기술자료
DAEHWA E/M CO.,LTD.
01. Hall Sensor (Hall 소자,Hall IC)에 대한 이해
(1) Hall 소자의 기초
Hall 소자(Hall Element)는 홀효과(Hall Effect)를 이용한 자기-전기 변환기(Magneto-Electro Tra-nsducer)이다.
그림 4.1.1. 에서 두께 인 적절한 반도체 물질의 1과 3 단자를 통하여 제어전류를 인가하고, 이 Wafer에 수직한 방향으로 Magnetic flux density B인 자계가 가해지면 단자 1과 3에 수직한 방향에 놓인 2와 4단자 사이에 의 전위차가 발생한다.
이를 Hall 출력 전압이라고 하며
로 주어진다. 즉 Hall 소자는 제어전류와 Magnetic Flux Density B의 곱에 비례하는 전압 VH를 출력하게 된다.
(2) Hall 소자를 구동하는 방법
1) 정전류구동방법
정전류(IC) 구동에 의한 출력전압 VH 는 식(4.1.1) 과 같이
주어지고 Hall Coefficient RR는
이 되고 그 값은 일반적으로 온도에 따라서 그림 4.1.2 와 같은 특성을 나타낸다.
2) 정전압구동방법
정전압(VC)구동에 의한 출력전압 VH는
이 되고 전자이동도(electron mobility) μH의 온도의존성(즉, VH의 온도의존성) 은 그림 4.1.3 과 같다.
따라서 정전압 구동은 넓은 온도 범위에서 효용성이 있다.
(3) Hall 소자 매질 특성
표4.3.1) Hall 소자 매질의 특성
| Material of Hall Element | Electron Mobility μH[cm2/V sec] |
Output Voltage of Hall Element VH[mV/3V50mT] |
|---|---|---|
| Si | 1,450 | 6 |
| GaAs | 8,000 | 40 |
| Insb | 75,000 | 250* |
*[mV / 1V50mT]
(4) Hall Effect IC의 이해
Hall Effect IC는 그림4.4.1 과 같이 정전압 회로, Hall Cell, 증폭회로, Schmitt trigger, Open Collector output 으로 구성되어 있고, Hall 소자는 4pin으로 구성되어 있는것에 반하여 Vcc, Ouput, GND의 3pin으로 되어 있다. 이러한 Hall IC는 bipolar 나 MOS Logic 회로등에 직접적으로 적용될 수 있으며, Noise 에 둔감하고 신뢰성이 있다. Hall IC는 크게 Unipolar Digital Switch Type 과 Bipolar Digital Latch Type으로 생산 되어지고 있다.
1) Unipolar Digital Switch
Unipolar Digital Switch 는 그림4.4.2 와 같이 Operating Threshold보다 크거나 같은 Magnetic Flux density(Bop)에서 ON이 되고, Release Thershold 보다 작은 Magnetic Flux density(Brp) 에서 OFF된다. 이것은 위치센서로 사용될 수 있다.
2) Bipolar Digital Latch
Bipolar Digital Latch는 그림4.4.3 와 같이 Operating Threshold 보다 크거나 같은 Magnetic Flux density(Bop)에서 ON이 되고, Release Thershold 보다 크거나 같은 반대극 Magnetic Flux density(Brp)에서 OFF된다. 따라서 이 스위치는 Switch이 발생하기 위하여는 교번하는 자계(Alternating Magnetic Field) 에 놓여야 한다. 이것은 BLDC Motor 와 같은 회전체의 속도센서로 사용될 수 있다.
(5) Hall IC의 일반적인 조건 (예, Asahi Kasei Electronics Hall Efferct IC; EW-series)
1) 다리모양변
다리를 구부리는 경우, 형태를 유지하기 위하여 다음의 조건이 요구된다.
① 수지패키지(Resin Package)에 어떤 기계적인 압력도 가해지지 않아야 한다.
② 다리에 어떤 토크도 가해지지 않아야 한다.
③ 어떤 장력도 권장되지 않는다. 그림 4.5.1 의 조건은 반드시 지켜져야 만 한다.
2) 납땜조건
① 납땜온도 : 그림 4.5.2 참조 ② Re-Flow : 그림 4.5.3 참조
③ 납땜인두 : 인두는 수지 패키지로 부터 적어도 1mm 떨어져서 작업 필요 ( 조건 - a)280˚C : 10 sec , b) 350˝C : 5 sec)
④ Soldering paste 는 Rosin Type 을 사용
3) 세척조건
① 에탄올, 이소프로필알코올
② 온도 : 50˚C
③ 시간 : 5분
④ 초음파세척기를 사용하는 경우 : f : 45kHz, power : 40W/ℓ
4) 최대 허용조건
최대허용조건은 최악의 조건이하를 기준으로 하는 것이 아니라 동작조건 값으로 제한하고 있다. 정상 동작을 위하여 최대 허용값을 초과 해서는 안 된다. 만약 초과 했다면, 비록 소자가 계속 동작하고 있다 할지라도, 그것의 수명은 아마도 적지 않게 짧아진다. 위의 어떤 조건의 경우에도 기술된 최대접합온도(usually + 125°C)이상을 초과하지 않아야 한다.
(6) Hall IC를 이용한 설계시 고려사항 (예, Allefro MicroSystems, Inc., AN27701)
자계 강도(The strength of Magnetic Field)는 자극면에서 가장 강하고, 자석으로부터 거리가 멀어지면 그 값은 줄어든다. 자계강도는 gaussmeter나 Calibrated linear Hall Sensor를 이용하여 측정할 수 있다. 자계 강도(Magnetic Flux Density) 그래프는 자석의 움직이는 정해진 경로를 따른 거리의 함수이다. 주의할 것은 자계 강도의 그래프는 그림 4.6.1 과 같이 선형적이지 않으며(~1/7 ), 자석의 형상, 자기회로, 자석의 경로에 매우 의존적이라는 것이다.
1) Total Effective Air Gap
Total Effective Air Gap(TEAG) 은 Hall IC 표면으로부터 Hall 소자까지의 유효거리(Active Area Depth) 와 Hall IC 표면과 Magnet 표면의 거리의 합이다.(그림4.6.2 참조)
2) Mode of Operation
bar 또는 rod 형의 단순한 영구자석에 대하여 고려하여도 가능한 여러가지 동작경로가 있다. 첫 번째는 자극이 Hall 소자의 수직한 방향으로 직선적으로 움직이는 head-on mode의 경우이다. 원통형 자석의 경우 전형적인 Magnet flux density의 TEAG 에 대한 함수를 그림4.6.2 에 나타나 있다.
두 번째는 그림 4.6.3 에 그려진 것과 같이 Hall 소자의 측면으로 부터 자석이 움직이는 slide-by mode 이다. 여기에서 주의할 것은 거리가 TEAG가 아니라 자석의 중심선과 Hall 소자의 중심선 간의 수직한 거리(D)이다. slide-by magnetic circuit 에서 강한 자석이나 철을 함유한 flux 유도기(ferrous flux concentrator)를 이용하는 것은 head-on mode 보다 더 작은 자석의 이동에 대하여더 좋은 감도를 나타낼 수 있다.
일반적으로 자석 생산업체는 head-on mode 에 대한 curve만을 제공하는데 이것을 이용하여 slide-by mode에서 주어진 TEAG(Total Effective Air Gap)에 해당하는 peakfluxdensity만을 찾을 수 있다. 그 값의 변화에 따른 curve 가 그림 4.6.4 에 나타나 있다.
(7) Hall 소자 및 Hall IC의 응용분야
