SZENZOROK ÉS MIKROÁRAMKÖRÖK 11. ELŐADÁS: MÁGNESES ÉRZÉKELŐK I 2014/2015 tanév 2. félév 1 1. Mágneses tér mérése, mágneses térerősség (H) és mágneses indukció (B), mértékegységek. 2. Fizikai működési elvek. Hall-effektus, Hall-érzékelő, magnetorezisztor, óriás mágneses elllenállásváltozás (giant magnetoresistance, GMR). 3. Mágneses érzékelők alapanyagai (félvezetők, szilícium (Si), gallium-arzenid (GaAs), indium-antimonid (InSb), kobalt-réz-vas (Co-Cu-Fe) multi-réteg szerkezetek, stb.). 4. Hall-, magnetorezisztor-, GMR-érzékelők, gyakorlati típusok és mérőáramköreik. Mágneses térre érzékeny tranzisztorok, MAGFET, vertikális- és laterális- (bipoláris) magnetotranzisztor. Mikroelektronikai integrált érzékelők. 5. Alkalmazási példák. Lineáris elmozdulás és pozíció, távolság, szöglefordulás és szöghelyzet. Beavatkozás nélküli áramérzékelés 2 és mérés. Mágneses érzékelők gépkocsikban. 1
MÁGNESES ÉRZÉKELŐK Mágneseses érzékelő: funkciója szerint kétféle típusú lehet. 1. Közvetlenül érzékelhet egy mágneses teret (direkt alkalmazás), pl. mint egy magnetométerben a Föld mágneseses terét, vagy egy adattároló készülékben az adathordozó (mágneses lemez, szalag, kártya, stb.) lokális mágnesezettségét. 2. A mágneses tér mint közvetítő eszköz szolgál nemmágneses jelek érzékelésre (indirekt alkalmazás) mint pl. lineáris- vagy szöghelyzet, elmozdulás és sebesség érzékelés permanens mágnesekkel kontaktusmenetes módon, vagy áramérzékelés a mágneses tere révén, stb. 3 MÁGNESES ÉRZÉKELŐK Conventional sensors detect a physical property directly (A) Magnetic sensors detect changes in magnetic fields and from derive the information on physical properties (B) 4 2
DIREKT ALKALMAZÁSOK Információ kiolvasása mágneses adathordozóról (mágneses lemez, szalag vagy buborékmemória) Mágneses mintázat felismerése bankjegyeken vagy bankkártyákon Magnetometria: mágneses készülékek vezérlése mint pl. klasszikus vagy szupravezetős elektromágnesek, részecskegyorsítók mágnesei, továbbá a vektoriális mágneses terek meghatározása két-vagy három komponens detektálásával Mágneses levitáció (MAGLEV) vezérlése és szabályozása Föld mágneses terének mérése, elektronikus iránytű Geomágneses távérzékelés geológiai és vulkanikus felmérésekhez 5 DIREKT ALKALMAZÁSOK Mesterséges holdak helyzet szabályozása Repülőgépek, hajók, tengeralattjárók, rakéták és lövedékek pozicionálása a geomágneses térre kifejtett perturbáló hatásuk révén, valamint a globális navigációs rendszer kifejlesztésére Biomagnetometira: diagnosztikus adatok gyűjtése a kardiomágnesesség, miómamágnesesség és a neuromágnesesség révén a célból, hogy a szív, az izmok, az idegek és az agy működését feltérképezzék (emberek és állatok) 6 3
INDIREKT ALKALMAZÁSOK Távolság/elmozdulás (lineáris, szög), sebesség és rezgés mérés Helyzetérzékelés Forgás és forgásirány érzékelés (tachometria) Kollektor nélküli DC motorok Billentyűzet és közelség (proximity) kapcsolók Mikrofonok Lineáris és forgó potenciométerek, forgó tengely szöghelyzet indikálás, gépkocsi gyujtás-vezérlés Gépkocsi ASB (anti-skid breaking) Roncsolásmentes mágneses anyagvizsgálat, fémdetektálás 7 INDIREKT ALKALMAZÁSOK Villamos áram- és teljesítménymérés (kwh számlálók) a vezeték megszakítása nélkül Analóg szorzás Galvanikus elválasztás Járműérzékelés (ferromágneses test elhaladása) Mechanikai, kémiai, stb. jellemzők mérése, permanens mágneseket tartalmazó mágneses modulációs rendszerekben 8 4
MÁGNESSÉG TERMÉSZETE A mágnesség történetében van néhány különös ellentmondás, s ezek rendkívül érdekessé teszik a témakört. Egyfelől a mágnesvasérc, mint a hajózásban használt iránytű, a tudomány egyik legrégebben ismert ipari alkalmazása, és napjainkban a ferromágnesség talán még fontosabb az ipari társadalom számára, mint volt régen a hajósoknak. Másfelől a mágnesség eredetét hosszú ideig nem sikerült értelmezni, és az elmélet még ma sem tudja a kísérleti megfigyeléseket mind megmagyarázni. 9 MÁGNESSÉG TERMÉSZETE Feltételezik, hogy a kínaiak már i.e. 2500 körül használtak iránytűt. Ha ez talán nem is igaz, annyi azonban egészen biztos, hogy az i.e. VI. évszázadban a milétoszi TÁLESZ ismerte a mágnesvasércnek azt a tulajdonságát, hogy a vasat magához vonzza. Az időpontot még kétszáz évvel korábbra hozza WILLIAM GILBERT (I. Erzsébet udvari tudósa), aki 1600-ban azt írta, hogy jó szerencsétől kísérve, a vasöntők vagy fémbányászok már 800 esztendővel Krisztus születése előtt felfedezték a magnetitot. Alig kétséges, hogy ma mekkora műszaki fontossága van a ferromágnességnek. Magyarországon ma a villamos erőművek kapacitása kb. 9 GW, és a nagymennyiségű elektromos energia előállítása lehetetlen lenne a ferromágneses anyagok és a mágnesség tulajdonságainak megfelelő felhasználása nélkül. 10 5
MÁGNESSÉG: ALAPFOGALMAK DIÓHÉJBAN Mágneses térerősség: Mágneses indukció (fluxussűrűség): Mágneses permeabilitás: H (A/m) B (Vs/m 2 = Tesla) µ (Vs/Am) Vákuumban B = µ o H Anyag jelenlétében B = µ o (H + M) M: térfogategységre eső mágneses dipólusmomentum (Am 2 /m 3 = A/m) azaz mágnesezettség M = χ m H χ m : mágneses szuszceptibilitás B = µ o (1 + χ m )H = µ o µ r H azaz µ r = 1 + χ m 11 MÁGNESES DIPÓLUS Felmágnesezett vasrúd mágneses tere A Föld mágneses terének dipólus modellje 12 6
MÉRTÉKEGYSÉGEK Mágneses egységek mindig gondot okoztak és okoznak ma is A cgs (Gauss) rendszer sokáig volt használatban. Ebben µ o = 1 és így H és B numerikusan azonosak vákuumban (és gyakorlatilag levegőben), és egységeiket (Oersted a téré, Gauss a fluxussűrűségé) gyakran össze-vissza felcserélik. Ez nagy kavarodást okozott és okoz néha ma is Ma: SI rendszer, definíció szerint µ o = 4 π x 10-7 Vs/Am 13 MÉRTÉKEGYSÉGEK Helyesen: Vs/m 2 14 7
MÁGNESES TEREK NAGYSÁGA Jelenség, mágneses tér forrása Mágneses indukció (Tesla) Biológiai /élő rendszerek Pico- és nanotesla Geomágneses tér (30-60)x10-6 Mágneses adatrögzítők 0,001 Vezető felszínén (r = 1-2 mm, 10 A) 0,001-0,002 Permanens mágnes (kapcsolók) 0,005-0,1 Permanens mágnes, ferrit 0,3 (max) Permanens mágnes, Alnico, SmCo, 0,4-0,8 (max) Vasmagos transzformátor 0,9-1 Vas telítési mágnesezettség 2,1 Szupravezető tekercs (T = 2-4 K) 10-20 MRI 3-4 Rezisztív mágnes 28-30 (50 mm dia szabad tér, 22-25 MW táplálás) Lassú impulzus ( msec) 30-60 Gyors impulzus ( µsec) 50-100 One-shot 100-200 Fluxus kompresszió > több száz 15 ANYAG ÉS MÁGNESES TÉR Csoport Anyag Szuszceptibilitás Permeabilitás diamágneses Cu, Ag, Au, Bi szupravezetők kicsi és negatív -10-5 -1 kb. 1 paramágneses Al, Pt kicsi és pozitív 10-3 10-5 kb. 1 ferromágneses Fe, Co, Ni, ritka földfémek, pl. Sm, Dy nagy és pozitív 50-10 4 50-10 4 ferrimágneses Fe 3 O 4 nagy és pozitív nagy és pozitív 0 Emlékeztető: µ r = 1 + χ m A szupravezetők abszolút diamágneses anyagok. 16 8
MÁGNESES SZENZOROK ÉRZÉKELÉSI TARTOMÁNYAI Élő szervezet Föld trafó MRI 17 MÁGNESTÉR ÉRZÉKELŐK CSOPOSTOSÍTÁSA Lehetséges és szokásos csoportosítás, illetve elnevezések Vektor (komponens) érzékelők Skalár (abszolút érték) érzékelők Kis terek (B < 1 mt) Nagy terek (B > 1 mt) magnetométer gaussméter 18 9
MÁGNESES ÉRZÉKELŐK CSOPORTOSÍTÁSA MÁGNESTÉR SZENZOROK MAGNETOMÉTEREK B < 1 mt GAUSSMÉTEREK B > 1mT VEKTOR Mérőtekercs Fluxgate szenzor SQUID Magnetorezisztív szenzor Száloptikai szenzor SKALÁR Proton precesszió Optikai pumpálás Hall effektus Magnetorezisztív Magnetodióda Magnetotranzisztor ERZÉKELÉSI TARTOMÁNYOK 20 10
MÉRÉSI TECHNIKÁK ÖSSZEHASONÍTÁSA Eszköz B tartomány Feloldás (mt) (nt) Tekercs 10-10 -10 6 változó Fluxgate 10-4 -0,5 0,1 SQUID 10-9 -0,1 10-4 Hall effektus 0,1-3x10 4 100 MR 10-3 -5 10 Proton precesszió 0,02-0,1 0,05 Optikai pumpálás 0,01-0,1 0,005 21 MÁGNESES SZENZOR SZERKEZETEK B = µ r µ o H szerint a szenzor válasza nagy µ r esetén megnő. 22 Ennek alapján a szenzorok két nagy csoportra oszthatók. 11
MÁGNESES SZENZOR SZERKEZETEK A B = µ r µ o H összefüggés alapján a szenzor válasza nagy relatív permeabilitás esetén megnő. Ennek alapján a szenzorok két nagy csoportra oszthatók. Szenzorok, melyekben nagy permeabilitású anyag kerül alkalmazásra (ferro- vagy ferrimágneses anyag,µ r >> 1), mely a permeabilitás arányában megnöveli az érzékenységet. Pl. NiFe vékonyréteg mágneses ellenállásváltozási szenzor, optikai szálakon elhelyzett (ferromágneses) nikkel bevonat (magnetostrikciós hatás), illetve bármely szenzor, melyben fluxus koncentrátor kerül alkalmazásra. Kis relatív permeabilitás (µ r 1) esetén nincs ilyen jellegű erősítés. Pl. az összes, a galvanomágneses jelenségeken alapuló szenzor ebbe az osztályba tartozik. 23 MÁGNESES TÉR HATÁSAI: ÉRZÉKELÉS A legfontosabb, az érzékelőkben kihasznált effektusok: Mozgó töltéshordozók (áram) eltérítése (Lorentz erő) Hall-effektus (Lorentz erő) Mágneses ellenállásváltozás (többféle mechanizmus) Szupravezető állapotra való hatás (szupravezető kvantum interferencia) 24 12
LORENTZ ERŐ A legtöbb mágneses szenzor a Lorentz erőt használja ki F = qvb mely az anyagban (fém, félvezető vagy szigetelő) mozgó elektronra hat. Bár a H mágneses térerő az érzékelendő mennyiség, a B mágneses indukció mely az erőhatást leírja, és ez határozza meg a szenzor válaszát. F a töltésre ható erő q a részecske töltése B a mágneses indukció v a részecske sebessége 25 LORENTZ ERŐ 26 13
LORENTZ ERŐ 27 LORENTZ ERŐ ÉS ÉRZÉKELÉS 28 14
LORENTZ ERŐ 29 GALVANOMÁGNESES EFFEKTUSOK A mágneses érzékelő működése gyakran valamely galvanomágneses effektuson (Hall jelenség, mágneses ellenállás-változás) alapul. A mágneses térerősség H dimenziója A/m, a vele összefüggő mágneses indukció (B, fluxus-sűrűség) dimenziója pedig Vs/m 2 (Tesla). Mivel a töltéshordozó-mozgékonyság (µ) dimenziója ennek éppen reciproka, azaz m 2 /Vs, ezért a µb szorzat dimenzió nélküli szám, és ez jellemzi a galvanomágneses hatások erősségét és egyben a szenzorok relatív érzékenységét. Általában nagy töltéshordozó-mozgékonyság és alacsony töltéshordozó-koncentrációk esetén erősek a galvanomágneses hatások, ez az oka, hogy az ilyen szenzorok anyaga félvezető és nem fém. 30 15
A HALL EFFEKTUS Ha egy vezetőben vagy félvezetőben áram folyik, és azt mágneses térbe helyezzük, akkor a vezetőben mozgó elektronokra ható Lorentz-erő miatt a vezető két oldalán poteciálkülönbség lép fel, ez a Hall-feszültség. A jelenség jól keskeny mintában lép fel, ahol a töltéshordozók a hossziránnyal párhuzamosan mozognak az ez irányban kapcsolt feszültség hatására. A vékony minta síkjára merőleges mágneses térben keresztirányú elektromos erőtér is kialakul, ami kompenzálja a mágneses mezőben haladó töltéshordozókra ható Lorentz-erőt. A Hall feszültség: R H IB U H = t t a minta vastagsága, R H a Hall-állandó. 31 A HALL ELEKTROMOS TÉR p-típusú mintában a lyukak sebessége -x irányú, a lyukakra ható F = evb Lorentz erő iránya y, és lefelé téríti el a lyukakat. A lyukak az alsó lapon felhalmozódva egy +y irányú elektromos teret hoznak létre. Mivel az y irányban nem folyik áram, az y irányú tér (a Hall tér) egyensúlyt tart a Lorentz erő terével, E y = v x B z. Ekkor E y = V y /w = V H /w = R H j x B z, és a Hall állandó R 32 H = 1/ep. 16
HALL ÁLLANDÓ Lorentz erő Hall ellenerő F L = Bev F H = ee H Két erő egyensúlya ee H = Bev Áramsűrűség Hall állandó j = nev = neµe = σe E H /(jb) = 1/(ne) = R H = (U H /w)/b/(i/wt) = U H t/(bi) 33 ALKALMAZÁS: FÉLVEZETŐK MÉRÉSE A fizikai modell szerint a vezetőképesség, illetve a fajlagos ellenállás A Hall állandó σ = ρ -1 = enµ R H = 1/en A fajlagos ellenállás és a Hall állandó mérésével a félvezetők két alapvető paramétere, a töltéshordozók koncentrációja és mozgékonysága meghatározható. A Hall-mérés alapvető félvezető-fizikai és technikai mérés. 34 17
ALKALMAZÁS: FÉLVEZETŐK MÉRÉSE Lyukkoncentráció (p=1/er H ) hőmérsékletfüggése mikrogravitációs környezetben növesztett GaSb-ban Hall állandó méréséből. 35 EGYKRISTÁLYNÖVESZTÉS MIKROGRAVITÁCIÓS KÖRNYEZETBEN Eötvös program (KFKI és MFKI): InSb, GaAs és GaSb kristálynövesztés mikrogravitációs környezetben a Szaljut űrhajó fedélzetén (Interkozmosz), SZPLÁV űrkemence. 36 18
GaAs, InP, GaSb, III-V EGYKRISTÁLYOK Typical horizontal Bridgman apparatus for bulk growth of GaAs 37 HALL ÉRZÉKLEŐK Működése a félvezetőben a külső mágneses térben az áramot hordozó mozgó töltéshordozókra ható Lorentz erőn alapul. A lemez alakú, hosszú de kis vastagságú eszközben a lemezre merőleges irányú mágneses tér a hosszirányú áramot hordozó elektronokat vagy lyukakat keresztirányba eltéríti, így a domináns töltéshordozók előjelétől illetve a mágneses tér polaritásától függően a lemez két szélén ellentétes előjelű töltések halmozódnak fel, melyek egy keresztirányú feszültséget, az ún. Hall-feszültséget hozzák létre. 38 19
Az eszköz alapegyenlete HALL ÉRZÉKELŐK U H = KIB I - az eszközön átfolyó áram [A], B - az alkalmazott mágneses indukció [Vs/m 2 ], U H - a Hall-feszültség [V], K - érzékenységi állandó [m 2 /As], mely magában foglalja a geometriai, és a félvezető anyagi paramétereket. Az eszköz kimenőjele a mágneses tér függvényében lineáris. 39 HALL ÉRZÉKLEŐK A Hall-generátor félvezető alapanyaga általában szilícium (Si), gallium-arzenid (GaAs) vagy indium-antimonid (InSb). A működési elvből következően a Hall-generátornál is célszerű nagy elektron-mozgékonyságú alapanyagot választani. Ezt a feltételt kielégíti a GaAs (az elektron mozgékonysága kb. ötszöröse mint a szilicíumé) de méginkább az InSb. Ugyanakkor a Si technológiája kiforrottabb, könnyen integrálható az eszköz. 40 20
HALL ÉRZÉKELŐ: POTENCIÁL-ELOSZLÁS MÁGNESES TÉRBEN 41 HALL ÉRZÉKELŐ Hall érzékelő geometriája és kontaktus konfigurációja 42 21
OFFSET (NULLA-HIBA) 43 ANYAGOK 44 22
GaAs HALL SZENZOR Ionimplantációval létrehozott kb. 0,3 µm vastag n-típusú GaAs réteg félszigetelő GaAs hordozón (technológia: GaAs MESFET). Üzemi tartomány -40 o C + 175 o C (nagy tiltott sáv!). 45 HALL ELEM Si TECHNOLÓGIÁBAN Hall érzékelő cella megvalósítása Si bipoláris technológiában. Az aktív zóna az n-típusú epitaxiás réteg, az áramkontaktusok n + diffúziós szigetek. 46 23
HALL ELEM Si TECHNOLÓGIÁBAN PMOS szerkezet, az inverziós réteg vastagságát, mely az érzékenységet határozza meg, a vezérlő elektróda feszültsége állítja be. 47 MAGFET Osztott drain-es laterális MOS magnetotranzisztor (MAGFET) szerkezete és kapcsolási vázlata. 48 24
BIPOLÁRIS MAGNETOTRANZISZTOR Kettős kollektorú bipoláris magnetotranzisztor elvi vázlata. A Lorentz eltérítésen túlmenően a többségi hordozók bázisemitter árama a merőleges mágneses térben Hall feszültséget generál, amely eltéríti a kisebbségi töltéshordozók injekciós áramát az emitterből. Ez a többleteffektus a töltésinjekció 49 moduláció. FELVEZETŐ MAGNETOREZISZTOROK Megfelelően kialakított vezetőben (széles és vékony, hasábalakú eszköz), keresztirányú mágneses térbe helyezve, a töltéshordozókra (elektronok vagy lyukak) ható Lorentz erő hatására az árampályák elfordulnak, az áramút hossza és így az eszköz ellenállása megnő. Az ellenállásváltozás nagysága az eszköz geometriája, illetve a félvezető alapanyag megválasztásával optimalizálható. Az ellenállás relatív megváltozása R/R (µb) 2 (µ - mozgékonyság, B - mágneses indukció). 50 25
FELVEZETŐ MAGNETOREZISZTOROK A magnetorezisztor alapanyaga ezért nagy elektronmozgékonysággal rendelkező félvezető, legtöbbször indiumantimonid (InSb). Az eszköz ellenállás-mágneses tér jelleggörbéje nagyjából négyzetes, és nem függ a mágneses tér polaritásától. A változás nagysága néhány tized Tesla mágneses indukciónál akár 100 % is lehet. Alkalmazási területei: különféle érzékelési feladatok (helyzet, szögelfordulás, távolság, stb.) illetve kontaktus nélküli potenciométerek. 51 InSb-NiSb MAGNETOREZISZTOR 52 26
HALL ÉRZÉKLŐ ALKALMAZÁSOK 53 Alkalmazási lehetőségek 54 27
HALL SZONDA MÉRŐKAPCSOLÁS Hall szonda/cella alapkapcsolás The Hall voltage is a low-level signal. This low-level output requires an amplifier with low noise, high input impedance and moderate gain. A differential amplifier with these characteristics can be readily integrated with the Hall element using standard bipolar transistor technology. Temperature compensation is also easily integrated. 55 HALL SZONDA MÉRŐKAPCSOLÁS Ajánlott mérőkapcsolás. A baloldali OPAMP a virtuális föld révén gyakorlatilag nulla potenciálon tartja az egyik kimenetet, így a teljes Hall feszültség megjelenik a másik kontaktuson. 56 28
ANALÓG KIMENETŰ SZENZOR Egyszerű, analóg kimenetű szenzor 57 DIGTÁLIS KIMENETŰ SZENZOR 58 29
DIGITÁLIS KIMENETŰ SZENZOR Digitális kimenetű szenzor átviteli függvénye 59 ÁRAMÉRZÉKELÉS/MÉRÉS Áramérzékelés a vezető megszakítása nélkül 60 30
ÁRAMÉRZÉKELÉS/MÉRÉS Árammérés közvetlenül a mágneses tér mérésével, illetve kompenzációs módszerrel (ekkor a Hall szonda a nulldetektor). 61 AC TELJESÍTMÉNYMÉRÉS 62 31
PROGRAMOZHATÓ HALL IC 63 PROGRAMOZHATÓ HALL IC Programmable according to application needs, e.g.: 1. Bipolar, 50% offset, low sensitivity, clamping 2. Unipolar, no offset, high sensitivity, no clamping 64 32