Upload
guest05460d2
View
472
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
1
ΓΑΛΒΑΝΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑΓΑΛΒΑΝΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑΦΑΙΝΟΜΕΝΑΦΑΙΝΟΜΕΝΑ
¨Αισθητήρες¨Αισθητήρες βασισµένοιβασισµένοι στοστο ΦαινόµενοΦαινόµενο HallHall¨
ΒλάσσηςΒλάσσης ΝΝ. . ΠετούσηςΠετούσης
ΦυσικόςΦυσικός
2
∆οµή∆οµή ΠαρουσίασηςΠαρουσίασης
ΦαινόµενοΦαινόµενο HallHall..
ΜαγνητόΜαγνητό--ΑντιστατικάΑντιστατικά ΦαινόµεναΦαινόµενα..
ΠαρουσίασηΠαρουσίαση θεωρητικώνθεωρητικών στοιχείωνστοιχείων..
ΠλακέτεςΠλακέτες HallHall.. ΜαγνητόΜαγνητό--ΑντισάσεωνΑντισάσεων..
ΟιΟι ΒασικέςΒασικές ΑρχέςΑρχές..
ΤεχνικέςΤεχνικές µείωσηςµείωσης θορύβουθορύβου 1/f1/f
ΜαγνητικοίΜαγνητικοί ΑισθητήρεςΑισθητήρες..
3
ΓαλβανοµαγνητικάΓαλβανοµαγνητικά ΦαινόµεναΦαινόµενα
ΦαινόµενοΦαινόµενο HallHall
((ΑνακαλύφθηκεΑνακαλύφθηκε απόαπό τοντον Edwin H. Hall Edwin H. Hall τοτο 1879)1879)
ΜαγνητόΜαγνητό--ΑντισταστατικάΑντισταστατικά ΦαινόµεναΦαινόµενα
((ΩςΩς ΜαγνητόΜαγνητό--ΑντιστατικόΑντιστατικό φαινόµενοφαινόµενο ονοµάζουµεονοµάζουµε
τηντην αύξησηαύξηση τηςτης αντίστασηςαντίστασης σεσε σχέσησχέση µεµε τηντην
διακύµανσηδιακύµανση τουτου µαγνητικούµαγνητικού πεδίουπεδίου).).
4
ΤοΤο ΦαινόµενοΦαινόµενο HallHalll>>wl>>w
5
ΦαινόµενοΦαινόµενο HallHall -- ΘεωρίαΘεωρία
ΗλεκτρικόΗλεκτρικό πεδίοπεδίο ΗΗallall::
ΤάσηΤάση HallHall::
ΓωνίαΓωνία HallHall::
ΗΗ έντασηένταση HallHall::
ΣταθεράΣταθερά HallHall::
[ ]dE u BH= − ⊗
r rr
HH
R IBV E dz V
H H t= ⇒ =∫
u d µ= Εrr
tanθ µΗ = ± Β
[ ]HE R J BH= − ⊗
r r r
1HR
qp=
1HR
qn= −
6
ΜαγνητόΜαγνητό--ΑντιστατικόΑντιστατικό ΦαινόµενοΦαινόµενοl<<wl<<w
l<<w l<<w : : πρόκειταιπρόκειται γιαγια πολύπολύ µικρούµικρού πλάτουςπλάτους πλακέτεςπλακέτες
CorbinoCorbino Disc. EDisc. Eµφανήςµφανής ηη εκτροπήεκτροπή τουτου ρεύµατοςρεύµατος
J(B)J(B)--(Current(Current Deflection)Deflection)
7
Orso Mario Corbino
1876-1937
Edward Hall
1879
Albert Fert (F)
Nobel Prize 2007
Peter Grünberg (G)
Nobel Prize 2007
GMR
Effect
Hall Effect
MR Effect
130 Χρόνια
Έρευνας
8
ΕκτροήΕκτροή ΡεύµατοςΡεύµατος
( ) [ ]J B E J Bσ µ= + ⊗r r r r ( ) ( ) [ ( ) ]
pJ B J B J B Bp pµ= + ⊗r r r r
( ) ( ) [ ( ) ]J B J B J B Bn n n
µ= − ⊗r r r r
9
ΓωνίαΓωνία Hall Hall ((ΓωνίαΓωνία εκτροήςεκτροής ρεύµατοςρεύµατος)) ΓωνίαΓωνία εκτροήςεκτροής ρεύµατοςρεύµατος::
((ΤοΤο + + γιαγια pp--type type καικαι τοτο –– γιαγια nn--typetype))
ΗΗ αύξησηαύξηση τηςτης αντίστασηςαντίστασης σεσε σχέσησχέση µεµε τηντηνδιακύµανσηδιακύµανση τουτου µαγνητικούµαγνητικού εδίουεδίου ονοµάζεταιονοµάζεταιΜαγνητόΜαγνητό--αντιστατικόαντιστατικό φαινόµενοφαινόµενο. . ΣυγκεκριµέναΣυγκεκριµένα ηη αύξησηαύξηση στηνστην αντίστασηαντίσταση ουουοδηγείοδηγεί σεσε έκτροήέκτροή τουτου ρεύµατοςρεύµατος σεσε µικράµικράHallHall ονοµάζεταιονοµάζεται ΓεωµετρικόΓεωµετρικόΜαγνητοαντιστατικόΜαγνητοαντιστατικό ΦαινόµενοΦαινόµενο..
[ ]p pB pBJ E Bσ σ µ= ± ⊗r r r
t a n H Bθ µ= ±
Β=0Β 0≠
( ) [ ]p B BJ B E E Bσ σ µ= ± ⊗r r r r
021 ( )B
σσ
µΒ =
Β =+
2( )Bο
ρµ
ρΒ
Β =
∆=
10
ΓαλβανοµαγνητικοίΓαλβανοµαγνητικοί ΠαράµετροιΠαράµετροιΡεύµατοςΡεύµατος
ΗΗ κλασικήκλασική πυκνότηταπυκνότητα ρεύµατοςρεύµατος είναιείναι::
ΗΗ ολικήολική πυκνότηταπυκνότητα ρεύµατοςρεύµατος είναιείναι::
( ) [ ( ) ]J B E J B Bσ µ= + ⊗r r r r
2 2 2( ) (1 ) [ ] ( )J B E B E B B E Bσ µ µσ µ σ− + ⊗ + ⋅ ⋅r r r r r r r
1 2 3J J J J= + +r r r r
11
ΠλακέτεςΠλακέτες HallHall ––ΜαγνητοαντιστάσεωνΜαγνητοαντιστάσεωνΟιΟι ΒασικέςΒασικές ΑρχέςΑρχές
ˆinV E il= ⋅
rˆ
outV E jw= ⋅r
out H PV V V= +
cosHH
RV IB
tγ= − sin 2
2H
P P
PV IB a
t=
12
ΓεωµετρικοίΓεωµετρικοί αράµετροιαράµετροι τωντωνλακετώνλακετών HallHall
ΥπάρχουνΥπάρχουν δυοδυο βασικοίβασικοί παράµετροιπαράµετροι πουπου σχετίζονταισχετίζονταιµεµε τηντην επίδρασηεπίδραση στηστη γεωµετρίαγεωµετρία στηστη τάσητάση αλλάαλλά καικαιστηστη µαγνητοαντίστασηµαγνητοαντίσταση. . ΟΟ πρώτοςπρώτος είναιείναι::
πουπου αποτελείαποτελεί τοντον γεωµετρικόγεωµετρικό διορθωτικόδιορθωτικό παράγονταπαράγοντακαικαι
ΟΟ αυξάνεταιαυξάνεται µεµε τηντην αύξησηαύξηση τηςτης θερµοκρασίαςθερµοκρασίαςκαικαι τηντην γωνίαγωνία HallHall..
ΚαιΚαι είναιείναι: :
HH
H
VG
V ∞
=
HH
RV IB
t∞ = −
0 1HG≤ ≤
HG
13
ΕίδρασηΕίδραση τηςτης γωνίαςγωνίας Hall Hall στονστοναράγοντααράγοντα
ΣτοΣτο αριστερόαριστερό σχήµασχήµα έχουµεέχουµε: : ΒΒa a <<BBbb καικαι ΘΘHaHa<<ΘΘΗΗbb καικαι ωςωςαποτέλεσµααποτέλεσµα έχουµεέχουµε X1<X2X1<X2
ΣτοΣτο δεξίδεξί σχήµασχήµα έχουµεέχουµε τηντην σχέσησχέση τουτου GGΗΗ µεµε τοτο λόγολόγο l/w l/w γιαγια µερικέςµερικές γωνίεςγωνίες Hall.Hall.
HG
x1
x2
Γρ
αµ
µή
ρεύ
µατο
ς
14
ΓεωµετρικοίΓεωµετρικοί αράµετροιαράµετροι τωντωνΜαγνητοαντιστάσεωνΜαγνητοαντιστάσεων
ΟΟ δεύτεροςδεύτερος είναιείναι: : µεµε νανα
αποτελείαποτελεί τηντην αντίστασηαντίσταση ενόςενός άπειραάπειρα µεγάλουµεγάλου µήκουςµήκους
Hall.Hall.
( )
( )R
R BG
R B∞
= ( ) b
lR B
twρ∞ =
2 21 (1 0.54 )R H
lG B
wµ+ −
15
ΤεχνικέςΤεχνικές µείωσηςµείωσης τουτου
θορύβουθορύβου 1/1/ff
16
Ο θόρυβος των πλακετών Hall είναι συνδυασµός του
θερµικού θορύβου προκαλούµενος από την αντίσταση
εξόδου και του 1/f θορύβου που προκαλείται από τις
διακυµάνσεις αγωγιµότητας στην επιφάνεια του
οξειδίου του πυριτίου (Popović 1989).
ΟιΟι θόρυβοιθόρυβοι στιςστις λακέτεςλακέτες
HallHall
17
ΤεχνικήΤεχνική Current Spinning (CSC)Current Spinning (CSC)
ΗΗ αρχήαρχή
18
ΤεχνικήΤεχνική Current Spinning (CSC)Current Spinning (CSC)
ΗΗ δοµήδοµή
19
ΤεχνικήΤεχνική zero drift (ZDP)zero drift (ZDP)Πορεία των ηλεκτρονίων για το ρεύµα
20
ΤεχνικήΤεχνική choppingchopping
ΜεΜε τηντην τεχνικήτεχνική τουτου choping choping προκαλούµεπροκαλούµε αισθητήαισθητή
µείωσηµείωση τουτου 1/f 1/f ΘορύβουΘορύβου((flicker noise flicker noise ήή pink noise)pink noise)
y(t) = x(t)cos(y(t) = x(t)cos(22ffchopchopt)t)
21
ΠαραδείγµαταΠαραδείγµατα ΠλακετώνΠλακετών HallHall
ΥψηλήςΥψηλής ΚινητικότηταςΚινητικότητας λεπτέςλεπτές πλακέτεςπλακέτες Hall.Hall.
ΙΙnSbnSb-- ΙΙndium ndium ΑΑndimonidendimonide-- ΜονοκρυσρταλλυκόΜονοκρυσρταλλυκό..
ΠυριτίουΠυριτίου((SiSi))
i) i) ∆ιπολικό∆ιπολικό ολοκληρωµένοολοκληρωµένο κύκλωµακύκλωµα πυριτίουπυριτίου..
ii)ii) ΘαµµένοΘαµµένο HallHall..
iii) CMOS iii) CMOS ολοκληρωµένηολοκληρωµένη τεχνολογίατεχνολογία..
GaAs GaAs –– ΓαλλίουΓαλλίου ΑρσενικούΑρσενικού..
i) i) ΥψηλήΥψηλή κινητικότητακινητικότητα σχεδόνσχεδόν 5.5 5.5 φορέςφορές µεγαλύτερηµεγαλύτερη απόαπό αυτήαυτή τουτου
πυριτίουπυριτίου((SiSi).).
ii) ii) ΙκανότηταΙκανότητα λειτουργίαςλειτουργίας σεσε υψηλέςυψηλές θερµοκρασίεςθερµοκρασίες((πάνωπάνω απόαπό 20020000 CC) )
22
ΣχήµαταΣχήµατα αισθητήρωναισθητήρων HallHall
23
ΠαραδείγµαταΠαραδείγµατα ΠλακετώνΠλακετών HallHall
Θαµµένο Hall∆ιολικό ολοκληρωµένο κύκλωµα υριτίου.
CMOS ολοκληρωµένη τεχνολογία. Ένα Τυικό J-FET
24
ΚυλινδρικόΚυλινδρικό HallHall
25
ΕφαρµογέςΕφαρµογές ΜαγνητικώνΜαγνητικώνΑισθητήρωνΑισθητήρων Hall.Hall.
ΜέτρησηΜέτρηση ΜαγνητικούΜαγνητικού
ΠεδίουΠεδίου((σεσε οποιοδήποτεοποιοδήποτε άξοναάξονα).).
ΜηχανικήςΜηχανικής µετατόπισηςµετατόπισης
µετατροπέαςµετατροπέας..
i) i) ΜέτρησηΜέτρηση ΓραµµικήςΓραµµικής ΘέσηςΘέσης. .
ii)ii) ΜέτρησηΜέτρηση ΓωνιακήςΓωνιακής ΘέσηςΘέσης..
26
ΑισθητήρεςΑισθητήρες ΗλεκτρικούΗλεκτρικού ΡεύµατοςΡεύµατος
Σύστηµα Yoke για όλωση
σε λακέτα Hall
Ανοικτού Τύου
Σύστηµα αισθητήρα ρεύµατος
Hall βασισµένο στην αρχή
Μαγνητικής ανατροφοδότησης
Κλειστού ΤύουΛετός & λατύς αισθητήρας
Ρεύµατος µε MC
στο εάνω µέρος
27
ΠροτεινόµενοςΠροτεινόµενος ΝΕΟΣΝΕΟΣΑισθητήραςΑισθητήρας ΗλεκτρικούΗλεκτρικού ΡεύµατοςΡεύµατος
3D WHS3D WHS
28
ΣαςΣας ΕυχαριστώΕυχαριστώ