傳感器章磁敏傳感器

傳感器章磁敏傳感器第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月一、霍爾元件霍爾電壓形成的定性說明(a)磁場為0時(shí)，電子在半導(dǎo)體中的流動;(b)磁場不為0，電子在勞倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn);(c)電荷積累達(dá)到平衡時(shí),電子在流動第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月二、磁敏電阻磁敏電阻是一種電阻隨磁場而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁電阻效應(yīng)。1、工作原理磁電阻效應(yīng)：將載流導(dǎo)體（金屬或半導(dǎo)體）置于外磁場中，不但產(chǎn)生霍爾效應(yīng)（電勢或電場），同時(shí)電阻也會隨磁場而變化。這種現(xiàn)象成為磁敏電阻效應(yīng)，簡稱磁電阻效應(yīng)。

第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2.作用機(jī)理外磁場改變了導(dǎo)體載流子遷移的路徑，致使與外界電場同方向的電流分量減小，等價(jià)于電阻增大磁敏元件載流子遷移率幾何形狀物理磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)電阻率相對變化電阻相對變化第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）物理磁阻效應(yīng)具有兩種載流子的材料通電后，電子和空穴電流密度分別為jn和jp，總電流密度j無外磁場H時(shí)，j=jn+jp有外磁場H時(shí)，jn與jp背向偏轉(zhuǎn)j<jn+jp相當(dāng)于增大第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月磁敏電阻材料當(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。在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。一般使用N型InSb(銻化銦)和InSb―NiSb半導(dǎo)體材料做成磁阻器件。第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）幾何磁阻效應(yīng)無外磁場時(shí)，電流密度矢量j與電場一致有外磁場時(shí)，j與合成電場方向有一夾角在電極處，合成電場E與金屬電極面垂直在極板附近j出現(xiàn)偏角只在電極附近偏轉(zhuǎn)第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月增大磁阻效應(yīng)途徑：縮短電流路徑l，增大電極長度w，減薄磁阻材料d（a）用薄膜技術(shù)制作在基片上，典型厚度是20μm,（b）矩形磁阻元件，橫向?qū)挾葁比縱向長度l大40倍,（c）把W>l的扁平器件串聯(lián)起來——柵格磁阻器件。第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月科比諾圓盤中心和邊緣為兩電極不存在橫向霍爾電場和電勢磁敏電阻變化更加明顯第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月柵格磁阻器件在L>W長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），相當(dāng)于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。零磁場電阻約100Ω,柵格金屬條在100根以上。柵格磁阻器件既增加了零磁場電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。LBILBIBI第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度影響較大；因此，使用磁敏電阻時(shí)．必須首先了解如下圖所示的持性曲線。然后，確定溫度補(bǔ)償方案。磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)，它只隨磁場強(qiáng)度的增加而增加磁阻元件的溫度特性不好，在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4、磁阻式傳感器應(yīng)用——磁阻效應(yīng)角度傳感器測量原理——輸出電壓與磁場角度成正比由于電阻沒有極性，僅與磁場強(qiáng)度的絕對值成正比，磁極每轉(zhuǎn)動180度，某個(gè)位置上的磁敏電阻阻值變化一周期，相對180度布置的兩磁敏電阻a和d同步變化＋R與a，d相差90度布置的磁敏電阻b，c變化周期差180度，即b，c與a，d正好反相－R第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月磁阻式傳感器應(yīng)用——磁阻效應(yīng)角度傳感器將相間90度布置的四個(gè)磁敏電阻接入電橋電路，傳感器每相對磁極轉(zhuǎn)動180度，輸出電壓變化一個(gè)周期。第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月UZZ900信號調(diào)理芯片KMZ41型傳感器：

內(nèi)含8個(gè)MR形成兩組電橋第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月兩組磁敏電阻相對磁場布置相差45度，磁阻變化相位差90度兩組電橋的輸出電壓相位相差90度KMZ41型傳感器：可以實(shí)現(xiàn)辨向功能第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月兩組電橋制作成相差45度分布，輸出信號相差90度可判別角度方向第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)速傳感器傳感器與調(diào)理電路第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月安裝工作原理輸出方波——頻率信號第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月各向異性磁阻傳感器(AMR)原理：*AnisotropicMagnetoresistiveEffect——各向異性磁阻效應(yīng)各向異性磁阻傳感器是將鐵鎳合金薄膜沉積在硅基底上構(gòu)成的，沉積的時(shí)候薄膜以條帶的形式排布，形成一個(gè)平面的線陣以增加磁阻的感知磁場的面積。當(dāng)外部磁場加到這樣的鐵磁性薄膜上的時(shí)候，磁疇旋轉(zhuǎn)，改變空間取向，這樣使得薄膜條帶構(gòu)成的線陣的表觀電阻發(fā)生改變。具體的說，電橋的相對的兩個(gè)臂上的電阻增大，而另外兩只相對的臂上的電阻減小，就反應(yīng)在電橋電壓輸出的改變上。第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月芯片內(nèi)的惠斯通電橋第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月各向異性磁阻傳感器HMC1002HoneyWell公司的HMC1002特性：*響應(yīng)時(shí)間短（可以測高頻交變磁場）*測量精度高（達(dá)10^(-8)T)*有兩個(gè)敏感軸，可確定平面內(nèi)大小方向芯片體積小，定位較準(zhǔn)確第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月芯片管腳排布

第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月HMC1052磁阻傳感器由兩個(gè)AMR傳感器(各向異性磁阻傳感器)整合在一起,可以把任何水平方向的磁場分解為X,Y兩個(gè)方向的矢量。第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月三、磁敏二極管(SMD)工作原理在高阻半導(dǎo)體芯片（本征型I）兩端，分別制作P、N兩個(gè)電極P、N為重參雜區(qū)，I區(qū)長度較長I區(qū)一側(cè)光滑，一側(cè)打毛粗糙，粗糙表面易于使電子－空穴對復(fù)合而消失，成為r面（復(fù)合區(qū)）外加正向偏壓：P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)大量空穴從P區(qū)注入I區(qū)；大量電子從N區(qū)注入I區(qū)未加磁場，電子和空穴運(yùn)行方向不偏轉(zhuǎn)第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月磁敏二極管加正向電壓：P+——N-當(dāng)磁場方向使電子、空穴向r面偏轉(zhuǎn)時(shí)，載流子對因復(fù)合而消失，使I區(qū)載流子數(shù)目大為減少，該管外部表現(xiàn)為電阻增大，電流減小，壓降增大，U>0

當(dāng)磁場方向使電子、空穴向光滑面偏轉(zhuǎn)時(shí)，復(fù)合率變小，外部表則現(xiàn)為電阻減小，電流增大，壓降減小,U<0

第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月磁敏二極管的伏安特性在給定磁場情況下，磁敏二極管兩端正向偏壓和通過它的電流的關(guān)系曲線。在一定條件下，磁敏二極管的輸出電壓的變化量U與外加磁場的關(guān)系磁敏二極管的磁電特性：第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月磁敏二極管的磁電特性互補(bǔ)使用時(shí)，正、反向磁靈敏度曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性。第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度補(bǔ)償及提高靈敏度的措施①互補(bǔ)式電路溫度特性曲線第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月②差分式電路第32頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月③全橋式電路要求:靈敏度高用交流電源或脈沖電壓源第33頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月磁敏二極管與其它磁敏器件相比，具有以下特點(diǎn)：(1)靈敏度高,磁敏二極管的靈敏度比霍爾元件高幾百甚至上千倍，而且線路簡單，成本低廉。(2)靈敏度與磁場關(guān)系呈線性的范圍比較窄，但是弱磁場情況下具有較好的線性。（3）具有正反磁靈敏度磁敏二極管可用來檢測交、直流磁場，特別適合于測量弱磁場；可用作借助磁場觸發(fā)的無觸點(diǎn)開關(guān)。