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 磁敏傳感器是對磁場參量(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；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，是以約瑟夫遜（Jos

2、e 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)下檢測外磁場變化的一種新型磁測裝置。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。測量范圍寬測量范圍寬：可從零場測量到幾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深儀進(jìn)行大地電磁測深，效果甚好。n在古地磁考古古地磁考古、測井測井、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磁測儀器可測量心磁圖、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、生物物理生物物理、宇宙空間宇宙空間的研究

3、中，SQUID可用來測量極微弱的磁場，如美國國家航空宇航局用SQUID磁測儀器測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/K0T/K 00K0TC（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。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)殡娮柚低蝗粸榱銜r(shí)所對應(yīng)

4、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。SSNNHH（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)置于外磁場中，然后使其降溫至臨界溫度以下，再撤掉外加磁場，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)部磁場分布（b）在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場分布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存在情況

5、下，一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，其內(nèi)部磁場均為零，即磁場不能進(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 假定有一中空圓筒形超導(dǎo)體中空圓筒形超導(dǎo)體(如圖)并 按下列步驟進(jìn)行：(1)常態(tài)讓磁場H穿過圓筒的中空部分。(2)超導(dǎo)態(tài)筒的中空部分有磁場。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)

6、向靈敏度也變?yōu)檎蜢`敏度，即不論對正、負(fù)向磁場，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。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B+作用時(shí)的集電極電流； 受反向磁場B-作用時(shí)的集電極電流； 不受磁場作用時(shí)，在給定基流情況下的集電極輸出電流。hhTIIIhcccB1 . 0/%10000cBIcBI0cI（4）頻率特性 3BCM鍺磁敏三極

7、管對于交變磁場的頻率響應(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探測儀器如高斯計(jì)、漏磁測量儀、地磁測量儀等。用磁敏管作成的磁場探測儀，可測量10-7T左右的弱磁場。根據(jù)通電導(dǎo)線周圍具有磁場，而磁場的強(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量導(dǎo)線中電流。而用這種裝置來檢測磁場還可確定導(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

8、可制成轉(zhuǎn)速傳感器(能測高達(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）、常用磁敏管的型號和參數(shù)（四）、常用磁敏管的型號和參數(shù) 3BCM型鍺磁敏三極管參數(shù)表型鍺磁敏三極管參數(shù)表%10000ccBcIIIh參 數(shù)單位測試條件規(guī)范ABCDE磁靈敏度%Ec=6V,RL=100,Ib=2mA,B= 0.1T5101015 1520 202525擊穿電壓BUccoVIc=1.5mA2020252525漏電流Icc0Vcs=6A200200200200200最大基極電流mAEc=6VRL=5k4功耗PcmmW 45使用溫度 -4065最高溫度 75mA3CCM型硅磁敏三極管參數(shù)表型硅磁敏三極管參

9、數(shù)表 A%10000ccBcIIIh參數(shù)單 位測試條件規(guī)范磁靈敏度%Ec=6VIb=3mAB= 0.1T5%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)%/ -0.10-0.25%/A三、磁敏電阻三、磁敏電阻 是一種電阻隨磁場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，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。 在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。

10、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：22000273. 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)。 長方形磁阻器件只有在L(長度)W（寬度）的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把LW長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的

11、金屬條（即短路柵格），以短路霍爾電勢，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電阻值、又提高了磁LWBB圖2.6-38 幾何磁阻效應(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強(qiáng)度下的電阻變化率來表示，即磁場電阻特性的斜率。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

12、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 磁場電阻特性 磁阻元件磁場電阻特性N級0.30.20.100.10.2 0.3R/1000500S級(a) S、N級之間電阻特性B/T15RBR0105溫度(25)弱磁場下呈平方特性變化強(qiáng)場下呈直線特性變化0(b)電阻變化率特性0.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4B/T磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)，它只隨磁場強(qiáng)度的增加而增加在0.1T以下的弱磁場中，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-磁場特性曲線輸出電壓V磁飽和點(diǎn)B=Bs0(b)磁場輸出特性H 圖2.6-40顯

13、示的是強(qiáng)磁磁阻元件的磁場電阻特性曲線。 從圖中可以看出它與圖2.6-39（a）曲線相反，即隨著磁場的增加，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10384210242106-4002060100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。13010050電阻變化率%-30BX10-4/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)磁磁阻元件為