Capteur à effet Hall

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Un capteur à effet Hall permet de mesurer un champ magnétique[2] et peut donc servir à fabriquer un teslamètre[2]. Dans la mesure où un courant électrique génère un champ magnétique, on peut se servir d'un capteur à effet Hall pour mesurer l'intensité d'un courant électrique en réalisant un capteur de courant à effet Hall[2].

Principe de fonctionnement [3][modifier | modifier le code]

Le dispositif à effet Hall, qui est probablement le capteur le plus familier et largement utilisé pour mesurer de forts champs magnétiques, est basé sur la découverte de l'effet Hall par Edwin H. Hall en 1897. L'effet Hall est une conséquence de la loi de la force de Lorentz, qui stipule que lorsqu'une charge mobile q est sollicité par un champ d'induction magnétique B, cette charge connaît une force F perpendiculaire au vecteur de champs. La vitesse v de la charge est exprimée dans l'équation suivante:

 \vec {F}=-q(\vec {E}+ \vec {v} . \vec {B})

Le dispositif à effet Hall est plat, mince et rectangulaire. Il est constitué d'un conducteur ou semi-conducteur. Deux paires d'électrodes sont placés de part et d'autres de ses côtés comme illustré.

Capteur à effet Hall. Un champ magnétique H appliqué perpendiculairement à la surface du capteur , parcouru par un : courant le long de la direction x , va générer une tension le long de la direction y . Ex est le champ électrique appliqué le long de l'axe x, et Ey est le champ de Hall le long de l'axe y .

Un champ électrique est appliqué le long de l'axe E_x. Quand un champ magnétique B_z est appliquée perpendiculairement à la surface du dispositif, les charges libres parcourant l'axe E_x , seront déviées vers l'axe de tension de Hall ou E_y. Comme le courant ne peut pas circuler dans l'axe E_y, cela va provoquer une accumulation de la charge le long de l'axe E_y qui permettra de créer un champ électrique qui produit une force d'opposition au mouvement des charges:

E_y =V_x B_z

v_x est la vitesse moyenne de dérive des électrons (ou porteurs majoritaires). Dans un conducteur qui contient n charges libres par unité de volume ayant une vitesse de dérive moyenne de v_x , la densité de courant est :

J_x = qn v_x

et

E_y=J_x B_z /qn=RhJ_x B_z

Avec Rh le coefficient de Hall.

Un semi-conducteur est traité en termes de la mobilité µ (dérive vitesse / de champ ) du support de la majorité (électron ou un trou ) et la conductivité σ. Dans ce cas:

E_y =\mu E_x B_z et E_x = J_x /\sigma

Donc

E_ y = (\mu/\sigma)*J_x B_z et Rh=\mu/\sigma

La valeur de Rh varie sensiblement d' un matériau à l'autre et dépend à la fois de la température et de l'amplitude du champ mesuré. Ses caractéristiques peuvent être contrôlées dans une certaine mesure par dopage du matériau de base avec quelques impuretés. Par exemple, le dopage à l'arsenic ou au germanium peut réduire la dépendance de la température au détriment de la sensibilité.

Le courant de commande typique pour les dispositifs à effet Hall est de 100 mA, mais certains fonctionnent à des courants plus faibles, de l'ordre de 1 mA . Les sensibilités varient de 10 mV/T à 1,4 V/T . Le capteur est généralement petit (de l'ordre de 10 mm carré de 0,5 mm d'épaisseur ), et une version à trois axes peut être logé dans une petite boîte. Ces dispositifs sont très efficaces pour la mesure de densités de flux allant de 50mT à 30T.

Utilisation[modifier | modifier le code]

Ils sont aussi utilisés comme détecteur de position sans contacts : dans les moteurs sans balais, par exemple, en détectant la variation de champ magnétique lors du passage des pôles du rotor[2] ou d'une pièce magnétique disposée de telle sorte qu'elle représente l'image des pôles de la machine.

Ils sont également utilisés en mécanique pour la détection de la position ou de la vitesse d'une pièce, par exemple un arbre tournant.

Les touches des claviers d'instruments de musique électroniques peuvent être pourvues de capteurs à effet Hall, en remplacement des contacteurs classiques, ce qui élimine l'usure des contacts électriques.

De nombreux modèles d'ordinateurs portables, certains smartphones et certaines tablettes numériques possèdent un capteur à effet Hall pour détecter la fermeture du couvercle ou d'une housse à clapet.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Steven A Macintyre, « Magnetic field measurement. », sur engineering.dartmouth.edu,‎ 2000
  2. a, b, c et d (en) Edward Ramsden, Hall-effect sensors – Theory and applications, Newnes (Elsevier),‎ , 272 p. (ISBN 978-0-7506-7934-3, lire en ligne).
  3. (en) Steven A Macintyre, « Magnetic field measurement. », sur engineering.dartmouth.edu,‎ 2000

Articles connexes[modifier | modifier le code]