galvanomagnetic effects kavala 12th gfu

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