De robuuste Hall-effect sensoren kunnen de computer goedkoop van tastzin voorzien. Helaas rommelen ze maar wat aan met hun signaal. Dr.ir. S. Bellekom ontwierp een sensor die het effect in toom houdt.
De micro-elektronica ontwikkelt zich nogal eenzijdig. Computers worden krachtiger en goedkoper maar zijn eigenlijk nog steeds zwaar gehandicapt. Blind en doof wachten ze op de klopsignalen die de gebruiker via muis en toetsenbord aan ze doorgeeft. Om de doorsijpelende informatie vervolgens te verpletteren onder een stortvloed van honderden MegaHertzen.
De intelligente producten van morgen zullen eigen ogen en oren moeten krijgen om aan de verwachtingen te voldoen. Hoewel het met de verwerkingscapaciteit van de microprocessoren wel goed zit, moet op het gebied van sensoren echter nog veel gebeuren. De huidige voelers zijn te duur, te groot en te kwetsbaar voor huis-, tuin- en keukentoepassingen. Als de lichtoogjes vuil worden en de contactschakelaars slijten, laat menig apparaat het dan ook afweten.
In kritische toepassingen grijpen ontwerpers daarom naar de Hall-effect sensor, met name als de positie of rotatiesnelheid van een onderdeel in het geding is. Behalve de sensor is dan vaak nog een magneetje nodig, maar omdat deze twee geen contact maken treedt er verder geen slijtage op. Een robuuste oplossing die bovendien vrij ongevoelig is voor vuil. Hall-sensoren, waarvan er jaarlijks 100 miljoen stuks over de toonbank gaan, regelen de ontsteking in automotoren, worden verwerkt in fietscomputers en ontdekken haarscheurtjes in vliegtuigrompen.
Voorlopig blijft het daar ook bij. Hall-sensoren hebben namelijk een onhebbelijkheid. ,,In een ideale situatie zou de sensor geen signaal af moeten geven als het magnetisch veld nul is. Maar helaas, je meet toch altijd een kleine spanning”, aldus dr.ir. S. Bellekom van het werkverband elektronische instrumentatie van ITS. Zij promoveerde maandag op een STW-onderzoek naar spinning-current Hall-sensoren.
Curiositeit
Dat Hall-sensoren ook spanning opwekken als er in geen velden of wegen een magneet te bekennen is, een fenomeen dat bekend staat als offset, maakt ze minder geschikt voor nauwkeurige metingen. Daarom worden de sensoren vooral gebruikt om de positie van een onderdeel te bepalen. In toetsenborden voor computers bijvoorbeeld, waarbij de sensor bij het indrukken van een knop een puls afgeeft. Voor meer geavanceerde toepassingen, zoals afstandsmetingen, is het Hall-principe niet erg geschikt.
Intussen heeft de industrie wel oren naar Hall-sensoren met een kleine offset. Bellekom: ,,Laatst werd ik nog benaderd door iemand van ASM Lithography, een bedrijf dat wafer steppers voor de chipsindustrie maakt en daar Hall-sensoren in verwerkt. Daar lopen ze voortdurend tegen dit probleem op. Om de positie van de chips te bepalen heb je tenslotte een grote meetnauwkeurigheid nodig. Maar door de offset houdt het ergens op.”
Het Hall-effect werd overigens al in 1879 ontdekt door de Amerikaanse fysicus Edwin Herbert Hall, die vooral thermo-elektrische verschijnselen in metalen onderzocht. Hij liet een constante stroom door een plaatje van halfgeleidermateriaal lopen en plaatste het in een magnetisch veld. Haaks op het oppervlak van het plaatje nam hij toen elektrische spanning waar die evenredig was met de sterkte van het magneetveld. Een curiositeit, zeker omdat het bestaan van het elektron indertijd nog niet experimenteel was bevestigd.
Tot halverwege deze eeuw kwam het Hall-effect zelfs niet buiten de laboratoria. Het voltage dat de plaatjes opwekten was namelijk te laag voor praktische toepassingen. Door verbeteringen in de halfgeleidertechnologie werd het echter mogelijk Hall-voltages te produceren die hoger uitvielen.Desondanks is de spanning nog zeer laag, en is versterking en bewerking nodig om een bruikbaar signaal te krijgen.
En dan is er dus nog die offset. Bellekom keek in haar onderzoek naar de oorzaken van dit verschijnsel en de mogelijke oplossingen. Mechanische spanningen, onnauwkeurigheden tijdens de productie en temperatuurverschillen blijken de grootste boosdoeners. ,,Dat levert al gauw een offset van enkele milli-Tesla op. Ter vergelijking: het magneetveld van de aarde heeft een sterkte van rond de veertig micro-Tesla. Die offset is dus niet altijd acceptabel, bijvoorbeeld als je een kompas met Hall-plaatjes wilt maken.”
Draaimolen
Bellekom onderzocht zeven operationele parameters die de offset zouden kunnen sturen, maar die bleek daar toch niet erg gevoelig voor te zijn. In de loop der jaren zijn wel vele oplossingen bedacht om de offset te verminderen. ,,Je kunt bijvoorbeeld proberen het magnetisch veld van de aarde af te schermen, en dan de sensor op nul zetten. Daar wordt al onderzoek naar gedaan, maar dat is allemaal nog in een heel experimenteel stadium.”
Bellekom haakte aan bij een eerder onderzoek binnen haar werkverband, dat een verfijning opperde voor een andere veelgebruikte oplossing. Hierbij wordt de stroom die door het Hall-element loopt, afwisselend in twee haaks op elkaar staande richtingen gestuurd. Dat levert twee afzonderlijke metingen op, waarvan het gemiddelde een relatief storingvrij signaal
voortbrengt.
De spinning-current methode die Bellekom tot een prototype uitwerkte, eigenlijk een soort draaimolen voor elektronen, gaat nog verder. ,,Een schakeling stuurt de stroom cyclisch in acht richtingen door het plaatje”, vertelt ze. ,,Dat levert dus acht meetresultaten op, en als je die middelt hou je bijna alleen het Hall-effect over. De offset is daarmee ongeveer een factor duizend minder dan in gangbare Hall-sensoren.”
Aardig resultaat, maar nog niet genoeg voor een betaalbaar elektronisch kompas met Hall-plaatjes. ,,Daarvoor moet de offset nog zeker een factor twintig omlaag. Om die gevoeligheid te halen zou je ook flux concentrators kunnen gebruiken, een soort lensjes voor magnetische veldlijnen. Maar de lol is natuurlijk alle onderdelen in één geïntegreerd circuit te stoppen, en dat kan dan niet meer.”
De samensmelting van de Hall-sensor en de bijbehorende stuurelektronica, een ‘optimale combinatie’ volgens Bellekom, is de volgende stap in het onderzoek. ,,Ik heb geen exotische dingen toegepast, het is allemaal standaard technologie. En het zou onzinnig zijn de stuurelektronica en de sensor apart te ontwikkelen, dus integratie ligt voor de hand.”
Zij zal zich daar echter niet meer mee bezighouden. ,,Het onderzoek naar de fysische effecten in Hall-plaatjes wordt elders voortgezet. Het werkverband gaat hier nog wel verder met integratie van de sensor en de elektronica. Een vak apart, want voor je het weet introduceer je daarmee een fout die groter is dan die van de sensor zelf. En daar heb ik al dat werk natuurlijk niet voor verzet.”
Desondanks is Bellekom tijdens haar onderzoek geen grote verrassingen of problemen tegengekomen. ,,Ik heb veel metingen moeten uitvoeren, maar die waren meer ter controle bedoeld”, licht ze toe. ,,Het was namelijk vrij duidelijk wat voor resultaten daar uit zouden moeten komen. Wat mij vooral aantrok was uit te zoeken hoe mechanische spanning op het kristal inwerkt. Maar voor mij zit het er nu op. Wat ik hierna ga doen zie ik straks wel, maar nu ga ik eerst een tijdje lekker op reis.”
En naar het zich laat aanzien in elk geval zonder elektronisch kompas.
De micro-elektronica ontwikkelt zich nogal eenzijdig. Computers worden krachtiger en goedkoper maar zijn eigenlijk nog steeds zwaar gehandicapt. Blind en doof wachten ze op de klopsignalen die de gebruiker via muis en toetsenbord aan ze doorgeeft. Om de doorsijpelende informatie vervolgens te verpletteren onder een stortvloed van honderden MegaHertzen.
De intelligente producten van morgen zullen eigen ogen en oren moeten krijgen om aan de verwachtingen te voldoen. Hoewel het met de verwerkingscapaciteit van de microprocessoren wel goed zit, moet op het gebied van sensoren echter nog veel gebeuren. De huidige voelers zijn te duur, te groot en te kwetsbaar voor huis-, tuin- en keukentoepassingen. Als de lichtoogjes vuil worden en de contactschakelaars slijten, laat menig apparaat het dan ook afweten.
In kritische toepassingen grijpen ontwerpers daarom naar de Hall-effect sensor, met name als de positie of rotatiesnelheid van een onderdeel in het geding is. Behalve de sensor is dan vaak nog een magneetje nodig, maar omdat deze twee geen contact maken treedt er verder geen slijtage op. Een robuuste oplossing die bovendien vrij ongevoelig is voor vuil. Hall-sensoren, waarvan er jaarlijks 100 miljoen stuks over de toonbank gaan, regelen de ontsteking in automotoren, worden verwerkt in fietscomputers en ontdekken haarscheurtjes in vliegtuigrompen.
Voorlopig blijft het daar ook bij. Hall-sensoren hebben namelijk een onhebbelijkheid. ,,In een ideale situatie zou de sensor geen signaal af moeten geven als het magnetisch veld nul is. Maar helaas, je meet toch altijd een kleine spanning”, aldus dr.ir. S. Bellekom van het werkverband elektronische instrumentatie van ITS. Zij promoveerde maandag op een STW-onderzoek naar spinning-current Hall-sensoren.
Curiositeit
Dat Hall-sensoren ook spanning opwekken als er in geen velden of wegen een magneet te bekennen is, een fenomeen dat bekend staat als offset, maakt ze minder geschikt voor nauwkeurige metingen. Daarom worden de sensoren vooral gebruikt om de positie van een onderdeel te bepalen. In toetsenborden voor computers bijvoorbeeld, waarbij de sensor bij het indrukken van een knop een puls afgeeft. Voor meer geavanceerde toepassingen, zoals afstandsmetingen, is het Hall-principe niet erg geschikt.
Intussen heeft de industrie wel oren naar Hall-sensoren met een kleine offset. Bellekom: ,,Laatst werd ik nog benaderd door iemand van ASM Lithography, een bedrijf dat wafer steppers voor de chipsindustrie maakt en daar Hall-sensoren in verwerkt. Daar lopen ze voortdurend tegen dit probleem op. Om de positie van de chips te bepalen heb je tenslotte een grote meetnauwkeurigheid nodig. Maar door de offset houdt het ergens op.”
Het Hall-effect werd overigens al in 1879 ontdekt door de Amerikaanse fysicus Edwin Herbert Hall, die vooral thermo-elektrische verschijnselen in metalen onderzocht. Hij liet een constante stroom door een plaatje van halfgeleidermateriaal lopen en plaatste het in een magnetisch veld. Haaks op het oppervlak van het plaatje nam hij toen elektrische spanning waar die evenredig was met de sterkte van het magneetveld. Een curiositeit, zeker omdat het bestaan van het elektron indertijd nog niet experimenteel was bevestigd.
Tot halverwege deze eeuw kwam het Hall-effect zelfs niet buiten de laboratoria. Het voltage dat de plaatjes opwekten was namelijk te laag voor praktische toepassingen. Door verbeteringen in de halfgeleidertechnologie werd het echter mogelijk Hall-voltages te produceren die hoger uitvielen.Desondanks is de spanning nog zeer laag, en is versterking en bewerking nodig om een bruikbaar signaal te krijgen.
En dan is er dus nog die offset. Bellekom keek in haar onderzoek naar de oorzaken van dit verschijnsel en de mogelijke oplossingen. Mechanische spanningen, onnauwkeurigheden tijdens de productie en temperatuurverschillen blijken de grootste boosdoeners. ,,Dat levert al gauw een offset van enkele milli-Tesla op. Ter vergelijking: het magneetveld van de aarde heeft een sterkte van rond de veertig micro-Tesla. Die offset is dus niet altijd acceptabel, bijvoorbeeld als je een kompas met Hall-plaatjes wilt maken.”
Draaimolen
Bellekom onderzocht zeven operationele parameters die de offset zouden kunnen sturen, maar die bleek daar toch niet erg gevoelig voor te zijn. In de loop der jaren zijn wel vele oplossingen bedacht om de offset te verminderen. ,,Je kunt bijvoorbeeld proberen het magnetisch veld van de aarde af te schermen, en dan de sensor op nul zetten. Daar wordt al onderzoek naar gedaan, maar dat is allemaal nog in een heel experimenteel stadium.”
Bellekom haakte aan bij een eerder onderzoek binnen haar werkverband, dat een verfijning opperde voor een andere veelgebruikte oplossing. Hierbij wordt de stroom die door het Hall-element loopt, afwisselend in twee haaks op elkaar staande richtingen gestuurd. Dat levert twee afzonderlijke metingen op, waarvan het gemiddelde een relatief storingvrij signaal
voortbrengt.
De spinning-current methode die Bellekom tot een prototype uitwerkte, eigenlijk een soort draaimolen voor elektronen, gaat nog verder. ,,Een schakeling stuurt de stroom cyclisch in acht richtingen door het plaatje”, vertelt ze. ,,Dat levert dus acht meetresultaten op, en als je die middelt hou je bijna alleen het Hall-effect over. De offset is daarmee ongeveer een factor duizend minder dan in gangbare Hall-sensoren.”
Aardig resultaat, maar nog niet genoeg voor een betaalbaar elektronisch kompas met Hall-plaatjes. ,,Daarvoor moet de offset nog zeker een factor twintig omlaag. Om die gevoeligheid te halen zou je ook flux concentrators kunnen gebruiken, een soort lensjes voor magnetische veldlijnen. Maar de lol is natuurlijk alle onderdelen in één geïntegreerd circuit te stoppen, en dat kan dan niet meer.”
De samensmelting van de Hall-sensor en de bijbehorende stuurelektronica, een ‘optimale combinatie’ volgens Bellekom, is de volgende stap in het onderzoek. ,,Ik heb geen exotische dingen toegepast, het is allemaal standaard technologie. En het zou onzinnig zijn de stuurelektronica en de sensor apart te ontwikkelen, dus integratie ligt voor de hand.”
Zij zal zich daar echter niet meer mee bezighouden. ,,Het onderzoek naar de fysische effecten in Hall-plaatjes wordt elders voortgezet. Het werkverband gaat hier nog wel verder met integratie van de sensor en de elektronica. Een vak apart, want voor je het weet introduceer je daarmee een fout die groter is dan die van de sensor zelf. En daar heb ik al dat werk natuurlijk niet voor verzet.”
Desondanks is Bellekom tijdens haar onderzoek geen grote verrassingen of problemen tegengekomen. ,,Ik heb veel metingen moeten uitvoeren, maar die waren meer ter controle bedoeld”, licht ze toe. ,,Het was namelijk vrij duidelijk wat voor resultaten daar uit zouden moeten komen. Wat mij vooral aantrok was uit te zoeken hoe mechanische spanning op het kristal inwerkt. Maar voor mij zit het er nu op. Wat ik hierna ga doen zie ik straks wel, maar nu ga ik eerst een tijdje lekker op reis.”
En naar het zich laat aanzien in elk geval zonder elektronisch kompas.
Comments are closed.