Wybrane czujniki.

Prezentacja na temat: "Wybrane czujniki."— Zapis prezentacji:

1 Wybrane czujniki

2 Czujniki magnetogalwaniczne
Hallotrony Siła Lorentza: F = q v x B  UH = (RH/d) I B = γ I B dla próbki wydłużonej W ogólności trzeba wprowadzić czynnik geometryczny G i napięcie niezrównoważenia: UH = γ G I B + Ur Ur – napięcie niezrównoważenia (offset), stała lub wolnozmienna wartość dla B=0.

3 Hallotrony RH = ± r/ nq EH/Ex = µBz
Stała Halla dla próbki z nośnikami jednego znaku wynosi: RH = ± r/ nq r – wsp. zależny od mechanizmu rozpraszania nośników n – koncentracja nośników q – ładunek elementarny Duży sygnał UH uzyskuje się dla próbek o dużej ruchliwości nośników µ ( InSb, GaAs ): EH/Ex = µBz EH – pole Halla Ex – pole wymuszające prąd

4 Kształty hallotronów CC/HC –zamienne kontakty CC - prądowe
symbol hallotronu CC/HC –zamienne kontakty CC - prądowe HC - holowskie Technologia IC (pionowa) Pole B styczne do powierzchni płytki

5 Technologia hallotronów
kształtki z materiałów litych cienkie warstwy mikrostruktury scalone: struktury MOS struktury epitaksjalne GaAs supersieci w technologii MBE (Molecular Beam Epitaxy) struktury bipolarne IC Większość obecnie produkowanych hallotronów stosowanych komercyjnie wytwarzana jest w technologii bipolarnej obwodów scalonych (IC).

6 Technologia hallotronów
Izolację struktury holowskiej od reszty układu uzyskuje się w wyniku istnienia przeciwnie spolaryzowanych złącz p/n Aktywną część struktury stanowi naniesiona epitaksjalnie warstwa n, gdzie wdyfundowano izolacyjne obszary p oraz obszary kontaktów n+.

7 Parametry hallotronu czułość bezwzględna: SA = ∂ UH / ∂ B dla I = const czułość względem prądu zasilania: SI = SA / I czułość względem nap. zasilania: SU = SA / U offset: równoważne pole Bo wytwarzające napięcie niezrównoważenia Uo : Bo = Uo / S.A.

8 Zastosowania hallotronów
Bezkontaktowe pomiary położenia

9 Bezkontaktowe pomiary położenia
różnicowe połączenie czujników holowskich

10 Bezkontaktowy pomiar prądu
Wokół przewodnika z prądem ( prostoliniowego ) istnieje koncentryczne pole magnetyczne B= μoI/(2πr), czyli B ~ I dla r = const Prosta konstrukcja, dobra liniowość wskazań Dużą czułość uzyskuje się stosując rdzeń magnetyczny ze szczeliną δ ~ 1 mm, w której umieszczony jest hallotron.

11 Bezkontaktowy pomiar prądu
Strumień pola B: N – ilość zwojów Rµ, Rδ – opory magnetyczne rdzenia, szczeliny Pole B w szczelinie: Zakres pomiaru prądu: 10A – kilka kA

12 Bezkontaktowy pomiar mocy
Korzysta się z faktu, że czujnik Halla wykazuje własności multiplikacyjne Prąd obciążenia iL wytwarza pole B i mierzony jest jak poprzednio: B ~ iL Napięcie uL jest transformowane i wytworzony prąd iin zasila hallotron: iin ~ uL Napięcie wskazywane przez hallotron: Dla obciążenia rezystancyjnego: Stosując filtr dolnoprzepustowy otrzymuje się sygnał prop. do mocy średniej.

13 Bezszczotkowy silnik prądu stałego
Rotor ma wbudowany magnes stały. W skład statora wchodzą cewki napędzajace, sterowane dwoma hallotronami. Hallotrony rejestrują względne położenia rotora i poprzez tranzystory sterują prądami cewek. Prądy w statorze zmieniają się łagodnie. Silniki te posiadają szereg zalet: wydłużony czas życia (istotne tylko zużycie łożysk) niskie szumy brak iskrzenia Chętnie stosowane w urządzeniach HiFi.

14 Magnetorezystor Magnetorezystor wykazuje zależność rezystancji od pola magnetycznego. Wczesne lata rozwoju magnetorezystorów wiązały się z wykorzystaniem półprzewodników, np. InSb dla pól B > 2kGs. Obecnie wykorzystuje się zjawiska magnetorezystancyjne zachodzące w: metalach ferromagnetycznych (efekt Thomsona) zwany również efektem AMR (anisotropic magnetoresistance), warstwowych strukturach magnetycznych (efekt GMR – giant magnetoresistance) magnetycznych złączach tunelowych (MTJ – magnetic tunnel junction) Elementy AMR wchodzą w użycie wraz z rozwojem technologii cienkowarstwowych. Stosuje się stopy: Ni Fe Ni Co Ni Fe Co Zmiana rezystancji w funkcji pola magnetycznego zależy od kąta jaki tworzy kierunek prądu z osią anizotropii magnet. (oś łatwego magnesowania).

15 Magnetorezystor AMR Praktyczne rozwiązanie czujnika MR Dla ε = ± 45°
zależność kwaziliniowa Praktyczne rozwiązanie czujnika MR Paski metaliczne wymuszają kierunek krzepływu prądu. Czujnik BARBER-POLE firmy PHILIPS. Charakterystyka w przybliżeniu liniowa.

16 (giant magnetoresistance)
Gigantyczna magnetorezystancja GMR (giant magnetoresistance) Jest to gwałtowny spadek rezystancji w obecności pola magnetycznego w strukturze wielowarstwowej, gdzie warstwy magnetyczne ( Fe, Co ) przedzielone są warstwami niemagnetycznymi ( Cu, Ag ) ( Baibich 1988). Rozpraszanie elektronu w zal. od kierunku spinu względem wektora namagnesowania M a – spin w górę, b – spin w dół

17 GMR W praktyce wytwarza się supersieci
Chrakterystyka supersieci GMR [Co (1.1nm) Cu(0.9nm)] · 100 Wytwarzając strukturę w postaci tzw. zaworu spinowego uzyskuje się czułości dla małych pól magnetycznych.

18 GMR IBM Almaden Res. Center

19 Magnetyczne złącza tunelowe (Magnetic Tunnel Junction MTJ)
Dwie feromagnetyczne elektrody oddzielone są tunelową warstwą izolatora. Prąd płynie prostopadle do złącza. Przy antyrównoległych orientacjach warstwy swobodnej (górnej) i zamocowanej (dolnej) występuje niska rezystancja. Przemagnesowanie warstwy górnej (polem zewnętrznego prądu) do orientacji równoległej daje wzrost rezystancji. IBM Almaden Res. Center

20 Czujnik MTJ The STJ-001 low-field magnetic microsensor in die form.
Micro Magnetics The STJ-001 low-field magnetic microsensor in die form. Active areas as small as 1x2 microns The die is 1.9 mm square and 300 microns thick. It has four gold wirebonding pads which allow four-point measurement of the device resistance. The field sensitivity of the STJ-001 is 5 nT, which is ten thousand times smaller than the magnetic field of the Earth.

21 Zastosowania czujników MR
Głowica odczytowa w napędzie dyskowym Zasada działania magnetorezystancyjnej głowicy odczytowej. Istotne są zmiany strumienia w kierunku prostopadłym do powierzchni nośnika.

22 Napęd dyskowy IBM Almaden Res. Center

23 Zastosowania czujników MR
Głowica odczytowa w napędzie dyskowym Zalety głowicy MR w stosunku do głowic indukcyjnych: niezależność sygnału od szybkości przesuwu taśmy większa czułość, a zatem większa gęstość zapisu Głowice te nie mogą jednak spełnić jednocześnie roli głowicy zapisującej (indukcyjnej) Pierwsza głowica z czujnikiem MR – 1970r. Głowice do odczytu taśm, IBM –1985r. Obecnie wszystkie głowice do twardych dysków wykorzystują elementy MR do odczytu.

24 Zastosowania czujników MR
Bezstykowe pomiary prądu DC i AC, transformowanie prądów stałych Wykrywanie zmian położenia i obrotu materiałów magnetycznych Busole cyfrowe Czytniki kart kredytowych Wykrywanie wad montażu i defektów w strukturach półprzewodnikowych Pamięci MRAM

25 Układ identyfikacji monet
W trakcie przemieszczania monety w polu cewki indukują się prądy wirowe. Mierzone jest przesunięcie fazowe między sygnałem cewki i magnetorezystora, charakterystyczne dla danego rodzaju monety, a niezależne od szybkości przemieszczania monety.

26 Układ ABS z czujnikami MR
Przy tendencji poślizgowej układ elektroniczny oraz hydrauliczny wpływają na odpowiednie hamulce.

27 Zastosowanie magnetorezystorów MTJ
defekty połączeń w mikrostrukturach

28 Zastosowanie magnetorezystorów MTJ
Wady montażu