磁電式傳感器講述介紹

會(huì)計(jì)學(xué)1磁電式傳感器講述介紹1霍爾式磁敏傳感器在利用半導(dǎo)體材料的磁敏感特性而工作的一類磁敏傳感器（即半導(dǎo)體磁敏傳感器）中，比較重要的包括霍爾磁敏傳感器、磁敏二極管、磁敏三極管以及半導(dǎo)體磁阻器件等，其中應(yīng)用最廣泛的是霍爾磁敏傳感器。霍爾磁敏傳感器包括霍爾元件和霍爾集成電路。后者是將分立的霍爾元件與放大器電路等集成在一塊硅片上所構(gòu)成的一種IC型結(jié)構(gòu)。它們都是基于半導(dǎo)體材料中電流與磁場相互作用從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的霍爾效應(yīng)原理工作的。第1頁/共54頁1.1霍爾效應(yīng)1879年美國物理學(xué)家E.H.Hall首先發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。如圖1.1模型所示，當(dāng)在長方形半導(dǎo)體片的長度方向通以直流電流I時(shí),若在其厚度方向存在一磁場B,那么在該半導(dǎo)體片的寬度方向就會(huì)產(chǎn)生電位差EH，此即霍爾效應(yīng)。第2頁/共54頁1.2霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)（1）輸入電阻（Rin）（2）輸出電阻（Rout）（3）額定控制電流（Ic）（4）最大允許控制電流（Icm）（5）不等位電勢(shì)（Vm）（6）不等位電阻（RM）（7）磁靈敏度（SB）與乘積靈敏度（SH）（8）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)（β）（9）輸入/輸出電阻溫度系數(shù)αin（10）非線性誤差NL第3頁/共54頁1.3霍爾元件的等效電路及不等位電勢(shì)補(bǔ)償原理等效電路第4頁/共54頁1.3霍爾元件的等效電路及不等位電勢(shì)補(bǔ)償原理第5頁/共54頁1.4霍爾磁傳感器電路分析與設(shè)計(jì)（1）霍爾元件的驅(qū)動(dòng)電路（2）霍爾元件的輸出放大電路第6頁/共54頁1.5霍爾集成電路第7頁/共54頁1.6霍爾式磁敏傳感器的應(yīng)用由霍爾效應(yīng)的基本關(guān)系式可知，霍爾電壓VH與輸入控制電流Ic以及磁感應(yīng)強(qiáng)度B都成線性關(guān)系。因此，可保持Ic不變通過測量VH來得到B；也可保持B不變通過測量VH來得到Ic；還可測量VH直接得到Ic和B的乘積。由此可以得到各種類型的基于霍爾效應(yīng)的傳感器?；魻栐捎糜诮恢绷麟妷骸㈦娏?、功率以及功率因數(shù)的測量，還可用于磁場、線圈匝數(shù)、磁性材料矯頑力的測量。除此之外，還可利用霍爾效應(yīng)來測量速度、里程、圈數(shù)、流速、位移、鍍層及工件厚度等第8頁/共54頁2結(jié)型磁敏器件

結(jié)型磁敏器件是指由PN結(jié)構(gòu)成的磁敏器件，主要包括磁敏二極管和磁敏三極管兩大類。第9頁/共54頁2.1磁敏二極管磁敏二極管是指電特性隨外部磁場改變而有顯著變化的一種二極管，它是一種電阻隨磁場的大小和方向均改變的結(jié)型二端器件。第10頁/共54頁2.1.2磁敏二極管的工作原理與普通P+-I-N+二極管不同，磁敏二極管I區(qū)的一個(gè)側(cè)面是用雜質(zhì)擴(kuò)散或者噴砂法制成的高復(fù)合區(qū)。若在其兩極施加恒定電壓,同時(shí)在垂直于電場方向施以磁場，那么由于洛倫茲力的作用將使載流子偏向或遠(yuǎn)離復(fù)合區(qū)。假設(shè)在某個(gè)方向磁場作用下，電子和空穴因受洛倫茲力作用，都向r面偏轉(zhuǎn)。因r面的高復(fù)合特性，使得進(jìn)入I區(qū)的電子和空穴很快就被復(fù)合掉，從而使I區(qū)載流子密度減小，電阻增大，電壓降VI也增大,導(dǎo)致N+-I結(jié)和P+-I結(jié)上的電壓降VP+-I和VI-N+減小,注入載流子也相應(yīng)減少。如此反復(fù)，直到電流無法再減小且達(dá)到某一穩(wěn)態(tài)值為止。若改變磁場方向，電子和空穴將向與r區(qū)相對(duì)的光滑面流動(dòng)，因光滑面載流子復(fù)合能力較弱，使得I區(qū)載流子濃度增加，電阻減小,電壓降VI也減小，相應(yīng)地VN+-I和VP+-I增加,載流子的注入量也增加,電流進(jìn)一步增大。如此正反饋，直到電流飽和為止。第11頁/共54頁2.1.3磁敏二極管的主要技術(shù)參數(shù)與特性磁靈敏度溫度特性伏安特性磁電特性第12頁/共54頁2.2磁敏三極管磁敏三極管是基于雙注入、長基區(qū)二極管設(shè)計(jì)制造的一種結(jié)型磁敏晶體管，它也可以分為NPN和PNP兩種類型，制作的材料既可以是Ge也可以是Si。第13頁/共54頁磁敏三極管的結(jié)構(gòu)第14頁/共54頁2.2.2磁敏三極管的工作原理鍺磁敏三極管的磁敏特性有兩個(gè)部分組成，一個(gè)是集電極電流增益特性（共射極直流電流增益和共基極直流電流增益都隨磁場變化而變化）；另一個(gè)是基極電流增益特性（發(fā)射極c、復(fù)合區(qū)r以及基極b構(gòu)成長基區(qū)磁敏二極管）。對(duì)于硅管來說，因?yàn)椴淮嬖趶?fù)合區(qū)r，所以它的磁敏特性只包含集電極電流增益特性，而不包含基極電流增益特性。第15頁/共54頁2.2.4磁敏三極管的應(yīng)用電路磁敏三極管主要用在磁場測量、大電流測量、直流無刷馬達(dá)、磁力探傷、接近開關(guān)、程序控制、位置控制、轉(zhuǎn)速測量,速度測量和各種工業(yè)過程自動(dòng)控制等領(lǐng)域。第16頁/共54頁

3磁阻式磁敏傳感器磁阻式磁敏傳感器又稱為磁敏電阻，它包括使用InSb材料制作的半導(dǎo)體磁敏電阻器與使用CoNi（鎳鈷合金）強(qiáng)磁材料制作的強(qiáng)磁性材料磁敏電阻器，以及韋根德器件等，它們統(tǒng)稱為MR（MagneticResistor）。此外，巨磁阻效應(yīng)器件（GMR）以及Z元件等新型磁阻元件也逐漸得到廣泛應(yīng)用。第17頁/共54頁3.1半導(dǎo)體磁阻傳感器3.1.1磁阻效應(yīng)位于磁場中的通電半導(dǎo)體，因洛侖茲力的作用,其載流子的漂移方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，致使與外加電場同方向的電流分量減小，電阻增大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。它包括物理磁阻效應(yīng)與幾何磁阻效應(yīng)。第18頁/共54頁3.1.2磁敏電阻的形狀

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3.1.3半導(dǎo)體磁敏電阻的主要技術(shù)參數(shù)

描述半導(dǎo)體磁敏電阻的主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）B=0時(shí)的電阻值R0（2）B≠0時(shí)的磁阻比RB/R0（3）最大允許功耗（mW）（4）電阻溫度系數(shù)（%/oC）（5）額定工作電流（6）最大工作電流（7）平均失效率（/h）（8）最大輸入電壓（9）形狀效應(yīng)系數(shù)（10）半導(dǎo)體磁敏電阻的材料（11）半導(dǎo)體磁敏電阻的的短路條尺寸第20頁/共54頁3.2韋根德器件韋根德器件是利用韋根德效應(yīng)制成的一種無源磁敏器件，它由美國科學(xué)家韋根德在1965年發(fā)明。該傳感器無需外加工作電源便能將磁信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，因此它又被稱為零功耗磁敏傳感器。第21頁/共54頁3.2.1韋根德器件的工作原理韋根德金屬絲中的兩種磁化狀態(tài)及其轉(zhuǎn)化第22頁/共54頁3.2.1韋根德器件的工作原理韋根德器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出信號(hào)第23頁/共54頁3.2.2韋根德器件的主要技術(shù)參數(shù)

（1）觸發(fā)磁感應(yīng)強(qiáng)度B（2）輸出脈沖幅值V（3）脈寬τ（4）工作溫度范圍T（℃）第24頁/共54頁3.2.3韋根德器件的特點(diǎn)

韋根德器件具有以下特點(diǎn)：（1）韋根德器件屬有源傳感器，工作時(shí)無須使用外加電源。（2）輸出信號(hào)幅值與磁場的變化速度無關(guān)，可實(shí)現(xiàn)“零速”傳感。（3）無觸點(diǎn)、耐腐蝕、防水、防爆，使用壽命長。（4）可采用雙磁極交替觸發(fā)工作方式。觸發(fā)磁場極性變化一周，傳感器輸出一對(duì)正負(fù)雙向脈沖電信號(hào)，幅值大于1伏，信號(hào)周期為磁場交變周期。（5）觸發(fā)磁感應(yīng)強(qiáng)度可小至5毫特斯拉左右。第25頁/共54頁3.2.3韋根德器件的應(yīng)用第26頁/共54頁3.3鐵磁性金屬薄膜磁敏電阻鐵磁性金屬薄膜磁敏電阻是二十世紀(jì)六十年代開發(fā)成功的利用鐵磁材料中磁電阻的各向異性效應(yīng)（1857年由W.Thonson發(fā)現(xiàn)）工作的磁敏器件。其電阻薄膜是鐵磁體，具有很小的溫度系數(shù)和較穩(wěn)定的性能，靈敏度也比較高。工作范圍通常在10-3~10-2T，常用作磁讀頭和旋轉(zhuǎn)編碼器的速度檢測，包括三端、四端以及兩維的集成電路等。第27頁/共54頁3.3.1鐵磁材料磁電阻的各向異性效應(yīng)第28頁/共54頁3.3.2金屬薄膜磁敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理第29頁/共54頁3.3.3金屬膜磁敏電阻的技術(shù)參數(shù)下述金屬膜磁敏電阻技術(shù)參數(shù)測試條件為：電源電壓V0=5V,磁場強(qiáng)度H=500Oe,磁場角度變化范圍θ=0o-90o。對(duì)三端型器件：全電阻最小值500歐,最大值5000歐,典型值l400歐；中點(diǎn)電壓最小值2.45V,最大值2.55V,典型值2.5V；輸出電壓最小峰值60mV，典型值80mV；功率150mW。對(duì)四端橋型器件：全電阻最小值lOOO歐,最大值5000歐,典型值2500歐；中點(diǎn)電壓最小值2.45V,最大值2.55V,典型值2.5V；輸出電壓峰值最小值l20mV，典型值l60mV；消耗功率300mW。金屬膜磁敏電阻工作溫度范圍：-40-+100oC,貯存溫度范圍：-50-+150oC。第30頁/共54頁3.3.4金屬膜磁敏電阻的特點(diǎn)及其應(yīng)用1.金屬膜磁敏電阻的特點(diǎn)（1）靈敏度高：平均角度靈敏度：土lmV/1o（三端型）,土2mV/1o（四端型）。（2）溫度特性好：電阻值、輸出電壓與溫度均呈線性關(guān)系，補(bǔ)償容易。（3）頻率特性好：信號(hào)頻率小于l0MHz時(shí)即可保持輸出不變。（4）靈敏度與磁場方向有關(guān)：磁場平行于金屬膜時(shí)靈敏度最好，垂直于金屬膜時(shí)沒有磁敏特性。（5）飽和特性：磁場強(qiáng)度小于臨界值時(shí)，電阻率與磁場大小有關(guān)；大于臨界值時(shí),電阻率達(dá)到飽和。（6）倍頻特性：由式(3.7)可以看出，輸出電壓的頻率恰好等于磁場旋轉(zhuǎn)頻率的2倍,輸出電壓波形是正弦波。第31頁/共54頁3.3.4金屬膜磁敏電阻的特點(diǎn)及其應(yīng)用2.金屬膜磁敏電阻的應(yīng)用金屬膜磁敏電阻主要用于測量轉(zhuǎn)速、角度位移、直線位移、無觸點(diǎn)開關(guān)、無刷馬達(dá)、剩磁和漏磁、磁力探傷、遠(yuǎn)傳壓力表、遠(yuǎn)傳水表、直流電表、音響設(shè)備及辦公自動(dòng)化設(shè)備等。第32頁/共54頁3.4巨磁阻效應(yīng)器件（GMR）第33頁/共54頁

4機(jī)械式、感應(yīng)式與磁通門式磁敏傳感器4.1機(jī)械式磁敏傳感器機(jī)械式（或稱磁力式）磁敏傳感器是利用被測磁場中的磁化物體或通電流的線圈與被測磁場之間相互作用的機(jī)械力矩來測量磁場的一種經(jīng)典測量裝置。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、靈敏可靠以及不需要特殊的電源供電，因此在地磁場測量、磁法勘探、古地磁研究等方面仍占有一定的地位。第34頁/共54頁4.1.1機(jī)械式磁敏傳感器的分類與結(jié)構(gòu) 根據(jù)機(jī)械式磁敏傳感器的磁針（棒）偏轉(zhuǎn)時(shí)是否存在反作用力矩，可將其分為兩類：第一類，磁針處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，在被測磁場的作用下，磁針的軸向?qū)②呌诖鸥袘?yīng)強(qiáng)度的方向，此時(shí)不存在反作用力矩。如磁羅盤，主要由磁針、頂針、刻度盤等構(gòu)成，主要用于測量地磁場的方位。 第二類，磁針在被測磁場的作用下，轉(zhuǎn)矩將與反作用力矩（由磁針的重力、線的扭力或相對(duì)偏轉(zhuǎn)磁針而配備的其它阻尼裝置等所產(chǎn)生）相平衡。圖4.1示出了懸絲式磁敏傳感器的結(jié)構(gòu)組成。第35頁/共54頁4.1.2機(jī)械式磁敏傳感器的工作原理第36頁/共54頁4.2感應(yīng)式磁敏傳感器感應(yīng)式磁敏傳感器是以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)來進(jìn)行磁場測量的，其應(yīng)用范圍包括：（1）測量大地的磁場微變，為探礦、沉積盆地及大地構(gòu)造研究、火山活動(dòng)監(jiān)測、地球物理研究等提供依據(jù)；（2）探測隱匿的物體，如人體、郵件里藏匿的刀、槍等；（3）地下目標(biāo)的無損探測，民用方面可以用它來研究分布于地下及建筑物中的管道、電纜、鋼筋及其它金屬物體，還可以對(duì)地下墓葬進(jìn)行先期研究等；軍事方面則可以用來探測地雷、炸彈、水下沉雷、地下偽裝等等；（4）紡織、食品工業(yè)流水線上可用來檢查殘存的鐵釘、鐵絲和其它金屬碎片；（5）可用于隕石的鑒別；（6）可用于醫(yī)療設(shè)備。第37頁/共54頁4.3磁通門式磁敏傳感器第38頁/共54頁

第五章磁共振式及超導(dǎo)式磁敏傳感器磁共振法是利用磁共振現(xiàn)象來精密測量磁場的一種方法。它可用于確定地下埋藏物（如油罐、井口、管道、武器、洞穴、古跡等）的位置，進(jìn)行地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查，尋找礦源，確定礦區(qū)巖區(qū)位置等。磁共振法包括核磁共振法、順磁共振法、光泵磁共振法等三種主要方法。從精確度上來說，光泵法最高，核磁共振次之。本章主要介紹屬于光泵法的光泵式磁敏傳感器和屬于核磁共振法的質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器的原理與應(yīng)用。第39頁/共54頁5.1光泵式磁敏傳感器第40頁/共54頁5.2質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器第41頁/共54頁5.3超導(dǎo)磁敏傳感器1.超導(dǎo)現(xiàn)象與超導(dǎo)體某些材料，當(dāng)溫度降到一定數(shù)值Tc以下時(shí)，其電阻率會(huì)驟降到零。若通以電流，則幾乎可以無限地流動(dòng)下去，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象，相應(yīng)的溫度Tc稱為臨界溫度（普通超導(dǎo)材料臨界溫度只有幾K，高溫超導(dǎo)材料可達(dá)100K以上）。低于臨界溫度時(shí)能產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象的材料稱為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體在臨界溫度以下具有“理想導(dǎo)電性”、“完全逆磁性”和“磁通量子化”等特性。2.超導(dǎo)體的理想導(dǎo)電性理想導(dǎo)電性是指超導(dǎo)體在臨界溫度值Tc以下的零電阻特性。我們知道，由于法拉第效應(yīng)，置于外磁場中的超導(dǎo)環(huán)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。若在Tc以下，撤掉外磁場，此時(shí)由于超導(dǎo)環(huán)內(nèi)無電阻消耗能量，故感應(yīng)電流并不會(huì)消失，而將永遠(yuǎn)維持下去。第42頁/共54頁5.3超導(dǎo)磁敏傳感器第43頁/共54頁6光纖磁敏傳感器6.1法拉第效應(yīng)光纖磁敏傳感器第44頁/共54頁6.2磁致伸縮效應(yīng)光纖磁場傳感器第45頁/共54頁6.3光纖磁場傳感器的應(yīng)用（1）高壓電氣系統(tǒng)中磁場的測量。光纖磁場傳感器的絕緣性能好、工作距離長、且抗腐蝕，制造成本也相對(duì)較低，因而成為高壓電氣系統(tǒng)中磁探測器的首選。（2）能實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度的磁場探測，這在地質(zhì)勘探、生物醫(yī)學(xué)工程、制導(dǎo)、航空航天、工業(yè)檢測等領(lǐng)域有著重要而廣泛的應(yīng)用，特別是在軍事上可作為探測潛艇、魚雷的重要工具。（3）能測量磁場梯度，可用于地雷等地下埋藏物的探測。（4）可用于高能等離子診斷、電磁信號(hào)探測以及磁光羅盤的航向測定等等。第46頁/共54頁7.微波傳感器7.1微波的概念、特點(diǎn)及應(yīng)用微波是無線電波的一種，其波長為1mm～1m（頻率范圍約為300MHz-300GHz），包括了電磁波譜中分米波、厘米波、毫米波等波段。微波的波段細(xì)分還常用字母符號(hào)來表示，如UHF、L、LS、S、C、XC、X、Ku、K、Ka、Q、U、M、E、F、G、R等波段，其頻率范圍從0.3-1.12GHz到220-325GHz不等。電磁波譜中，微波的上下鄰分別是：短波（波長長于微波，波長范圍為1m～100m）；亞毫米波（含部分遠(yuǎn)紅