第5章_磁敏傳感器3-7

1、第五章 磁敏傳感器 第三節(jié)第三節(jié) SQUIDSQUID磁敏傳感器磁敏傳感器 第四節(jié)第四節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器 第五節(jié)第五節(jié) 感應(yīng)式磁敏傳感器感應(yīng)式磁敏傳感器 第六節(jié)第六節(jié) 半導(dǎo)體磁敏傳感器半導(dǎo)體磁敏傳感器 第七節(jié)第七節(jié) 機(jī)械式磁敏傳感器機(jī)械式磁敏傳感器 磁敏傳感器是對(duì)磁場(chǎng)參量(B,H,)敏感的元器件或 裝置 ,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。 靈敏度極高靈敏度極高：可達(dá)10-15T，比靈敏度較高的光泵式磁 敏傳感器要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)； 第三節(jié)第三節(jié) SQUIDSQUID磁敏傳感器磁敏傳感器 SQUID（超導(dǎo)量子干涉器）磁敏傳感器是一種新型的靈 敏度極高的磁敏傳感器，是以約瑟

2、夫遜（Jose Phson） 效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，用超導(dǎo)材料制成的，在超導(dǎo)狀態(tài)下 檢測(cè)外磁場(chǎng)變化的一種新型磁測(cè)裝置。 特點(diǎn)特點(diǎn) 頻帶寬：頻帶寬：響應(yīng)頻率可從零響應(yīng)到幾kHz。 測(cè)量范圍寬測(cè)量范圍寬：可從零場(chǎng)測(cè)量到幾kT； n深部地球物理深部地球物理：用帶有SQUID磁敏傳感器的大地電磁 測(cè)深儀進(jìn)行大地電磁測(cè)深，效果甚好。 n在古地磁考古古地磁考古、測(cè)井測(cè)井、重力勘探重力勘探及預(yù)報(bào)天然地震預(yù)報(bào)天然地震中， SQUID也具有重要作用。 n在生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)方面，應(yīng)用SQUID磁測(cè)儀器可測(cè)量心磁圖、 腦磁圖等，從而出現(xiàn)了神經(jīng)磁學(xué)、腦磁學(xué)等新興學(xué)科， 為醫(yī)學(xué)研究開辟了新的領(lǐng)域。 n在固體物理固體物理、生物

3、物理生物物理、宇宙空間宇宙空間的研究中，SQUID 可用來測(cè)量極微弱的磁場(chǎng)，如美國(guó)國(guó)家航空宇航局用 SQUID磁測(cè)儀器測(cè)量了阿波羅飛行器帶回的月球樣品的 磁矩。 nSQUID技術(shù)還可用作電流計(jì)，電壓標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)中存 儲(chǔ)器，通訊電纜等；在超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)磁流 體發(fā)電、超導(dǎo)磁懸浮列車超導(dǎo)磁懸浮列車等方面，均得到廣泛應(yīng)用。 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 超導(dǎo)電性：在某一溫度TC以下電阻值突然消失的現(xiàn)象。 （a） T/K 0 T/K 0 0K 0 TC （b） 電阻隨溫度變化曲線 a、正常導(dǎo)體；b、超導(dǎo)體 一、一、SQUIDSQUID磁敏傳感器的基本原理磁敏傳感器的基本原理 超導(dǎo)體：具有超導(dǎo)電性的物體。

4、臨界溫度(TC)：超導(dǎo)體從具有一定電阻值的正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?電阻值突然為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度,其值一般從3.4K至18K 超導(dǎo)體特性：理想導(dǎo)電性理想導(dǎo)電性；完全逆磁性完全逆磁性；磁通量子化磁通量子化。 SS NN HH （c） （b） （a） （a）TTc H 0 （b）TTC H 0 （c）TTC H = 0 理想導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn) 1、理想導(dǎo)電性零電阻特性 若將一超導(dǎo)環(huán)置于外磁場(chǎng)中，然后使其降溫至臨 界溫度以下，再撤掉外加磁場(chǎng)，此時(shí)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)環(huán)內(nèi)有 一感生電流I，超導(dǎo)環(huán)內(nèi)無電阻消耗能量，此電流將永 遠(yuǎn)維持下去 ，因無電阻。 （a）（b） 邁斯納效應(yīng)示意圖 （a）正常態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)分布 （b）在超導(dǎo)態(tài)時(shí)

5、，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)分布 2、完全逆磁性，邁斯納(Meissner)效應(yīng)， 或排磁效應(yīng) 超導(dǎo)體不管在有無外磁場(chǎng)存在情況下，一旦進(jìn)入超導(dǎo) 狀態(tài)，其內(nèi)部磁場(chǎng)均為零，即磁場(chǎng)不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi) 部而具有排磁性，亦稱之為邁斯納效應(yīng)。 根據(jù)邁斯納效應(yīng)，把磁體放在超導(dǎo)盤上方，或在超導(dǎo) 環(huán)上方放一超導(dǎo)球時(shí)， 圖(a)中超導(dǎo)盤和磁鐵之間有排 斥力，能把磁鐵浮在超導(dǎo)盤的上面；圖(b)中由于超導(dǎo) 球有磁屏蔽作用，其結(jié)果可使超導(dǎo)球懸浮起來。這種 現(xiàn)象稱為磁懸浮現(xiàn)象。 N S 超導(dǎo)球 磁導(dǎo)盤 （a） （b） 磁懸浮現(xiàn)象示意圖 假定有一中空?qǐng)A筒形超導(dǎo)體中空?qǐng)A筒形超導(dǎo)體(如圖)并 按下列步驟進(jìn)行： (1)常態(tài)讓磁場(chǎng)H穿過圓筒的中

6、空部分。 (2)超導(dǎo)態(tài)筒的中空部分有磁場(chǎng)。 3、 磁通量子化 感生電流 H0 T4mA時(shí)，此無靈敏度溫度點(diǎn)處于+40左右。 當(dāng)溫度超過此點(diǎn)時(shí)，負(fù)向靈敏度也變?yōu)檎蜢`敏 度，即不論對(duì)正、負(fù)向磁場(chǎng)，集電極電流都發(fā)生 同樣性質(zhì)變化。 因此，減小基極電流，無靈敏度的溫度點(diǎn)將 向較高溫度方向移動(dòng)。當(dāng)Ib0=2mA時(shí)，此溫度點(diǎn) 可達(dá)50左右。但另一方面，若Ib0過小，則會(huì)影 響磁靈敏度。所以，當(dāng)需要同時(shí)使用正負(fù)靈敏度 時(shí)，溫度要選在無靈敏度溫度點(diǎn)以下。 （5）磁靈敏度 磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈 敏度 和負(fù)向靈敏度 兩種。其定義如下： 式中 受正向磁場(chǎng)B+作用時(shí)的集電極電流； 受反向磁場(chǎng)B-作用時(shí)的集電

7、極電流； 不受磁場(chǎng)作用時(shí)，在給定基流情況下 的集電極輸出電流。 h h T I II h c ccB 1 . 0/%100 0 0 cB I cB I 0c I （4）頻率特性 3BCM鍺磁敏三極管對(duì)于交變 磁場(chǎng)的頻率響應(yīng)特性為10kHz。 (2.6-32) （三）磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用（三）磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用 由于磁敏管有效高的磁靈敏度，體積和功耗都很 小，且能識(shí)別磁極性等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型半導(dǎo)體磁敏 元件，它有著廣泛的應(yīng)用前景。 利用磁敏管可以作成磁場(chǎng)探測(cè)儀器如高斯計(jì)、 漏磁測(cè)量?jī)x、地磁測(cè)量?jī)x等。用磁敏管作成的磁場(chǎng)探 測(cè)儀，可測(cè)量10-7T左右的弱磁場(chǎng)。 根據(jù)通電導(dǎo)線周圍具有

8、磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)的強(qiáng)弱又取決于 通電導(dǎo)線中電流大小的原理，因而可利用磁敏管采用 非接觸方法來測(cè)量導(dǎo)線中電流。而用這種裝置來檢測(cè) 磁場(chǎng)還可確定導(dǎo)線中電流值大小，既安全又省電，因 此是一種備受歡迎的電流表。 此外,利用磁敏管還可制成轉(zhuǎn)速傳感器(能測(cè)高達(dá)每 分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速),無觸點(diǎn)電位器和漏磁探傷儀等。 （四）、常用磁敏管的型號(hào)和參數(shù)（四）、常用磁敏管的型號(hào)和參數(shù) 3BCM型鍺磁敏三極管參數(shù)表型鍺磁敏三極管參數(shù)表 %100 0 0 c cBc I II h 參 數(shù) 單 位 測(cè)試 條件 規(guī)范 ABCDE 磁靈敏度 % Ec=6V, RL=100, Ib=2mA, B= 0.1T 5101015 1520

9、 2025 25 擊穿電壓BUcco V Ic=1.5mA2020252525 漏電流Icc0 Vcs=6A 200200200200200 最大基極電流 mA Ec=6V RL=5k 4 功耗Pcm mW 45 使用溫度 -4065 最高溫度 75 mA 3CCM型硅磁敏三極管參數(shù)表型硅磁敏三極管參數(shù)表 A %100 0 0 c cBc I II h 參數(shù)單 位測(cè)試條件規(guī)范 磁靈敏度 % Ec=6V Ib=3mA B= 0.1T 5% 擊穿電壓BUccoVIc=1020V 漏電流Icc0Ice=6A5 功耗mW 20mW 使用溫度 -4085 最高溫度 100 溫度系數(shù)%/ -0.10-0.

10、25%/ A 三、磁敏電阻三、磁敏電阻 是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件， 也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。 （一）（一） 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng) 若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片 加以與電流垂直或平行的外磁場(chǎng)，則其電阻值 就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡(jiǎn) 稱為磁阻效應(yīng)。 在磁場(chǎng)中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)的作 用而加長(zhǎng)，使得材料的電阻率增加。若某種金 屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子 (電子和空穴 )的 遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載 流子引起電阻率變化 ,它可表示為： 22 00 0 273. 0B 為磁感應(yīng)強(qiáng)度； 材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為時(shí)的電阻率； 0 材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0

11、時(shí)的電阻率； 載流子的遷移率。 當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾 乎可以忽略，此時(shí)霍爾效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在 電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁 阻效應(yīng)很強(qiáng)。 磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相 關(guān)。這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng) 稱為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。 長(zhǎng)方形磁阻器件只有在L(長(zhǎng)度)W（寬度） 的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把LW長(zhǎng)方形磁阻材料上面制 作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍 爾電勢(shì)，這種柵格磁阻器件如圖2.6-38（b）所示，就相 當(dāng)于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。所以柵格磁阻器件既增加了 零磁場(chǎng)電阻值、又提高了磁 L W BB 圖2.6-38 幾何磁阻

12、效應(yīng) II （a（b 阻器件的靈敏度。 常用的磁阻元件有 半導(dǎo)體磁阻元件和強(qiáng)磁 磁阻元件。其內(nèi)部有制 作成半橋或全橋等多種 形式。 1 靈敏度特性 磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁 場(chǎng)強(qiáng)度下的電阻變化率來表示，即磁場(chǎng) 電阻特性的斜率。常用K表示，單位為 mV/mA.kG即.Kg。在運(yùn)算時(shí)常用RB/R0求 得，R0表示無磁場(chǎng)情況下，磁阻元件的電 阻值，RB為在施加0.3T磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻 元件表現(xiàn)出來的電阻值，這種情況下，一 般磁阻元件的靈敏度大于2.7。 （二）（二） 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性 2 磁場(chǎng)電阻特性 磁阻元件磁場(chǎng)電阻特性 N級(jí) 0.30.20.100.10.2 0.3

13、R/ 1000 500 S級(jí) (a) S、N級(jí)之間電阻特性 B/T 15 RB R0 10 5 溫度(25) 弱磁場(chǎng)下呈平方特性變化 強(qiáng)場(chǎng)下呈直線特性變化 0 (b)電阻變化率特性 0.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4 B/T 磁阻元件的電阻值與磁場(chǎng)的極性無 關(guān)，它只隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加 在0.1T以下的弱磁場(chǎng)中，曲線呈現(xiàn)平 方特性，而超過0.1T后呈現(xiàn)線性變化 圖2.6-40 強(qiáng)磁磁阻元件電阻-磁場(chǎng)特性曲線 輸 出 電 壓 V 磁飽和點(diǎn) B=Bs 0 (b)磁場(chǎng)輸出特性 H 圖2.6-40顯示的是強(qiáng)磁磁阻元件 的磁場(chǎng)電阻特性曲線。 從圖中可以看出它與圖2.6-39（a） 曲線相

14、反，即隨著磁場(chǎng)的增加，電 阻值減少。并且在磁通密度達(dá)數(shù)十 到數(shù)百高斯即飽和。一般電阻變化 為百分之幾。 3 電阻溫度特性 圖2.6-41是一般半導(dǎo)體磁阻元件的電阻溫 度特性曲線，從圖中可以看出，半導(dǎo)體磁阻元件 103 8 4 2 102 4 2 10 6 -4002060100 溫度/ 電 阻 變 化 率 % 圖2.6-41 半導(dǎo)體元件電阻-溫度特性曲線 的溫度特性不好。 圖中的電阻值在 35的變化范圍 內(nèi)減小了1/2。因 此，在應(yīng)用時(shí)， 一般都要設(shè)計(jì)溫 度補(bǔ)償電路。 圖2.6-42是強(qiáng)磁磁阻元件的電阻溫度特性曲線， 圖中給出了采用恒流、恒壓供電方式時(shí)的溫度特性。 130 100 50 電 阻 變 化 率 % -30 BX10-4/T 電阻 +3500ppm/ 0 輸出(恒流工作) -500ppm/ 輸出(恒壓工作) -300ppm/ 圖2.6-42 強(qiáng)磁阻元件電阻-磁場(chǎng)特性曲線 可以看出，采用 恒壓供電時(shí)，可以 獲得500ppm/的 良好溫度特性，而 采用恒流供電時(shí)卻 高達(dá)3500 ppm/。 但是由于強(qiáng)磁磁阻 元