傳感器原理-7課件

第四章磁敏傳感器1第四章磁敏傳感器體型磁敏傳感器：霍爾傳感器結(jié)型磁敏傳感器：磁敏二極管、磁敏三極管磁電傳感器檢測磁場強度：10-14T~25T磁學量信號電信號2霍爾元件的特點：v霍爾元件優(yōu)點:信噪比大頻率范圍寬無觸點易微型化和集成化

v缺點:轉(zhuǎn)換效率低受磁場影響大4.1霍爾元件3RH為霍爾系數(shù)；I為外加電流；B為磁場強度霍爾電場EHKH為靈敏度系數(shù)；I為外加電流；B為磁場強度霍爾電勢UH4.1霍爾元件5電場作用于電子的力：

負號表示電子的受力方向與電場方向相反

電場力若電子都以均一速度-，那么在作用下所受力：

洛侖茲力4.1霍爾元件6磁場與薄片法線有一夾角α（0至90°）二、影響霍爾效應(yīng)的因素：

(1)磁場與元件法線的夾角

(2)元件的幾何形狀對UH的影響f(l/b)為形狀效應(yīng)因子4.1霍爾元件7（a）體型（b）改進型（c）薄膜型

敏感結(jié)構(gòu)：霍爾片圖a：單晶薄片圖b：克服a、b電極短路作用圖c：元件厚度越小，KH越大，薄膜型器件4.1.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性

4.1霍爾元件9工藝：

外延法制備單晶硅薄膜霍爾元件

InAs薄膜型高靈敏器件外形結(jié)構(gòu)----霍爾片、四根引線、殼體a、b線為控制電流端引線，常為紅色導線；c、d為霍爾輸出引線，常為綠色導線：殼體是非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。4.1霍爾元件10主要技術(shù)參數(shù)

1.輸入電阻Rin：控制電流電極端子之間的電阻值。2.輸出電阻Rout：霍爾電壓輸出電極端子之間的電阻值。3.額定控制電流IC：B=0、25℃、⊿T=10℃最大允許控制電流Icm：最高允許使用溫度（Tj）b、d元件尺寸，ρ電阻率，αs散熱系數(shù),⊿T=Tj-T室溫4.1霍爾元件117.霍爾電壓溫度系數(shù)β：溫度每變化1℃時UH的相對變化率（單位是%/℃）。6.不等位電勢UM：

B=0材料厚度不均、輸出電極焊接不良兩個輸出電極不在同一等位面。4.1霍爾元件134.1.4霍爾元件應(yīng)用

一、位移測量

響應(yīng)快，無接觸測量，一般測量微小位移。磁場梯度dB/dx為常數(shù)，即磁場隨x線性變化4.1霍爾元件14霍爾元件沿x方向移動時：K為位移傳感器輸出靈敏度磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度越好。4.1霍爾元件15三、功率測量

K1、K2均為常數(shù)，K=RHK1K2/d適用于直流大功率的測量。外加磁場B正比于被測電壓U：UH正比于被測功率P4.1霍爾元件17四、在無損探傷中的應(yīng)用

原理：

有缺陷時，磁力線有部分露出表面；用霍爾元件檢測泄露磁感應(yīng)強度B的變化；組成：磁場激勵源、探傷元件、可調(diào)整式探頭等組成。

無缺陷磁料中磁力線的分布有缺陷磁料中磁力線的分布

4.1霍爾元件181.霍爾計數(shù)裝置

金屬鋼球計數(shù)被磁化的鋼球經(jīng)過霍爾開關(guān)SL3051；每過一個鋼球產(chǎn)生一個脈沖，可計數(shù)和顯示。

4.1霍爾元件194.2.1磁阻效應(yīng)4.2半導體磁阻器件磁阻效應(yīng)：

當半導體片受到與電流垂直的B時，出現(xiàn)電流密度下降，電阻率增大的現(xiàn)象。將外加磁場使電阻變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。

物理磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)21

一、物理磁阻效應(yīng)

1、定義部分載流子運動方向偏轉(zhuǎn)，沿著原電流方向的電流密度減小、電阻率增大的現(xiàn)象。因外磁場與外電場互相垂直---又稱為橫向磁阻效應(yīng)。將磁場引起的電阻值變化稱為----磁阻；2、解釋載流子的漂移速度服從熱力學統(tǒng)計分布規(guī)律，即載流子的速度不完全一致。當通有電流的霍爾片放在與其垂直的磁場中一定時間后，產(chǎn)生了電場EH。4.2半導體磁阻器件22

速度為的載流子受到的FL與FE相同，運動方向不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；

速度>或<的載流子的運動方向都會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因微觀散射作用，電子加速到一定值后又減小，再加速后再減小，結(jié)果呈圓弧變化。載流子偏轉(zhuǎn)的示意圖4.2半導體磁阻器件23磁阻比為：

4.2半導體磁阻器件弱磁場時，隨著磁場增加，磁阻按平方增加(2)磁場較強時Δρ/ρ0約與BZ成正比，磁阻比也與BZ成正比。(3)磁場進一步增強，μHBZ>>1時較強磁場時，隨著磁場增加，磁阻線性增加電阻率達飽和，磁阻達到最大值。254、電流變化兩種載流子顯示出橫向磁阻效應(yīng)。BZ=0時4.2半導體磁阻器件BZ≠0時電子和空穴沿y方向電流均不為零，向相反方向偏轉(zhuǎn)，但合成電流仍沿外加電場方向，而總的合成電流減小，相當于電導率減小，電阻率增大。和

26二、幾何磁阻效應(yīng)

1、定義

相同磁場作用下，由于半導體片的幾何形狀不同而出現(xiàn)電阻值不同變化的現(xiàn)象。J與E的方向關(guān)系幾何磁阻效應(yīng)的實驗結(jié)果4.2半導體磁阻器件長寬比越小，幾何磁阻效應(yīng)越強。273、理論計算得：（1）弱磁場時g為弱磁場下樣品的形狀系數(shù)；θ為霍爾角,tgθ=EH/E0圖l/b值越小，g值越大。短而寬的半導體片的幾何磁阻效應(yīng)較大。4.2半導體磁阻器件29（2）中等磁場時

1<n<2;由于tgθ與B成正比，磁場增加到中等值時，tgθ>1;

磁阻比隨B的加強變化趨勢均非線性增加，且l/b大的g較小，相同ΔB時，RB變化小，增加慢。（3）強磁場時G為強磁場下樣品的形狀系數(shù)4.2半導體磁阻器件30由圖可知：

G最大是1，最小是負無限大。G隨l/b增加與中弱磁場趨勢相反，但只要形狀一定，G一定。隨B加強而線性增加幅度更大，只是相同ΔB時l/b大的G也大，磁阻增加快。強磁場下G與l/b的的關(guān)系曲線4.2半導體磁阻器件31一、長方形磁敏電阻元件

長方形磁敏電阻外形物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)同時存在。1、弱場時的磁阻比ms為磁阻平方系數(shù)4.2.2磁阻元件4.2半導體磁阻器件ξ為橫向磁阻系數(shù)，是常數(shù)；

g為形狀系數(shù)；Ms只隨形狀系數(shù)g變化32

磁阻平方靈敏度為：

SS與長寬比l/b和厚度d有關(guān)。2、強場時

強場時ρB/ρ0為常數(shù)，則在強磁場下RB與B就成正比關(guān)系。4.2半導體磁阻器件33二、柵格型磁敏電阻→高靈敏電阻結(jié)構(gòu)形式：在長方形磁阻的長度方向沉積許多金屬短路條；將其分割成寬度都為b，l/b<<1的許多子元件；原理：RB、R0為子元件在有、無磁場時的電阻；RBn、Ron為元件在有、無磁場時的電阻；n為短路條根數(shù),l’為金屬條寬（很?。?。4.2半導體磁阻器件341、在弱磁場時磁阻平方系數(shù)msn：磁阻平方靈敏度ssn：2、在較強磁場時線性靈敏度Sln：g’為子元件的形狀系數(shù),g’增強很多，則msn增大,RBn增大。4.2半導體磁阻器件3、在磁場很強時35三、科賓諾元件

結(jié)構(gòu)形式：

盤形元件；中心與外圓周邊裝有電流電極。原理：

電流在兩個電極間流動；

載流子的運動路徑因磁場發(fā)生彎曲；電阻增大。4.2半導體磁阻器件圓盤形元件的磁阻最大

36四、InSb-NiSb共晶磁阻元件

4.2半導體磁阻器件遷移率越高的材料，磁阻效應(yīng)越明顯。如InSb、InAs、NiSb等半導體材料。銻化銦、砷化銦、銻化鎳鎳：niè近似銀白色、硬而有延展性、具有鐵磁性的金屬元素,它能夠高度磨光和抗腐蝕,如鎳質(zhì)的貨幣。銻：tī金屬銀白色結(jié)晶，合金可制鉛字、軸承。銦：yīn金屬元素，質(zhì)軟，能拉成細絲。可作低熔合金、軸承合金、半導體、電光源等的原料。

37四、InSb-NiSb共晶磁阻元件

InSb-NiSb共晶材料

在InSb中摻有NiSb，結(jié)晶時析出NiSb針狀晶體：沿著一定方向平行排列、導電性良好，直徑1μm，長100μm左右。類似柵格金屬條，起UH的短路作用。左圖三種元件的磁阻效應(yīng):未摻雜的InSb-NiSb磁阻元件叫D型，摻雜的InSb-NiSb的磁阻元件叫L、N型。

摻雜磁阻元件靈敏度下降。4.2半導體磁阻器件單向結(jié)晶速度V對InSb-NiSb共晶磁致電阻性能Rb/Ro有影響。

38靈敏度很高,比霍爾器件的大100倍。一、結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：是一種PIN型二極管，可稱為結(jié)型二端器件

(也叫索尼二極管SMD)兩端為高摻雜的P+和n+區(qū)；較長的本征區(qū)I稱為長基區(qū)二極管，I的一面磨成光滑的；另一面用擴散雜質(zhì)或噴砂法制成高復合區(qū)（稱為r區(qū)），使電子-空穴對易于在粗糙表面復合而消失。

磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖

4.3.1磁敏二極管

4.3結(jié)型磁敏器件39施加正偏壓時p+-I結(jié)向本征區(qū)I注入空穴，n+-I結(jié)向本征區(qū)I注入電子，又稱為雙注入長二極管。工作原理：

圖（a）無磁場，施加正偏壓有大量的空穴從p+區(qū)通過I進入n+區(qū)，大量的電子從n+區(qū)通過I進入p+區(qū)，形成電流。I區(qū)只有少量的電子和空穴被復合掉。4.3結(jié)型磁敏器件40圖（b）當受磁場B+（正向）時，電子和空穴受到FL向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，在r區(qū)復合使I區(qū)電流減小、電阻增大，I區(qū)壓降增大、n+-I結(jié)和p+-I結(jié)上壓降減小，使注入載流子再次減小，直至正向電流減小到某一穩(wěn)定值為止。圖（c）當受磁場B-（反向）時…n+-I和p+-I結(jié)上壓降增大，使注入載流子增加、電流進一步增大，直至電流達到飽和止。

正向電壓下，加正向磁場和反向磁場時，PIN管的正向電流發(fā)生了很大的變化，且磁場的大小不同，電流變化也不同。4.3結(jié)型磁敏器件41二、磁敏二極管的主要特性1.伏安特性--正向偏壓與電流的關(guān)系圖（a）為Ge磁敏二極管的伏安特性曲線：輸出電壓一定，磁場正向時隨磁場增大電流減??；磁場負向時隨磁場負方向增加電流增加;同一磁場下電壓越大，輸出電流變化量也越大。4.3結(jié)型磁敏器件42圖（b、c）為硅磁敏二極管的伏安特性。圖（c）有負阻特性，即電流急劇增加，偏壓突然跌落；因高阻I區(qū)熱平衡載流子較少，注入I區(qū)的載流子在未填滿復合中心前不會產(chǎn)生較大的電流，只有填滿后電流才開始急增，同時I區(qū)壓降減小，呈現(xiàn)負阻特性。4.3結(jié)型磁敏器件43常有單只使用和互補使用兩種方式。單只使用時正向磁靈敏度大于反向。互補使用時正、反向磁靈敏度曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性。4.3結(jié)型磁敏器件2.磁電特性在給定條件下磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加B的關(guān)系。443.溫度特性在標準測試條件下輸出電壓變化量ΔU隨T變化。溫度T影響較大磁敏二極管溫度特性曲線

4.3結(jié)型磁敏器件45四種常用補償電路：①互補式溫度補償電路圖（a）；②差分式溫度補償電路圖（b）；③全橋溫度補償電路圖（c）；④熱敏電阻溫度補償電路圖（d）。4.3結(jié)型磁敏器件464.磁靈敏度

（1）電流相對磁靈敏度:在恒定偏壓、單位磁感應(yīng)強度下，通過磁敏二極管的電流相對變化。（2）電壓相對磁靈敏度:在恒定偏流、單位磁感應(yīng)強度下，磁敏二極管偏壓的相對變化。（3）電壓絕對磁靈敏度:實用中為了方便，一般采用電壓絕對磁靈敏度SB。4.3結(jié)型磁敏器件V0為無磁場時的電壓；V±分別為B=±0.1T時的電壓47結(jié)構(gòu)形式：n-p-n型和p-n-p型；材料：Ge和Si磁敏三極管；長基區(qū)磁敏晶體管：在磁敏二極管的長基區(qū)的基礎(chǔ)上設(shè)計和制造。4.3.2磁敏三極管4.3結(jié)型磁敏器件48一、結(jié)構(gòu)

Ge板條式磁敏三極管的結(jié)構(gòu)發(fā)射極e、基極b、集電極c在射極和長基區(qū)間的一個側(cè)面制成一高復合區(qū)r。l-l1l1dnp-Gen+p+hbd1d1ceebc(b)符號(a)結(jié)構(gòu)r4.3結(jié)型磁敏器件49Si平面型磁敏三極管復合區(qū)r也是在be之間。

4.3結(jié)型磁敏器件50二、工作原理

圖a：B=0時，由于基區(qū)寬度>載流子的有效擴散長度，發(fā)射區(qū)注入的載流子少數(shù)輸入c、大部分通過e-p-b形成Ib，Ib>Ic，電流放大倍數(shù)β<1。圖b：當受到正向磁場（B+）作用時載流子受FL作用向發(fā)射區(qū)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使IC明顯下降，同時基區(qū)復合增大，Ib增加量較小，電流放大倍數(shù)β減小。4.3結(jié)型磁敏器件分析磁場強度B變化時，基極電流Ib、集電極電流Ic和電流放大倍數(shù)β的變化。51圖c：反向磁場（B-）作用時，載流子受FL作用向集區(qū)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使IC增大，基區(qū)復合減小，β增加，IB幾乎不變。

三、磁敏三極管的主要特性

1.伏安特性

磁場為0、±1KGS；Ib為3mA；B變化時集電極Ic、放大倍數(shù)β的變化。IC(mA)1.00.80.60.40.202468Vcc(V)I=3mAB=-1KGI=3mAB=0I=3mAB=1KG4.3結(jié)型磁敏器件正、反向磁場作用下，Ib、Ic、β明顯變化。52n-p-n型Ge磁敏三極管的磁電特性曲線。在弱場時，曲線接近一條直線。可利用這一線性關(guān)系測量磁場。3BCM磁敏三極管磁電特性2.磁電特性

3.溫度特性及補償

Ge磁敏三極管正溫度系數(shù)；硅磁敏三極管負溫度系數(shù)。4.3結(jié)型磁敏器件輸出電流壓變化量與外加B的關(guān)系。53磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用磁敏管有高效的磁靈敏度，體積和功耗都很小，能識別磁極性，是一種新型半導體磁敏元件，有廣泛的應(yīng)用前景。

v磁場探測儀器如高斯計、漏磁測量儀、地磁測量儀等?？梢詼y量10-7T左右的弱磁場。

v電流表

原理：通電導線周圍有磁場，磁場強弱取決于通電導線中電流大小。利用磁敏管實現(xiàn)導線電流的非接觸測量。該裝置既安全又省電。v轉(zhuǎn)速傳感器、漏磁探傷儀等

能測每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。

4.3結(jié)型磁敏器件54鐵磁性金屬薄膜磁阻元件的特點：

溫度系數(shù)小、性能穩(wěn)定、靈敏度高、制備工藝簡單。

是一種很有前途的磁敏元件。

鐵磁材料存在兩種磁阻效應(yīng)：

電阻率隨著磁場強度的變化而變化，但與磁場方向無關(guān)。電阻率的變化與電流密度和磁場相對取向有關(guān)，稱為磁電阻各向異性效應(yīng)。

磁敏元件所利用的是各向異性效應(yīng)。4.4.1鐵磁體中的磁阻效應(yīng)4.4鐵磁性金屬薄膜磁阻元件55電阻率ρ為：

ρ⊥為電流方向與磁場方向互相垂直時材料的電阻率；р∥為電流方向與磁場方向互相平行時材料的電阻率；θ為電流方向與磁場方向的夾角。磁阻效應(yīng)的大小表示：

ρ0為零磁場時材料的電阻率；4.4鐵磁性金屬薄膜磁阻元件56結(jié)構(gòu):

圖a：兩個相同的磁敏電阻相垂直排列組成；電阻圖形設(shè)計成迂回狀：較高的電阻值、器件小型化。

圖b：ρy(θ)：a和b電極之間；ρX（θ）：b和c電極之間。結(jié)構(gòu)與工作原理4.4.2鐵磁薄膜磁敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理

4.4鐵磁性金屬薄膜磁阻元件57當外加磁場在xy平面內(nèi)與y軸成θ角時若電源電壓為V0，則由b電極的輸出電壓：輸出電壓只與θ角有關(guān)，與磁場的大小無關(guān)。

三端分壓型結(jié)構(gòu)四端橋型結(jié)構(gòu)四端磁敏電阻結(jié)構(gòu)三端分壓型結(jié)構(gòu)4.4鐵磁性金屬薄膜磁阻元件581、靈敏度高、有選擇性：比霍爾器件高1-2個數(shù)量級；方向性：B與金屬膜平行時靈敏度最好，B與金屬膜垂直時無磁敏特性；2、溫度特性好：電阻值、輸出電壓與T成線性關(guān)系，易進行溫度補償。3、頻率特性好：保持輸出信號不變的截止頻率是強磁性共振頻率；小于10MHz。4、倍頻特性：輸出電壓的頻率正好等于B頻率的2倍，輸出電壓波形是正強波。4.4.3鐵磁薄膜磁敏電阻的特點

4.4鐵磁性金屬薄膜磁阻元件595、飽和特性：當B<臨界磁場強度Bs時ρ與B有關(guān)；當B>Bs時ρ達到飽和。在飽和情況下不用限幅器即可獲得穩(wěn)定的輸出。4.4鐵磁性金屬薄膜磁阻元件604.5.2高分辨率磁性旋轉(zhuǎn)編碼器

4.5新型磁傳感器按工作原理分類光電式：應(yīng)用最多的編碼器，有反光式、透光式磁性線圈式電磁感應(yīng)式靜電電容式磁阻式614.5.2高分辨率磁性旋轉(zhuǎn)編碼器

4.5新型磁傳感器按編碼方式的分類絕對式：將被測點的絕對位置直接轉(zhuǎn)換為二進制的數(shù)字編碼輸出。中途斷電，重新上電后也能讀出當前位置的數(shù)據(jù)。增量式：測量輸出的是當前狀態(tài)與前一狀態(tài)的差值。通常以脈沖數(shù)字形式輸出，

然后用計數(shù)器計取脈沖數(shù)。

需要規(guī)定脈沖當量（一個脈沖所代表的被測物理量的值）和零位標志（測量的起始點標志）。中途斷電無法得知運動部件的絕對位置。62磁阻式磁性編碼器具有結(jié)構(gòu)緊湊、高速下仍工作穩(wěn)定、抗污染能力強、抗振抗爆能力強、耗電少等優(yōu)點。磁性旋轉(zhuǎn)編碼器包含磁鼓和磁阻傳感器頭。磁鼓：在鋁合金錠子上敷上一層磁性介質(zhì)（γ-Fe2O3），并被磁化成具有偶數(shù)個長度為λ磁極。磁阻頭：在玻璃基片上鍍上一層Ni81Fe19合金薄膜，并列有10個檢測增量信號的磁阻元件，4個用于零道信號檢測的磁阻元件。4.5.2高分辨率磁性旋轉(zhuǎn)編碼器

4.5新型磁傳感器63磁性編碼器結(jié)構(gòu)4.5新型磁傳感器磁鼓旋轉(zhuǎn)時，磁場周期性地變化，磁阻也周期性地變化，且每個磁場周期對應(yīng)兩個磁阻變化周期，具有倍頻特性。644.5.3渦流傳感器

4.5新型磁傳感器工作原理:金屬導體在交流磁場中的電渦流效應(yīng)。電渦流（渦流）：

一個金屬板置于一只線圈的附近，當線圈輸入一交變電流i

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