Magnetoelektrické princípy snímačov

   Tento fyzikálny jav bol objavený v roku 1879 Ernstom Hallom. Jav je založený na vzájomnom pôsobení pohybujúceho sa elektrického náboja a vonkajšieho magnetického poľa. Na elektrón pôsobí sila s veľkosťou

kde $q$ je jednotkový náboj elektrónu, $v$ označuje rýchlosť pohybu elektrónu a $B$ udáva magnetickú indukciu. Predpokladajme, že sa elektrón pohybuje vo vnútri plochého vodivého pásu.

   Pôsobením magnetického poľa je elektrón odchyľovaný na stranu páskového vodiča (polovodičovej doštičky), strana s viacerými elektrónmi získava záporný potenciál. Na stranách je možné namerať napätie, tzv. priečne Hallove napätie $U_H$. Polarita napätia je závislá na smere toku prúdu a súčasne smere magnetickej indukcie. Pre Hallove napätie možno napísať vzťah

kde $R_H$ je Hallova konštanta, $B$ udáva magnetickú indukciu, $d$ označuje šírku Hallovho elementu a $I$ vyjadruje prúd prechádzajúci Hallovym elementom. Pre Hallovu konštantu $R_H$ platí vzťah

kde $n$ je hustota nosičov náboja a $q$ je jednotkový náboj elektrónu. V tab. 1 sú uvedené Hallove konštanty a ďalšie parametre pri niektoré vybrané materiály.

*μ_e je pohyblivosť elektrónov a E_g energia zakázaného pásu

   V elektricky vodivých magnetických materiáloch vzniká tzv. anizotropný magnetoodporový jav. Pôsobením vonkajšieho magnetického poľa kolmého k prúdovým siločiaram dochádza k stáčaniu magnetizačného vektora v magnetoodporovom elemente a tým aj prúdových siločiar, čoho výsledkom je zmena ohmického odporu elementu.

   Ohmický odpor sa mení s druhou mocninou magnetickej indukcie, pri magnetických poliach $B$>>0,1 T je možné zmenu vyjadriť na základe vzťahu

kde $μ_n$ je pohyblivosť elektrónov. Tento jav je možné pozorovať aj u kovov, ale s výhodou sa využíva v polovodičoch s vysokou pohyblivosťou nosičov náboja, napr. InSb ($μ_n$ až 70 000 cm². V^-1.s^-1). Pri silnejších magnetických poliach prechádza kvadratická závislosť asymptoticky na priamkovú, ktorej strmosť je úmerná pohyblivosti elektrónov $μ_n$. So stúpajúcou koncentráciou prímesí pohyblivosť a rezistivita klesajú, ale výrazne sa pritom znižuje teplotná závislosť rezistivity. Vhodným geometrickým usporiadaním rezistorov je možné pri magnetickej indukcii $B$=1 T dosiahnuť zmenu $R/R_0$až 30. V krátkej doštičke je vplyvom Hallovho javu (vychýlením prúdu o Hallov uhol Θ_H) väčšia zmena odporu ako v doštičke dlhej. Rozdelením odporového elementu vodivými pásikmi kolmo na smer prúdu a magnetického poľa je možné tento jav znásobiť.

   Magnetostrikčný jav je vo svojom princípe podobný javu piezoelektrickému. Pôsobením magnetického poľa dochádza k zmene geometrických rozmerov materiálov. Koeficient $d$ udáva citlivosť relatívnej zmeny geometrických rozmerov na pôsobiacu intenzitu magnetického poľa a je definovaný vzťahom

kde $H$ je intenzita magnetického poľa a $ε$ relatívna zmena rozmeru materiálu. Vložením materiálu do magnetického poľa dôjde k súhlasnému natočeniu magnetických domén v smere poľa a tým k expanzii materiálu v smere poľa a k zmršteniu v smere naň kolmom. Aj napriek tomu, že je zmrštenie menšie ako expanzia, používa sa práve zmrštenie ako zdroj pohybu pre mikroaktuátory. Účinnosť piezomagnetických materiálov sa blíži účinnosti piezoelektrických, ale je možné u nich získať omnoho väčšiu silu. Pre dosiahnutie väčšej sily sa používajú viacvrstvové systémy. Pre aktuátory je nutné používať materiál s nízkou anizotropiou. Podobne ako u piezoelektrických systémov je nutné technologicky riešiť prenos vlastnej objemovej hmoty do tenkého filmu. Typicky používaným materiálom je FeCoAg, ktorý je okrem iného využívaný v magnetróne. Pre silu vytvorenú štruktúrou je možné napísať vzťah

kde $d$ je hrúbka vrstvy, $w$ je jej šírka a $H$ označuje magnetické pole.