Capteur à effet hall

La technologie des capteurs à effet Hall repose sur un phénomène physique fondamental et a ses racines dans une découverte réalisée il y a près d’un siècle et demi. Le 28 octobre 1879, Edwin Herbert Hall, un physicien américain, mit en évidence l’existence d’une tension électrique perpendiculaire à un courant électrique et à un champ magnétique appliqués simultanément à un matériau conducteur. Cette observation, qui prit le nom d’effet Hall, a profondément influencé notre compréhension des propriétés des matériaux conducteurs et semi-conducteurs, ouvrant la voie à des innovations majeures dans l’électronique moderne, en particulier pour les capteurs magnétiques et les transducteurs de champ.

Le Principe Physique Fondamental

Le principe de l’effet Hall peut être expliqué par la Force de Lorentz. Lorsqu’une plaque conductrice est traversée par un courant d’intensité $I$, les porteurs de charge (des électrons dans un matériau conventionnel) se déplacent avec une vitesse de dérive $V$ dans la direction opposée à celle du courant. Si cette plaque est immergée dans un champ magnétique uniforme $B$ orienté perpendiculairement à la direction du courant, les porteurs de charge subissent une force magnétique, Fm, décrite par l’équation vectorielle $Fm=Q\; x(V\times B)$, où $Q$ est la charge d’un porteur.

Sous l’action de cette force, les porteurs de charge sont déviés vers un côté de la plaque, entraînant une accumulation de charges négatives sur un bord et un déficit de charges sur le bord opposé, qui devient ainsi positivement chargé. Cette répartition des charges crée un champ électrique transversal, le champ de Hall (Eh​), qui s’exerce perpendiculairement au flux de courant initial et au champ magnétique. Ce champ électrique génère à son tour une force électrique, Fe​ = Q x Eh​, qui s’oppose à la Force de Lorentz. L’équilibre est atteint lorsque les deux forces s’annulent.

Le résultat de ce phénomène est l’apparition d’une différence de potentiel mesurable entre les bords de la plaque, connue sous le nom de tension de Hall (Vh ou Uh​). L’amplitude de cette tension est directement proportionnelle à l’intensité du courant de polarisation $I$ et à la densité du champ magnétique $B$. La relation peut être exprimée par la formule Uh = Rh x ((​I x B) / d))​, où $d$ est l’épaisseur du matériau et Rh​ le coefficient de Hall, un paramètre intrinsèque qui dépend des propriétés du matériau utilisé.

Le signal de tension produit par le phénomène de Hall est extrêmement faible, typiquement de l’ordre de quelques microvolts. Historiquement, ce niveau de signal bas a limité les applications de l’effet Hall à des instruments de laboratoire coûteux et complexes. La démocratisation de cette technologie pour des applications de masse n’est devenue possible qu’avec le développement, au milieu du XXe siècle, des technologies d’amplification compactes et économiques. L’avènement des circuits intégrés a permis de miniaturiser et d’intégrer l’élément de Hall, le régulateur de tension, et l’amplificateur sur une seule puce, transformant ainsi le capteur à effet Hall en un composant électronique courant et fiable.

L’Évolution de la Technologie

Pour une compréhension complète du sujet, il est essentiel de distinguer le phénomène classique de l’effet Hall de ses manifestations quantiques. Dans certaines conditions extrêmes, à très basse température et sous un champ magnétique intense, la tension de Hall ne croît plus de manière linéaire mais par paliers quantifiés. Ce phénomène, connu sous le nom d’effet Hall quantique, a valu le prix Nobel de Physique à Klaus von Klitzing en 1985. Bien que cette version de l’effet Hall ne soit pas directement utilisée dans la majorité des capteurs industriels, elle a des applications de très haute précision, comme la calibration de résistances et la détermination de constantes physiques fondamentales. La découverte des effets Hall quantiques, qu’ils soient entiers ou fractionnaires, illustre la profondeur théorique du phénomène et son importance en physique quantique.

Architecture et Fonctionnement

Les Composants d’un Circuit Intégré de Capteur Hall

Le capteur à effet Hall tel qu’il est utilisé de nos jours est bien plus qu’une simple plaque conductrice. Il s’agit d’un circuit intégré sophistiqué qui regroupe plusieurs fonctions critiques sur une seule puce pour garantir sa fiabilité et sa performance.

• L’élément Hall : Il s’agit du transducteur physique, la fine bande de matériau semi-conducteur où la tension de Hall est générée en présence d’un champ magnétique perpendiculaire et d’un courant de polarisation.

• L’étage d’amplification : Compte tenu du très faible niveau de signal produit par l’élément Hall (quelques microvolts), un amplificateur à gain élevé est nécessaire pour convertir cette tension minuscule en un signal utilisable pour d’autres circuits électroniques.

• Le régulateur de tension : Un régulateur intégré fournit un courant de polarisation DC fixe et stable à l’élément de Hall. Cette stabilité est cruciale pour que la sensibilité du capteur reste constante même si la tension d’alimentation varie.

• Le circuit de conditionnement du signal : Ce circuit électronique gère le signal de l’amplificateur. Il peut inclure des mécanismes de compensation de l’offset (tension de décalage) et de filtrage du bruit pour améliorer la précision et la robustesse du capteur. Une technique particulièrement efficace est la chopper-stabilization (stabilisation par hacheur), qui réduit l’offset et la dépendance du capteur à la température.

Les Matériaux Clés et leurs Spécificités

Le choix du matériau pour l’élément Hall est un facteur déterminant de la performance du capteur. Les semi-conducteurs comme l’arséniure d’indium (InAs) et l’arséniure de gallium (GaAs) sont utilisés, car la vitesse de déplacement des porteurs de charge y est significativement plus élevée que dans les métaux conducteurs, ce qui se traduit par une meilleure sensibilité.

Les propriétés des capteurs varient considérablement en fonction du matériau et de la technologie de fabrication. Par exemple, les capteurs basés sur la technologie 2DEG (2-Dimensional Electron Gas) offrent un bon compromis entre robustesse et sensibilité, tandis que les capteurs en InAs peuvent être optimisés pour une grande stabilité ou une sensibilité accrue, mais présentent des plages de température et une robustesse moindres.

Un point technique crucial est la gestion du planar Hall effect, un phénomène physique qui peut introduire une erreur de mesure lorsque le champ magnétique est dans le plan du capteur, parallèlement à sa surface. Les capteurs basés sur des matériaux en vrac comme l’InAs ou le GaAs sont plus sujets à cette erreur, ce qui requiert une orientation connue du champ magnétique pour des mesures précises. En revanche, les capteurs 2DEG ne sont pas affectés par ce phénomène, ce qui les rend idéaux pour mesurer des champs dont l’orientation est inconnue.

Le tableau ci-dessous résume et compare les caractéristiques de plusieurs types de capteurs Hall en fonction du matériau de l’élément sensible, illustrant les compromis inhérents à leur conception :

Une Typologie Complète des Capteurs

Les capteurs à effet Hall sont classifiés selon diverses spécifications, dont leur type de sortie, leur polarité et leur sensibilité. Cette typologie permet d’adapter la sélection du capteur aux besoins spécifiques de chaque application.

Classification par Type de Sortie

La caractéristique de sortie d’un capteur Hall est un critère de distinction fondamental, la divisant en deux grandes catégories.

Capteurs à Sortie Analogique (Linéaires)

Ces capteurs sont conçus pour fournir un signal de sortie qui est une tension continue et directement proportionnelle à l’intensité du champ magnétique. Plus le champ magnétique est fort, plus la tension de sortie est élevée. Le signal peut également être un signal PWM (Pulse-Width Modulation) ou une sortie numérique via un protocole de bus moderne. Certains capteurs analogiques sont dits ratiométriques, ce qui signifie que leur sensibilité est directement proportionnelle à la tension d’alimentation, avec une tension de sortie au repos (sans champ magnétique) qui est généralement égale à la moitié de la tension d’alimentation. Ils sont principalement utilisés pour des applications de mesure précise de l’intensité d’un champ ou d’une distance.

Capteurs à Sortie Numérique (Commutateurs)

À l’opposé des capteurs analogiques, les capteurs numériques délivrent une sortie binaire (deux états : ON/OFF ou HIGH/LOW). Cette fonctionnalité est rendue possible par l’intégration d’un circuit de détection de seuil, généralement un trigger de Schmitt, qui bascule l’état de la sortie lorsque le champ magnétique atteint un point d’activation spécifique (BOP : Magnetic Operate Point). Un point de relâchement (BRP : Magnetic Release Point) est le seuil en dessous duquel la sortie revient à son état initial.

La fiabilité de ces capteurs repose sur le concept d’hystérésis. L’hystérésis est la différence entre le point d’activation et le point de relâchement (BOP – BRP) et est une caractéristique de conception intentionnelle. Elle empêche la sortie de commuter de manière instable lorsque le champ magnétique oscille autour du seuil de détection, comme cela pourrait se produire en présence de vibrations mécaniques ou de bruit électrique. La présence d’une hystérésis assure un basculement propre et fiable du signal, ce qui est crucial pour les applications de détection de position ou de vitesse où la précision du timing est primordiale.

Le tableau ci-dessous résume les caractéristiques fondamentales des capteurs Hall numériques et analogiques :

Classification par Sensibilité Magnétique et Polarité

Au-delà du type de sortie, les capteurs Hall peuvent être différenciés par leur réaction à la polarité magnétique.

• Capteurs unipolaires : Ces capteurs ne répondent qu’à un seul pôle magnétique, typiquement le pôle sud (valeur positive B). L’activation a lieu lorsque l’aimant est suffisamment proche. Lorsque l’aimant est retiré, le capteur se désactive et revient à son état initial.

• Capteurs bipolaires : Ces capteurs nécessitent deux polarités pour fonctionner correctement. Le pôle sud (BOP positif) active le capteur, tandis que le pôle nord (BRP négatif) est nécessaire pour le désactiver.

• Capteurs à loquet (latched) : Une fois le capteur activé par un champ magnétique suffisant (généralement le pôle sud), il mémorise cet état et le maintient même si l’aimant est retiré ou déplacé. Un champ magnétique de polarité opposée (pôle nord) est nécessaire pour le faire basculer vers l’état désactivé.

• Capteurs omnipolaires : Ces capteurs sont les plus flexibles car ils peuvent être activés et désactivés par un champ magnétique de force suffisante, quelle que soit sa polarité (nord ou sud).

Le tableau ci-dessous synthétise les comportements des commutateurs Hall numériques en fonction de leur polarité et des points de basculement, soulignant l’importance de ce choix de conception pour les applications spécifiques :

Autres Architectures Spécialisées

En plus de la classification par sortie et polarité, d’autres architectures de capteurs Hall ont été développées pour des applications spécifiques :

• Capteurs rotatifs et linéaires : Ces dispositifs sans contact sont conçus pour mesurer la position angulaire ou linéaire d’un objet. L’absence de contact mécanique entre le capteur et la pièce mobile est un avantage majeur qui élimine l’usure, augmente la durée de vie du dispositif et le rend robuste face à l’humidité et à la poussière.

• Capteurs de courant : Ils exploitent l’effet Hall pour mesurer le champ magnétique généré par un courant électrique dans un conducteur. Il existe deux types principaux :

  • À boucle ouverte : L’élément Hall mesure directement le champ magnétique proportionnel au courant primaire, et la tension de sortie est une image amplifiée de cette mesure.

  • À boucle fermée : Ces capteurs utilisent un enroulement de compensation alimenté par un courant secondaire pour annuler le flux magnétique mesuré. Ce système de rétroaction permet une meilleure précision, une plus grande linéarité et une réponse en fréquence plus rapide, bien que son courant secondaire soit faible.

Caractéristiques et Paramètres Techniques Clés

Mesures de Performance Magnétique

• Sensibilité : La sensibilité magnétique est un paramètre vital qui définit la capacité du capteur à répondre aux variations du champ magnétique. Elle est généralement mesurée en millivolts par gauss (mV/G) ou par tesla (mV/T). Une sensibilité plus élevée indique que le capteur peut détecter des champs magnétiques plus faibles. La sensibilité est une fonction du courant d’alimentation, de la température et des propriétés du matériau.

• Plage de mesure : Il s’agit de la gamme de densités de flux magnétiques que le capteur peut mesurer. Pour les capteurs de courant, cette plage est souvent définie en fonction du courant primaire nominal (Ipn​) et maximal ($Ip\_max$) que le capteur peut supporter.

Paramètres Électriques et Environnementaux

• Tension et courant d’alimentation : Les capteurs Hall sont conçus pour fonctionner sur une large gamme de tensions, généralement de 4.5 à 6V et jusqu’à 24V pour certains modèles numériques. La consommation de courant est typiquement faible, de l’ordre de 9 mA.

• Plage de température de fonctionnement : Les capteurs modernes sont conçus pour résister à des conditions environnementales extrêmes. Les plages de température typiques vont de -20°C à +85°C, avec des versions spécialisées pouvant fonctionner de -40°C à +150°C, ce qui les rend adaptés aux applications automobiles et industrielles.

• Résistance de sortie : La résistance de sortie d’un capteur Hall est généralement faible, autour de 50 ohms.

Le tableau suivant récapitule les spécifications techniques courantes des capteurs à effet Hall :

Applications des Capteurs à Effet Hall

Le Rôle Crucial dans l’Industrie Automobile

L’industrie automobile est un secteur majeur pour les capteurs à effet Hall en raison de leur robustesse, de leur fiabilité et de leur capacité à fonctionner dans des environnements difficiles. Ils sont utilisés dans une grande variété d’applications essentielles à la sécurité et à la performance des véhicules.

Parmi les applications clés, la détection de la vitesse des roues pour les systèmes de freinage antiblocage (ABS) est l’une des plus critiques. Les capteurs Hall mesurent la vitesse de rotation de la roue en détectant les dents d’un anneau métallique, permettant au système de contrôler la pression de freinage. Ces capteurs sont également utilisés pour déterminer la position du vilebrequin et de l’arbre à cames, fournissant des données cruciales pour le calage précis de l’injection de carburant et de l’allumage, ce qui optimise la puissance et l’efficacité du moteur.

Ils sont également intégrés aux capteurs de position pour le levier de vitesse et les pédales, et sont fondamentaux pour la gestion de batterie des véhicules électriques en surveillant le flux de courant pendant la charge. Leur résistance aux interférences électromagnétiques les rend particulièrement adaptés aux environnements proches des moteurs et autres systèmes électriques.

Automatisation Industrielle et Robotique

Dans l’automatisation industrielle, la détection de position sans contact et le contrôle des mouvements sont des fonctions fondamentales où les capteurs à effet Hall excellent. Ils sont utilisés dans les machines-outils et la robotique pour détecter la position angulaire des bras robotiques, le niveau de liquide dans des conteneurs, ou encore le sens de rotation d’un élément.

Un autre domaine d’application clé est la commutation des moteurs à courant continu sans balais (BLDC). Les capteurs Hall sont utilisés pour détecter la position du rotor, ce qui permet à l’unité de commande du moteur de synchroniser efficacement la commutation et de garantir un fonctionnement fluide et économe en énergie. Leur robustesse et leur grande résistance mécanique les rendent fiables dans les environnements industriels, où la poussière, l’humidité et les vibrations sont fréquentes.

Électronique Grand Public et Autres Secteurs

La compacité et la faible consommation d’énergie des capteurs à effet Hall ont permis leur adoption massive dans l’électronique grand public. Par exemple, de nombreux ordinateurs portables et smartphones utilisent un capteur Hall pour détecter la fermeture du couvercle, ce qui permet au système de se mettre en veille ou de basculer l’affichage.

Ils sont également présents dans les claviers d’instruments de musique modernes, où ils remplacent les contacteurs mécaniques traditionnels pour une durabilité et une fiabilité accrues. Leur capacité à détecter des champs magnétiques statiques en fait des composants idéaux pour les boussoles électroniques. Ces applications illustrent la polyvalence du capteur à effet Hall, capable de s’adapter à des exigences de conception très variées.

Analyse Comparative et Limitations Techniques

Hall vS Interrupteurs à Lame Souple

Les interrupteurs à lame souple, également appelés interrupteurs Reed, sont des alternatives magnétiques simples et peu coûteuses aux capteurs à effet Hall. Ils fonctionnent par contact mécanique de deux lames flexibles qui se rapprochent sous l’influence d’un champ magnétique, créant un circuit fermé.

La comparaison technique révèle un avantage clair pour la technologie Hall dans la plupart des applications modernes. La nature mécanique de l’interrupteur à lame souple le rend vulnérable à l’usure, ce qui limite sa durée de vie et sa fiabilité. De plus, leur fréquence de fonctionnement est limitée, généralement à moins de 40 Hz, ce qui les rend impropres aux applications de détection de vitesse à haute fréquence. En revanche, les capteurs à effet Hall, étant des dispositifs à semi-conducteurs sans contact, offrent une durée de vie quasiment illimitée, une résistance supérieure aux chocs et aux vibrations, et peuvent fonctionner à des fréquences bien plus élevées.

Hall vS Capteurs Magnéto-résistifs

Les capteurs magnéto-résistifs (GMR) sont une autre technologie de détection magnétique. Contrairement aux capteurs Hall qui mesurent un champ perpendiculaire, les capteurs GMR détectent l’angle d’un champ magnétique parallèle à leur surface. Les capteurs GMR sont particulièrement appréciés pour leur haute sensibilité, qui est environ 50 fois supérieure à celle des capteurs Hall.

Cette différence de sensibilité est un paramètre de conception critique. La plus grande sensibilité des capteurs GMR permet de fonctionner avec un air gap (distance entre l’aimant et le capteur) maximal beaucoup plus grand que celui des capteurs Hall. Cela simplifie les tolérances mécaniques et offre une plus grande flexibilité de conception, un avantage considérable dans les systèmes où l’alignement précis est difficile à maintenir. Cependant, un revers de cette sensibilité accrue est une plus grande vulnérabilité à la saturation en présence de champs magnétiques très forts et potentiellement un air gap minimal plus grand. Les capteurs Hall, moins sensibles mais plus robustes face aux champs intenses, sont alors le choix préféré pour les applications nécessitant un air gap minimal très réduit. Ce compromis entre sensibilité, plage de fonctionnement et tolérance mécanique est un aspect fondamental de la sélection technologique.

Avantages et Inconvénients Globaux

Le capteur à effet Hall présente un ensemble d’avantages significatifs qui expliquent sa popularité. Sa détection sans contact lui confère une longue durée de vie, et son insensibilité aux contaminants comme la poussière et l’humidité garantit sa fiabilité dans des environnements exigeants. Il offre une réponse rapide et une grande précision de mesure pour de nombreuses applications.

Cependant, comme toute technologie, le capteur Hall a ses limites. Il est sensible aux champs magnétiques parasites provenant de l’environnement, qui peuvent fausser les mesures. Bien que des techniques de blindage ou des configurations différentielles puissent atténuer ce problème, il reste une considération de conception importante. Les capteurs Hall sont également sensibles aux variations de température, ce qui peut affecter la précision et la sensibilité. Bien que les modèles modernes intègrent des mécanismes de compensation, la dérive thermique peut toujours représenter un défi. Enfin, bien que leur coût ait considérablement baissé avec l’intégration en circuit, ils restent parfois plus chers que des alternatives purement mécaniques.

Le tableau ci-dessous offre une synthèse comparative des trois technologies de capteurs magnétiques :

Mise en Pratique

L’intégration d’un capteur à effet Hall dans un circuit électronique, en particulier avec un microcontrôleur comme un Arduino, est un projet courant qui illustre bien la simplicité d’utilisation de ces composants.

Guide de Câblage pour Microcontrôleurs

Un module de capteur à effet Hall typique, comme le modèle A3144, est simple à connecter grâce à ses trois broches : Vcc (alimentation), GND (masse) et signal (ou DO pour sortie numérique et AO pour sortie analogique).

Le câblage pour une carte Arduino UNO est le suivant :

• La broche Vcc du capteur se connecte à la sortie 5V de l’Arduino.

• La broche GND du capteur se connecte à la broche GND de l’Arduino.

• La broche de sortie (numérique ou analogique) du capteur est reliée à une entrée numérique ou analogique de l’Arduino (par exemple, D2 pour le numérique et A0 pour l’analogique).

Exemples de Code et Fonctions (Numérique et Analogique)

Un code simple permet de tester et de mettre en œuvre les fonctionnalités de base du capteur. Pour un capteur numérique, le code lit l’état de la broche numérique. Lorsqu’un aimant est détecté, la broche passe à un état logique, par exemple LOW, et l’Arduino peut déclencher une action, comme l’allumage d’une LED.

int Led = 13;
int SENSOR = 10;
int val;

Pour un capteur analogique, le microcontrôleur utilise la fonction analogRead() pour lire une valeur sur une plage (par exemple, de 0 à 1023 pour un Arduino) qui est directement proportionnelle à l'intensité du champ magnétique.

Bonnes Pratiques de Conception de Circuits Imprimés (PCB)

Une intégration réussie du capteur Hall passe par le respect de certaines bonnes pratiques de conception. Il est recommandé de maintenir une distance adéquate entre le capteur et les autres composants électroniques pour éviter les interférences électromagnétiques (EMI) indésirables qui pourraient fausser les mesures. Pour les capteurs de courant, certains modèles sont équipés d'un blindage électromagnétique, et il est essentiel de connecter correctement le port de blindage pour garantir la précision.

Le positionnement de l'aimant par rapport au capteur est également critique. Il est impératif de s'assurer que le pôle magnétique de l'aimant est orienté correctement (généralement le pôle sud vers la face sérigraphiée du capteur) et que la densité du flux magnétique est suffisante pour les spécifications du capteur. Il est crucial de limiter la tolérance mécanique de la distance entre l'aimant et le capteur, car cela impacte directement la précision de la mesure, en particulier pour les capteurs analogiques où la relation entre la distance et la tension de sortie n'est pas linéaire.

Autres complémentaires :

1. Composants passifs en électronique
2. Composants actifs en électronique
3. La diode électroluminescente (LED)