Sensor Efek Hall

Efek Hall ditemukan pada tahun 1879 di Universitas Johns Hopkins oleh EH Hall. Awalnya, efek ini digunakan untuk mempelajari konduksi listrik dalam logam, semikonduktor, dan bahan konduktif lainnya. Saat ini, sensor Hall digunakan untuk mendeteksi medan magnet dan posisi, serta perpindahan benda.

Efek ini didasarkan pada interaksi antara muatan listrik yang bergerak dan medan magnet luar. Dalam logam, muatan tersebut adalah elektron. Ketika elektron bergerak melalui medan magnet, gaya yang bekerja pada muatan tersebut dinyatakan dalam

eq 1                                                                               (1)

dengan q = 1,6 × 10-19 C adalah muatan listrik, v adalah kecepatan elektron, dan B adalah induksi magnetik. Vektor magnetik (dicetak tebal) merupakan indikasi bahwa arah gaya dan besarnya tergantung pada hubungan spasial antara medan magnet dan arah gerakan elektron. Satuan B adalah 1 Tesla = 1 Newton / (Ampere meter) = 104 Gauss.

Mari kita berasumsi bahwa elektron bergerak di dalam strip konduktif datar yang ditempatkan dalam medan magnet B (Gambar 1). Strip memiliki dua kontak tambahan di kiri dan kanan yang terhubung ke voltmeter. Dua kontak lainnya ditempatkan di ujung atas dan bawah strip. Kontak ini terhubung ke sumber arus listrik.

Adanya medan magnet dapat menimbulkan gaya yang menyebabkan elektron bergerak ke sisi kanan strip, yang menjadi lebih negatif daripada sisi kiri; inilah proses di mana medan magnet dan arus listrik menghasilkan beda potensial yang disebut potensial Hall VH. Tanda dan amplitudo potensial ini bergantung pada besar dan arah medan magnet dan arus listrik. Pada suhu tetap, potensial ini bernilai

eq 2                                                                (2)

dengan α adalah sudut antara vektor medan magnet dan pelat Hall (Gambar 2), dan h adalah koefisien sensitivitas secara keseluruhan yang nilainya tergantung pada bahan pelat, geometri (area aktif), dan suhu.

hall effect

Sensitivitas sensor tergantung pada koefisien Hall, yang dapat didefinisikan sebagai gradien potensial listrik per satuan medan magnet per satuan rapat arus. Menurut teori elektron bebas dari logam, koefisien Hall dinyatakan sebagai

eq 3                                                                        (3)

dengan N adalah jumlah elektron bebas per satuan volume dan c adalah kecepatan cahaya.

Berdasarkan struktur kristal material, muatan dapat berupa elektron (negatif) atau lubang (positif). Sebagai akibatnya, efek Hall dapat berupa negatif atau positif .

Sebuah sensor linear efek Hall biasanya dikemas dalam komponen empat terminal. Terminal untuk menerapkan arus kontrol disebut terminal kontrol dan resistansi antara terminal tersebut disebut dengan resistansi kontrol Ri. Terminal di mana tegangan keluaran diamati disebut terminal keluaran diferensial dan resistansi antara terminal tersebut disebut sebagai resistansi keluaran diferensial, R0. Rangkaian setara sensor (Gambar 3) dapat diwakili oleh resistor yang saling melintang, dan dua sumber tegangan dihubungkan secara seri dengan terminal keluaran. Tanda silang ⊗ pada gambar menunjukkan arah medan magnet dari pengamat dengan bidang simbol.

Kemampuan sensor ditentukan oleh resistansi Ri dan R0 di kedua pasang terminal, tegangan offset saat tidak ada medan magnet, sensitivitas, dan koefisien temperatur. Kebanyakan sensor efek Hall terbuat dari silikon dan dibedakan dalam dua kategori umum: sensor dasar dan sensor terintegrasi. Bahan lain yang digunakan untuk pembuatan sensor adalah InSb, InAs, Ge, dan GaAs. Dalam sensor berbahan silikon, sebuah rangkaian elektronik antarmuka dapat dimasukkan ke dalam lapisan yang sama. Integrasi ini sangat penting karena tegangan efek Hall cukup rendah.

Rangkaian antarmuka mungkin memiliki ambang batas medan magnet. Hal ini mengakibatkan keluaran sensor bernilai 0 ketika medan magnet di bawah batas, dan bernilai 1 ketika medan magnet cukup kuat untuk melewati ambang batas.

Salah satu cara untuk membuat sensor Hall adalah dengan menggunakan substrat silikon p dengan ion n yang ditanamkan (Gambar 4A). Kontak listrik dihubungkan ke catu daya dan membentuk keluaran sensor. Unsur Hall adalah persegi sederhana dengan empat elektroda (Gambar 4B). Cara sederhana melihat sensor Hall adalah dengan membayangkannya sebagai jembatan resistif seperti diperlihatkan oleh Gambar 4C.

 

Sumber:

Dwi Tungga Dewi, Sasti. 2015. Rancang Bangun Sistem Pengukuran Arus Tinggi DC Menggunakan Metode Efek Hall. Jatinangor: Program Studi Fisika Universitas Padjadjaran

Fraden, Jacob. 2004. Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications, Third Edition. New York: Springer – Verlag

 

Advertisements

Blog at WordPress.com.

Up ↑