Mikrosystemy Czujniki magnetyczne. Prezentacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt.

Transkrypt

1 Mikrosystemy Czujniki magnetyczne Prezentacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt. Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania osób niepełnosprawnych Prezentacja dystrybuowana jest bezpłatnie Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, Łódź, tel. (042)

2 2 Trochę historii Słowo "magnes" pochodzi od nazwy regionu w Grecji, zwanej Magnezji, gdzie po raz pierwszy został znaleziony magnetyt (Fe 3 O 4 ).

3 Podział czujników ze względu na wartości badanych pól (1/2) Obecne rozwiązania magnetometrów mogą mierzyć takie wielkości jak: magnetyczne pole ziemskie badanie właściwości magnetycznych różnych materiałów odczytywanie danych z pamięci wykrywanie pozycji wykrywanie ruchu części mechanicznych magnetyczne analizy funkcjonowania mózgu Mikrosystemy 3

4 Podział czujników ze względu na wartości badanych pól (2/2) Mikrosystemy 4 neuromagnetyzm anomalia magnetyczne pole magnetyczne Ziemi prądy 1A w przewodnikach pamięci magnetyczne magnesy stałe cewki superprzewodzące [ T ]

5 5 Materiały stosowane w czujnikach pola magnetycznego Materiał Wysoko przepuszczalne metale magnetyczne Metale magnetyczne i izolatory Typ czujnika Magnetorezystory Czujniki magnetostrykcyjne Wykrywane pole magnetyczne ft pt nt T mt T Izolatory Czujniki magneto-optyczne Nadprzewodniki Półprzewodniki SQUID Płytka Halla Magnetotranzystory Magnetodiody

6 6 Zastosowania czujników pola magnetycznego zastosowania bezpośrednie magnetometry służące do monitorowania ziemskiego pola magnetycznego w systemach nawigacji odczyt danych magnetycznych z dysków rozpoznawanie kodów magnetycznych np. na kartach kredytowych określanie dokładnych pozycji satelitów monitorowanie perturbacji ziemskiego pola magnetycznego określenie rozkładu pola magnetycznego w sercu lub mózgu przy pomiarach pola biomagnetycznego. zastosowania pośrednie wykrywanie przesunięcia kątowego wykrywanie przesunięcia liniowego prędkości części ruchomych

7 Materiały i zjawiska wykorzystywane w czujnikach pola magnetycznego 7 Materiał Metale magnetyczne Półprzewodniki Izolatory Nadprzewodniki Zjawisko Magnetorezystywności Magnetostrykcja Magnetoakustyczne Galwanomagnetyczne Rotacja Faraday a Josephson a

8 8 Cienka warstwa magnetorezystorowa Czujniki pola magnetycznego są w tym przypadku wykonane z materiałów ferromagnetycznych. Materiał do wykonania czujnika to permaloj (stop 19% żelaza i 81% niklu) Zasada działania czujnika polega na zmianie rezystywności materiału pod wpływem pola magnetycznego.

9 9 Optoelektroniczne czujniki pola magnetycznego (1/2) Optoelektroniczne czujniki pola magnetycznego wykorzystują światło jako sygnał pośredniczący w wykrywaniu pola magnetycznego. Ich zasada działania opiera się na modulacji światła przez pole magnetyczne.

10 10 Optoelektroniczne czujniki pola magnetycznego (2/2) Magnetooptyczne czujniki bazują na zjawisku Faradaya, które polega na zmianie substancji optycznie nieczynnej na optycznie czynną pod wpływem przyłożonego pola magnetycznego, równoległego do kierunku rozchodzenia się światła. Eksperymentalnie stwierdzono, że pole magnetyczne, przyłożone do takiej substancji w kierunku rozchodzenia się światła powoduje skręcenie płaszczyzny polaryzacji promienia płasko spolaryzowanego. Przy zmianie zwrotu pola magnetycznego obserwuje się odwrócenie kierunku skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Podobny efekt występuje przy zachowaniu zwrotu pola magnetycznego, lecz odwróceniu kierunku biegu promieni światła.

11 11 Nadprzewodzące czujniki pola magnetycznego SQUID Superconducting QUantum Interference Device - magnetometr wysokiej rozdzielczości (pt) Kwantowo-mechaniczny efekt galwanomagnetyczny występujący w złączach Josephsona pomiędzy materiałami nadprzewodzącymi Stosowane w bardzo niskich temperaturach (poniżej 20 K)

12 12 Czujniki pola magnetycznego Porównanie osiąganych czułości czujników pola magnetycznego i ruchliwości ładunków w tych czujnikach dla wybranych materiałów Si krzem GaAs arsenek galu InSb antymonek indu

13 13 Podstawowe zależności pola elektrycznego i magnetycznego (1/3) Zależność pomiędzy polem magnetycznym a elektrycznym przedstawia poniższe równanie: B 0 H M B wektor indukcji magnetycznej H wektor natężenia pola magnetycznego M wektor namagnesowania (równe zero dla krzemu) 0 przenikalność magnetyczna próżni

14 Podstawowe zależności pola elektrycznego i magnetycznego (2/3) Poruszający się z prędkością v w półprzewodniku nośnik ładunku umieszczony w polu elektrycznym i magnetycznym podlega oddziaływaniu obu pól zgodnie z zależnością: dv m dt v m qe q v B Mikrosystemy 14 m masa nośnika ładunku v wektor prędkości nośnika ładunku średni czas kolizji q wartość nośnika ładunku E wektor natężenia pola elektrycznego

15 Podstawowe zależności pola elektrycznego i magnetycznego (3/3) Siła Lorentza określona jest następującym równaniem: Mikrosystemy 15 F q v B q ładunek elementarny v wektor prędkości ładunku B wektor indukcji magnetycznej

16 16 Zjawisko Halla Jeśli przez przewodnik lub półprzewodnik w kształcie taśmy rozłożonej w płaszczyźnie XY, umieszczony w polu magnetycznym, prostopadłym do powierzchni taśmy czyli w kierunku Z, przepuścimy prąd elektryczny w kierunku Y przez przyłożenie pola elektrycznego, to siła Lorentza odchyli nośniki prądu od pierwotnego kierunku Y, wskutek czego na długich krawędziach taśmy powstanie napięcie będące wynikiem powstania dodatkowego pola elektrycznego w kierunku X.

17 17 Pole Halla (1/3) dla elektronów tan B Hn Hn n tan dla dziur pb Hp Hp

18 18 Pole Halla (2/3) Pole elektryczne powstałe na skutek efektu Halla opisuje równanie: E Y Hp B E X R H J nx B Wartość współczynnika Halla wynosi: R H Hn n rn q n n konduktywność materiału

19 19 Pole Halla (3/3) Napięcie Halla jest opisane następującą zależnością: U H R H I t B I prąd płynący przez półprzewodnik B indukcja elektromagnetyczna t grubość warstwy epitaksjalnej płytki Halla

20 20 Czułość układu wykorzystującego zjawisko Halla Względna czułość przyrządu wykorzystującego zjawisko Halla wynosi: S R U H I B rn q nt Względna czułość nie zależy od ruchliwości ładunków

21 21 Scalone czujniki pola magnetycznego Najpopularniejsze obecnie scalone czujniki pola magnetycznego to: Magnetotranzystor lateralny Czujnik Halla MAGFET

22 22 Magnetotranzystor poziomy

23 23 Struktura magnetotranzystora Poziomy tranzystor npn wykonany w technologii CMOS

24 24 Czułość urządzenia Względna czułość jest zdefiniowana następującą zależnością: S R I I C C0 1 B I C prąd kolektora w obecności pola magnetycznego I C0 prąd kolektora przy zerowej wartości pola magnetycznego

25 25 Czujniki Halla

26 26 Struktura płytki Halla Płytka Halla wykonana w technologii CMOS

27 27 Wartość napięcia Halla (1/3) Wartość napięcia Halla jest wyrażona następującym wzorem: U H R H G I t B G współczynnik geometrii t grubość warstwy epitaksjalnej

28 28 Wartość napięcia Halla (2/3) Zależność napięcia Halla od napięcia przyłożonego wzdłuż płytki krzemowej do kontaktów prądowych jest wyrażona następującą zależnością: U H Hn G W L BU

29 29 Wartość napięcia Halla (3/3) Napiecie Halla w funkcji napiecia sterujacego dla roznych wartosci indukcji magnetycznej 16 B=600mT B=400mT 14 B=200mT VH [V] V [V]

30 30 MAGFET

31 31 Rodzaje struktur typu MAGFET Rozróżniamy dwie podstawowe konfiguracje struktur typu MAGFET: MAGFET Halla MAGFET z rozszczepionym drenem

32 32 MAGFET Halla Poglądowa struktura MAGFETu Halla wykonana w technologii CMOS

33 33 Wartość napięcia Halla odłożona na kontaktach MAGFETa wynosi: U H G I Br Q D ch nch Gdzie Q ch jest gęstością ładunków w kanale Q ch C ox U G U T

34 34 MAGFET z rozszczepionym drenem Przekrój przez strukturę MAGFETa z rozszczepionym drenem

35 Różnica prądów w MAGFET cie z rozszczepionym drenem Mikrosystemy 35 Różnica prądów na podstawie, której możemy określić wartość indukcji pola magnetycznego wynosi: I D Hn G L W B I D I D prąd drenu dla zerowej wartości pola magnetycznego

36 36 Materiały źródłowe Batles H. P., Popovic R. P.: Integrated Semiconductor Magnetic Field Sensors, Proc. IEEE, 1986, vol. 74. Kanda Y., Migotka M.: Effect of the Mechanical Stress on the offset voltage of Hall devices in Si, Phys. Stat. Sol., 1981, vol. 35, p Kordic S.: Integrated Silicon Magnetic Field Sensors, Sensors and Actuators, 1986, vol. A10, p Krakowski M.: Elektrotechnika Teoretyczna Pole elektromagnetyczne, Tom 2, Wydawnictwa Naukowe PWN Luchowska M.: Parametryzowana komórka czujnika pola magnetycznego w technologii CMOS, praca dyplomowa, Politechnika Łódzka Nakamura T., Maenaka K.: Integrated Magnetic Sensors, Sensors and Actuators, 1990, vol. A24, p. 83. Popovic R. S., Widmer R.: Magnetotransistor in CMOS Technology, IEEE Trans. Electron. Dev., 1986, vol. ED-33, p Prochaska A.: Integration of magnetic field sensors in HBiMOS Technology, Raport wewnętrzny Ristic L.: Sensor technology and devices., Artech House Boston, Ristic L., Smy T., Batles H. P.: A Lateral Magnetotransistor Structure with Linear Response to the Magnetic field IEEE Trans. on Electron. Dev., 1989, vol. ED-36, p Smy T., Ristic L.: Optimization of Magnetotransistor Structure in CMOS Technology, IEEE Trans. on Magnetics., 1992, vol. MAG-28.

37 Mikrosystemy Czujniki magnetyczne Prezentacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt. Innowacyjna dydaktyka bez ograniczeń - zintegrowany rozwój Politechniki Łódzkiej - zarządzanie Uczelnią, nowoczesna oferta edukacyjna i wzmacniania zdolności do zatrudniania osób niepełnosprawnych Prezentacja dystrybuowana jest bezpłatnie Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, Łódź, tel. (042)