1. ΓΑΛΒΑΝΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑ
ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ
¨Αισθητήρες βασισµένοι στο Φαινόµενο Hall¨
Βλάσσης Ν. Πετούσης
Φυσικός
1

2. ∆οµή Παρουσίασης
Φαινόµενο Hall.
Μαγνητό-Αντιστατικά Φαινόµενα.
Παρουσίαση θεωρητικών στοιχείων.
Πλακέτες Hall. Μαγνητό-Αντισάσεων.
Οι Βασικές Αρχές.
Τεχνικές µείωσης θορύβου 1/f
Μαγνητικοί Αισθητήρες.
2

3. Γαλβανοµαγνητικά Φαινόµενα
Φαινόµενο Hall
(Ανακαλύφθηκε από τον Edwin H. Hall το 1879)
Μαγνητό-Αντισταστατικά Φαινόµενα
( ς Μαγνητό-Αντιστατικό φαινόµενο ονοµάζουµε
την αύξηση της αντίστασης σε σχέση µε την
διακύµανση του µαγνητικού πεδίου).
3

4. Το Φαινόµενο Hall
l>>w
4

5. Φαινόµενο Hall - Θεωρία
r r r r r
Ηλεκτρικό πεδίο Ηall: E = −[ud ⊗ B ] u
d
= µΕ
H
RH IB
Τάση Hall: V = ∫ EH dz ⇒ V =
H H t
Γωνία Hall: tan θ Η = ± µΒ
r r r
Η ένταση Hall: E = − RH [ J ⊗ B]
H
1 1
Σταθερά Hall: RH = RH = −
qp qn
5

6. Μαγνητό-Αντιστατικό Φαινόµενο
l<<w
l<<w : πρόκειται για πολύ µικρού πλάτους πλακέτες
Corbino Disc. Eµφανής η εκτροπή του ρεύµατος
J(B)-(Current Deflection)
6

7. Hall Effect
MR Effect
Edward Hall Orso Mario Corbino
1879 1876-1937
GMR
Effect
130 Χρόνια
Albert Fert (F) Έρευνας Peter Grünberg (G)
Nobel Prize 2007 Nobel Prize 2007 7

8. Εκτρο̟ή Ρεύµατος
r r r r
r r r r J (B) = J p (B) + µp[J p (B) ⊗ B]
J ( B ) = σ E + µ[ J ⊗ B ] r r r r
J(B) = J (B) − µ [J (B) ⊗ B]
n n n
8

9. Γωνία Hall (Γωνία εκτρο̟ής ρεύµατος)
Γωνία εκτρο̟ής ρεύµατος: t a n θ H = ± µ B
(Το + για p-type και το – για n-type)
r r r r
J p (B) = σ B E ± σ Bµ[E ⊗ B ]
r r r
σ J p = σ pB ± σ pB µ[ E ⊗ B]
σ Β = Β = 0
1 + (µ B ) 2
Β ≠0 Β=0
∆ρΒ
= (µ B )2
ρ Β =ο
Η αύξηση της αντίστασης σε σχέση µε την
διακύµανση του µαγνητικού ̟εδίου ονοµάζεται
Μαγνητό-αντιστατικό φαινόµενο.
Συγκεκριµένα η αύξηση στην αντίσταση ̟ου
οδηγεί σε έκτρο̟ή του ρεύµατος σε µικρά
Hall ονοµάζεται Γεωµετρικό
Μαγνητοαντιστατικό Φαινόµενο. 9

10. Γαλβανοµαγνητικοί Παράµετροι
Ρεύµατος
r r r r
Η κλασική r
r πυκνότητα ρεύµατος είναι:
r r J = J1 + J 2 + J 3
J ( B ) = σ E + µ[ J ( B ) ⊗ B ]
Η ολική πυκνότητα ρεύµατος είναι:
r r r r r r r
J ( B ) σ E (1 − µ B ) + µσ [ E ⊗ B ] + µ σ B ⋅ ( E ⋅ B )
2 2 2
10

11. Πλακέτες Hall –Μαγνητοαντιστάσεων
Οι Βασικές Αρχές
r r
Vin = E ⋅ il
ˆ Vout = E⋅ ˆ
jw Vout = VH + VP
RH PH
VH = − IB cos γ VP = IBP sin 2a
t 2t
11

12. Γεωµετρικοί ̟αράµετροι των
̟λακετών Hall
Υπάρχουν δυο βασικοί παράµετροι που σχετίζονται
µε την επίδραση στη γεωµετρία στη τάση αλλά και
στη µαγνητοαντίσταση. Ο πρώτος είναι: VH
GH =
VH ∞
που αποτελεί τον γεωµετρικό διορθωτικό παράγοντα
και RH
VH ∞ = − IB
t
Ο GH αυξάνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας
και την γωνία Hall.
Και είναι: 0 ≤ GH ≤ 1 12

13. Ε̟ίδραση της γωνίας Hall στον
̟αράγοντα GH
Γραµµή ρεύµατος
x1
x2
Στο αριστερό σχήµα έχουµε: Βa <Bb και ΘHa<ΘΗb και ως
αποτέλεσµα έχουµε X1<X2
Στο δεξί σχήµα έχουµε την σχέση του GΗ µε το λόγο l/w
για µερικές γωνίες Hall. 13

14. Γεωµετρικοί ̟αράµετροι των
Μαγνητοαντιστάσεων
R( B) l
Ο δεύτερος είναι: GR = µε R∞ ( B ) = ρb να
R∞ ( B) tw
αποτελεί την αντίσταση ενός άπειρα µεγάλου µήκους
Hall. l
GR 1 + µ H B (1 − 0.54 )
2 2
w
14

15. Τεχνικές µείωσης του
θορύβου 1/f
15

16. Οι θόρυβοι στις ̟λακέτες
Hall
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).
16

17. Τεχνική Current Spinning (CSC)
Η αρχή
17

18. Τεχνική Current Spinning (CSC)
Η δοµή
18

19. Τεχνική zero drift (ZDP)
Πορεία των ηλεκτρονίων για το ρεύµα
19

20. Τεχνική chopping
Με την τεχνική του choping προκαλούµε αισθητή
µείωση του 1/f Θορύβου(flicker noise ή pink noise)
y(t) = x(t)cos(2̟fchopt)
20

21. Παραδείγµατα Πλακετών Hall
Υψηλής Κινητικότητας λεπτές πλακέτες Hall.
ΙnSb- Ιndium Αndimonide- Μονοκρυσρταλλυκό.
Πυριτίου(Si)
i) ∆ιπολικό ολοκληρωµένο κύκλωµα πυριτίου.
ii) Θαµµένο Hall.
iii) CMOS ολοκληρωµένη τεχνολογία.
GaAs – Γαλλίου Αρσενικού.
i) Υψηλή κινητικότητα σχεδόν 5.5 φορές µεγαλύτερη από αυτή του
πυριτίου(Si).
ii) Ικανότητα λειτουργίας σε υψηλές θερµοκρασίες(πάνω από 2000 C)
21

22. Σχήµατα αισθητήρων Hall
22

23. Παραδείγµατα Πλακετών Hall
∆ι̟ολικό ολοκληρωµένο κύκλωµα ̟υριτίου. Θαµµένο Hall
CMOS ολοκληρωµένη τεχνολογία. Ένα Τυ̟ικό J-FET 23

24. Κυλινδρικό Hall
24

25. Εφαρµογές Μαγνητικών
Αισθητήρων Hall.
Μέτρηση Μαγνητικού
Πεδίου(σε οποιοδήποτε άξονα).
Μηχανικής µετατόπισης
µετατροπέας.
i) Μέτρηση Γραµµικής Θέσης.
ii) Μέτρηση Γωνιακής Θέσης.
25

26. Αισθητήρες Ηλεκτρικού Ρεύµατος
Σύστηµα Yoke για ̟όλωση
σε ̟λακέτα Hall
Ανοικτού Τύ̟ου
Σύστηµα αισθητήρα ρεύµατος
Hall βασισµένο στην αρχή
Μαγνητικής ανατροφοδότησης
Κλειστού Τύ̟ου Λε̟τός & ̟λατύς αισθητήρας
Ρεύµατος µε MC
στο ε̟άνω µέρος
26

27. Προτεινόµενος ΝΕΟΣ
Αισθητήρας Ηλεκτρικού Ρεύµατος
3D WHS
27

28. Σας Ευχαριστώ
28