Effetto Hall 1 / 49

Lezione 4

Trasduttoriad effetto Hall e

magnetoresistori

Effetto Hall 2 / 49

Trasduttori ad effetto Hall

• L’effetto Hall

• Trasduttori (di induzione magnetica) ad effetto Hall– Funzionamento

– Sensibilità

– Cause di incertezza

• Magnetoresistori– Funzionamento

– Sensibilità

– Cause di incertezza

Effetto Hall 3 / 49

L’effetto Hall

Effetto Hall 4 / 49

Effetto Hall

BvqFH

Effetto Hall 5 / 49

qEFBvqF

qEFBvqF

cH

cH

;

;

FHall e FCoulòmb

Effetto Hall 6 / 49

Equilibrio delle forze

v

EB

qEFBvqF cH

Effetto Hall 7 / 49

Campo elettrico E e tensione di Hall VH

dv

V

v

EB

d

VE

dEVH

H

H

Effetto Hall 8 / 49

t

Qi

tvlt

Qi

;

Velocità dei portatori di carica

Effetto Hall 9 / 49

Velocità dei portatori di carica

dsnq

iv

t

tvdsnq

t

Qi

tvld lsnqQ

;

Effetto Hall 10 / 49

Tensione di Hall ed induzione B

ddsnq

iV

dv

VB

dsnq

iv

dv

V

v

EB

HH

H

Effetto Hall 11 / 49

Tensione di Hall ed induzione B

snq

iBVsnq

i

V

ddsnq

iV

B HHH

Effetto Hall 12 / 49

Disposizione elettrodi

Effetto Hall 13 / 49

Sensibilità

• Si è visto che la tensione prodotta è data da:

snq

iBVH

• Per ottenere elevate sensibilità bisogna agire sul rapporto i / q n s :– s : si realizzano spessori molto piccoli (fino a pochi nm) mediante

tecniche avanzate quali lo “sputtering” – q n : si ricorre a semiconduttori a basso drogaggio con portatori

dominanti di tipo n

– i : si forzano correnti relativamente elevate applicando elevate tensioni alla basetta

Effetto Hall 14 / 49

Sensibilità e cause di incertezza

• Sensibilità: elevata sensibilità bassa densità pdc

– materiale semiconduttore monocristallino e poco drogato

• Cause di incertezza:

– la temperatura modifica la densità pdc

– spessore del semiconduttore

– allineamento elettrodi

Effetto Hall 15 / 49

Allineamento elettrodi

El

E

Effetto Hall 16 / 49

Media per tre coppie di elettrodi

Effetto Hall 17 / 49

14 - 20 euro

Effetto Hall 18 / 49

L’angolo di Halled i

magnetoresistori

Effetto Hall 19 / 49

Mobilità dei portatori di carica

• Da un punto di vista macroscopico consideriamo che i portatori di carica, sotto l’effetto del campo elettrico applicato dall’esterno, si muovono di moto rettilineo uniforme e definiamo “mobilità dei portatori di carica” () il rapporto fra la velocità dei portatori e la intensità del campo elettrico che tiene in movimento le cariche stesse:

E

vμ

E

E v vv

Effetto Hall 20 / 49

Angolo di Hall

• La traiettoria “microscopica” delle cariche in movimento è curvilinea con un raggio di curvatura che risulta diminuire mano a mano che la velocità aumenta.

• Quando il portatore di carica collide con un atomo si ferma, quindi riprende il suo movimento secondo la direzione del campo elettrico principale.

• Appena è in movimento ricomincia a risentire dell’azione della forza di Hall che inizia a deviare sempre più la sua traiettoria.

B

E

E

Effetto Hall 21 / 49

Angolo di Hall

C

HH F

Ftg

• La traiettoria “macroscopica” delle cariche in movimento è deviata di un angolo H rispetto alla direzione del campo elettrico principale.

Effetto Hall 22 / 49

Angolo di Hall

C

HH F

Ftg

C

HH F

Fsin • In realtà la forza di Hall media è

normale alla traiettoria “macroscopica”

Effetto Hall 23 / 49

Sensibilità

qEBqvBFEv

qEF

H

C

C

HH F

Ftg

BqE

qEB

F

Ftg

C

HH

Effetto Hall 24 / 49

Magnetoresistori

H

ll

cos

10

Btg H

0

00 ds

lR

0

Effetto Hall 25 / 49

Magnetoresistori

HHH

H

H

d

ldldd sencoscos

cos

sen

0

0000

H

ll

cos

10

Btg H

0

00 ds

lR

Effetto Hall 26 / 49

Magnetoresistori

HHH

H

H

d

ldldd sencoscos

cos

sen

0

0000

H

ll

cos

10

Effetto Hall 27 / 49

Magnetoresistori

L’accumulo di cariche alla faccia inferiore crea un effetto che contrasta la libera circolazione delle altre cariche in modo analogo a quanto visto con i sensori ad effetto Hall.

Effetto Hall 28 / 49

Magnetoresistori

le resistenze sarebbero di piccolo valore, quindi:

- piccole variazioni assolute,

- problemi di misurazione non trascurabili.

Per contrastare l’effetto di accumulo si potrebbe limitare l0 ma:

Effetto Hall 29 / 49

Disco di Corbino Orso Mario Corbino (1876 - 1937)

Effetto Hall 30 / 49

Orso Mario Corbino (1876 - 1937)

Presidente del Consiglio Superiore delle acque e dei Lavori Pubblici nel 1917, Senatore del Regno dal 1920, fu ministro della Pubblica Istruzione nel 1921-1922 (nel governo Bonomi I) e ministro dell'Economia Nazionale nel 1923-1924 (chiamato a tale incarico da Mussolini, pur non essendo iscritto al partito fascista).

Dopo la morte di Blaserma inoltre ottenne la cattedra dell'Istituto di fisica sperimentale e dell'Istituto di Via Panisperna dal 1918 al 1937.

Effetto Hall 31 / 49

Disco di Corbino

Effetto Hall 32 / 49

Magnetoresistori

La geometria più adatta alla realizzazione di un trasduttore è quella del parallelepipedo già studiato, ma come contrastare l’accumulo di cariche alla faccia inferiore?

Effetto Hall 33 / 49

Composito in antimoniuridi indio e nickel

Antimoniuro di indio( In Sb )

semiconduttore ad elevatissima mobilità

Antimoniuro di nickel( Ni Sb )

conduttore

Effetto Hall 34 / 49

Applicazioni dei magnetoresistori

Effetto Hall 35 / 49

Applicazioni dei magnetoresistori

Effetto Hall 36 / 49

Applicazioni dei magnetoresistori

Effetto Hall 37 / 49

Applicazioni dei magnetoresistori

Effetto Hall 38 / 49

Applicazioni dei magnetoresistori

Effetto Hall 39 / 49

Applicazioni dei magnetoresistori

Effetto Hall 40 / 49

Applicazioni dei magnetoresistori

Effetto Hall 41 / 49

Effetto Hall 42 / 49

Effetto Hall 43 / 49

Effetto Hall 44 / 49

Effetto Hall 45 / 49

Effetto Hall 46 / 49

Effetto Hall 47 / 49

Effetto Hall 48 / 49

biblioteca mks@

• Trasduttori ad effetto Hall:

– Hall Effect Sensing and Application126 pagine©Honeywell

Effetto Hall 49 / 49

biblioteca mks@• Magnetoresistori:

Electric Power Steering (EPS) with GMR-Based Angular and Linear Hall Sensor16 pagine ©Infineon

Pedal Position Sensing Using Hall Effect Sensors20 pagine ©Infineon

Throttle Position Sensing with

Linear Hall Sensors 20 pagine ©Infineon

Effetto Hall 50 / 49

La prossima lezione:

• Piezoelettricità ed effetto piezoelettrico diretto ed inverso

• Trasduttori piezoelettrici

• Materiali piezoelettrici naturali e sintetici: quarzi, PZT

• Banda passante e circuiti per il condizionamento del segnale d’uscita