傳感器第4章 磁傳感器1-3

1、1第四章第四章 磁傳感器磁傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) 霍爾磁敏傳感器霍爾磁敏傳感器 第三節(jié)第三節(jié) 磁敏電阻磁敏電阻 第四節(jié)第四節(jié) 感應(yīng)式磁敏傳感器感應(yīng)式磁敏傳感器 第五節(jié)第五節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器 第六節(jié)第六節(jié) 質(zhì)子旋進式磁敏傳感器質(zhì)子旋進式磁敏傳感器 第七節(jié)第七節(jié) 光泵式磁敏傳感器光泵式磁敏傳感器 第八節(jié)第八節(jié) SQUIDSQUID磁敏傳感器磁敏傳感器磁敏傳感器是對磁場參量磁敏傳感器是對磁場參量(B,H,)(B,H,)敏感的元器件敏感的元器件或裝置或裝置, ,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號的功能。具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號的功能。2磁磁場場測測量量方方法法

2、分分類類3質(zhì)子旋進式磁敏傳感器質(zhì)子旋進式磁敏傳感器光泵式磁敏傳感器光泵式磁敏傳感器SQUID（超導(dǎo)量子干涉器）磁敏傳感器（超導(dǎo)量子干涉器）磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器感應(yīng)式磁敏傳感器感應(yīng)式磁敏傳感器半導(dǎo)體磁敏傳感器半導(dǎo)體磁敏傳感器 霍爾器件、磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管霍爾器件、磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管機械式磁敏傳感器機械式磁敏傳感器光纖式磁敏傳感器光纖式磁敏傳感器 法拉弟磁光效應(yīng)型法拉弟磁光效應(yīng)型 、磁致伸縮型、磁致伸縮型 、磁力作用型、磁力作用型 磁敏傳感器的種類4半導(dǎo)體磁敏器件的特點：半導(dǎo)體磁敏器件的特點：（1 1）從直流到高頻，比如數(shù)十）從直流到高頻，比如

3、數(shù)十GHzGHz，其特性完全一，其特性完全一樣，也就是完全不存在頻率關(guān)系。這是因為在磁敏器樣，也就是完全不存在頻率關(guān)系。這是因為在磁敏器件的主要材料半導(dǎo)體中，電子的運動受磁場的影響，件的主要材料半導(dǎo)體中，電子的運動受磁場的影響，運動速度非?？?，足以跟上頻率的變化。運動速度非?？欤阋愿项l率的變化。（2 2）磁敏器件是利用磁場工作的，因此可以通過非）磁敏器件是利用磁場工作的，因此可以通過非接觸方式傳感，應(yīng)用廣泛，且壽命長、可靠性高。接觸方式傳感，應(yīng)用廣泛，且壽命長、可靠性高。（3 3）半導(dǎo)體磁敏器件產(chǎn)生與磁場強度成比例的電動）半導(dǎo)體磁敏器件產(chǎn)生與磁場強度成比例的電動勢，它不僅能夠測量動磁場，也

4、能把靜止的磁場變換勢，它不僅能夠測量動磁場，也能把靜止的磁場變換成電信號。如用線圈探測靜磁場時，只要線圈相對磁成電信號。如用線圈探測靜磁場時，只要線圈相對磁場運動就可以測出靜止的磁場強度。場運動就可以測出靜止的磁場強度。（4 4）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。（5 5）可以發(fā)揮半導(dǎo)體固有的特點，即能夠使器件小）可以發(fā)揮半導(dǎo)體固有的特點，即能夠使器件小型化和集成化。型化和集成化。5一、霍耳效應(yīng)一、霍耳效應(yīng)Hall effectHall effect當電流垂直于外磁場方向通過導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄當電流垂直于外磁場方向通過導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片時片時,在垂直于電流和磁場方向的兩側(cè)產(chǎn)生電勢差在垂直于電

5、流和磁場方向的兩側(cè)產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象叫做的現(xiàn)象叫做 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。 第二節(jié)第二節(jié) 霍耳磁敏傳感器霍耳磁敏傳感器6 設(shè)霍耳片的長度為設(shè)霍耳片的長度為L，寬度為，寬度為w，厚度為，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度又設(shè)電子以均勻的速度v運動，則在垂直方向施運動，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強度加的磁感應(yīng)強度B的作用下，它受到的作用下，它受到洛侖茲力洛侖茲力q電子電量電子電量(1.6210- -19C)； v電于運動速度。電于運動速度。同時，作用于電子的同時，作用于電子的電場力電場力 qvBfLwqUqEfHHE/wqUqvBH/當達到動態(tài)平衡時當達到動態(tài)平衡時7dnqvwdjwIdnqwIv/pqdIB

6、UH/電流密度電流密度j=nqvn:Nn:N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中的電子濃度中的電子濃度N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體p:Pp:P型半導(dǎo)體中的型半導(dǎo)體中的空穴濃度空穴濃度nqdIBUH/wqUqvBH/注：注：n n型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體中電子和空穴帶有符號相反的電荷型半導(dǎo)體中電子和空穴帶有符號相反的電荷量，霍爾效應(yīng)中會產(chǎn)生相反的霍爾電壓，所以依據(jù)霍爾電壓的量，霍爾效應(yīng)中會產(chǎn)生相反的霍爾電壓，所以依據(jù)霍爾電壓的正負可以判別材料的類型。正負可以判別材料的類型。8霍耳電勢霍耳電勢UH與與 I、B的乘積成正比，而與的乘積成正比，而與d成反比。于成反比。于是可改寫成：是可改寫成：

7、 dIBRUHHR RH H霍耳系數(shù)霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。，由載流材料物理性質(zhì)決定。材料電阻率材料電阻率型）（型）（PqpRNqnRHH11載流子遷移率載流子遷移率, ,= =v v/E,/E,即單位電場強度作用下載流子的平均即單位電場強度作用下載流子的平均速度。速度。金屬材料，電子金屬材料，電子很高但很高但很小，絕緣材料，很小，絕緣材料，很高但很高但很很小。故為獲得較強霍耳效應(yīng)，霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制小。故為獲得較強霍耳效應(yīng)，霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成。成。pqdIBUH/nqdIBUH/N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體9設(shè)設(shè) KH=RH / d KH霍耳器件的

8、乘積靈敏度。它與載流材料的物理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)強度和單性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流時霍耳電勢的大小。位控制電流時霍耳電勢的大小。若磁感應(yīng)強度若磁感應(yīng)強度B的方向與的方向與霍耳器件的平面法線夾角霍耳器件的平面法線夾角為為時，霍耳電時，霍耳電勢勢應(yīng)為：應(yīng)為： UH KH I B UH KH I B cos dIBRUHH10注意：當控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出注意：當控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍霍耳電耳電勢的方向也改變。但當磁場與電流同時改變方向勢的方向也改變。但當磁場與電流同時改變方向時，時，

9、霍耳電霍耳電勢并不改變方向。勢并不改變方向。討論：討論： 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不 是都可以制造霍爾元件是都可以制造霍爾元件 絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用；絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小，不適用； 金屬材料電子濃度很高，金屬材料電子濃度很高，R RH H很小，很小，U UH H很小。很小。 半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以 霍爾元件多采用霍爾元件多采用N N型半導(dǎo)體（多電子）。型半導(dǎo)體（多電子）。v由上式可見，厚度由上式可見，厚度d d越小，霍爾靈敏度越小，霍爾靈敏

10、度 K KH H越大，越大， 所以霍爾元件做的較薄，通常近似所以霍爾元件做的較薄，通常近似1 1微米。微米。11二、基本特性二、基本特性 1 1、直線性、直線性：指霍耳器件的輸出電勢指霍耳器件的輸出電勢UH分別和基本參分別和基本參數(shù)數(shù)I、U、B之間呈線性關(guān)系。之間呈線性關(guān)系。條件：半導(dǎo)體內(nèi)載流子平衡直線運動，條件：半導(dǎo)體內(nèi)載流子平衡直線運動，L/w很大很大U UH H= =K KH HBIBI 2 2、靈敏度、靈敏度：可以用乘積靈敏度或磁場靈敏度以及電可以用乘積靈敏度或磁場靈敏度以及電流靈敏度、電勢靈敏度表示：流靈敏度、電勢靈敏度表示：K KH H乘積靈敏度，表示霍耳電勢乘積靈敏度，表示霍耳電

11、勢V VH H與磁感應(yīng)強度與磁感應(yīng)強度B B和和控制電流控制電流I I乘積之間的比值，通常以乘積之間的比值，通常以mV/(mAmV/(mA0.1T)0.1T)。因。因為霍耳元件的輸出電壓要由兩個輸入量的乘積來確定為霍耳元件的輸出電壓要由兩個輸入量的乘積來確定, ,故稱為故稱為乘積靈敏度。乘積靈敏度。12KB磁場靈敏度，通常以額定電流為標準。磁場靈磁場靈敏度，通常以額定電流為標準。磁場靈敏度等于霍耳元件通以額定電流時每單位磁感應(yīng)強度對敏度等于霍耳元件通以額定電流時每單位磁感應(yīng)強度對應(yīng)的霍耳電勢值。應(yīng)的霍耳電勢值。常用于磁場測量等情況。常用于磁場測量等情況。 KI電流靈敏度，電流靈敏度等于霍耳元件

12、在單位電流靈敏度，電流靈敏度等于霍耳元件在單位磁感應(yīng)強度下電流對應(yīng)的霍耳電勢值。磁感應(yīng)強度下電流對應(yīng)的霍耳電勢值。若若控制電流值固定控制電流值固定，則：，則：UHKBB若若磁場值固定磁場值固定，則：，則：UHKI IKB=K=138060402000.20.40.60.81.0H/mV=7.0=1.5=3.0B/T理論值理論值實際值實際值UHRI霍耳電勢的負載特性霍耳電勢的負載特性=R/R2 霍耳電勢隨負載電阻值而改變的情況3 3、負載特性、負載特性144 4、溫度特性、溫度特性：指霍耳電勢或靈敏度的溫度特性，以及：指霍耳電勢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

13、耳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。系數(shù)和電阻率（或電導(dǎo)率）與溫度的關(guān)系?；舳牧系臏囟忍卣骰舳牧系臏囟忍卣鳎╝）RH與溫度的關(guān)系；（與溫度的關(guān)系；（b）與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系RH/cm2/A-1-1250200150100504080120160200InSbInAsT/0246/710-3cmInAs20015010050InSbT/0雙重影響：雙重影響：元件電阻，采用恒流供電；載流子遷移率，元件電阻，采用恒流供電；載流子遷移率，影響靈敏度。影響靈敏度。砷化銦砷化銦碲化銦碲化銦156 6、頻率特性、頻率特性u磁場恒定，而通過傳感器的電流

14、是交變的磁場恒定，而通過傳感器的電流是交變的。器件的頻器件的頻率特性很好，到率特性很好，到10kHz時交流輸出還與直流情況相同。時交流輸出還與直流情況相同。因此因此, ,霍耳器件可用于霍耳器件可用于微波微波范圍范圍, ,其輸出不受頻率影響。其輸出不受頻率影響。 u磁場交變磁場交變?；舳敵霾粌H與頻率有關(guān)，而且還與器件霍耳輸出不僅與頻率有關(guān)，而且還與器件的的電導(dǎo)率電導(dǎo)率、周圍介質(zhì)的、周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率及及磁路參數(shù)磁路參數(shù)( (特別是氣隙特別是氣隙寬度寬度) )等有關(guān)。這是由于在交變磁場作用下，元件與導(dǎo)等有關(guān)。這是由于在交變磁場作用下，元件與導(dǎo)體一樣會在其內(nèi)部產(chǎn)生體一樣會在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流渦流的

15、緣故。的緣故。5 5、工作溫度范圍、工作溫度范圍銻化銦為銻化銦為0+40，鍺為，鍺為-40+75，硅為，硅為-60+150。 16注意：渦流磁效應(yīng)的電流與磁場頻率成正比，當磁場頻注意：渦流磁效應(yīng)的電流與磁場頻率成正比，當磁場頻率變化不大時（率變化不大時（010kHz），渦流不大，故可以不考），渦流不大，故可以不考慮附加霍耳電勢的作用；但是當磁場頻率增加到數(shù)百千慮附加霍耳電勢的作用；但是當磁場頻率增加到數(shù)百千赫時，情況就不同了。赫時，情況就不同了。渦流感應(yīng)磁場、控制電流引發(fā)感應(yīng)磁場渦流感應(yīng)磁場、控制電流引發(fā)感應(yīng)磁場附加霍耳電附加霍耳電動勢動勢177 7、不等位電勢、不等位電勢U U0 0定義：定

16、義：霍爾器件在額定控制電流下，無外磁場霍爾器件在額定控制電流下，無外磁場時，兩個霍爾電極之間的開路電勢差。時，兩個霍爾電極之間的開路電勢差。0, 00UB18若霍耳端子間連接負載若霍耳端子間連接負載,稱為霍耳稱為霍耳負載電阻負載電阻或霍耳負載?；蚧舳撦d。電流電極間的電阻，稱為電流電極間的電阻，稱為輸入電阻輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。，或者控制內(nèi)阻?；舳俗娱g的電阻，稱為霍耳端子間的電阻，稱為輸出電阻輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻?；蚧舳鷤?cè)內(nèi)部電阻。 控制電流控制電流或輸入電流或輸入電流:流入到器件流入到器件內(nèi)的電流。內(nèi)的電流。電流端子電流端子A、B相應(yīng)地稱為器件相應(yīng)地稱為器件電電流端流端、控制電流端或

17、輸入電流端。、控制電流端或輸入電流端。三、霍耳磁敏傳感器（霍耳器件）三、霍耳磁敏傳感器（霍耳器件）CHAABBCDD 1 1、霍耳磁敏傳感器的符號與基本電路、霍耳磁敏傳感器的符號與基本電路 霍耳輸出端的端子霍耳輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱為相應(yīng)地稱為霍耳端霍耳端或輸出端?；蜉敵龆?。19控制電流控制電流I I；霍耳電勢霍耳電勢U UH H；控制電壓控制電壓U U；輸出電阻輸出電阻R R2 2；輸入電阻輸入電阻R R1 1；霍耳負載電阻霍耳負載電阻R R3 3；霍耳電流霍耳電流I IH H。 控制電流控制電流I由電源由電源E供給供給, ,RW為調(diào)節(jié)電阻為調(diào)節(jié)電阻, ,保證器件內(nèi)所需保證器件內(nèi)所需控制

18、電流控制電流I。霍耳輸出端接負載?；舳敵龆私迂撦dR3, ,R3可是一般電阻或放可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍耳器垂直通過霍耳器件件, ,在磁場與控制電流作用下，由負載上獲得電壓。在磁場與控制電流作用下，由負載上獲得電壓。器件輸入信號可以是器件輸入信號可以是I I或或B B，或者，或者IBIB, ,而輸出可以正比于而輸出可以正比于I I或或B B, , 或者正比于其乘積或者正比于其乘積IBIB 例題例題4.14.1VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路霍耳器件的基本電路RR3RWHU20單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓

19、UCC1霍耳元件放大地H2 2、霍耳線性集成傳感器、霍耳線性集成傳感器21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)特性磁感應(yīng)強度B/T5.64.63.62.61.6- -0.3 -0-0.2-0.1-0.100.10.20.3輸輸出出電電壓壓U/V線形霍耳傳感器的輸出特性曲線BKUBH典型產(chǎn)品：典型產(chǎn)品：SL3500系列，由系列，由霍耳元件、差分放霍耳元件、差分放大器、輸出級等組大器、輸出級等組成。成。用于磁場測量、非用于磁場測量、非接觸測量、測速調(diào)接觸測量、測速調(diào)速等。速等。22由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五

20、部分組成。輸出五部分組成。 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出開路輸出可使傳感器方便地與可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。各種邏輯電路接口。 霍耳開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖霍耳開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出輸出+穩(wěn)壓UCC1霍耳元件霍耳元件放大放大V整形整形地地H3 3、霍耳開關(guān)集成傳感器、霍耳開關(guān)集成傳感器23霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線工作特性有一定的磁滯工作特性有一定的磁滯BH，這對開關(guān)動作的可靠性非，這對開關(guān)動作的可靠性非常有利。常有利。 BOP為工作點為工作點“開開”的磁感應(yīng)強

21、度，的磁感應(yīng)強度，BRP為釋為釋放點放點“關(guān)關(guān)”的磁感應(yīng)強度的磁感應(yīng)強度?；舳_關(guān)集成傳感器的工作特性曲線霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線UOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍耳開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)：霍耳開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)： 工作電壓工作電壓 、磁感應(yīng)強度、輸、磁感應(yīng)強度、輸出截止電壓、出截止電壓、 輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點等。輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點等。0 該曲線反映了外加該曲線反映了外加磁場與傳感器輸出電平磁場與傳感器輸出電平的關(guān)系。當外加磁感強的關(guān)系。當外加磁感強度高于度高于BOP時，輸出電時，輸出電平由高變低，傳感器處平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當外加磁

22、感于開狀態(tài)。當外加磁感強度低于強度低于BRP時，輸出時，輸出電平由低變高，傳感器電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。處于關(guān)狀態(tài)。 24四、霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用四、霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用 1 1、霍耳線性集成傳感器的應(yīng)用、霍耳線性集成傳感器的應(yīng)用 作用：作用：磁通計、電流計、速度計、振動計等。磁通計、電流計、速度計、振動計等。優(yōu)點：優(yōu)點：體積小、結(jié)構(gòu)簡單、堅固難用、無摩擦、噪聲體積小、結(jié)構(gòu)簡單、堅固難用、無摩擦、噪聲小、壽命長、可靠性高等。小、壽命長、可靠性高等。（1 1）弱磁場計）弱磁場計 如果方向未知：如果方向未知： UH KH I B cos 如果太弱，可以采用高磁導(dǎo)率如果太弱，可以采用高磁導(dǎo)率

23、的集束器增強磁場。的集束器增強磁場。251 1、霍耳線性集成傳感器的應(yīng)用、霍耳線性集成傳感器的應(yīng)用 （2 2）位移測量）位移測量：構(gòu)造梯度均勻磁場，B與x正比xKBxKKIBKUBHHKxUHa.b.KxxKKBKUBBH還可以測量其他轉(zhuǎn)換為位移的物理量262 2、霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用、霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用開關(guān)信號：轉(zhuǎn)速、里程計、位置、角度、限位開關(guān)等施加磁場：加磁力集中器的移動激勵方式、推拉式、雙磁鐵滑近式、翼片遮擋式、偏磁式輸輸出出UoutR=2k+12V123HNfn60Nnf6027第三節(jié)第三節(jié) 磁敏電阻磁敏電阻 是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱是一種電阻隨磁場變化而

24、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)。元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。（一）磁阻效應(yīng)（一）磁阻效應(yīng) 1、若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電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，則其電阻值增加。這種現(xiàn)象流垂直或平行的外磁場，則其電阻值增加。這種現(xiàn)象稱為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為稱為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)。22000273. 0B條件：兩種載流子遷移率相差較大28 當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。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強。 2、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)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L(長度)W（寬度）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