaptés à la détection de position que d'autres moyens tels que la détection optique et électromécanique.

La bande passante des capteurs à effet Hall pratiques est limitée à quelques centaines de kilohertz , les capteurs commerciaux en silicium étant généralement limités à 10–100 kHz. En 2016 , le capteur à effet Hall le plus rapide disponible sur le marché avait une bande passante de 1 MHz mais utilisait des semi-conducteurs non standard.

Le flux magnétique provenant de l'environnement (tel que d'autres fils) peut diminuer ou augmenter le champ que la sonde Hall est censée détecter, rendant les résultats inexacts. Les capteurs Hall peuvent facilement détecter les champs magnétiques parasites, y compris celui de la Terre, et fonctionnent donc bien comme boussoles électroniques : mais cela signifie également que ces champs parasites peuvent entraver les mesures précises de petits champs magnétiques. Pour résoudre ce problème, les capteurs Hall sont souvent intégrés à un blindage magnétique d'une certaine sorte.

Les positions mécaniques au sein d'un système électromagnétique peuvent être mesurées sans effet Hall à l'aide de codeurs de position optiques (par exemple, des codeurs absolus et incrémentaux ) et d'une tension induite en déplaçant la quantité de noyau métallique insérée dans un transformateur . Lorsque l'on compare l'effet Hall aux méthodes photosensibles, il est plus difficile d'obtenir une position absolue avec l'effet Hall.

Alors qu'un seul élément Hall est sensible aux champs magnétiques externes, une configuration différentielle de deux éléments Hall peut annuler les champs parasites des mesures, de manière analogue à la manière dont les signaux de tension en mode commun sont annulés à l'aide d'une signalisation différentielle .

Les matériaux suivants sont particulièrement adaptés aux capteurs à effet Hall :

• Arséniure de gallium (GaAs)
• Arséniure d'indium (InAs)
• Phosphure d'indium (InP)
• Antimoniure d'indium (InSb)
• Graphène

Les capteurs à effet Hall peuvent être utilisés dans divers capteurs tels que les capteurs de vitesse de rotation (roues de bicyclette, dents d'engrenage, compteurs de vitesse automobiles , systèmes d'allumage électronique), les capteurs de débit de fluide , les capteurs de courant et les capteurs de pression . Les capteurs à effet Hall sont couramment utilisés pour chronométrer la vitesse des roues et des arbres (par exemple, figure 1), comme pour le calage de l'allumage des moteurs à combustion interne , les tachymètres et les systèmes de freinage antiblocage .

Les applications courantes sont souvent celles où une alternative robuste et sans contact à un interrupteur ou un potentiomètre mécanique est requise. Il s'agit notamment des pistolets airsoft électriques , des gâchettes de pistolets de paintball électropneumatiques , des régulateurs de vitesse de karting , des smartphones et de certains systèmes de positionnement global.

L’une des applications industrielles les plus courantes des capteurs à effet Hall utilisés comme commutateurs binaires est la détection de position (par exemple, figure 2).

Les capteurs à effet Hall sont utilisés pour détecter si le couvercle d'un smartphone (qui comprend un petit aimant) est fermé.

Certaines imprimantes informatiques utilisent des capteurs à effet Hall pour détecter le papier manquant et les capots ouverts et certaines imprimantes 3D les utilisent pour mesurer l'épaisseur du filament.

Les capteurs à effet Hall sont utilisés dans certains indicateurs de niveau de carburant automobile en détectant la position d'un élément flottant dans le réservoir de carburant.

Les capteurs à effet Hall fixés sur des jauges mécaniques dotées d'aiguilles indicatrices magnétisées peuvent traduire la position physique ou l'orientation de l'aiguille indicatrice mécanique en un signal électrique qui peut être utilisé par des indicateurs électroniques, des commandes ou des dispositifs de communication.

Les magnétomètres à effet Hall (également appelés teslamètres ou gaussmètres) utilisent une sonde Hall avec un élément Hall pour mesurer les champs magnétiques ou inspecter les matériaux (tels que les tubes ou les pipelines) en utilisant les principes de fuite de flux magnétique . Une sonde Hall est un appareil qui utilise un capteur à effet Hall étalonné pour mesurer directement l'intensité d'un champ magnétique. Étant donné que les champs magnétiques ont une direction ainsi qu'une amplitude, les résultats d'une sonde Hall dépendent de l'orientation, ainsi que de la position, de la sonde.

Les capteurs à effet Hall peuvent être utilisés pour des mesures sans contact du courant continu dans les transformateurs de courant . Dans un tel cas, le capteur à effet Hall est monté dans un espace du noyau magnétique autour du conducteur de courant. En conséquence, le flux magnétique CC peut être mesuré et le courant continu dans le conducteur peut être calculé.

Lorsque des électrons circulent dans un conducteur, un champ magnétique est produit. Il est ainsi possible de réaliser un capteur de courant sans contact ou ampèremètre . Le dispositif comporte trois bornes. Une tension de capteur est appliquée sur deux bornes et la troisième fournit une tension proportionnelle au courant détecté. Cela présente plusieurs avantages : aucune résistance supplémentaire (un shunt , nécessaire pour la méthode de détection de courant la plus courante) n'est nécessaire dans le circuit primaire. De plus, la tension présente sur la ligne à détecter n'est pas transmise au capteur, ce qui renforce la sécurité des équipements de mesure.

L'intégration d'un capteur à effet Hall dans un anneau de ferrite (comme illustré) concentre la densité de flux du champ magnétique du courant le long de l'anneau de ferrite et à travers le capteur (car le flux circule à travers la ferrite beaucoup mieux que dans l'air), ce qui réduit considérablement l'influence relative des champs parasites d'un facteur 100 ou plus. Cette configuration permet également une amélioration du rapport signal/bruit et des effets de dérive de plus de 20 fois celle d'un dispositif à effet Hall nu.

La portée d'un capteur traversant donné peut également être étendue vers le haut et vers le bas par un câblage approprié. Pour étendre la portée à des courants plus faibles, plusieurs tours du fil porteur de courant peuvent être réalisés à travers l'ouverture, chaque tour ajoutant à la sortie du capteur la même quantité ; lorsque le capteur est installé sur une carte de circuit imprimé, les tours peuvent être réalisés par une agrafe sur la carte. Pour étendre la portée à des courants plus élevés, un diviseur de courant peut être utilisé. Le diviseur divise le courant sur deux fils de largeurs différentes et le fil le plus fin, transportant une plus petite proportion du courant total, passe à travers le capteur.

Une variante du capteur annulaire utilise un capteur divisé qui est fixé sur la ligne, ce qui permet d'utiliser l'appareil dans un équipement de test temporaire. S'il est utilisé dans une installation permanente, un capteur divisé permet de tester le courant électrique sans démonter le circuit existant.

La sortie est proportionnelle au champ magnétique appliqué et à la tension appliquée au capteur. Si le champ magnétique est appliqué par un solénoïde, la sortie du capteur est proportionnelle au produit du courant traversant le solénoïde et de la tension du capteur. Comme la plupart des applications nécessitant des calculs sont désormais effectuées par de petits ordinateurs numériques , l'application utile restante est la détection de puissance, qui combine la détection de courant et la détection de tension dans un seul dispositif à effet Hall.

En détectant le courant fourni à une charge et en utilisant la tension appliquée de l'appareil comme tension de capteur, il est possible de déterminer la puissance dissipée par un appareil pour former un wattmètre .

Les dispositifs à effet Hall utilisés dans les détecteurs de mouvement et les interrupteurs de fin de course peuvent offrir une fiabilité accrue dans des environnements extrêmes. Comme il n'y a pas de pièces mobiles impliquées dans le capteur ou l'aimant, l'espérance de vie typique est améliorée par rapport aux interrupteurs électromécaniques traditionnels. De plus, le capteur et l'aimant peuvent être encapsulés dans un matériau de protection approprié.

Couramment utilisé dans les distributeurs pour le calage de l'allumage (et dans certains types de capteurs de position de vilebrequin et d'arbre à cames pour le calage des impulsions d'injection, la détection de vitesse, etc.), le capteur à effet Hall est utilisé comme remplacement direct des points de rupture mécaniques utilisés dans les applications automobiles antérieures. Son utilisation comme dispositif de calage de l'allumage dans divers types de distributeurs est la suivante : un aimant permanent stationnaire et une puce semi-conductrice à effet Hall sont montés l'un à côté de l'autre, séparés par un entrefer, formant ainsi le capteur à effet Hall.

Un rotor métallique constitué de fenêtres ou de languettes est monté sur un arbre et disposé de telle sorte que pendant la rotation de l'arbre, les fenêtres ou les languettes traversent l'entrefer entre l'aimant permanent et la puce à effet Hall semi-conductrice. Cela protège et expose efficacement la puce à effet Hall au champ de l'aimant permanent, qu'une languette ou une fenêtre traverse le capteur à effet Hall ou non. Pour des raisons de calage de l'allumage, le rotor métallique aura plusieurs fenêtres ou languettes de taille égale correspondant au nombre de cylindres du moteur (la languette du cylindre n°1 sera toujours unique pour permettre le discernement par l'unité de commande du moteur).

Cela produit une sortie uniforme similaire à une onde carrée puisque le temps de blindage et d'exposition est égal. Ce signal est utilisé par l'ordinateur du moteur ou l'ECU pour contrôler le calage de l'allumage.

La détection de la rotation des roues est particulièrement utile dans les systèmes de freinage antiblocage . Les principes de ces systèmes ont été étendus et affinés pour offrir plus que des fonctions antidérapantes, offrant désormais des améliorations étendues de la maniabilité du véhicule .

Certains types de moteurs électriques à courant continu sans balais utilisent des capteurs à effet Hall pour détecter la position du rotor et transmettre cette information au contrôleur du moteur. Cela permet un contrôle plus précis du moteur. Les capteurs à effet Hall des moteurs à courant continu sans balais à 3 ou 4 broches détectent la position du rotor et commutent les transistors dans la bonne séquence.

Un propulseur à effet Hall (HET) est un dispositif utilisé pour propulser certains engins spatiaux , après leur mise en orbite ou plus loin dans l'espace. Dans le HET, les atomes sont ionisés et accélérés par un champ électrique . Un champ magnétique radial établi par des aimants sur le propulseur est utilisé pour piéger les électrons qui orbitent ensuite et créent un champ électrique dû à l'effet Hall. Un potentiel élevé est établi entre l'extrémité du propulseur où le propulseur neutre est alimenté et la partie où les électrons sont produits ; ainsi, les électrons piégés dans le champ magnétique ne peuvent pas tomber au potentiel inférieur. Ils sont donc extrêmement énergétiques, ce qui signifie qu'ils peuvent ioniser les atomes neutres. Le propulseur neutre est pompé dans la chambre et est ionisé par les électrons piégés. Les ions positifs et les électrons sont ensuite éjectés du propulseur sous forme de plasma quasi-neutre , créant une poussée. La poussée produite est extrêmement faible, avec un débit massique très faible et une vitesse d'échappement effective/impulsion spécifique très élevée. Ceci est obtenu au prix de besoins en puissance électrique très élevés, de l’ordre de 4 kW pour quelques centaines de millinewtons de poussée.

Les circuits intégrés de capteurs à effet Hall intègrent souvent de l'électronique numérique. Cela permet des corrections avancées des caractéristiques du capteur (par exemple des corrections du coefficient de température), une communication numérique avec les systèmes à microprocesseur et peut fournir des interfaces pour les diagnostics d'entrée, la protection contre les défauts pour les conditions transitoires et la détection de court-circuit/circuit ouvert.

Certains circuits intégrés de capteurs à effet Hall incluent un DSP , qui peut permettre davantage de techniques de traitement directement dans le boîtier du capteur.

Certains circuits intégrés de capteurs à effet Hall intègrent un convertisseur analogique-numérique et un circuit ^intégré I2C (protocole de communication inter-circuits intégrés) pour une connexion directe au port d'E/S d' un microcontrôleur .

Le microcontrôleur ESP32 dispose même d'un capteur Hall intégré qui pourrait hypothétiquement être lu par le convertisseur analogique-numérique interne du microcontrôleur , bien qu'il ne fonctionne pas.

Les capteurs à effet Hall nécessitent normalement au moins trois broches (pour l'alimentation, la masse et la sortie). Cependant, les circuits intégrés à deux fils n'utilisent qu'une broche d'alimentation et de masse et communiquent plutôt les données à l'aide de différents niveaux de courant. Plusieurs circuits intégrés à deux fils peuvent fonctionner à partir d'une seule ligne d'alimentation, pour réduire encore davantage le câblage.

Les commutateurs à effet Hall pour claviers d'ordinateur ont été développés à la fin des années 1960 par Everett A. Vorthmann et Joseph T. Maupin chez Honeywell . En raison des coûts de fabrication élevés, ces claviers étaient souvent réservés aux applications à haute fiabilité telles que l'aérospatiale et l'armée. Les coûts de production de masse ayant diminué, un nombre croissant de modèles grand public sont devenus disponibles.

Des capteurs à effet Hall peuvent également être trouvés sur certains claviers de jeu hautes performances (fabriqués par des sociétés telles que SteelSeries , Wooting, Corsair ), les commutateurs eux-mêmes contenant des aimants.

Bien que Sega ait été le pionnier de l'utilisation de capteurs à effet Hall dans son contrôleur Sega Saturn 3D et son contrôleur de stock Dreamcast à partir des années 1990, les capteurs à effet Hall n'ont commencé à gagner en popularité pour une utilisation dans les contrôleurs de jeu grand public que depuis le début des années 2020, notamment dans les mécanismes de stick / joystick analogique et de déclenchement, pour une expérience améliorée en raison de leurs mesures de position et de mouvement sans contact, haute résolution et à faible latence et de leur durée de vie plus longue en raison de l'absence de pièces mécaniques.

Les applications de la détection à effet Hall se sont également étendues aux applications industrielles, qui utilisent désormais des joysticks à effet Hall pour contrôler les vannes hydrauliques, remplaçant les leviers mécaniques traditionnels par une détection sans contact. Ces applications comprennent les camions miniers, les chargeuses-pelleteuses, les grues, les excavatrices, les élévateurs à ciseaux, etc.

Certains circuits intégrés comprennent deux éléments à effet Hall. Cela est utile pour compter une série d'incréments (un codeur incrémental ) afin de fabriquer un codeur linéaire ou rotatif , dans lequel un agencement mobile ou rotatif d'aimants produit un motif magnétique alternatif détecté comme un motif codé en quadrature . Ce motif peut ensuite être décodé pour fournir à la fois la vitesse et la direction du mouvement ou simplement compté de haut en bas pour déterminer la position ou l'angle. (Lorsqu'un seul élément à effet Hall est utilisé, la direction des codeurs linéaires ou rotatifs ne peut pas être déterminée). Les deux éléments placés à une distance précise l'un de l'autre sur la matrice peuvent être orientés dans la même direction, auquel cas le pas pôle à pôle magnétique doit idéalement être deux fois le pas élément à effet Hall. Alternativement, les éléments à effet Hall peuvent être orientés à 90 degrés pour fournir une détection sur deux axes.