《磁敏傳感器》PPT課件

磁敏傳感器 第一節(jié)質(zhì)子旋進(jìn)式磁敏傳感器第二節(jié)光泵式磁敏傳感器第三節(jié)SQUID磁敏傳感器第四節(jié)磁通門式磁敏傳感器第五節(jié)感應(yīng)式磁敏傳感器第六節(jié)半導(dǎo)體磁敏傳感器第七節(jié)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 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) SQUID磁敏傳感器 SQUID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 JosePhson 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) 頻帶寬 響應(yīng)頻率可從零響應(yīng)到幾kHz 測(cè)量范圍寬 可從零場(chǎng)測(cè)量到幾kT 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 在古地磁考古 測(cè)井 重力勘探及預(yù)報(bào)天然地震中 SQUID也具有重要作用 在生物醫(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 在固體物理 生物物理 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 SQUID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)磁懸浮列車等方面 均得到廣泛應(yīng)用 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 SQUID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(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 完全逆磁性 磁通量子化 S S N N H H c b a a T TcH 0 b T TCH 0 c T TCH 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) 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 NS 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 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 H 0T TC 凍結(jié)磁通示意圖 3 超導(dǎo)態(tài)撤掉磁場(chǎng)H 圓筒的中空部分仍有磁場(chǎng) 并使磁場(chǎng)保持不變 稱為凍結(jié)磁通現(xiàn)象 超導(dǎo)圓筒在超導(dǎo)態(tài)時(shí) 中空部分的磁通量是量子化的 并且只能取 0的整數(shù)倍 而不能取任何別的值 h 普郎克常數(shù) e 電子電量 0 磁通量量子 磁通量自然單位 中空部分通過的總磁通量 該圖是兩塊超導(dǎo)體中間隔著一厚度僅10 30 的絕緣介質(zhì)層而形成的 超導(dǎo)體 絕緣層 超導(dǎo)體 的結(jié)構(gòu) 通常稱這種結(jié)構(gòu)為超導(dǎo)隧道結(jié) 也稱約瑟夫遜 結(jié) 中間的薄層區(qū)域稱為結(jié)區(qū) 這種超導(dǎo)隧道結(jié)具有特殊而有用的性質(zhì) 超導(dǎo)電子能通過絕緣介質(zhì)層 表現(xiàn)為電流能夠無阻擋地流過 表明夾在兩超導(dǎo)體之間的絕緣層很薄且具有超導(dǎo)性 約瑟夫遜結(jié)能夠通過很小超導(dǎo)電流的現(xiàn)象 稱為超導(dǎo)隧道結(jié)的約瑟夫遜效應(yīng) 也稱直流約瑟夫遜效應(yīng) 超導(dǎo)結(jié)在直流電壓作用下可產(chǎn)生交變電流 從而輻射和吸收電磁波 這種特性稱為交流約瑟夫遜效應(yīng) 絕緣層 超導(dǎo)體 超導(dǎo)體 超導(dǎo)結(jié)示意圖 4 約瑟夫遜效應(yīng) 直流約瑟夫遜效應(yīng)表明 超導(dǎo)隧道結(jié)的介質(zhì)層具有超導(dǎo)體的一些性質(zhì) 但不能認(rèn)為它是臨界電流很小的超導(dǎo)體 它還有一般超導(dǎo)體所沒有的性質(zhì) 實(shí)驗(yàn)證明 當(dāng)結(jié)區(qū)兩端加上直流電壓時(shí) 結(jié)區(qū)會(huì)出現(xiàn)高頻的正弦電流 其頻率正比于所加的直流電壓 即f KV式中K 2e h 483 61012Hz V 根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論高頻電流會(huì)從結(jié)區(qū)向外輻射電磁波 可見 超導(dǎo)隧道結(jié)在直流電壓作用下 產(chǎn)生交變電流 輻射和吸收電磁波 這種特性即交流約瑟夫遜效應(yīng) 約瑟夫遜的直流效應(yīng)受著磁場(chǎng)的影響 而臨界電流IC對(duì)磁場(chǎng)亦很敏感 即隨著磁場(chǎng)的加大臨界電流IC逐漸變小 如圖所示 超導(dǎo)結(jié)的Ic H曲線 0 1 2 3 4 5 6 20 10 H 0 Ic 5 IC H特性 根據(jù)量子力學(xué)理論 超導(dǎo)結(jié)允許通過的最大超導(dǎo)電流Imax與 的關(guān)系式 沿介質(zhì)層及其兩側(cè)超導(dǎo)體邊緣透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量 0 磁通量子 IC 0 沒有外磁場(chǎng)作用時(shí) 超導(dǎo)結(jié)的臨界電流 IC是的 周期函數(shù) 超導(dǎo)結(jié)臨界電流隨外加磁場(chǎng)而周期起伏變化的原理 完全可用于測(cè)量磁場(chǎng)中 例如 若在超導(dǎo)結(jié)的兩端接上電源 電壓表無顯示時(shí) 電流表所顯示的電流是為超導(dǎo)電流 電壓表開始有電壓顯示時(shí) 則電流表所顯示的電流為臨界電流IC 此時(shí) 加入外磁場(chǎng)后 臨界電流將有周期性的起伏 且其極大值逐漸衰減 振蕩的次數(shù)n乘以磁通量子 0 可得到透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量 n 0 而磁通量和磁場(chǎng)H成正比關(guān)系 如果能求出 磁場(chǎng)H即可求出 同理 若外磁場(chǎng)H有變化 則磁通量亦隨變化 在此變化過程中 臨界電流的振蕩次數(shù)n乘以 0即得到磁通量的大小 亦反映了外磁場(chǎng)變化的大小 因而 可利用超導(dǎo)技術(shù)測(cè)定外磁場(chǎng)的大小及其變化 臨界電流隨外磁場(chǎng)周期起伏變化 這是由于在一定磁場(chǎng)作用下 超導(dǎo)結(jié)各點(diǎn)的超導(dǎo)電流具有確定的相位 相位相反的電流互相抵消 相位相同的電流互相迭加 測(cè)磁原理 測(cè)量外磁場(chǎng)的靈敏度與測(cè)定振蕩的次數(shù)n的精度及 的大小有關(guān) 設(shè)n可測(cè)準(zhǔn)至一個(gè)周期的1 100 則測(cè)得最小的變化量應(yīng)為 0 100 2 10 15T m2 若假設(shè)磁場(chǎng)在超導(dǎo)結(jié)上的透入面積為L(zhǎng) d L是超導(dǎo)結(jié)的寬度 一般為0 lmm左右 d是磁場(chǎng)在介質(zhì)層及其兩側(cè)超導(dǎo)體中透入的深度 則對(duì)Sn SnO Sn結(jié)來說 錫的穿透深度 500 亦即d 2 1000 則 L d 1 10 11m2 這里臨界電流的起伏周期是磁通量子 0 0 2 10 15T m2 對(duì)于透入面積L d為1 10 11m2的錫結(jié)而言 臨界電流的起伏周期是 二 SQUID磁敏傳感器的構(gòu)成類型 超導(dǎo)量子干涉器 SQUID 是指由超導(dǎo)隧道結(jié)和超導(dǎo)體組成的閉合環(huán)路 其臨界電流是環(huán)路中外磁通量的周期函數(shù) 其周期則為磁通量子 0 它具有宏觀干涉現(xiàn)象 通常 人們稱這樣的超導(dǎo)環(huán)路為超導(dǎo)量子干涉器件 射頻超導(dǎo)量子干涉器 RFSQUID 直流超導(dǎo)量子干涉器 DCSQUID 超導(dǎo)量子干涉器件有兩種類型 CT RT RF振蕩器 一 RFSQUID射頻超導(dǎo)量子干涉器含有一個(gè)超導(dǎo)隧道結(jié)的超導(dǎo)環(huán) 在超導(dǎo)環(huán)中存在超導(dǎo)量子干涉效應(yīng) 測(cè)量時(shí) 采用射頻電流進(jìn)行偏置 其構(gòu)成形式如圖所示 超導(dǎo)環(huán) 偏置的目的是使超導(dǎo)結(jié)周期地達(dá)到臨界狀態(tài) 使環(huán)外磁通以量子化的形式進(jìn)入環(huán)內(nèi) 從而在超導(dǎo)環(huán)內(nèi)的超導(dǎo)電流產(chǎn)生周期變化 這樣在結(jié)上產(chǎn)生周期電動(dòng)勢(shì) 實(shí)現(xiàn)磁測(cè) 采用交流偏置 將一射頻磁場(chǎng)耦合到超導(dǎo)環(huán)上 在外磁通作用下 測(cè)量超導(dǎo)結(jié)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) 輸入線圈 RF線圈 鈮圓柱 壓板 鈮碗 隧道結(jié) 鈮柱 輸入線圈 RF線圈 a b c d e f 鈮膜微橋 RFSQUID結(jié)構(gòu)圖 IA IB C1 C2 1 2 A B I DCSQUID構(gòu)成示意圖 二 DCSQUID直流超導(dǎo)量子干涉器 DCSQUID 是在一塊超導(dǎo)體上由兩個(gè)超導(dǎo)隧道結(jié)而構(gòu)成的超導(dǎo)環(huán) 超導(dǎo)環(huán)中存在超導(dǎo)量子干涉效應(yīng) 測(cè)量時(shí)用直流電流進(jìn)行偏置 如圖所示 E 應(yīng)用超導(dǎo)量子干涉器檢測(cè)磁通量變化時(shí) 除經(jīng)常使用的鎖相放大技術(shù)外 還采用超導(dǎo)磁通變換器方法零磁通法零電流方法 三 SQUID磁敏傳感器的檢測(cè)方法 利用磁通變換器可以提高測(cè)量磁場(chǎng)及測(cè)量磁場(chǎng)梯度的靈敏度 同時(shí)還可以完成其它一些有關(guān)磁的測(cè)量 如測(cè)定物質(zhì)的磁化率等 一 超導(dǎo)磁通變換器方法超導(dǎo)磁通變換器由SQUID加上兩個(gè)互相連接的線圈構(gòu)成 如圖所示 圖中的L環(huán)是超導(dǎo)環(huán)的電感 L2是與超導(dǎo)環(huán)相耦合的線圈電感 L1是與外磁通相耦合 且與L2相連的線圈電感 音頻振蕩器 射頻振蕩器 相敏檢波器 放大器 積分器 Vf Rf CT LT a 音頻振蕩器 放大器 Vf Rf LT CT 調(diào)制線圈 b 積分器 相敏檢波器 二 零磁通法 諧振線圈 超導(dǎo)環(huán) 超導(dǎo)環(huán) 三 零電流法采用反饋方式 反饋電流不是加到直接與超導(dǎo)環(huán)耦合的線圈上 而是加到與磁通變換器附加線圈Lf相耦合的反饋線圈上 如圖所示 探測(cè)線圈 輸入線圈 磁通變換器中的電流為零 在探測(cè)線圈附近的磁場(chǎng)畸變不大 優(yōu)點(diǎn) 超導(dǎo)環(huán) 超導(dǎo)核磁共振儀 超導(dǎo)核磁共振磁力儀超導(dǎo)核磁共振測(cè)井儀 四 SQUID磁敏傳感器的應(yīng)用 磁測(cè)量 超導(dǎo)磁力儀 超導(dǎo)磁力梯度儀超導(dǎo)巖石磁力儀 超導(dǎo)磁化率儀 電測(cè)量 超導(dǎo)檢流計(jì) 超導(dǎo)微伏計(jì) 超導(dǎo)電位計(jì) 重力測(cè)量 超導(dǎo)重力儀 超導(dǎo)加速儀超導(dǎo)重力梯度儀 超導(dǎo)輻射檢測(cè)器 輻射測(cè)量 磁共振測(cè)量 磁通門式磁敏傳感器又稱為磁飽和式磁敏傳感器 利用某些高導(dǎo)磁率的軟磁性材料 如坡莫合金 作磁芯 以其在交變磁場(chǎng)作用下的磁飽和特性及法拉第電磁感應(yīng)原理研制成的測(cè)磁裝置 第四節(jié)磁通門式磁敏傳感器 最大特點(diǎn) 適合在零磁場(chǎng)附近工作的弱磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量 傳感器可作成體積小 重量輕 功耗低 既可測(cè)縱向向量T 垂直向量Z 也可測(cè) T Z 不受磁場(chǎng)梯度影響 測(cè)量的靈敏度可達(dá)0 01nT 且可和磁秤混合使用組成磁測(cè)儀器 應(yīng)用 航空 地面 測(cè)井等方面的磁法勘探 在軍事上 也可用于尋找地下武器 炮彈 地雷等 和反潛 還可用于預(yù)報(bào)天然地震及空間磁測(cè)等 一 磁通門式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ) 磁飽和現(xiàn)象飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度Hs 一 磁滯回線和磁飽和現(xiàn)象 磁滯現(xiàn)象 磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化滯后于磁場(chǎng)H的變化 最大剩磁Br Br Bs Hs及矯頑力Hc是磁性材料的四個(gè)重要參數(shù) 磁通門傳感器使用軟磁性材料 動(dòng)態(tài)導(dǎo)磁率 定義 物體在磁場(chǎng)中被磁化后 在磁化方向上會(huì)產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短現(xiàn)象 幾種磁性材料的伸縮系數(shù) 30 20 10 0 10 20 30 l l Fe Co Ni 0 10 20 30 40 H 10 4T 45坡莫合金 二 磁致伸縮現(xiàn)象 飽和磁致伸縮系數(shù) 內(nèi)容 不論何種原因使通過一回路所包圍面積內(nèi)的磁通量 發(fā)生變化時(shí) 回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與磁通隨時(shí)間t的變化率的負(fù)值成正比 三 法拉第電磁感應(yīng)定律 式中k 比例系數(shù) 從這幾種磁芯的性能來說 以圓形較好 跑道形次之 在磁場(chǎng)的分量測(cè)量中 用跑道形磁芯較多 磁通門傳感器的磁芯幾何形狀 二 磁通門式磁敏傳感器的二次諧波法測(cè)磁原理 1 長(zhǎng)軸狀跑道形磁芯 4 1 3 2f f 2 跑道型磁芯機(jī)構(gòu)示意圖1 靈敏元件架 2 初級(jí)線圈3 輸出線圈 4 坡莫合金環(huán) 如圖所示 一般沿長(zhǎng)軸方向的尺寸遠(yuǎn)大于短軸方向的尺寸 故當(dāng)沿長(zhǎng)軸方向磁化時(shí) 要比沿短軸方向磁化時(shí)的退磁作用及退磁系數(shù)小得多 這樣 就可以認(rèn)為跑道形磁芯僅被沿長(zhǎng)軸方向的磁場(chǎng)所磁化 在實(shí)踐中 也僅測(cè)量沿長(zhǎng)軸方向的磁場(chǎng)分量 L1 L2 LS H1 2Hmsin tH2 2Hmsin t H He Hs Bm a b t H2 H1 H t e1 e2 E d H t B B1 B2 c 圖2 4 4傳感器測(cè)磁原理示意圖 B Es是屬周期性的重復(fù)脈沖 故可用富氏分解法計(jì)算Es的二次諧波分量 由分段函數(shù)組式可知 Es是一奇函數(shù) 富氏分解中的余弦項(xiàng)的系數(shù)an 0 a2 0 計(jì)算富氏分解中正弦項(xiàng)的系數(shù)b2 2 富氏分解法 感應(yīng)式磁敏傳感器是以天然場(chǎng)或人工場(chǎng)為場(chǎng)源 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理 采用某些特殊技術(shù)研制成的測(cè)磁裝置 可用于測(cè)量交變場(chǎng)中磁場(chǎng)變化率 第五節(jié)感應(yīng)式磁敏傳感器 一 感應(yīng)式磁敏傳感器的物理基礎(chǔ) 法拉第電磁感應(yīng)定律 發(fā)射機(jī)T 向發(fā)射線圈供給交變電流 它在線圈周圍則建立起交變電磁場(chǎng) 稱為一次場(chǎng) 如果地下有良導(dǎo)礦體存在 則礦體被一次場(chǎng)所激發(fā)而在礦體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流 這是一種渦旋電流 渦流 此渦流在空間也產(chǎn)生交變磁場(chǎng)向周圍發(fā)射 這種場(chǎng)稱為二次場(chǎng)或異常場(chǎng) 一 霍耳磁敏傳感器二 磁敏二極管和磁敏三極管三 磁敏電阻 第六節(jié)半導(dǎo)體磁敏傳感器 一 霍耳磁敏傳感器 一 霍耳效應(yīng) 通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象 I l w d 霍耳效應(yīng)原理圖 VH 二 霍耳磁敏傳感器工作原理 設(shè)霍耳片的長(zhǎng)度為l 寬度為w 厚度為d 又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng) 則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下 它受到洛侖茲力q 電子電量 1 62 10 19C v 電于運(yùn)動(dòng)速度 同時(shí) 作用于電子的電場(chǎng)力 當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí) 霍耳電勢(shì)VH與I B的乘積成正比 而與d成反比 于是可改寫成 電流密度j nqv n N型半導(dǎo)體中的電子濃度 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 霍耳系數(shù) 由載流材料物理性質(zhì)決定 材料電阻率 p P型半導(dǎo)體中的孔穴濃度 載流子遷移率 v E 即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下載流子的平均速度 金屬材料 電子 很高但 很小 絕緣材料 很高但 很小 故為獲得較強(qiáng)霍耳效應(yīng) 霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成 設(shè)KH RH d KH 霍耳器件的乘積靈敏度 它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān) 表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍耳電勢(shì)的大小 若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍耳器件的平面法線夾角為 時(shí) 霍耳電勢(shì)應(yīng)為 VH KHIB VH KHIBcos 注意 當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí) 輸出霍耳電勢(shì)的方向也改變 但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí) 霍耳電勢(shì)并不改變方向 霍耳器件片a 實(shí)際結(jié)構(gòu) mm b 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) c 等效電路外形尺寸 6 4 3 1 0 2 有效尺寸 5 4 2 7 0 2 三 霍耳磁敏傳感器 霍耳器件 d s l b 2 1 5 4 2 7 A B 0 2 0 5 0 3 C D a w 電流極 霍耳電極 R4 c 霍耳輸出端的端子C D相應(yīng)地稱為霍耳端或輸出端 若霍耳端子間連接負(fù)載 稱為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載 電流電極間的電阻 稱為輸入電阻 或者控制內(nèi)阻 霍耳端子間的電阻 稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻 器件電流 控制電流或輸入電流 流入到器件內(nèi)的電流 電流端子A B相應(yīng)地稱為器件電流端 控制電流端或輸入電流端 關(guān)于霍耳器件符號(hào) 名稱及型號(hào) 國(guó)內(nèi)外尚無統(tǒng)一規(guī)定 為敘述方便起見 暫規(guī)定下列名稱的符號(hào) 控制電流I 霍耳電勢(shì)VH 控制電壓V 輸出電阻R2 輸入電阻R1 霍耳負(fù)載電阻R3 霍耳電流IH 圖中控制電流I由電源E供給 R為調(diào)節(jié)電阻 保證器件內(nèi)所需控制電流I 霍耳輸出端接負(fù)載R3 R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻 或表頭內(nèi)阻等 磁場(chǎng)B垂直通過霍耳器件 在磁場(chǎng)與控制電流作用下 由負(fù)載上獲得電壓 實(shí)際使用時(shí) 器件輸入信號(hào)可以是I或B 或者IB 而輸出可以正比于I或B 或者正比于其乘積IB 上兩式是霍耳器件中的基本公式 即 輸入電流或輸入電壓和霍耳輸出電勢(shì)完全呈線性關(guān)系 如果輸入電流或電壓中任一項(xiàng)固定時(shí) 磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸出電勢(shì)之間也完全呈線性關(guān)系 同樣 若給出控制電壓V 由于V R1I 可得控制電壓和霍耳電勢(shì)的關(guān)系式 設(shè)霍耳片厚度d均勻 電流I和霍耳電場(chǎng)的方向分別平行于長(zhǎng) 短邊界 則控制電流I和霍耳電勢(shì)VH的關(guān)系式 四 基本特性 1 直線性 指霍耳器件的輸出電勢(shì)VH分別和基本參數(shù)I V B之間呈線性關(guān)系 VH KHBI 2 靈敏度 可以用乘積靈敏度或磁場(chǎng)靈敏度以及電流靈敏度 電勢(shì)靈敏度表示 KH 乘積靈敏度 表示霍耳電勢(shì)VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和控制電流I乘積之間的比值 通常以mV mA 0 1T 因?yàn)榛舳妮敵鲭妷阂蓛蓚€(gè)輸入量的乘積來確定 故稱為乘積靈敏度 KB 磁場(chǎng)靈敏度 通常以額定電流為標(biāo)準(zhǔn) 磁場(chǎng)靈敏度等于霍耳元件通以額定電流時(shí)每單位磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的霍耳電勢(shì)值 常用于磁場(chǎng)測(cè)量等情況 KI 電流靈敏度 電流靈敏度等于霍耳元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下電流對(duì)應(yīng)的霍耳電勢(shì)值 若控制電流值固定 則 VH KBB 若磁場(chǎng)值固定 則 VH KII 3 額定電流 霍耳元件的允許溫升規(guī)定著一個(gè)最大控制電流 4 最大輸出功率在霍耳電極間接入負(fù)載后 元件的功率輸出與負(fù)載的大小有關(guān) 當(dāng)霍耳電極間的內(nèi)阻R2等于霍耳負(fù)載電阻R3時(shí) 霍耳輸出功率為最大 5 最大效率霍耳器件的輸出與輸入功率之比 稱為效率 和最大輸出對(duì)應(yīng)的效率 稱為最大效率 即 6 負(fù)載特性當(dāng)霍耳電極間串接有負(fù)載時(shí) 因?yàn)榱鬟^霍耳電流 在其內(nèi)阻上將產(chǎn)生壓降 故實(shí)際霍耳電勢(shì)比理論值小 由于霍耳電極間內(nèi)阻和磁阻效應(yīng)的影響 霍耳電勢(shì)和磁感應(yīng)強(qiáng)度之間便失去了線性關(guān)系 如圖所示 80 60 40 20 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 VH mV 7 0 1 5 3 0 B T 理論值 實(shí)際值 VH R3 I 霍耳電勢(shì)的負(fù)載特性 R3 R2 霍耳電勢(shì)隨負(fù)載電阻值而改變的情況 7 溫度特性 指霍耳電勢(shì)或靈敏度的溫度特性 以及輸入阻抗和輸出阻抗的溫度特性 它們可歸結(jié)為霍耳系數(shù)和電阻率 或電導(dǎo)率 與溫度的關(guān)系 霍耳材料的溫度特征 a RH與溫度的關(guān)系 b 與溫度的關(guān)系 RH cm2 A 1 250 200 150 100 50 40 80 120 160 200 LnSb LnAs T 0 2 4 6 7 10 3 cm LnAs 200 150 100 50 LnSb T 0 雙重影響 元件電阻 采用恒流供電 載流子遷移率 影響靈敏度 二者相反 8 頻率特性磁場(chǎng)恒定 而通過傳感器的電流是交變的 器件的頻率特性很好 到10kHz時(shí)交流輸出還與直流情況相同 因此 霍耳器件可用于微波范圍 其輸出不受頻率影響 磁場(chǎng)交變 霍耳輸出不僅與頻率有關(guān) 而且還與器件的電導(dǎo)率 周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率及磁路參數(shù) 特別是氣隙寬度 等有關(guān) 這是由于在交變磁場(chǎng)作用下 元件與導(dǎo)體一樣會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流的緣故 總之 在交變磁場(chǎng)下 當(dāng)頻率為數(shù)十kHz時(shí) 可以不考慮頻率對(duì)器件輸出的影響 即使在數(shù)MHz時(shí) 如果能仔細(xì)設(shè)計(jì)氣隙寬度 選用合適的元件和導(dǎo)磁材料 仍然可以保證器件有良好的頻率特性的 霍耳開關(guān)集成傳感器是利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器 它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量 并以開關(guān)信號(hào)形式輸出 霍耳開關(guān)集成傳感器具有使用壽命長(zhǎng) 無觸點(diǎn)磨損 無火花干擾 無轉(zhuǎn)換抖動(dòng) 工作頻率高 溫度特性好 能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn) 五 霍耳開關(guān)集成傳感器 由穩(wěn)壓電路 霍耳元件 放大器 整形電路 開路輸出五部分組成 穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作 開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口 1 霍耳開關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 2 霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線從工作特性曲線上可以看出 工作特性有一定的磁滯BH 這對(duì)開關(guān)動(dòng)作的可靠性非常有利 圖中的BOP為工作點(diǎn) 開 的磁感應(yīng)強(qiáng)度 BRP為釋放點(diǎn) 關(guān) 的磁感應(yīng)強(qiáng)度 霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線 VOUT V 12 ON OFF BRP BOP BH B 霍耳開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù) 工作電壓 磁感應(yīng)強(qiáng)度 輸出截止電壓 輸出導(dǎo)通電流 工作溫度 工作點(diǎn) 0 該曲線反映了外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系 當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于BOP時(shí) 輸出電平由高變低 傳感器處于開狀態(tài) 當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時(shí) 輸出電平由低變高 傳感器處于關(guān)狀態(tài) 3 霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用 1 霍耳開關(guān)集成傳感器的接口電路 磁鐵軸心接近式在磁鐵的軸心方向垂直于傳感器并同傳感器軸心重合的條件下 隨磁鐵與傳感器的間隔距離的增加 作用在傳感器表面的磁感強(qiáng)度衰減很快 當(dāng)磁鐵向傳感器接近到一定位置時(shí) 傳感器開關(guān)接通 而磁鐵移開到一定距離時(shí)開關(guān)關(guān)斷 應(yīng)用時(shí) 如果磁鐵已選定 則應(yīng)按具體的應(yīng)用場(chǎng)合 對(duì)作用距離作合適的選擇 2 給傳感器施加磁場(chǎng)的方式 磁鐵側(cè)向滑近式要求磁鐵平面與傳感器平面的距離不變 而磁鐵的軸線與傳感器的平面垂直 磁鐵以滑近移動(dòng)的方式在傳感器前方通過 采用磁力集中器增加傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度 在霍耳開關(guān)應(yīng)用時(shí) 提高激勵(lì)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)重要方面 除選用磁感應(yīng)強(qiáng)度大的磁鐵或減少磁鐵與傳感器的間隔距離外 還可采用下列方法增強(qiáng)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度 S N 磁鐵 磁力集中器 傳感器 帶有磁力集中器的移動(dòng)激勵(lì)方式示意圖 磁感應(yīng)強(qiáng)度B T 0 10 0 08 0 06 0 04 0 02 0 2 5 5 7 5 10 磁鐵與中心線的距離L2 mm B L2曲線的對(duì)比圖 a 加磁力集中器的移動(dòng)激勵(lì)方式 激勵(lì)磁場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例 b 推拉式兩個(gè)磁鐵的S極都面對(duì)傳感器 這樣可以得到如圖所示的較為線性的特性 圖2 6 21推拉式L1 B關(guān)系曲線 距離L1 mm B T 0 05 0 05 0 10 5 0 5 10 15 15 注意 磁鐵S極作用于傳感器背面 會(huì)抵消傳感器正面磁鐵S極的激勵(lì)作用 c 雙磁鐵滑近式為激勵(lì)傳感器開關(guān)的接通 往往把磁鐵的S極對(duì)著傳感器正面 如果在傳感器的背面也設(shè)置一磁鐵 使它的N極對(duì)著傳感器的背面 就會(huì)獲得大得多的磁場(chǎng) d 翼片遮擋式翼片遮擋方法就是把鐵片放到磁鐵與傳感器之間 使磁力線被分流 傍路 遮擋磁場(chǎng)對(duì)傳感器激勵(lì) 當(dāng)磁鐵和傳感器之間無遮擋時(shí) 傳感器被磁鐵激勵(lì)而導(dǎo)通 當(dāng)翼片轉(zhuǎn)動(dòng)到磁鐵和傳感器之間時(shí) 傳感器被關(guān)斷 霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 點(diǎn)火系統(tǒng) 保安系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速 里程測(cè)定 機(jī)械設(shè)備的限位開關(guān) 按鈕開關(guān) 電流的測(cè)定與控制 位置及角度的檢測(cè)等等 e 偏磁式在傳感器背面放置固定的磁鐵加入偏磁 就可以改變傳感器的工作點(diǎn)或釋放點(diǎn) 例如 將磁鐵的N極粘附在傳感器的背面 則傳感器在正常情況下處于導(dǎo)通狀態(tài) 必須在它的正面施加更強(qiáng)的負(fù)磁場(chǎng) 才能使它關(guān)斷 4 霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 1 霍耳線性集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系 這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成 當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí) 霍耳元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例變化的霍耳電壓 經(jīng)放大器放大后輸出 在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中 為了提高傳感器的性能 往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓 電流放大輸出級(jí) 失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路 霍耳開關(guān)集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài) 而霍耳線性集成傳感器的輸出卻是對(duì)外加磁場(chǎng)的線性感應(yīng) 因此霍耳線性集成傳感器廣泛用于位置 力 重量 厚度 速度 磁場(chǎng) 電流等的測(cè)量或控制 霍耳線性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種 其電路結(jié)構(gòu)如下圖 六 霍耳線性集成傳感器 單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件 它的輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線性響應(yīng) 通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器 將輸出電壓放大到較高的電平 其典型產(chǎn)品是SL3501T 雙端輸出的傳感器是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器件 它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出 還可提供輸出失調(diào)調(diào)零 其典型產(chǎn)品是SL3501M 2 霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性 1 傳感器的輸出特性如下圖 2 霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性 2 傳感器的輸出特性如下圖 七 霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用利用霍耳效應(yīng)制作的霍耳器件 不僅在磁場(chǎng)測(cè)量方面 而且在測(cè)量技術(shù) 無線電技術(shù) 計(jì)算技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用 利用霍耳電勢(shì)與外加磁通密度成比例的特性 可借助于固定元件的控制電流 對(duì)磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量 機(jī)械量和非電量等進(jìn)行測(cè)量和控制 應(yīng)用這類特性制作的器具有磁通計(jì) 電流計(jì) 磁讀頭 位移計(jì) 速度計(jì) 振動(dòng)計(jì) 羅盤 轉(zhuǎn)速計(jì) 無觸點(diǎn)開關(guān)等 利用霍耳傳感器制作的儀器優(yōu)點(diǎn) 1 體積小 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 堅(jiān)固耐用 2 無可動(dòng)部件 無磨損 無摩擦熱 噪聲小 3 裝置性能穩(wěn)定 壽命長(zhǎng) 可靠性高 4 頻率范圍寬 從直流到微波范圍均可應(yīng)用 5 霍耳器件載流子慣性小 裝置動(dòng)態(tài)特性好 霍耳器件也存在轉(zhuǎn)換效率低和受溫度影響大等明顯缺點(diǎn) 但是 由于新材料新工藝不斷出現(xiàn) 這些缺點(diǎn)正逐步得到克服 測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向 磁通集束器圖中Li為集束器的總長(zhǎng)度 La為集束器中部的空隙距離 霍耳器件磁通密度Ba比外部磁通密度B0約增強(qiáng)Li La倍 圖為均勻磁場(chǎng)中使用集束器 實(shí)線 和不使用磁集束器 用虛線表示 時(shí)的磁方向圖 二 磁敏二極管和磁敏三極管磁敏二極管 三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來的新型磁電轉(zhuǎn)換元件 它們具有磁靈敏度高 磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍 能識(shí)別磁場(chǎng)的極性 體積小 電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn) 因而正日益得到重視 并在檢測(cè) 控制等方面得到普遍應(yīng)用 一 磁敏二極管的工作原理和主要特性1 磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理 1 磁敏二極管的結(jié)構(gòu)有硅磁敏二級(jí)管和鍺磁敏二級(jí)管兩種 與普通二極管區(qū)別 普通二極管PN結(jié)的基區(qū)很短 以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合 磁敏二級(jí)管的PN結(jié)卻有很長(zhǎng)的基區(qū) 大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度 但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的 一般鍺磁敏二級(jí)管用 40 cm左右的P型或N型單晶做基區(qū) 鍺本征半導(dǎo)體的 50 cm 在它的兩端有P型和N型鍺 并引出 若 代表長(zhǎng)基區(qū) 則其PN結(jié)實(shí)際上是由P 結(jié)和N 結(jié)共同組成 以2ACM 1A為例 磁敏二級(jí)管的結(jié)構(gòu)是P i N 型 磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào) a 結(jié)構(gòu) b 電路符號(hào) H H N 區(qū) p 區(qū) i區(qū) r區(qū) 電流 a 在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個(gè)區(qū)域 并在本征區(qū) i 區(qū)的一個(gè)側(cè)面上 設(shè)置高復(fù)合區(qū) r區(qū) 而與r區(qū)相對(duì)的另一側(cè)面 保持為光滑無復(fù)合表面 這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯 其結(jié)構(gòu)如圖 P N P N P N H 0 H H 電流 電流 電流 a b c 磁敏二極管的工作原理示意圖 流過二極管的電流也在變化 也就是說二極管等效電阻隨著磁場(chǎng)的不同而不同 為什么磁敏二極管會(huì)有這種特性呢 下面作一下分析 2 磁敏二極管的工作原理當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源正極 N區(qū)接電源負(fù)極即外加正偏壓時(shí) 隨著磁敏二極管所受磁場(chǎng)的變化 i i i 電子 孔穴 復(fù)合區(qū) 結(jié)論 隨著磁場(chǎng)大小和方向的變化 可產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化 特別是在較弱的磁場(chǎng)作用下 可獲得較大輸出電壓 若r區(qū)和r區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大 那么磁敏二極管的靈敏度就越高 磁敏二極管反向偏置時(shí) 則在r區(qū)僅流過很微小的電流 顯得幾乎與磁場(chǎng)無關(guān) 因而二極管兩端電壓不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有任何改變 2 磁敏二極管的主要特征 1 伏安特性在給定磁場(chǎng)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 由圖可見硅磁敏二極管的伏安特性有兩種形式 一種如圖2 6 29 b 所示 開始在較大偏壓范圍內(nèi) 電流變化比較平坦 隨外加偏壓的增加 電流逐漸增加 此后 伏安特性曲線上升很快 表現(xiàn)出其動(dòng)態(tài)電阻比較小 另一種如圖2 6 29 c 所示 硅磁敏二極管的伏安特性曲線上有負(fù)阻現(xiàn)象 即電流急增的同時(shí) 有偏壓突然跌落的現(xiàn)象 產(chǎn)生負(fù)阻現(xiàn)象的原因是高阻硅的熱平衡載流子較少 且注入的載流子未填滿復(fù)合中心之前 不會(huì)產(chǎn)生較大的電流 當(dāng)填滿復(fù)合中心之后 電流才開始急增之故 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磁場(chǎng)間的變化關(guān)系 叫做磁敏二極管的磁電特性 圖2 6 30給出磁敏二極管單個(gè)使用和互補(bǔ)使用時(shí)的磁電特性曲線 3 溫度特性溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下 輸出電壓變化量 或無磁場(chǎng)作用時(shí)中點(diǎn)電壓 隨溫度變化的規(guī)律 如圖所示 由圖可見 磁敏二極管受溫度的影響較大 反映磁敏二極管的溫度特性好壞 也可用溫度系數(shù)來表示 硅磁敏二極管在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下 u0的溫度系數(shù)小于 20mV 的溫度系數(shù)小于0 6 而鍺磁敏二極管u0的溫度系數(shù)小于 60mV 的溫度系數(shù)小于1 5 所以 規(guī)定硅管的使用溫度為 40 85 而鍺管則現(xiàn)定為 40 65 4 頻率特性硅磁敏二極管的響應(yīng)時(shí)間 幾乎等于注入載流子漂移過程中被復(fù)合并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間 所以 頻率響應(yīng)時(shí)間與載流子的有效壽命相當(dāng) 硅管的響應(yīng)時(shí)間小于1 即響應(yīng)頻率高達(dá)1MHz 鍺磁敏二極管的響應(yīng)頻率小于10kHz 2 6 26 2 6 27 5 磁靈敏度磁敏二極管的磁靈敏度有三種定義方法 a 在恒流條件下 偏壓隨磁場(chǎng)而變化的電壓相對(duì)磁靈敏度 hu 即 u0 磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí) 二極管兩端的電壓 uB 磁場(chǎng)強(qiáng)度為B時(shí) 二極管兩端的電壓 b 在恒壓條件下 偏流隨磁場(chǎng)變化的電流相對(duì)磁靈敏度 hi 即 c 在給定電壓源E和負(fù)載電阻R的條件下 電壓相對(duì)磁靈敏度和電流相對(duì)磁靈敏度定義如下 應(yīng)特別注意 如果使用磁敏二極管時(shí)的情況和元件出廠的測(cè)試條件不一致時(shí) 應(yīng)重新測(cè)試其靈敏度 二 磁敏三極管的工作原理和主要特性1 磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理 1 磁敏三極管的結(jié)構(gòu)NPN型磁敏三極管是在弱P型近本征半導(dǎo)體上 用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)結(jié) 即發(fā)射結(jié) 基極結(jié) 集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元 圖2 6 33NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)a 結(jié)構(gòu)b 符號(hào) r N N c e H H P b c e b a b 件 如圖 在長(zhǎng)基區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合速率很高的高復(fù)合區(qū)r 長(zhǎng)基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部 i 2 磁敏三極管的工作原理 當(dāng)不受磁場(chǎng)作用如圖2 6 34 a 時(shí) 由于磁敏三極管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度 因而注入的載流子除少部分輸入到集電極c外 大部分通過e i b而形成基極電流 顯而易見 基極電流大于集電極電流 所以 電流放大系數(shù) Ic Ib 1 當(dāng)受到H 磁場(chǎng)作用如圖2 6 34 b 時(shí) 由于洛侖茲力作用 載流子向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn) 從而使集電極電流明顯下降 當(dāng)受磁場(chǎng)使用如圖2 6 34 c 時(shí) 載流子在洛侖茲力作用下 向集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn) 使集電極電流增大 b 5mA Ib 4mA Ib 3mA Ib 2mA Ib 1mA Ib 0mA IC 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 2 4 6 8 10 VCE V mA VCE V Ib 3mAB 0 1T Ib 3mAB 0 Ib 3mAB 0 1T 2 4 6 8 10 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 IC mA 圖2 6 35磁敏三極管伏安特性曲線 2 磁敏三極管的主要特性 1 伏安特性圖2 6 35 b 給出了磁敏三極管在基極恒流條件下 Ib 3mA 磁場(chǎng)為0 1T時(shí)的集電極電流的變化 圖2 6 35 a 則為不受磁場(chǎng)作用時(shí)磁敏三極管的伏安特性曲線 2 磁電特性磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特性 3BCM NPN型 鍺磁敏三極管的磁電特性曲線如圖2 6 36所示 B 0 1T Ic mA 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 1 5 2 3 4 1 2 3 圖2 6 363BCM磁敏三極管電磁特性 由圖可見 在弱磁場(chǎng)作用時(shí) 曲線近似于一條直線 3 溫度特性磁敏三極管對(duì)溫度也是敏感的 3ACM 3BCM磁敏三極管的溫度系數(shù)為0 8 3CCM磁敏三極管的溫度系數(shù)為 0 6 3BCM的溫度特性曲線如圖2 6 37所示 溫度系數(shù)有兩種 一種是靜態(tài)集電極電流Ic0的溫度系數(shù) 一種是磁靈敏度的溫度系數(shù) 在使用溫度t1 t2范圍Ic0的改變量與常溫 比如25 時(shí)的Ic0之比 平均每度的相對(duì)變化量被定義為Ic0的溫度系數(shù)Ic0CT 即 同樣 在使用溫度t1 t2范圍內(nèi) 的改變量與25 時(shí)的值之比 平均每度的相對(duì)變化量被定義為的溫度系數(shù) 2 6 30 對(duì)于3BCM磁敏三極管 當(dāng)采用補(bǔ)償措施時(shí) 其正向靈敏度受溫度影響不大 而負(fù)向靈敏度受溫度影響比較大 主要表現(xiàn)為有相當(dāng)大一部分器件存在著一個(gè)無靈敏度的溫度點(diǎn) 這個(gè)點(diǎn)的位置由所加基流 無磁場(chǎng)作用時(shí) Ib0的大小決定 當(dāng)Ib0 4mA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 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)3BCM型鍺磁敏三極管參數(shù)表 3CCM型硅磁敏三極管參數(shù)表 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 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 為磁感應(yīng)強(qiáng)度 材料在磁