磁參數(shù)的測量概要PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1磁參數(shù)的測量概要磁參數(shù)的測量概要第1頁/共67頁第2頁/共67頁第3頁/共67頁沖擊電流計名為沖擊電流計名為“電流計電流計”，實際上并不是用，實際上并不是用來測電流的，而是用來測量短時間內(nèi)脈沖電流所遷來測電流的，而是用來測量短時間內(nèi)脈沖電流所遷移的移的電量電量, ,它還可以用來進行與此有關(guān)的其他方面它還可以用來進行與此有關(guān)的其他方面的測量，例如測量磁感應(yīng)強度、高阻、電容等等。的測量，例如測量磁感應(yīng)強度、高阻、電容等等。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，線圈轉(zhuǎn)動慣量較大，因此由于其特殊的結(jié)構(gòu)，線圈轉(zhuǎn)動慣量較大，因此，當(dāng)電流瞬間通過線圈時，線圈的運動狀態(tài)來不及，當(dāng)電流瞬間通過線圈時，線圈的運動狀態(tài)來不及發(fā)

2、生變化。電流停止后，線圈才以一定的角度擺動發(fā)生變化。電流停止后，線圈才以一定的角度擺動。線圈啟動后，立即受到各種反力矩的作用，線圈。線圈啟動后，立即受到各種反力矩的作用，線圈的運動速度逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)動到最大位置時，瞬間的運動速度逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)動到最大位置時，瞬間停止，然后回復(fù)到初始位置，并在初始位置附近往停止，然后回復(fù)到初始位置，并在初始位置附近往返擺動數(shù)次，最終停止。返擺動數(shù)次，最終停止。 三、沖擊檢流計法三、沖擊檢流計法第4頁/共67頁沖擊電流計特沖擊電流計特點點反射反射鏡鏡線圈線圈NS沖擊電流計結(jié)構(gòu)示意沖擊電流計結(jié)構(gòu)示意圖圖金屬圓盤金屬圓盤懸絲懸絲1 1、線圈轉(zhuǎn)動靈活、線圈轉(zhuǎn)動靈活懸懸絲

3、結(jié)構(gòu)。絲結(jié)構(gòu)。2 2、線圈轉(zhuǎn)動慣量大、線圈轉(zhuǎn)動慣量大線圈短而寬，而且下面線圈短而寬，而且下面還懸吊著金屬圓盤。還懸吊著金屬圓盤。3 3、鏡尺讀數(shù)裝置、鏡尺讀數(shù)裝置應(yīng)應(yīng)用光放大原理，提高讀用光放大原理，提高讀數(shù)的準確度。數(shù)的準確度。第5頁/共67頁鏡尺裝置鏡尺裝置光源變壓器光源變壓器照明燈照明燈沖擊電流計讀數(shù)裝置沖擊電流計讀數(shù)裝置第6頁/共67頁檢流計的工作過程分為兩階段：檢流計的工作過程分為兩階段：第7頁/共67頁第8頁/共67頁第9頁/共67頁 一、霍耳磁敏傳感器一、霍耳磁敏傳感器 二、磁敏二極管和磁敏三極管二、磁敏二極管和磁敏三極管 三、磁敏電阻三、磁敏電阻 第10頁/共67頁一、霍耳磁敏

4、傳感器一、霍耳磁敏傳感器 （一）霍耳效應(yīng)（一）霍耳效應(yīng) 通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。+I+ +lwd霍耳效應(yīng)原理圖VHVH KH I B第11頁/共67頁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)外加磁場時霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時,霍耳元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓霍耳元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器

5、放大后輸出。在實際電路設(shè)計中，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、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；舳_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外加磁場的線性感應(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、電流等的測量或控制。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。經(jīng)放大器放大后輸出。在實際電路設(shè)計中，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、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；舳_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外加磁場的線性感應(yīng)。因此霍

6、耳線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制?；舳€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。（二）霍耳線性集成傳感器（二）霍耳線性集成傳感器第12頁/共67頁單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675 雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖 單單端輸出端輸出的傳感器是一個三端器件，它的輸出電壓對外加磁場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。 雙端輸出雙端輸出的傳感器是一個8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸

7、出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M。第13頁/共67頁2 2霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(1)(1) 傳感器的輸出特性如下圖： 磁感應(yīng)強度B/T5.64.63.62.61.6-0.3 -0.2-0.100.10.20.3輸輸出出電電壓壓U/VSL3501T傳感器的輸出特性曲線第14頁/共67頁2 2霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(2)(2) 傳感器的輸出特性如下圖： 2.52.01.51.00.50.040.080.120.16 0.200.24輸輸出出電電壓壓U/V磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度B/TSL3501M

8、傳感器的輸出特性曲線00.28 0.32R=0R=15R=100 第15頁/共67頁（三）霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用（三）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，不僅在磁場測量方面，而且在測量技術(shù)、無線電技術(shù)、計算技術(shù)和自動化技術(shù)等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。 利用霍耳電勢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，對磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機械量和非電量等進行測量和控制。應(yīng)用這類特性制作的器具有磁通計、電流計、磁讀頭、位移計、速度計、振動計、羅盤、轉(zhuǎn)速計、無觸點開關(guān)等。第16頁/共67頁 利用霍耳傳感器制作的儀器利用霍耳傳感器制作的儀器優(yōu)點：優(yōu)點： (1) 體積小，結(jié)構(gòu)簡

9、單、堅固耐用。體積小，結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用。 (2)無可動部件，無磨損，無摩擦熱，噪聲小。無可動部件，無磨損，無摩擦熱，噪聲小。 (3)裝置性能穩(wěn)定，壽命長，可靠性高。裝置性能穩(wěn)定，壽命長，可靠性高。 (4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應(yīng)用。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，裝置動態(tài)特性好?；舳骷d流子慣性小，裝置動態(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。但是，由于新材料新工藝不斷出現(xiàn)等明顯缺點。但是，由于新材料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺點正逐步得到克服。，這些缺點正逐步得到克服。第17頁/共67頁

10、二、磁敏二極管和磁敏三極管二、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）靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識別磁場的極性；體積小、電路簡；能識別磁場的極性；體積小、電路簡單等特點，因而正日益得到重視；并在單等特點，因而正日益得到重視；并在檢測、控制等方面得到普遍應(yīng)用。檢測、控制等方面得到普遍應(yīng)用。 第18頁/共67頁（一）磁敏二極管的工作原理和主要特性（一）磁敏二極管的工作原理和主

11、要特性 1 1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理 （1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)）磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 有硅磁敏二級管和鍺磁敏二級管兩種。有硅磁敏二級管和鍺磁敏二級管兩種。與普通二極管區(qū)別：與普通二極管區(qū)別：普通二極管普通二極管PN結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合；結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合；磁敏二級管的磁敏二級管的PN結(jié)卻有很長的基區(qū)，大于載流子的擴散長度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。結(jié)卻有很長的基區(qū)，大于載流子的擴散長度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。第19頁/共67頁+（b）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(a)結(jié)構(gòu); (b)電路符號H+H-N

12、+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型和型和N型兩個區(qū)域，并在本征區(qū)（型兩個區(qū)域，并在本征區(qū)（i）區(qū)的一個側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)合區(qū)）區(qū)的一個側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)合區(qū)(r區(qū)區(qū))，而與，而與r區(qū)相對的另一側(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。區(qū)相對的另一側(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。第20頁/共67頁PNPNPNH=0H+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的不同而不同。流過二極管的

13、電流也在變化，也就是說二極管等效電阻隨著磁場的不同而不同。 為什么磁敏二極管會有這種特性呢為什么磁敏二極管會有這種特性呢?下面作一下分析。下面作一下分析。 （2 2）磁敏二極管的工作原理）磁敏二極管的工作原理 當(dāng)磁敏二極管的當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極即外加正偏壓時，隨著磁敏二極管所受區(qū)接電源負極即外加正偏壓時，隨著磁敏二極管所受磁場的變化，磁場的變化，iii電子孔穴復(fù)合區(qū)第21頁/共67頁結(jié)論：結(jié)論：隨著磁場大小和方向的變化，可產(chǎn)生隨著磁場大小和方向的變化，可產(chǎn)生正負輸出電壓的變化、特別是在較弱的磁場正負輸出電壓的變化、特別是在較弱的磁場作用下，可獲得較大輸出電

14、壓。若作用下，可獲得較大輸出電壓。若r區(qū)和區(qū)和r區(qū)區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極管之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極管的靈敏度就越高。的靈敏度就越高。 磁敏二極管反向偏置時，則在磁敏二極管反向偏置時，則在 r區(qū)僅流區(qū)僅流過很微小的電流，顯得幾乎與磁場無關(guān)。因過很微小的電流，顯得幾乎與磁場無關(guān)。因而二極管兩端電壓不會因受到磁場作用而有而二極管兩端電壓不會因受到磁場作用而有任何改變。任何改變。 第22頁/共67頁 2 2磁敏二極管的主要特征磁敏二極管的主要特征（1）伏安特性）伏安特性在給定磁場情況下，磁敏二極管兩端正在給定磁場情況下，磁敏二極管兩端正向偏壓和通過它的電流的關(guān)系曲線。向偏壓

15、和通過它的電流的關(guān)系曲線。圖伏安特性圖伏安特性同一磁場作用下，電流越大，電壓越高同一磁場作用下，電流越大，電壓越高變化磁場作用下：變化磁場作用下：正向磁場下，磁場增加，電流減小；正向磁場下，磁場增加，電流減小；反向磁場下，磁場增加，電流增大。反向磁場下，磁場增加，電流增大。第23頁/共67頁 （2）磁電特性）磁電特性 在給定條件下，磁敏二極管的在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場間的變化關(guān)系。輸出電壓變化量與外加磁場間的變化關(guān)系。圖磁場電壓特性圖磁場電壓特性第24頁/共67頁（二）磁敏三極管的工作原理和主要特性（二）磁敏三極管的工作原理和主要特性 1 1磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理磁敏

16、三極管的結(jié)構(gòu)與原理 （1）磁敏三極管的結(jié)構(gòu)）磁敏三極管的結(jié)構(gòu) NPN型磁敏三極管是在弱型磁敏三極管是在弱P型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴散法形成三個結(jié)型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴散法形成三個結(jié)即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元形成的半導(dǎo)體元圖2.6-33 NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號a)結(jié)構(gòu) b)符號rN+N+ceH-H+P+bceba）b）件件,如圖。在長基區(qū)的側(cè)面制成一個復(fù)合速率很高的高復(fù)合區(qū)如圖。在長基區(qū)的側(cè)面制成一個復(fù)合速率很高的高復(fù)合區(qū)r。長基區(qū)分為輸運基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部。長基區(qū)分為輸運基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部。i第25頁/共67頁（2 2）磁敏三極管的

17、工作原理）磁敏三極管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）圖2.6-34 磁敏三極管工作原理示意圖(a)H=0; (b)H=H+;(c)H=H-1-運輸基區(qū)；2-復(fù)合基區(qū)12第26頁/共67頁當(dāng)不受磁場作用如圖當(dāng)不受磁場作用如圖2.6-34(a)時，由于磁敏三極時，由于磁敏三極管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴散長度，因而注管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴散長度，因而注入的載流子除少部分輸入到集電極入的載流子除少部分輸入到集電極c外，大部分外，大部分通過通過eib而形成基極電流。顯而易見，基極而形成基極電流。顯而易見，基極電流大于集電極電流。

18、所以，電流放大系數(shù)電流大于集電極電流。所以，電流放大系數(shù) =IcIb1。 當(dāng)受到當(dāng)受到H磁場作用如圖磁場作用如圖2.6-34（b）時，由）時，由于洛侖茲力作用，載流子向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從于洛侖茲力作用，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。而使集電極電流明顯下降。 當(dāng)受當(dāng)受 磁場使用如圖磁場使用如圖2.6-34(c)時，載流子在時，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。電流增大。 H第27頁/共67頁/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810

19、VCE/V/mAVCE/VIb=3mA B-=0.1TIb=3mA B=0Ib=3mA B+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA圖 磁敏三極管伏安特性曲線2 2磁敏三極管的主要特性磁敏三極管的主要特性 （1）伏安特性）伏安特性 圖圖(a)(a)給出了磁敏三極管在基極恒流條件下（給出了磁敏三極管在基極恒流條件下（I Ib b=3mA=3mA）、磁場）、磁場為為0.1T0.1T時的集電極電流的變化；時的集電極電流的變化；圖圖(b)(b)則為不受磁場作用時磁敏三極管的伏安特性曲線。則為不受磁場作用時磁敏三極管的伏安特性曲線。第28頁/共67頁（2）磁電特性）磁電特性 磁電

20、特性是磁敏三極管最重要的工作特性。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型）鍺磁敏三極管的磁電特性曲線如圖所示。線如圖所示。B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3圖 3BCM磁敏三極管電磁特性由圖可見，由圖可見，在弱磁場作在弱磁場作用時，曲線用時，曲線近似于一條近似于一條直線。直線。第29頁/共67頁（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，是一種新型半導(dǎo)體磁敏元件，它有著廣泛的應(yīng)用前景。由于磁敏管有效高的磁靈敏度，體積

21、和功耗都很小，且能識別磁極性等優(yōu)點，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利用磁敏管可以作成磁場探測儀器如高斯計、漏磁測量儀、地磁測量儀等。用磁敏管作成的磁場探測儀，可測量如高斯計、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1010-7-7T T左右的弱磁場。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。根據(jù)通電導(dǎo)線周圍具有磁場，而磁場的強弱又取決于通電導(dǎo)線中電

22、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。 此外此外, ,利用磁敏管還可制成轉(zhuǎn)速傳感器利用磁敏管還可制成轉(zhuǎn)速傳感器( (能測高達每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速能測高達每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速),),無觸點電位器和漏磁探傷儀等。無觸點電位器和漏磁探傷儀等。第30頁/共67頁（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= 0.1T5

23、101015 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 75mA第31頁/共67頁3CCM型硅磁敏三極管參數(shù)表型硅磁敏三極管參數(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第32頁/共67頁三、磁敏電

24、阻三、磁敏電阻 是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。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)。稱為磁阻效應(yīng)。第33頁/共67頁 在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作在磁場中，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。若某種金用而加長，使

25、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屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子 (電子和空穴電子和空穴 )的的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化流子引起電阻率變化 ,它可表示為：它可表示為：22000273. 0B為磁感應(yīng)強度；為磁感應(yīng)強度；材料在磁感應(yīng)強度為時的電阻率；材料在磁感應(yīng)強度為時的電阻率；0 材料在磁感應(yīng)強度為材料在磁感應(yīng)強度為0時的電阻率；時的電阻率；載流子的遷移率。載流子的遷移率。第34頁/共67頁 當(dāng)材料中僅存在一種載流子時磁阻效應(yīng)幾當(dāng)材料中僅存在一種載流子時磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時霍耳效應(yīng)更為強烈。若在乎可

26、以忽略，此時霍耳效應(yīng)更為強烈。若在電子和空穴都存在的材料（如電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則）中，則磁阻效應(yīng)很強。磁阻效應(yīng)很強。 磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相磁阻效應(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)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)。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長方形磁阻器件只有在L(長度長度)W（寬（寬度）的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把度）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金屬條（即短路柵格），以短路霍耳電勢，這種柵格磁阻器件如圖（長方形磁阻材料上

27、面制作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍耳電勢，這種柵格磁阻器件如圖（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）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 幾何磁阻效應(yīng)II（a（b阻器件的靈敏度。阻器件的靈敏度。 常用的磁阻元件有常用的磁阻元件有半導(dǎo)體磁阻元件和強磁半導(dǎo)體磁阻元件和強磁磁阻元件。其內(nèi)部有制磁阻元件。其內(nèi)部有制作成半橋或全橋等多種作成半橋或全橋等多種形式。形式。第36頁/共67頁1 靈敏度特性靈敏度特性 磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁場強度

28、下的電阻變化率來表示，即磁場場強度下的電阻變化率來表示，即磁場電阻特性的斜率。常用電阻特性的斜率。常用K表示，單位為表示，單位為mV/mA.kG即即.Kg。在運算時常用。在運算時常用RB/R0求得，求得，R0表示無磁場情況下，磁阻元件的表示無磁場情況下，磁阻元件的電阻值，電阻值，RB為在施加為在施加0.3T磁感應(yīng)強度時磁磁感應(yīng)強度時磁阻元件表現(xiàn)出來的電阻值，這種情況下，阻元件表現(xiàn)出來的電阻值，這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于一般磁阻元件的靈敏度大于2.7。 （二）（二） 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性第37頁/共67頁2 磁場電阻特性 磁阻元件磁場電阻特性N級0.30.2 0.100

29、.1 0.2 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場下呈直線特性變化0(b)電阻變化率特性0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 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)線性變化第38頁/共67頁圖 強磁磁阻元件電阻-磁場特性曲線輸出電壓V磁飽和點B=Bs0(b)磁場輸出特性H第39頁/共67頁 圖顯示的是強磁磁阻元件的磁圖顯示的是強磁磁阻元件的磁場場電阻特性曲線。電阻特性曲線。 從圖中可以看出它與前圖（從圖中可以

30、看出它與前圖（a）曲線相反，即隨著磁場的增加，電曲線相反，即隨著磁場的增加，電阻值減少。并且在磁通密度達數(shù)十阻值減少。并且在磁通密度達數(shù)十到數(shù)百高斯即飽和。一般電阻變化到數(shù)百高斯即飽和。一般電阻變化為百分之幾。為百分之幾。 第40頁/共67頁3 電阻電阻溫度特性溫度特性 如圖是一般半導(dǎo)體磁阻元件的電阻如圖是一般半導(dǎo)體磁阻元件的電阻溫度溫度特性曲線，從圖中可以看出，半導(dǎo)體磁阻元件特性曲線，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 半導(dǎo)體元件電阻-溫度特性曲線的溫度特性不好的溫度特性不好。圖中的電阻值。圖中的電阻值在在35的變化范的變化范

31、圍內(nèi)減小了圍內(nèi)減小了1/2。因此，在應(yīng)用時因此，在應(yīng)用時，一般都要設(shè)計，一般都要設(shè)計溫度補償電路。溫度補償電路。第41頁/共67頁（三）磁敏電阻的應(yīng)用（三）磁敏電阻的應(yīng)用 磁敏電阻可以用來作為電流傳感器、磁磁敏電阻可以用來作為電流傳感器、磁敏接近開關(guān)、角速度敏接近開關(guān)、角速度/角位移傳感器、磁場傳角位移傳感器、磁場傳感器等?？捎糜陂_關(guān)電源、感器等?？捎糜陂_關(guān)電源、UPS、變頻器、變頻器、伺服馬達驅(qū)動器、家庭網(wǎng)絡(luò)智能化管理、電伺服馬達驅(qū)動器、家庭網(wǎng)絡(luò)智能化管理、電度表、電子儀器儀表、工業(yè)自動化、智能機度表、電子儀器儀表、工業(yè)自動化、智能機器人、電梯、智能住宅、機床、工業(yè)設(shè)備、器人、電梯、智能住宅

32、、機床、工業(yè)設(shè)備、斷路器、防爆電機保護器、家用電器、電子斷路器、防爆電機保護器、家用電器、電子產(chǎn)品、電力自動化、醫(yī)療設(shè)備、機床、遠程產(chǎn)品、電力自動化、醫(yī)療設(shè)備、機床、遠程抄表、儀器、自動測量、地磁場的測量、探抄表、儀器、自動測量、地磁場的測量、探礦等。礦等。 第42頁/共67頁第43頁/共67頁第44頁/共67頁五、磁光效應(yīng)五、磁光效應(yīng)第45頁/共67頁靈敏度極高靈敏度極高：可達：可達10-15T，比靈敏度較高的光泵式磁敏傳感器要高出幾個數(shù)量級；，比靈敏度較高的光泵式磁敏傳感器要高出幾個數(shù)量級；第三節(jié)第三節(jié) SQUID磁敏傳感器磁敏傳感器SQUID磁敏傳感器是一種新型的靈敏度極高的磁敏傳感器，

33、是以約瑟夫遜（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（Jose 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。）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。特點特點頻帶寬：頻帶寬：響應(yīng)頻率可從零響應(yīng)到幾響應(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：可從零場測量到幾kT；第46頁/共67頁n深部地球物理深部地球物理：用帶有：用帶有SQUID磁敏傳感器的大地電磁測深儀進行大地電磁測深，效果甚好。磁敏傳感器的大地電磁測深儀進行大地電磁測深，效果甚好。n在在古地磁考古古地磁考古

34、、測井測井、重力勘探重力勘探及及預(yù)報天然地震預(yù)報天然地震中，中， SQUID也具有重要作用。也具有重要作用。n在在生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)方面，應(yīng)用方面，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。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中，的研究中，SQUID可用來測量極微弱的磁場，如美國國家航空宇航局用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。磁測儀器測

35、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，電壓標準，計算機中存儲器，通訊電纜等；在超導(dǎo)電機、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)磁流體發(fā)電、技術(shù)還可用作電流計，電壓標準，計算機中存儲器，通訊電纜等；在超導(dǎo)電機、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。等方面，均得到廣泛應(yīng)用。 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域第47頁/共67頁超導(dǎo)電性：在某一溫度超導(dǎo)電性：在某一溫度TC以下電阻值突然消失的現(xiàn)象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、SQUID磁敏傳感器的基本原理磁敏傳感器的基本原理超導(dǎo)體：超導(dǎo)

36、體：具有超導(dǎo)電性的物體。具有超導(dǎo)電性的物體。臨界溫度臨界溫度(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所對應(yīng)的溫度：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所對應(yīng)的溫度,其值一般從其值一般從3.4K至至18K超導(dǎo)體特性：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。第48頁/共67頁SSNNHH（c）（b）（a）（a）TTc H 0（b）TTC H 0（c）TTC H = 0 理想導(dǎo)電性實驗1 1、理想導(dǎo)電性、理想導(dǎo)電性零電阻特性零電阻特性 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，此時發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)環(huán)內(nèi)有一

37、感生電流若將一超導(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，此電流將永遠維持下去，超導(dǎo)環(huán)內(nèi)無電阻消耗能量，此電流將永遠維持下去 ，因無電阻。，因無電阻。 第49頁/共67頁（a）（b）邁斯納效應(yīng)示意圖（a）正常態(tài)時，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場分布（b）在超導(dǎo)態(tài)時，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場分布2 2、完全逆磁性，邁斯納、完全逆磁性，邁斯納( (Meissner) )效應(yīng)效應(yīng)或排磁效應(yīng)或排磁效應(yīng) 超導(dǎo)體不管在有無外磁場存在情況下，一旦進入超導(dǎo)狀態(tài)，其內(nèi)部磁場均為零，即磁場不能進入超導(dǎo)體內(nèi)部而具有排磁性，亦稱之為邁斯納效應(yīng)。超導(dǎo)體不管在有無外磁場存

38、在情況下，一旦進入超導(dǎo)狀態(tài)，其內(nèi)部磁場均為零，即磁場不能進入超導(dǎo)體內(nèi)部而具有排磁性，亦稱之為邁斯納效應(yīng)。 第50頁/共67頁根據(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，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， 圖圖(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)球有中由于超導(dǎo)球有磁屏蔽作用磁屏蔽作用，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。，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)象示意圖第51頁/共

39、67頁 假定有一假定有一中空圓筒形超導(dǎo)體中空圓筒形超導(dǎo)體(如圖如圖)并并 按下列步驟進行：按下列步驟進行：(1)常態(tài)讓磁場常態(tài)讓磁場H穿過圓筒的中空部分。穿過圓筒的中空部分。(2)超導(dǎo)態(tài)筒的中空部分有磁場。超導(dǎo)態(tài)筒的中空部分有磁場。3 3、 磁通量子化磁通量子化感生電流H0 TTC凍結(jié)磁通示意圖(3)超導(dǎo)態(tài)撤掉磁場超導(dǎo)態(tài)撤掉磁場H，圓筒的中空部分仍有磁場，并使磁場保持不變。稱為，圓筒的中空部分仍有磁場，并使磁場保持不變。稱為凍結(jié)磁通現(xiàn)象凍結(jié)磁通現(xiàn)象。超導(dǎo)圓筒在超導(dǎo)態(tài)時，中空部分的磁通量是量子化的，并且只能取超導(dǎo)圓筒在超導(dǎo)態(tài)時，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

40、。的整數(shù)倍，而不能取任何別的值。Wbeh1501007. 22h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01 n第52頁/共67頁 該圖是兩塊超導(dǎo)體中間隔著一厚度僅該圖是兩塊超導(dǎo)體中間隔著一厚度僅1030的絕緣介質(zhì)層而形成的的絕緣介質(zhì)層而形成的 “超導(dǎo)體超導(dǎo)體絕緣層絕緣層超導(dǎo)體超導(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)，也稱約瑟夫遜約瑟夫遜結(jié)結(jié)。中間的薄層區(qū)域稱為。中間的薄層區(qū)域稱為結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)。這種超導(dǎo)隧道結(jié)具有特殊而有用的性質(zhì)。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，

41、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)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)超導(dǎo)隧道結(jié)的約瑟夫遜效應(yīng)，也稱，也稱直流約瑟夫遜效應(yīng)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。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)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 4、約瑟夫遜效應(yīng)、約瑟夫遜效應(yīng)第53頁/共67頁 直流約瑟

42、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)。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)。 實驗證明，當(dāng)結(jié)區(qū)兩端加上直流電壓時，結(jié)區(qū)會出現(xiàn)高頻的正弦電流，其頻率正比于所加的直流電壓，即實驗證明，當(dāng)結(jié)區(qū)兩端加上直流電壓時，結(jié)區(qū)會出現(xiàn)高頻的正弦電流，其頻率正比于所加的直流電壓，即 f = KV式中式中 K=2e/h=483.61012Hz/V。根據(jù)電動力學(xué)理論高頻電流會從結(jié)區(qū)向外輻射電磁波。根據(jù)電動力學(xué)理論高頻電流會從結(jié)區(qū)向外輻射電磁波?？梢?/p>

43、，超導(dǎo)隧道結(jié)在直流電壓作用下，產(chǎn)生交變電流，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)。輻射和吸收電磁波，這種特性即交流約瑟夫遜效應(yīng)。第54頁/共67頁 約瑟夫遜的直流效應(yīng)受約瑟夫遜的直流效應(yīng)受著磁場的影響。而臨界電流著磁場的影響。而臨界電流IC對磁場亦很敏感，即隨著對磁場亦很敏感，即隨著磁場的加大臨界電流磁場的加大臨界電流IC逐漸逐漸變小，如圖所示。變小，如圖所示。 超導(dǎo)結(jié)的Ic-H曲線01234562010H=0Ic5、ICH 特性特性根據(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與與的

44、關(guān)系式的關(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)沒有外磁場作用時，超導(dǎo)結(jié)的臨界電流。00sin)0()(CCIIIC是的周期函數(shù)第55頁/共67頁超導(dǎo)結(jié)臨界電流隨外加磁場而周期起伏變化的原理超導(dǎo)結(jié)臨界電流隨外加磁場而周期起伏變化的原理,完全可用于測完全可用于測量磁場中。例如量磁場中。例如,若在超導(dǎo)結(jié)的兩端接上電源若在超導(dǎo)結(jié)的兩端接上電源,電壓表無顯示時電壓表無顯示時,電電流表所顯示的電流是為超導(dǎo)電流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電壓表開始有電壓顯示時,則電則電流表所顯示的電流為臨界電流流表所顯示的電流為臨界電流IC,此時此時,加入外磁場后

45、加入外磁場后,臨界電流將臨界電流將有周期性的起伏有周期性的起伏,且其極大值逐漸衰減且其極大值逐漸衰減,振蕩的次數(shù)振蕩的次數(shù)n乘以磁通量子乘以磁通量子0,可得到透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量可得到透入超導(dǎo)結(jié)的磁通量=n0。而磁通量和磁場。而磁通量和磁場H成正比成正比關(guān)系關(guān)系,如果能求出如果能求出,磁場磁場H即可求出。同理即可求出。同理,若外磁場若外磁場H有變化有變化,則磁則磁通量亦隨變化通量亦隨變化,在此變化過程中在此變化過程中,臨界電流的振蕩次數(shù)臨界電流的振蕩次數(shù)n乘以乘以0即得即得到磁通量的大小到磁通量的大小,亦反映了外磁場變化的大小。因而亦反映了外磁場變化的大小。因而,可利用超導(dǎo)可利用超導(dǎo)技術(shù)測定外磁

46、場的大小及其變化。技術(shù)測定外磁場的大小及其變化。 臨界電流臨界電流隨外磁場周期起伏變化，這是由于在一定磁場作用下，超導(dǎo)結(jié)各點的超導(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。隨外磁場周期起伏變化，這是由于在一定磁場作用下，超導(dǎo)結(jié)各點的超導(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。 測磁原理測磁原理第56頁/共67頁二、二、SQUID磁敏傳感器的構(gòu)成類型磁敏傳感器的構(gòu)成類型 超導(dǎo)量子干涉器（超導(dǎo)量子干涉器（SQUID）是指由超導(dǎo)隧）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)；其周期則為磁通環(huán)路中外磁通量的周期函數(shù)；其周期則為磁通量子量子0，它具有宏觀干涉現(xiàn)象。通常，人們稱，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。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（射頻超導(dǎo)量子干涉器（RF SQUID）直流超導(dǎo)量子干涉器（直流超導(dǎo)量子干涉器（DC SQUID） 超導(dǎo)量子干涉器件有兩種類型：第57頁/共67頁CTRTRF振蕩器（一）（一）RF SQUID射頻射頻超導(dǎo)量子超導(dǎo)量子干干涉器涉器含有一個超導(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)。測量時，采用射頻電流進行偏置，其構(gòu)成形式如圖所示