Sensori Hall. Sensori Hall - generalità. Sensori Hall - geometria. Enrico Silva - proprietà intellettuale non ceduta e anche:

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1 Sensori Hall Sensori Hall - generalità costruiti a partire da film metallici o di semiconduttori drogati attraverso la detezione di campi magnetici, possono essere usati per numerose altre grandezze (velocità, pressione, posizione, corrente, temperatura,...) possono operare dalla DC fino ad alta frequenza (100 khz) relativamente poco sensibili alla temperatura ( C) letture ripetibili. sensibilità (senza amplificazione) mv/t, (con amplificazione) ~ 100 mv/mt ok per misurazioni del campo terrestre) Sensori Hall - geometria Criticità: la geometria! e anche: J VH1 V H2 VH3 disallineamenti critici, introducono un contributo di ρxx (e ρxx ρyx)

2 Sensori Hall - materiali Semiconduttori p o n: InAs, InAsP, InSb, GaAs, Ge, Si. Con il Si la circuiteria di condizionamento può essere integrata nel medesimo Enrico chip. Silva - proprietà intellettuale non ceduta Sensori Hall - dipendenza da T Tensione di Hall: V H = E y w = yx J x w = yx I/t e in Non ρ yx è c è permessa, la mobilità in particolare, la riproduzione anche parziale se la corrente viene imposta utilizzando tensione (V x) costante, e si ha self-heating, la mobilità diminuisce e quindi diminuisce I e quindi V H! Mantenere I costante. Le sonde Hall lavorano (meglio) a corrente costante. Sensori Hall Tensione di Hall: V H = E y w = yx J x w = yx I/t Non e è ρyx permessa, B in particolare, la riproduzione anche parziale Sensori opera Hall: è richiesto sensibili il al permesso campo, scritto dell autore (E. Silva) non alla variazione del campo (come i sensori induttivi)

3 Sensori Hall Tensione di Hall: V H = E y w = yx J x w = yx I/t e in Non ρ yx è c è permessa, la mobilità in particolare, la riproduzione anche parziale Semiconduttori, perché la conducibilità è minore rispetto ai metalli) e quindi la tensione di Hall è maggiore (oltre alla possibilità di controllare la conducibilità mediante drogaggio) Sensori Hall - sensori di posizione Richiede che almeno un magnete sia vincolato alla parte da misurare. Lo spostamento (anche piccolo) del magnete produce una variazione di B sul sensore Sensori Hall - sensori di flusso Un liquido che contiene particelle cariche (situazione comune). Il liquido ha velocità v. Allora I v Usato (fra l altro) per misuratori di flusso del sangue (e ovviamente per misure di corrente elettrica! I B VH)

4 Sensori Hall - sensori on-off (contatori) Tachimetro: Un dente di materiale ferroso (o magnetico) vincolato (ad es.) all albero produce una serie di impulsi elettrici nel sensore conteggio Accuratezza: 1 2 rivoluzione. Sensori Hall - sensori on-off (contatori) Velocità angolare: Alternanza di poli magnetici in una struttura rotante produce una serie di impulsi elettrici nel sensore conteggio Accuratezza: dipende da quante alternanze N-S riescono a essere risolte dal sensore. Per l autorizzazione Alcuni a riprodurre sensori in parte o in tutto di la presente temperatura

5 Generalità Si Non sfrutta è permessa, le sensibilità in particolare, alla temperatura la riproduzione dei componenti anche elettronici. parziale Termometri (non propriamente della presente sensori) opera. Resistenze Per l autorizzazione (metalli e semiconduttori) a riprodurre in parte o in tutto la presente dispositivi opera è a richiesto giunzione il permesso bimetallica scritto (termocoppie) dell autore (E. Silva) dispositivi a giunzione Semiconduttore-Semiconduttore (diodi) Generalità Si Non sfrutta è permessa, le sensibilità in particolare, alla temperatura la riproduzione dei componenti anche elettronici. parziale Termometri (non propriamente della presente sensori) opera. Resistenze Per l autorizzazione (metalli e semiconduttori) a riprodurre in parte o in tutto la presente dispositivi opera è a richiesto giunzione il permesso bimetallica scritto (termocoppie) dell autore (E. Silva) dispositivi a giunzione Semiconduttore-Semiconduttore (diodi) thermally sensitive resistors Sensori basati su semiconduttori: cristallini (Si) ossidi Non metallici. è permessa, in particolare, la riproduzione anche parziale Si sfrutta Per la l autorizzazione forte dipendenza a dalla riprodurre temperatura in parte della o in conducibilità. tutto la presente Resistività: crescente con T: termistori PTC (positive temperature coefficient) decrescente con T: termistori NTC (negative temperature coefficient)

6 Sensori basati su semiconduttori: cristallini (Si) ossidi metallici. Si sfrutta la forte dipendenza dalla temperatura della conducibilità: Non è permessa, in = particolare, neµ e + peµ la h riproduzione anche parziale Figura da M. Razeghi, Fundamentals of Solid State Engineering, Kluwer, 2002 Figura da Ibach-Lüth, Solid State Physics, Springer = neµ e + peµ h Figura da M. Razeghi, Fundamentals of Solid State Engineering, Kluwer, 2002 n: dipendenza da T esponenziale μ: debole dipendenza da T (non nella regione Enrico di Silva saturazione) - proprietà intellettuale non ceduta Figura da Ibach-Lüth, Solid State Physics, Springer drogaggio ottimizzato per ridurre la regione di saturazione (al contrario dei dispositivi) la dipendenza di μ diventa trascurabile = neµ e + peµ h Figura da M. Razeghi, Fundamentals of Solid State Engineering, Kluwer, 2002 n: dipendenza da T esponenziale (non nella regione Enrico di Silva saturazione) - proprietà intellettuale non ceduta Figura da Ibach-Lüth, Solid State Physics, Springer drogaggio ottimizzato per ridurre la regione di saturazione

7 Termistori al Si o Ge: ND ~ cm -3. (T ) n(t ) Non è permessa, in particolare, R ela E A/k riproduzione B T anche parziale Range di opera temperatura è richiesto di utilizzo: permesso dipende scritto dalla dell autore energia (E. caratteristica Silva) del materiale (più grande è E A maggiore è R a fissata T; la temperatura massima di utilizzo aumenta con EA). Fortemente nonlineari con T. Ge: piccola EA criogenia (1-100 K); Si: EA maggiore fino a 250 C. Ossidi metallici: fino a 500 C. Ossidi metallici: tipicamente in forma di film (sottile o spesso) depositato su un substrato. Alcuni materiali: Mn2O, NiO, Co2O3, Cu2O, Fe2O3 e TiO2. Termistori al Si o Ge: ND ~ cm -3. (T ) n(t ) Non è permessa, in particolare, R ela E A/k riproduzione B T anche parziale opera R(T )=R(T è richiesto il permesso scritto 0 )e B 1 1 T T 0 dell autore (E. Silva) Calibrazione: una misura a una temperatura di riferimento T 0 determinazione della costante B. Valori tipici: B = K La legge è approssimata. I produttori forniscono (spesso) tabelle di calibrazione. R(T )=R(T 0 )e B 1 T 1 T 0 La Enrico legge Silva è approssimata. - proprietà intellettuale I produttori non forniscono ceduta Non è (spesso) permessa, tabelle in particolare, di calibrazione. la riproduzione anche parziale Legge empirica di Steinhart-Hart: 1 T = a + b ln R + c(ln R)3 T in kelvin R in ohm

8 R(T )=R(T 0 )e B 1 T 1 T 0 Sensibilità e Enrico risoluzione Silva - alte: proprietà grande intellettuale variazione di non resistenza ceduta per grado. Ripetibilità Piccoli: risposta veloce Economici Grande variazione di R: difficoltà di misura sull intero range Sensibili alla calibrazione: difficile sostituzione uno a uno Resistenza elevata (da centinaia a decine di migliaia di Ω): self heating! Se si scalda R diminuisce difficoltà di misura sull intero range R(T )=R(T 0 )e B 1 T 1 T 0 dipendenza di R da B Thermally Conductive Epoxy Coating Tin Plated Copper Alloy Lead Wires Ottimizzabili in diversi intervalli di temperatura Dispositivo a due contatti (grazie alla resistenza alta)

9 Thermistor bead shown actual size. Enrico Silva - proprietà intellettuale wire 76.2 (3) L. non ceduta opera è richiesto il permesso 2.4 (0.095) scritto dell autore (E. Silva) diameter bead. #32 tinned-copper 76.2 (3) Dimension: mm (inch) Shown larger than actual size. RTD, Resistance Temperature Devices opera è Accurate richiesto e il stabili permesso scritto dell autore (E. Silva) Intervallo di temperatura ampio Piuttosto costose (platino) Coefficiente di temperatura positivo Richiede una sorgente di corrente Self-heating Resistenza dei collegamenti rilevante: richiede misura a quattro contatti lineari in T fino a ~100 K (dipende dal metallo): T (T )= (0) + A n Z R T R(T ) ' R 0 (1 + T ) usi criogenici: R 0 Maggior Non è complessità permessa, in particolare, la riproduzione anche parziale della caratteristica. elevata opera purezza è richiesto del il permesso scritto dell autore (E. Silva) metallo (competizione con lo scattering da difetti) Ag costo elevato x n (e x 1)(1 e x ) dx

10 ~ lineari (Pt) fino ad alte T. uso: Non è permessa, in particolare, la riproduzione Pt: anche parziale K T molto alte (> 600 C): W opera è richiesto il permesso scritto dell autore R(T ) ' R(E. Silva) 0 (1 + T ) Pt-100: filo di Pt con R 0 = 100 Ω dall azoto liquido (77.35 K) fino ad alte T: equazione empirica di Callender-Van Dusen (T è in C) R(T ) ' R 0 (1 + T + BT 2 + C(T 100)T 3 ) ~ lineari (Pt) fino ad alte T. uso: Non è permessa, in particolare, la riproduzione Pt: anche parziale K R(T ) ' R 0 (1 + T ) Pt-100: filo di Pt con R 0 = 100 Ω Anche a film metallico (migliora la riproducibilità) I punti rossi indicano possibili punti di interruzione (mediante laser) con cui si regola la resistenza complessiva del film

11 a filo 4 contatti materiali ad alta conducibilità termica (zaffiro) a film Non è permessa, in particolare, la riproduzione 4 anche contatti parziale necessari materiali ad alta conducibilità termica (zaffiro) 4 contatti necessari Attenzione: self-heating, P=RI 2

12 Termistori vs. resistenza al Pt 10 M 1 M 100 k 10 k 1 k 100 Thermistor Enrico Silva - (2252 proprietà Ω at 25 intellettuale C) non ceduta RTD Per l autorizzazione a riprodurre in parte o in tutto (PT la 100 presente Ω) Resistance (Ω) Temperature ( C)