磁電式傳感器46827課件

磁電式傳感器

磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將輸入運動速度變換成感應(yīng)電勢輸出的傳感器。它不需要輔助電源，就能把被測對象的機械能轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。有時也稱作電動式傳感器。由于它有較大的輸出功率，故配用電路較簡單；零位和性能穩(wěn)定；工作頻帶一般為10~1000HZ。電磁式傳感器具有雙向轉(zhuǎn)換特性，利用其逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)可構(gòu)成力（矩）發(fā)生器和電刺激振器等。因此磁電式傳感器獲得較普遍的應(yīng)用。5.1基本原理與結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)電磁感應(yīng)定律,當(dāng)w匝線圈在均恒磁場內(nèi)運動時,設(shè)穿過線圈的磁通為,則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢e與磁通變化率有如下關(guān)系:

(5-1)

根據(jù)這一原理,可以設(shè)計成變磁通式兩種結(jié)構(gòu)型式,構(gòu)成測量線速度或角速度的磁電式傳感器.圖5-1所示為分別用于旋轉(zhuǎn)角速度及振動速度測量的變磁通式結(jié)構(gòu).其中永久磁鐵1(“熟稱”)與線圈4均固定,動鐵心3(銜鐵)的運動使氣隙5和磁路磁阻變化,引起磁通變化而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢,因此又稱變磁阻式結(jié)構(gòu).在恒磁通式結(jié)構(gòu)中,工作氣隙中的磁通恒定,感應(yīng)電勢是由永久磁鐵與線圈之間有相對運動—線圈切割磁力線而產(chǎn)生.這類結(jié)構(gòu)有兩種,如圖5-2所示.圖(a)為動圈式,圖中的磁路系統(tǒng)由圓柱形永久磁鐵和極掌、圓筒形磁軛及空氣隙組成.氣隙中的磁場均勻分布,測量線圈繞在筒形骨架上,經(jīng)膜片彈簧懸掛在空氣隙磁場中.當(dāng)線圈與磁鐵間有相對運動時,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為

e=Blv(V)(5-3)

式中B----------氣隙磁通密度(T);

l----------氣隙磁場中有效匝數(shù)為W的線圈總長度(m)為l=laW(la為每匝線圈的平均長度);

v-----------線圈與磁鐵沿軸線方向的相對運動速度(ms-1).當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定后,式(5-3)中B、la、W都為常數(shù),感應(yīng)電勢e僅與相對速度v有關(guān).傳感器的靈敏度為S=e/v=Bl(5-4)為提高靈敏度,應(yīng)選用具有磁能積較大的永久磁鐵和盡量小的氣隙長度,以提高氣隙磁通密度B,增加la和W也提高靈敏度,但他們受到體積和質(zhì)量、內(nèi)電阻及工作頻率等因數(shù)的限制.為了保證傳感器輸出的線性度,要保證線圈始終在均勻磁場內(nèi)運動.設(shè)計者的任務(wù)是選擇合理的結(jié)構(gòu)型式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸,以滿足傳感器基本性能要求.磁敏傳感器是指對磁信號及其變化比較敏感、并能按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成為可用輸出信號（主要是電信號）的器件或裝置。它可以用來檢測磁場的變化，也可以通過檢測磁場來間接地測量諸如力、運動等其它物理量。其中結(jié)構(gòu)型磁敏傳感器在被測磁學(xué)量的作用下，其幾何結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，并能輸出正比于被測磁學(xué)量的電信號，如懸絲式磁敏傳感器和各種磁電感應(yīng)式磁敏傳感器.物性型磁敏傳感器在被測磁學(xué)量的作用下，其構(gòu)成材料自身的特性會發(fā)生變化，從而輸出相應(yīng)的電信號，如各種半導(dǎo)體磁敏傳感器（霍爾器件、結(jié)型磁敏器件、半導(dǎo)體磁敏器件等）、SQUID磁敏傳感器、質(zhì)子旋進式磁敏傳感器、光泵式磁敏傳感器、強磁性金屬磁敏器件等.

復(fù)合型磁敏傳感器則是將物性型磁敏感元件與中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)相結(jié)合，以增加所測非電量的種類。在利用半導(dǎo)體材料的磁敏感特性而工作的一類磁敏傳感器（即半導(dǎo)體磁敏傳感器）中，比較重要的包括霍爾磁敏傳感器、磁敏二極管、磁敏三極管以及半導(dǎo)體磁阻器件等，其中應(yīng)用最廣泛的是霍爾磁敏傳感器。1霍爾式磁敏傳感器霍爾磁敏傳感器包括霍爾元件和霍爾集成電路。后者是將分立的霍爾元件與放大器電路等集成在一塊硅片上所構(gòu)成的一種IC型結(jié)構(gòu)。它們都是基于半導(dǎo)體材料中電流與磁場相互作用從而產(chǎn)生電動勢的霍爾效應(yīng)原理工作的。1.1霍爾效應(yīng)

1879年美國物理學(xué)家E.H.Hall首先發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。如圖1.1模型所示，當(dāng)在長方形半導(dǎo)體片的長度方向通以直流電流I時,若在其厚度方向存在一磁場B,那么在該半導(dǎo)體片的寬度方向就會產(chǎn)生電位差EH，此即霍爾效應(yīng)。若在半導(dǎo)體片中通以垂直于紙面向內(nèi)的電流，則多數(shù)載流子（電子）的運動方向垂直于紙面向外。由物理學(xué)知識知道，位于磁場中運動的電子將受到洛侖茲力Fm的作用,其大小為evB,其中e為電子的電量，v為電子在垂直于磁感應(yīng)強度B方向的運動速度,且V、B、Fm三者的方向遵循右手定則。據(jù)此可知，電子將因受到朝向CD面的洛侖茲力Fm的作用而向右偏轉(zhuǎn)，從而造成CD面電子的堆積，并由此引起AB面空穴的堆積。

電荷堆積的結(jié)果就是在AB/CD兩個面之間建立起一個橫向的靜電場E。該靜電場E對其中的電子又會產(chǎn)生電荷力Fe，其大小為eE，其方向朝向AB面。這樣，電子將受到fm和fe兩個力的共同作用。剛開始fe<fm，電子和空穴將分別不斷地在AB/CD兩個面堆積，從而使得橫向電場E也不斷增加。而E的增加又引起fe增加，直到fe=fm時，電子和空穴的堆積過程才結(jié)束。

此時的電場E即稱為霍爾電場，用EH表示。由上述分析可得：eEH=evB（1.1）所以，EH=vB（1.2）其中v是電子的平均運動速度；B為磁感應(yīng)強度.式中負(fù)號表示電子的流向與電流方向相反，由式1.3可得：（1.4）將（1.4）式代入（1.2）式可得：（1.5）電流密度J可用流過半導(dǎo)體界面的電流Ic（又稱為控制電流）表示為：（1.6）將式（1.6）代入到式（1.5）得：（1.7）對于上述霍爾電場而言，AB/CD兩個面之間的電勢差稱為霍爾電壓VH，它可以用下式來表示：（1.8）式中θ為B與Ic方向之夾角，同時假定EH與W同方向。定義霍爾系數(shù)RH為：（1.9）將式（1.9）代入到式（1.8）中，可得：（1.10）再定義霍爾元件的靈敏度KH為：（1.11）將式（1.11）帶入式（1.10）得：（1.12） 在圖1.1所示情況下，Ic與B方向相互垂直，故θ=90o，此時：（1.13）

由歐姆定律R=U/I、電場強度公式E=v/μ（v為電子速度，μ為電子遷移率）以及電流公式I=-(Wdv)ne(n為電子體積濃度)，可得：（1.15）比較式（1.14）和式（1.15），可得：（1.16）此式說明，霍爾效應(yīng)的強弱,與材料的電阻率ρ以及載流子的遷移率μ有關(guān)。對金屬，μ很大,但ρ很低；對絕緣體，ρ很大,但μ極??；而半導(dǎo)體，ρ和μ均較大，因此可以獲得較高的霍爾靈敏度?；魻栯妷篤H除了如式（1.13）所示用控制電流IC表示之外，還可以用加在霍爾器件兩端的控制電壓V來表示。由于：（1.17）

以及R=ρL/Wd,所以（1.18）將式（1.18）代入式（1.12），即得用V表示的霍爾電壓表達式：（1.19）式(1.19)表明對于確定的控制電壓V，如果測出了霍爾電壓VH，就可以得到相應(yīng)的磁場B。對于集成霍爾傳感器來說，一般知道其控制極間電壓，因此采用上式比較方便。設(shè)霍爾元件長為L，寬為W，則其長寬比為L/W。若控制極A、C之間的電場為Ex，當(dāng)有外加磁場作用后,在電極B、D之間就會產(chǎn)生霍爾電場Ey。此時在半導(dǎo)體片上任一點的電場應(yīng)是控制電場Ex和霍爾電場Ey的矢量和，二者的關(guān)系可用霍爾角θ=tg-1(Ey/Ex)來表示，θ越大,Ex對霍爾電勢的影響就越小。另一方面，L/W越大，對UH的影響就越小，當(dāng)L/W逐漸減小時，載流子在偏轉(zhuǎn)過程中的損失將逐漸加大,從而導(dǎo)致UH值下降。霍爾角θ與L/W對霍爾電勢的影響可用形狀效應(yīng)系數(shù)fH(L/W,θ)來表示，如式(1.20)所示。(1.20)L/W越大，fH就越接近于1。但L過大的話，控制電極之間的電阻也跟著增大，造成輸入功耗增加，一般可取L/W>2。1.2霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)

描述霍爾元件的技術(shù)參數(shù)很多，下面給出較常用的幾種。（1）輸入電阻（Rin）（室溫、零磁場下測量時）霍爾元件兩控制極之間的電阻，單位：歐姆（Ω）。（2）輸出電阻（Rout）（室溫、零磁場下測量時）霍爾元件兩霍爾電極之間的電阻，單位：歐姆（Ω）。（3）額定控制電流（Ic）（空氣中，且滿足一定散熱條件下）霍爾元件溫升不超過10oC時所通過的控制電流，單位：安培（A）。（4）最大允許控制電流（Icm）（空氣中，且滿足一定散熱條件下）霍爾元件允許通過的最大控制電流，該電流與霍爾元件的幾何尺寸、電阻率ρ及散熱條件有關(guān)，單位：安培（A）。（5）不等位電勢（Vm） 額定控制電流下，外磁場為零時，霍爾電極間的開路電壓。單位：伏特。不等位電勢是由兩個霍爾電極不在同一個等位面上造成的，其正負(fù)隨控制電流方向而變化,但數(shù)值不變。（6）不等位電阻（RM）不等位電勢VM與額定控制電流Ic之比稱為不等位電阻，即RM=VM/IC。

（7）磁靈敏度（SB）與乘積靈敏度（SH）額定控制電流下，B=1T的磁場垂直于霍爾元件電極面時，霍爾電極間的開路電壓，稱為磁靈敏度，即：SB=VH/B，單位：V/T?？刂齐娏鳛?A,B=1T的磁場垂直于霍爾元件電極面時，霍爾電極間的開路電壓，稱為乘積靈敏度。即：SH=VH/（IcB），單位：V/（A.T）。（8）霍爾電勢溫度系數(shù)（β）外磁場B一定，控制電流I=Ic，溫度變化ΔT=T2-T1=±1oC時,霍爾電勢VH變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù).

（9）輸入/輸出電阻溫度系數(shù)αin當(dāng)ΔT=T2-T1=±1oC,霍爾器件輸入電阻Rin或輸出電阻Rout變化的百分率，分別稱為其輸入或輸出電阻溫度系數(shù)（用αin或αout表示），αin的表達式如式(1.22所示)，αout類似。（10）非線性誤差NL一定磁場下，霍爾元件開路電壓的實測值VH(B)和理論值VH/(B)之間的相對誤差，稱為霍爾元件的非線性誤差，1.3霍爾元件的等效電路及不等位電勢補償原理霍爾元件可以等效為電橋，如圖1.5所示。其中，橋臂電阻R1、R2、R3、R4分圖1.5霍爾元件等效電路別代表控制電極A、C與霍爾電極B、D之間的分布電阻，Vc為控制電極AC之間所加的電壓，VH為霍爾輸出電壓。理想情況下,若無外加磁場，可以認(rèn)為上述四個電阻相等，即R1=R2=R3=R4，則霍爾電勢VH=0。但實際上，霍爾元件都是存在不等位電勢的,即使無外加磁場，上述電橋的輸出也不為零。為了補償該零位誤差，可以在相應(yīng)的橋臂上并聯(lián)合適的電阻，從而保證電橋滿足平衡條件，常用的補償方法及其等效電路如圖1.6所示。（a）補償方案（b）等效電路圖1.6霍爾元件不等位電勢補償方案及其電路1.4霍爾磁傳感器電路分析與設(shè)計（1）霍爾元件的驅(qū)動電路前面談到，霍爾元件有恒壓和恒流兩種驅(qū)動方式，圖1.7（a）、(b)分別示出了這兩種驅(qū)動方式的電路原理圖。圖1.7（a）霍爾元件恒壓驅(qū)動電路圖1.7（b）霍爾元件恒流驅(qū)動電路

一般，GaAs霍爾器件宜選用恒流源驅(qū)動，InSb霍爾器件則用恒壓源驅(qū)動。這是因為GaAs器件在恒流驅(qū)動方式下霍爾電壓VH的溫度系數(shù)比較小（僅有-0.06%/oC），且VH與磁感應(yīng)強度B關(guān)系曲線有良好的線性度；而InSb器件在恒壓驅(qū)動方式下VH的溫度系數(shù)比較小。（2）霍爾元件的輸出放大電路圖1.8三運放霍爾電壓放大器

圖1.8是三運放霍爾電壓放大器。其中，A1，A2共同組成第一級，為結(jié)構(gòu)對稱的同相比例運放，有很高的輸入電阻以及較低的漂移和失調(diào)。A3是差分放大級，用于將差分輸入轉(zhuǎn)換成為單端輸出。圖中還標(biāo)出了各級輸入及輸出之間的關(guān)系，由此可推知該放大器的輸出電壓UO與霍爾輸入電壓UH之間的關(guān)系如式（1.24）所示。1.6霍爾式磁敏傳感器的應(yīng)用

由霍爾效應(yīng)的基本關(guān)系式可知，霍爾電壓VH與輸入控制電流Ic以及磁感應(yīng)強度B都成線性關(guān)系。因此，可保持Ic不變通過測量VH來得到B；也可保持B不變通過測量VH來得到Ic；還可測量VH直接得到Ic和B的乘積。由此可以得到各種類型的基于霍爾效應(yīng)的傳感器?；魻栐捎糜诮恢绷麟妷骸㈦娏?、功率以及功率因數(shù)的測量，還可用于磁場、線圈匝數(shù)、磁性材料矯頑力的測量。除此之外，還可利用霍爾效應(yīng)來測量速度、里程、圈數(shù)、流速、位移、鍍層及工件厚度等，下面給出幾個相應(yīng)的例子。上述功率測量方法中，可參考圖1.7電路將負(fù)荷電壓接入霍爾元件的控制端，而負(fù)荷電流則通過一種稱之為霍爾變流器（或稱霍爾CT，CurrentTransformer）的器件變換為相應(yīng)的磁場，其原理如圖1.9所示，它把電流I1變?yōu)橥ㄟ^霍爾元件的磁場。圖1.9霍爾變流器原理圖(2)霍爾元件用于磁場的測量以及鐵磁物體的探測圖1.10所示為霍爾元件用于磁場測量的電路原理框圖。它是保持控制電流IC不變，通過測量霍爾電壓VH來得到被測磁場的。圖1.10霍爾磁場測量系統(tǒng)原理框圖圖1.10中恒流驅(qū)動電路、三運放數(shù)據(jù)放大器的設(shè)計可分別參考圖1.7和圖1.8。

圖1.11所示為磁性物體探測電路原理框圖。它也是保持控制電流Ic不變，通過測量霍爾電壓VH來感測磁性物體的。當(dāng)磁性物體靠近霍爾元件時，會引起霍爾元件感磁面的磁場發(fā)生變化，從而引起其輸出的霍爾電壓發(fā)生變化。再經(jīng)電平比較，產(chǎn)生物體接近脈沖信號輸出，該電路適宜用作諸如檢測馬達轉(zhuǎn)速之類的霍爾元件接口電路。

圖1.11磁性物體探測電路原理框圖(3)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器

通常將永磁鐵固定在被測旋轉(zhuǎn)體上，當(dāng)它轉(zhuǎn)動到與霍爾器件正對位置時，輸出的霍爾電壓最高。根據(jù)這個原理，通過電子線路計出每分鐘霍爾器件輸出高脈沖的個數(shù)，即可得到被測旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。在被測旋轉(zhuǎn)體上所安裝的磁鐵個數(shù)越多，轉(zhuǎn)速測量的分辨率就越高。圖1.13霍爾轉(zhuǎn)速傳感器用于測量車輪的轉(zhuǎn)速

圖1.13示出了霍爾轉(zhuǎn)速傳感器用于測量車輪轉(zhuǎn)速的工作原理。圖中所示是在轉(zhuǎn)動體（車輪）上安裝單個永久磁鐵的形式，轉(zhuǎn)速n就是VH的頻率乘以60；若安裝有多個磁鐵，那么轉(zhuǎn)速n就是VH的頻率除以永磁鐵的個數(shù)再乘以60。2結(jié)型磁敏器件結(jié)型磁敏器件是指由PN結(jié)構(gòu)成的磁敏器件，主要包括磁敏二極管和磁敏三極管兩大類。

2.1磁敏二極管磁敏二極管是指電特性隨外部磁場改變而有顯著變化的一種二極管，它是一種電阻隨磁場的大小和方向均改變的結(jié)型二端器件。

2.1.1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)磁敏二極管是一種P+-I-N+型結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示。其中I由高阻本征半導(dǎo)體硅或鍺組成,長度為L，因其遠大于載流子擴散長度，故又稱之為長基區(qū)二極管；p+、n+分別為重?fù)诫s區(qū)域。磁敏二極管加工過程中，需對I區(qū)的兩個側(cè)面進行不同的處理：一側(cè)磨光,另一側(cè)通過擴散雜質(zhì)或噴砂制成（電子-空穴對）高復(fù)合區(qū)，稱之為r(recombinatiop)區(qū)。（a）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)（b）磁敏二極管的符號圖2.1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和符號

2.1.2磁敏二極管的工作原理普通P+-I-N+二極管的I區(qū)不存在粗糙的復(fù)合面，若在其兩端施加電壓V，則其內(nèi)部的分壓關(guān)系為V=VP+-I+VI+VI-N+。此時，大量的空穴和電子分別由p+區(qū)和n+區(qū)向i區(qū)注入（又稱雙注入），其數(shù)目基本相等。因I區(qū)無復(fù)合面,故只有少數(shù)載流子能夠在體內(nèi)復(fù)合掉,大多數(shù)分別到達n+和p+區(qū),形成的電流為I=Ip+In。與普通P+-I-N+二極管不同，磁敏二極管I區(qū)的一個側(cè)面是用雜質(zhì)擴散或者噴砂法制成的高復(fù)合區(qū)。若在其兩極施加恒定電壓,同時在垂直于電場方向施以磁場，那么由于洛倫茲力的作用將使載流子偏向或遠離復(fù)合區(qū)。假設(shè)在某個方向磁場作用下，電子和空穴因受洛倫茲力作用，都向r面偏轉(zhuǎn)。因r面的高復(fù)合特性，使得進入I區(qū)的電子和空穴很快就被復(fù)合掉，從而使I區(qū)載流子密度減小，電阻增大，電壓降VI也增大,導(dǎo)致N+-I結(jié)和P+-I結(jié)上的電壓降VP+-I和VI-N+減小,注入載流子也相應(yīng)減少如此反復(fù)，直到電流無法再減小且達到某一穩(wěn)態(tài)值為止。若改變磁場方向，電子和空穴將向與r區(qū)相對的光滑面流動，因光滑面載流子復(fù)合能力較弱，使得I區(qū)載流子濃度增加，電阻減小,電壓降VI也減小，相應(yīng)地VN+-I和VP+-I增加,載流子的注入量也增加,電流進一步增大。如此正反饋，直到電流飽和為止。上述第一種情況中，若磁場強度H增加,則洛侖茲力也增加，載流子運動行程也將增加，從而加深了r區(qū)對載流子表面復(fù)合的程度，磁敏二極管表現(xiàn)出更強的磁阻效應(yīng)。同樣地，當(dāng)反向磁場增加時，電子、空穴的復(fù)合率進一步變小,載流子濃度增加，表現(xiàn)出的電流就會變大。綜上所述，磁敏二極管兩端加恒定電壓時，其I區(qū)兩端的正、負(fù)輸出電壓VI會隨著外加磁場的大小和方向而變化，而且高復(fù)合面與光滑面之間的復(fù)合率差別愈大,磁敏二極管的靈敏度也就愈高。當(dāng)在磁敏二極管兩端外加反向偏壓時，由于PN結(jié)的整流作用，僅流過很小電流，該電流與磁場幾乎無關(guān)。實用中，磁敏二極管I區(qū)兩端的電壓無法直接測量。一般是利用磁場造成磁敏二極管電流的變化來測量的，如圖2.2所示。圖中，U=E-I(B)R,其中，I(B)是流過磁敏二極管的電流，它隨外部磁場B而變化。測出U，即可得到相應(yīng)的I(B)，進一步可以得到相應(yīng)的磁場B，這就是磁敏二極管測量磁場的基本原理。圖2.2磁敏二極管的基本測量電路2.1.3磁敏二極管的主要技術(shù)參數(shù)與特性(1)磁靈敏度描述磁敏二極管磁靈敏度的主要參數(shù)包括電流相對靈敏度、電壓相對靈敏度以及電壓絕對靈敏度等，其含義分別如表2.1所示，磁靈敏度的測試電路可參考圖2.2。(2)溫度特性隨著溫度的變化，磁敏二極管的伏-安特性、磁靈敏度、以及輸出電壓等都會發(fā)生相應(yīng)的變化。對于圖2.2所示的電路，在E=6V、B=1KG以及R確定的條件下，當(dāng)溫度為-20oC、0oC、20oC、40oC、60oC、80oC時，對應(yīng)的電流I(B)分別為0、0.2、0.6、1.3、2.3、5mA?？梢钥闯?，I(B)隨溫度的升高而增加。同樣條件下，當(dāng)溫度為-20oC、0oC、20oC、40oC、60oC、80oC時，對應(yīng)的輸出電壓變化量分別為0.75、0.8、0.79、0.7、0.56、0.4V?？梢钥闯觯S著溫度的增加，磁敏二極管輸出電壓的變化量有短暫的增加，然后又會下降。一般，Ge磁敏二極管B=0時的輸出電壓U(0)的溫度系數(shù)為-60mV/oC，ΔU(U的變化量)溫度系數(shù)為1.5%/oC，適用的工作溫度為-40oC到65oC。而Si管U(0)的溫度系數(shù)為+20mV/oC，ΔU的溫度系數(shù)為0.6%/oC，適用的工作溫度為-40oC到85oC?；谏鲜鲈?，磁敏二極管實際使用時，需要進行溫度補償。圖2.3示出了幾種溫度補償電路。（a）互補式溫度補償電路（b）差分式溫度補償電（c）全橋溫度補償電路圖2.3磁敏二極管的溫度補償電路

圖2.3(a)中，兩只磁敏二極管性能相近，但感磁面方向相反（即若D1感受到的是正向磁場，D2感受到的就是反向磁場）。首先溫度的變化對兩個磁敏二極管阻值的影響基本相同，故其分壓比將保持不變，輸出電壓U也不隨溫度而變化，這樣就達到了溫度補償?shù)哪康?。除此之外，該互補電路還能提高測磁靈敏度，這是因為當(dāng)外磁場為B時，若D2的等效阻抗增加，則D1的等效阻抗必然減小，這樣相對于在D1位置上放置一個固定電阻來說，顯然D2上的分壓會更多，也就是說，同樣的磁場會造成更大的電壓輸出。圖2.3(b)中，兩只磁敏二極管性能接近，感磁面方向也相反，因此溫度的影響對a、b兩點是一樣的，故Uab消除了溫度的影響，同時，由于D1、D2感磁面方向相反，故其輸出將會是非差分電路的兩倍。圖2.3(c)則是綜合了圖2.3(a)、(b)兩種補償方法，具有最好的溫度補償性和最高的靈敏度。(3)伏-安特性

圖2.4示出了鍺磁敏二極管與硅磁敏二極管的伏安特性曲線。注意Si磁敏二極管的電流-電壓特性曲線中產(chǎn)生“負(fù)阻”現(xiàn)象。其原因是高阻I區(qū)熱平衡載流子少,注入I區(qū)的載流子在未填滿復(fù)合中心前不會產(chǎn)生較大電流。只有當(dāng)填滿復(fù)合中心后電流才開始增加,同時I區(qū)壓降減少,表現(xiàn)為負(fù)阻特性。（a）Ge管（b）Si管

圖2.4Ge磁敏二極管與硅磁敏二極管的伏安特性曲線

給定條件下磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場H的關(guān)系稱為磁敏二極管的磁電特性。

圖2.5給出磁敏二極管的磁電特性曲線。其中(a)表示單個使用，(b)表示互補使用時的情況?？梢钥闯?，單個使用時,正向磁靈敏度大于反向磁靈敏度?；パa使用時,正向特性與反向特性曲線基本對稱。磁場強度增加時,曲線有飽和趨勢,但在弱磁場下,曲線有很好的線性。（a）單個使用（b）互補使用圖2.5磁敏二極管的磁電特性曲線2.1.4磁敏二極管測磁的特點磁敏二極管測磁具有如下特點：（1）既可以測量磁場的強度又可以測量磁場的方向；（2）可用來檢測交、直流磁場,特別適合于測量弱磁場；（3）可以正反向測量，利用這一特性可制作成無觸點開關(guān)；（4）靈敏度高，即使在小電流下,也可獲得很高的靈敏度；（5）線性性能不如霍爾元件。2.2磁敏三極管

磁敏三極管是基于雙注入、長基區(qū)二極管設(shè)計制造的一種結(jié)型磁敏晶體管，它也可以分為NPN和PNP兩種類型，制作的材料既可以是Ge也可以是Si。2.2.1磁敏三極管的結(jié)構(gòu)圖2.6(a)、(b)分別是Ge、Si兩種磁敏三極管的結(jié)構(gòu)示意圖。可以看出,Ge磁敏三極管是立體式結(jié)構(gòu)，有發(fā)射極e、基極b和集電極c（均通過合金法或擴散法在弱本征p型半導(dǎo)體上形成）。其中集電極和發(fā)射極上下正對，基極則位于側(cè)面。在發(fā)射極一側(cè)的基區(qū)制造一個高復(fù)合的r區(qū)；硅磁敏三極管則是一種平面式的結(jié)構(gòu)，它是在n型基底上分別形成發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，再擴散磷形成基區(qū)，最后形成PNP型磁敏三極管。需要注意：硅磁敏三極管沒有高復(fù)合區(qū)。2.2.4磁敏三極管的應(yīng)用電路

磁敏三極管主要用在磁場測量、大電流測量、直流無刷馬達、磁力探傷、接近開關(guān)、程序控制、位置控制、轉(zhuǎn)速測量,速度測量和各種工業(yè)過程自動控制等領(lǐng)域。

圖2.9(a)是磁敏三極管的基本應(yīng)用電路，圖2.9（b）是有溫度補償?shù)拇琶羧龢O管電路。（a）磁敏三極管基本應(yīng)用電路（b）磁敏三極管電路差分式溫度補償電路圖2.9磁敏三極管應(yīng)用電路圖2.9（b）所示電路中，兩只磁敏三極管的磁、電以及溫度特性等都一致，但感磁面相反，這樣其輸出的差分信號中由于溫度造成的誤差就會相互抵消掉。同時，電路的靈敏度也會得到提高。3磁阻式磁敏傳感器

磁阻式磁敏傳感器又稱為磁敏電阻，它包括使用InSb材料制作的半導(dǎo)體磁敏電阻器與使用CoNi（鎳鈷合金）強磁材料制作的強磁性材料磁敏電阻器，以及韋根德器件等，它們統(tǒng)稱為MR（MagneticResistor）。此外，巨磁阻效應(yīng)器件（GMR）以及Z元件等新型磁阻元件也逐漸得到廣泛應(yīng)用。3.1半導(dǎo)體磁阻傳感器3.1.1磁阻效應(yīng)位于磁場中的通電半導(dǎo)體，因洛侖茲力的作用,其載流子的漂移方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，致使與外加電場同方向的電流分量減小，電阻增大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。它包括物理磁阻效應(yīng)與幾何磁阻效應(yīng)。3.1.1.1物理磁阻效應(yīng)物理磁阻效應(yīng)是指長方形半導(dǎo)體片受到與電流方向垂直的磁場作用時所產(chǎn)生的電流密度下降、電阻率增大的現(xiàn)象。半導(dǎo)體中，載流子的漂移速度是服從統(tǒng)計規(guī)律分布的。在霍爾電場EH的作用下,只有速度的電子其運動方向才不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而速度大于或小于vx的電子其運動方向都發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電子運動方向發(fā)生變化的直接結(jié)果是沿著Ex方向的電流密度減小,電阻率增大。這是物理磁阻效應(yīng)的內(nèi)部機理。物理磁阻效應(yīng)又可分為橫向磁阻效應(yīng)與縱向磁阻效應(yīng)。當(dāng)電流和磁場的方向垂直時,稱為橫向磁阻效應(yīng)；否則成為縱向磁阻效應(yīng)。橫向磁阻效應(yīng)比縱向磁阻效應(yīng)大。設(shè)沒有磁場時的電阻率為ρ0，施加磁場時的電阻率為ρH，則橫向磁阻效應(yīng)的大小可用橫向磁阻系數(shù)Mt來表示：分析還表明：弱磁場時Δρ/ρ0與B2成正比；隨著磁場的增大,Δρ/ρ0與B成正比;當(dāng)磁場增大到無限大時,電阻率ρ趨向于飽和。

3.1.1.2幾何磁阻效應(yīng)（1）幾何磁阻效應(yīng)

幾何磁阻效應(yīng)是指在相同磁場作用下,由于半導(dǎo)體片幾何形狀的不同而出現(xiàn)電阻值不同變化的現(xiàn)象，幾何磁阻效應(yīng)又稱為形狀效應(yīng)。假設(shè)g，G為樣品的形狀系數(shù)，θ為霍爾角，ρ,g、Rg為有磁場作用時一定形狀半導(dǎo)體樣品的電阻率和電阻，ρ0、R0為無磁場作用時同一半導(dǎo)體樣品的的電阻率和電阻。經(jīng)過一定理論分析，可得到各種磁場情況下的磁阻比如式(3.3)所示?？梢钥闯觯琯與G越大，磁阻效應(yīng)越強。分析表明，g隨樣品長寬比L/W的增加而增加，但從L/W=1開始，g逐漸減小，并趨近于穩(wěn)定值0.2左右；G則隨L/W的增大而增大，在L/W=1時從負(fù)值變?yōu)檎?，并逐漸增大，趨近于穩(wěn)定值1。(3.3)（2）幾何磁阻效應(yīng)的試驗結(jié)果表3.1示出了幾何磁阻效應(yīng)的實驗結(jié)果。可以看出，當(dāng)外加磁場為0時，不同L/W半導(dǎo)體樣品材料的磁阻比是相同的。而外加磁場不為零時，L/W越大，磁阻比越小，說明幾何磁阻效應(yīng)越弱。對同一種形狀，磁場越強，磁阻比越大，幾何磁阻效應(yīng)越強。表3.1幾何磁阻效應(yīng)的試驗結(jié)果常用的圓盤形磁敏電阻器又稱為科爾賓元件，它是通過在盤形元件的外圓周邊和中心處,裝上電流電極形成的。其兩個電極間形成一個電阻器,電流在其中流動時,載流子的運動路徑會因磁場作用而發(fā)生彎曲使電阻增大。在電流的橫向,電阻是無“頭”無“尾”的,因此霍爾電壓無法建立,有效消除了霍爾電場的短路影響。由于不存在霍爾電場,電阻會隨磁場有很大的變化。當(dāng)內(nèi)電極半徑和外電極半徑分別為r1和r2時,科爾賓元件的電阻為：式中Rs是薄層電阻，r1為工藝條件決定的常數(shù)，因此，R隨r2的變化而變化?？茽栙e元件的霍爾電壓被全部短路而不在外部出現(xiàn)，電場呈放射形，電流和半徑方向形成霍爾角θ，表現(xiàn)為渦旋形流動。這種情形下可以獲得最大磁阻效應(yīng)，它相當(dāng)于L/W→0的情況，如表3.1所示。（3）幾何磁阻效應(yīng)的機理

圖3.1示出了幾何磁阻效應(yīng)的機理。圖中以E標(biāo)識的虛線表示兩個電流電極之間電場的方向；以I標(biāo)識的虛線表示電流的方向。電流的流動由磁阻元件的形狀以及邊界條件來決定。由于電極的電導(dǎo)率比半導(dǎo)體的電導(dǎo)率大得多，因此，電場必須垂直于電極面（如圖3.1中E所示）。而磁場中的電流方向因霍爾角θ而不同，同時電流必須平行流動，可知磁場中的電流應(yīng)按圖3.1所示的I分布流動。從圖中可以看出，兩個電極間的電流路徑因磁場作用而加長，因此電極間的電阻值也增加。反過來，當(dāng)元件的長寬比L/W發(fā)生變化時，其電流路徑也會跟著變化，極間電阻變化率就會受到影響。圖3.1幾何磁阻效應(yīng)原理圖（4）磁敏電阻的溫度特性磁阻元件材料InSb的電阻隨溫度升高而下降，經(jīng)過適當(dāng)?shù)膿诫s，能改善InSb磁敏電阻的溫度特性。即便如此，一般也需要在電路中對InSb磁敏電阻的溫度特性進行補償。3.1.2磁敏電阻的形狀磁敏電阻有各種各樣的形狀，如圖3.2所示。（a）長方形磁阻元件

（b）柵格型磁敏電阻（c）曲折型磁阻元件

（d）圓盤形元件

圖3.2磁敏電阻的形狀圖3.2（a）的長方形磁阻元件L/W小于1，之所以做成這種形狀，是因為L/W越小，磁阻效應(yīng)越強（參見表1）；圖3.2（b）是若干（一般為幾十）個長方形磁阻元件經(jīng)金屬條串接在一起形成的，很顯然它的靈敏度要遠高于單個的長方形磁阻元件；圖3.2（c）所示的曲折形磁阻元件實際上是圖3.2（b）的一種變形；圖3.2（d）所示的圓盤形磁敏電阻是最常用的一種形狀，即前已述及的科爾賓元件。3.1.3半導(dǎo)體磁敏電阻的主要技術(shù)參數(shù)描述半導(dǎo)體磁敏電阻的主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）B=0時的電阻值R0（2）B≠0時的磁阻比RB/R0（3）最大允許功耗（mW）（4）電阻溫度系數(shù)（%/oC）（5）額定工作電流（6）最大工作電流（7）平均失效率（/h）（8）最大輸入電壓（9）形狀效應(yīng)系數(shù)（10）半導(dǎo)體磁敏電阻的材料（11）半導(dǎo)體磁敏電阻的的短路條尺寸3.1.4半導(dǎo)體磁敏電阻的應(yīng)用磁敏電阻可以用來探測磁場，還可以用來測量位移、角度、功率、電流以及制作交流放大器、振蕩器等。下面主要介紹三端型InSb磁敏電阻構(gòu)成的直線位移傳感器的工作原理以及輸出特性。如圖3.3所示，永磁鐵與被測移動物體固定在一起。當(dāng)位移為0時，永磁鐵的位置使磁敏電阻R2-1=R2-3，分壓比U1/E=50%；當(dāng)物體沿x正向移動時，U1/E<50%；當(dāng)物體沿x反向移動時，U1/E>50%。在一定運動的范圍內(nèi)，分壓比與位移成正比。（a）工作原理（b）輸出特性曲線圖3.3InSb磁敏電阻位移傳感器圖3.4是一種使用磁敏電阻的磁性識別傳感器的外形。圖3.4使用磁敏電阻的磁性識別傳感器外形3.2韋根德器件

韋根德器件是利用韋根德效應(yīng)制成的一種無源磁敏器件，它由美國科學(xué)家韋根德在1965年發(fā)明。該傳感器無需外加工作電源便能將磁信號轉(zhuǎn)變成電信號，因此它又被稱為零功耗磁敏傳感器。3.2.1韋根德器件的工作原理

韋根德器件由一根磁敏感功能合金絲和纏繞其外的感應(yīng)線圈組成。其核心是使用直徑0.3mm的坡莫合金（50Fe50Ni）和維卡合金（VICALOY）（10V52Co38Fe）經(jīng)過熱處理和機械處理制成的細導(dǎo)線合金絲。韋根德器件主要用來檢測外界磁場的變化。(1)韋根德金屬絲中的磁場韋根德金屬絲經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蜋C械處理之后，導(dǎo)線內(nèi)芯會變軟，并存有5Oe的小矯頑力磁場（為了去掉鐵磁材料的剩磁，必須要加的一個反向磁場強度，稱為矯頑力磁場，可記為HCORE）；導(dǎo)線外層會變硬，其矯頑力磁場可高達20-40Oe（記為HOUT）。(2)韋根德金屬絲中的兩種磁化狀態(tài)及其轉(zhuǎn)化

狀態(tài)1:用外界強磁場HH（>HOUT>HCORE）對韋根德金屬絲進行磁化，此時導(dǎo)線內(nèi)芯和外層的磁化方向相同，如圖3.5中的狀態(tài)1所示。圖3.5韋根德金屬絲的磁化狀態(tài)及其轉(zhuǎn)化條件

狀態(tài)2：去掉上述外加磁場HH后，HOUT會使韋根德金屬絲內(nèi)芯的磁化方向發(fā)生，由狀態(tài)1轉(zhuǎn)化為狀態(tài)2（見圖3.5）。要使韋根德金屬絲由狀態(tài)2反轉(zhuǎn)到狀態(tài)1，則必須再對其施加外磁場HL（HCORE<HL<HOUT）。綜上所述，當(dāng)外界磁場的大小發(fā)生變化時，韋根德金屬絲的磁化狀態(tài)就會發(fā)生變化。如果在韋根德金屬絲上繞一線圈（即檢測線圈），那么當(dāng)導(dǎo)線在狀態(tài)1和狀態(tài)2之間相互轉(zhuǎn)換時，就會造成穿過檢測線圈的磁通量發(fā)生急劇變化，從而在檢測線圈上產(chǎn)生一個尖銳的脈沖信號，以此就可以檢測磁場的變化。構(gòu)成韋根德器件的強磁性合金材料由磁疇構(gòu)成。其內(nèi)外層矯頑力突變的過渡區(qū)就位于磁疇的壁上。磁疇越大，內(nèi)芯磁化狀態(tài)反轉(zhuǎn)時需要的能量就大，反轉(zhuǎn)速度也慢。磁疇越小，反轉(zhuǎn)速度越快。因此，韋根德器件的磁疇尺寸很重要，一般晶粒面密度為104/mm2較為合適。(3)韋根德器件的驅(qū)動信號和輸出信號韋根德器件的驅(qū)動信號來自被測磁場。圖3.6（a）中，通電線圈L1產(chǎn)生驅(qū)動磁場，L2（a）韋根德器件及其驅(qū)動線圈（b）驅(qū)動信號和檢測信號圖3.6韋根德器件及其驅(qū)動信號和輸出信號L1:驅(qū)動線圈，L2:檢測線圈是檢測線圈。圖3.6（b）示出了L1中產(chǎn)生的磁場與L2所檢測到的感應(yīng)電壓之間的對應(yīng)關(guān)系。可以看出，當(dāng)L1所產(chǎn)生的磁場的變化率由負(fù)變正的時候，韋根德金屬絲由狀態(tài)2翻轉(zhuǎn)到狀態(tài)1，L2線圈輸出正的尖脈沖；反之，當(dāng)L1所產(chǎn)生的磁場的變化率由正變負(fù)的時候，韋根德金屬絲由狀態(tài)1翻轉(zhuǎn)到狀態(tài)2，L2線圈輸出負(fù)的尖脈沖。實際使用時，就是根據(jù)L2所產(chǎn)生的脈沖來檢測外磁場的變化情況的。需要注意的是，實用的韋根德器件只包含兩部分：韋根德合金絲和檢測線圈L2，如圖3.7所示。起驅(qū)動信號作用的是被測外磁場。圖3.7韋根德器件3.2.2韋根德器件的主要技術(shù)參數(shù)描述韋根德器件的主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）觸發(fā)磁感應(yīng)強度B 是指觸發(fā)檢測線圈脈沖翻轉(zhuǎn)的磁感應(yīng)強度值。一般用毫特斯拉（mT）來表示。如國產(chǎn)ZP100系列韋根德器件的觸發(fā)磁感應(yīng)強度最小值5.0mT，最佳值7~8mT，最大值10mT。（2）輸出脈沖幅值V 指檢測線圈輸出脈沖的峰值，一般用伏特（V）來表示。ZP100系列的V≥10V。（3）脈寬τ 指韋根德器件輸出脈沖的寬度，一般用微秒（μs）來表示。ZP100系列的τ為10～50μs。（4）工作溫度范圍T（℃） 韋根德器件正常工作的溫度范圍。如ZP100系列的工作溫度范圍為-20～125℃。除上述參數(shù)之外，韋根德器件的其它參數(shù)還包括長徑比(一般可選L/d大于50)、直流電阻、交流阻抗、脈沖半功率點、脈沖峰值功率、脈沖能量、飽和磁場等，讀者可參考有關(guān)的參考書。3.2.3韋根德器件的特點韋根德器件具有以下特點：（1）韋根德器件屬有源傳感器，工作時無須使用外加電源。（2）輸出信號幅值與磁場的變化速度無關(guān)，可實現(xiàn)“零速”傳感。（3）無觸點、耐腐蝕、防水、防爆，使用壽命長。（4）可采用雙磁極交替觸發(fā)工作方式。觸發(fā)磁場極性變化一周，傳感器輸出一對正負(fù)雙向脈沖電信號，幅值大于1伏，信號周期為磁場交變周期。（5）觸發(fā)磁感應(yīng)強度可小至5毫特斯拉左右。

3.2.3韋根德器件的應(yīng)用（1）韋根德器件基本應(yīng)用電路

圖3.8示出了韋根德器件的基本應(yīng)用電路。其中，VO1輸出的是正向脈沖，VO2輸出的是反向脈沖，這些脈沖就反映了外部磁場的變化情況。圖3.8韋根德器件基本應(yīng)用電路（2）韋根德器件的應(yīng)用實例韋根德器件可用在計數(shù)傳感器、電子開關(guān)等方面。作為計數(shù)傳感器時，它適用于微功耗儀表，如電子水表、電子氣表、熱量表、報警器和其它智能型儀表如轉(zhuǎn)速計、速度計、加速度計方面；作為電子開關(guān)時，適用于智能玩具、門禁等的自動控制及電子自動點火器等方面。圖3.9示出了韋根德旋轉(zhuǎn)傳感器的原理圖。在非磁性旋轉(zhuǎn)輪上安裝了兩塊永磁鐵，用以驅(qū)動韋根德器件。其中一塊作為飽和磁鐵，驅(qū)動韋根德器件進入狀態(tài)1，另一塊做翻轉(zhuǎn)磁鐵，使韋根德導(dǎo)線進入狀態(tài)2。轉(zhuǎn)輪帶動永磁鐵旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其經(jīng)過韋根德器件時，就會在檢測線圈上感應(yīng)出脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的頻率，可測出旋轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速。圖3.9韋根德旋轉(zhuǎn)傳感器的原理3.3鐵磁性金屬薄膜磁敏電阻鐵磁性金屬薄膜磁敏電阻是二十世紀(jì)六十年代開發(fā)成功的利用鐵磁材料中磁電阻的各向異性效應(yīng)（1857年由W.Thonson發(fā)現(xiàn)）工作的磁敏器件。其電阻薄膜是鐵磁體，具有很小的溫度系數(shù)和較穩(wěn)定的性能，靈敏度也比較高。工作范圍通常在10-3~10-2T，常用作磁讀頭和旋轉(zhuǎn)編碼器的速度檢測，包括三端、四端以及兩維的集成電路等。3.3.1鐵磁材料磁電阻的各向異性效應(yīng)鐵磁材料電阻率隨流過它的電流密度J與外加磁場H夾角變化而變化的現(xiàn)象稱為鐵磁材料磁電阻的各向異性效應(yīng)。 設(shè)鐵磁材料中電流方向與磁場方向夾角為θ時的電阻率為ρ，θ=90o時材料的電阻率為ρ⊥；θ=0o時材料的電阻率為ρ||，零磁場時鐵磁材料的電阻率為ρ0，則鐵磁材料各向異性效應(yīng)的強弱可用下式來表示：上述比值越大，說明各向異性效應(yīng)越強；比值越小，則各向異性效應(yīng)越弱。當(dāng)ρ⊥=ρ||時，為各向同性材料。(3.4)ρ與θ的關(guān)系可以表示如下：(3.5)

不同成分的鐵磁材料磁阻效應(yīng)（Δρ/ρ0）對比：80Ni-20Co6.48%，98Ni-2Al則為2.18%3.3.4金屬膜磁敏電阻的特點及其應(yīng)用1.金屬膜磁敏電阻的特點（1）靈敏度高：平均角度靈敏度：土lmV/1o（三端型）,土2mV/1o（四端型）。（2）溫度特性好：電阻值、輸出電壓與溫度均呈線性關(guān)系，補償容易。（3）頻率特性好：信號頻率小于l0MHz時即可保持輸出不變。（4）靈敏度與磁場方向有關(guān)：磁場平行于金屬膜時靈敏度最好，垂直于金屬膜時沒有磁敏特性。5）飽和特性：磁場強度小于臨界值時，電阻率與磁場大小有關(guān)；大于臨界值時,電阻率達到飽和。（6）倍頻特性：由式(3.7)可以看出，輸出電壓的頻率恰好等于磁場旋轉(zhuǎn)頻率的2倍,輸出電壓波形是正弦波。2.金屬膜磁敏電阻的應(yīng)用金屬膜磁敏電阻主要用于測量轉(zhuǎn)速、角度位移、直線位移、無觸點開關(guān)、無刷馬達、剩磁和漏磁、磁力探傷、遠傳壓力表、遠傳水表、直流電表、音響設(shè)備及辦公自動化設(shè)備等。（1）金屬膜磁敏電阻轉(zhuǎn)速傳感器金屬膜磁敏電阻轉(zhuǎn)速傳感器的基本原理是：將永磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)體上,讓它與磁敏電阻之間保持5mm的距離,并讓磁鐵的磁場方向平行于磁敏電阻表面，以獲得最高的靈敏度。當(dāng)永磁體隨旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時,通過磁敏電阻的磁場方向就會周期性地發(fā)生變化，從而在磁敏電阻的中間輸出端得到脈沖信號輸出，根據(jù)式（3.7）可知，輸出脈沖信號的頻率與旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，由此可得旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。（2）金屬膜磁敏電阻位移傳感器圖3.11是四端型金屬膜磁敏電阻位移傳感器原理圖。其中Bp為偏置磁場,它與ac或bd均成45o角，且大于信號磁場BS。若BS不變，則Uac電壓輸出信號為零。如果在x方向上永磁體有一個位移,那么作用在磁敏電阻上的輸入磁場在強度和方向上都會發(fā)生變化。輸入磁場和偏置磁場的合成磁場也會改變，則輸出電壓U將隨之變化。若將永磁體固定在被測物體上，就可測量出它的直線位移。圖3.11金屬膜磁敏電阻位移傳感器原理圖3.4巨磁阻效應(yīng)器件（GMR）巨磁阻效應(yīng)器件（GMR）是一種由多層金屬薄膜制成的磁阻元件。其特點是：對磁場強度在5～15kA/m內(nèi)的范圍變化不太敏感，但對磁場強度的方向變化卻非常敏感。GMR阻值隨磁場強度方向的變化關(guān)系為：（3.8）

式中：R0為GMR在無磁場作用時的電阻值（>700Ω），ΔR為GMR在有磁場作用時的電阻變化值，α指磁場強度的空間方向,其值為0～360°。GMR器件的有效檢測距離為25mm，在弱磁場下靈敏度非常高（5～15kA/m范圍內(nèi)的靈敏度:≥4%），工作溫度范圍寬(-40℃～+120℃),其標(biāo)稱阻值R0和ΔR具有優(yōu)良的線性溫度特性(R0溫度系數(shù)0.09～0.12%/℃;ΔR溫度系數(shù)-0.12～-0.09%／℃，磁阻效應(yīng)溫度系數(shù)ΔR／R0：-0.27～0.23%／℃)。除此之外，還有體積小、功耗低（工作電源電流:7mA）等特點，巨磁阻效應(yīng)器件(GMR)由德國西門子公司研制生產(chǎn)，因其對磁場的方向非常敏感，故特別適合于制作角度編碼器、無接觸電位器,也可用于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等。GMR還用在汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)傳感器及電噴發(fā)動機測速傳感器中。第五章磁共振式及超導(dǎo)式磁敏傳感器

磁共振法是利用磁共振現(xiàn)象來精密測量磁場的一種方法。它可用于確定地下埋藏物（如油罐、井口、管道、武器、洞穴、古跡等）的位置，進行地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查，尋找礦源，確定礦區(qū)巖區(qū)位置等。磁共振法包括核磁共振法、順磁共振法、光泵磁共振法等三種主要方法。從精確度上來說，光泵法最高，核磁共振次之。本章主要介紹屬于光泵法的光泵式磁敏傳感器和屬于核磁共振法的質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的原理與應(yīng)用。

超導(dǎo)式磁敏傳感器是迄今最靈敏的一種磁場傳感器，其分辨力可到10-15T。本章主要介紹DCSQUID和RFSQUID以及由它們所構(gòu)成的磁強計的工作原理。5.1光泵式磁敏傳感器5.1.1光泵式磁敏傳感器的組成5.1.2光泵式磁敏傳感器的原理1.相關(guān)概念及結(jié)論（1）磁矩：依安培假說，物質(zhì)的一切磁性均來源于與原子相聯(lián)系的環(huán)形電流。磁矩就是該電流強度的大小i與電流環(huán)截面積S之乘積，磁矩與環(huán)形電流方向之間的關(guān)系遵循右手定則。這說明磁矩是一個矢量。電子既存在軌道磁矩，又存在自旋磁矩。原子核只有自旋磁矩。一般用字母μ來表示磁矩，則有。（2）角動量：環(huán)形運動物體的半徑r與其動量mv之叉積，稱為角動量，它也是矢量。一般用L來表示角動量，則有。（3）質(zhì)子磁矩與角動量關(guān)系：由磁矩與角動量的定義，經(jīng)過一定的推導(dǎo)和分析，可以得到二者之間的關(guān)系為：

式中，γ稱為旋磁比，為一常數(shù)。（4）質(zhì)子在恒定磁場中的進動 質(zhì)子是自旋的，因此具有自旋磁矩μ和自旋角動量P。當(dāng)將其放入磁感應(yīng)強度為B0的恒定外磁場中時，磁矩μ將和磁場B0發(fā)生相互作用，產(chǎn)生力矩T，可表示為：

(5.2)

在T的作用下，質(zhì)子會像陀螺一樣，在自旋的同時，繞B0軸“公轉(zhuǎn)”，這稱之為“進動”。質(zhì)子進動所描繪的磁矩μ（動量矩P）的軌跡是一個圓錐形。分析表明，質(zhì)子進動時磁矩μ和時間t的關(guān)系為：由上式可知，質(zhì)子磁矩μ繞恒定外磁場B0進動的角頻率ωL為：

（5）塞曼效應(yīng)與磁共振 所謂塞曼效應(yīng)是指在外磁場作用下原子能級產(chǎn)生分裂的現(xiàn)象。根據(jù)塞曼效應(yīng)，當(dāng)原子的能級間發(fā)生躍遷時，將會輻射或者吸收電磁波。在上述質(zhì)子繞外磁場B0進動的系統(tǒng)中，若在垂直于B0的方向同時施加一個振幅遠小于B0的線偏振交變磁場B1=（2B1cosωt）i（i表示B1的方向為x軸，此處還假定B0的方向為z軸）?？梢园袯1按下式分解為兩個反向運動的圓偏振磁場B+和B-：將此式與上述質(zhì)子進動時磁矩μ和時間t的關(guān)系式對比可知，正向圓偏振磁場B+的旋轉(zhuǎn)方向與質(zhì)子進動方向是一致的，能夠與質(zhì)子磁矩發(fā)生相互作用，當(dāng)ω=ωL時，就會發(fā)生共振吸收現(xiàn)象，導(dǎo)致原子核的能級躍遷；而反向圓偏振磁場B-的旋轉(zhuǎn)方向與質(zhì)子進動方向則相反，故對質(zhì)子磁矩的影響比較小，可忽略。(5.5)上述ω=ωL時，質(zhì)子從線偏振磁場B1=2B1cosωt中吸收能量，導(dǎo)致原子核能級躍遷的現(xiàn)象就稱為磁共振。（6）光泵磁共振 光泵（或光抽運）是指利用紅外線或可見光照射物質(zhì)，使物質(zhì)的原子產(chǎn)生往復(fù)的能級躍遷，最后使原子由低能級升到高能級的過程。光泵式磁敏傳感器中通常都使用堿金屬的同位素作為探頭的敏感元素。圖5.2示出了銣原子的光泵磁共振過程。可以看出，87Rb的基態(tài)為52S1/2，第一激發(fā)態(tài)為52P1/2。這兩個能級每個又分裂為F=2及F=1的兩個次能級（即精細結(jié)構(gòu)）。外磁場作用下，由于塞曼效應(yīng)，每個次能級又各自分裂成2F+1個超細能級（即超精細結(jié)構(gòu)）。注意基態(tài)中的次能級以及超細能級間距都大于激發(fā)態(tài)。位于弱磁場的87Rb能級系統(tǒng)，存在三種可能的輻射躍遷：一是兩個狀態(tài)52S1/2與52P1/2之間的躍遷；二是同一次能級下超細能級之間的躍遷，其躍遷頻率與外磁場的磁感應(yīng)強度B0成正比；三是同能級狀態(tài)下兩個不同次能級之間的躍遷。光泵磁共振的光抽運過程基于第一種躍遷，當(dāng)右旋圓偏光的行進方向與外磁場方向相同時，52S1/2態(tài)的mF能級上的原子吸收光的能量后只能躍遷到52P1/2的mF+1能級上，即磁量子數(shù)差ΔmF=1。由圖5.2可知，對于基態(tài)mF=2上的原子，無法滿足該躍遷條件。達到激發(fā)態(tài)的原子，滿足條件ΔmF=0，±1時，會以幾乎相同的機率躍遷到基態(tài)所有能級，這會導(dǎo)致基態(tài)52S1/2的mF=2能級上的原子不斷增加，其它超細能級的原子不斷減少，從而實現(xiàn)了低超細能級的原子向高超細能級的抽運，使整個原子系統(tǒng)處于52S1/2的mF=2高能態(tài)上。此時，系統(tǒng)對于光的能量吸收變小，通過樣品的光達到最強狀態(tài)，同時，質(zhì)子磁矩繞磁感應(yīng)強度B的方向進動，這就是光抽運的過程。當(dāng)原子系統(tǒng)處于52S1/2的mF=2的高能態(tài)上后，若在垂直于磁感應(yīng)強度B0和光的傳播方向上施加頻率與兩超細能級之間躍遷的輻射頻率相同的高頻電磁場，則使繞磁場進動的原子核與高頻電磁場之間發(fā)生磁共振，從而基態(tài)中m=2超細能級上的原子產(chǎn)生受激輻射，原子磁矩取向被打亂，超細能級上的原子數(shù)重又相等，使得上述光抽運過程可繼續(xù)進行。此時，通過樣品的光被原子吸收，透射光達到最弱狀態(tài)。綜上所述，若調(diào)節(jié)高頻磁場的頻率，使通過光量為最小，此時發(fā)生磁共振，其磁量子的能量（hf）就相當(dāng)于兩個超細能級的間隔，由下述式（5.6）即可求得被測磁感應(yīng)強度B0。此即光泵式磁敏傳感器的測磁公式。

2.光泵式磁敏傳感器的工作過程根據(jù)圖5.1，首先，將測磁傳感器置于被測外磁場中，并使傳感器的軸向與外磁場方向平行。其后，將高頻振蕩器打開，激發(fā)氦燈使發(fā)出輻射線，并經(jīng)過透鏡變成平行光，再經(jīng)偏振片和λ/4波片變成圓偏振光，直射至吸收室。銣原子在外磁場作用下產(chǎn)生塞曼分裂，塞曼能級5S1/2原子吸收輻射線，躍遷到5P1/2態(tài)而產(chǎn)生光泵作用。其結(jié)果使原子磁矩取向于5S1/2態(tài)mF=2的磁子能級上。當(dāng)吸收室內(nèi)原子磁矩排列好后，不再吸收光線，透過吸收室的光達到較強狀態(tài)。若在和外磁場(即光軸)垂直的方向加一交變磁場，則產(chǎn)生磁共振，原子磁矩的定向排列被打亂，吸收輻射線產(chǎn)生光泵作用而重新取向，此時光吸收作用最強，出射光線最暗。測出最暗時（即磁共振時）射頻場的頻率f0，即可由式（5.6）求出被測外磁場B0的大小。5.1.3光泵式磁敏傳感器的特點與應(yīng)用1.光泵式磁敏傳感器的特點（1）靈敏度高，一般可達0.01nT量級，理論靈敏度高達10-2~10-4nT。（2）無論緩慢變化還是高速瞬變的磁場均可測量；（3）既可測量磁場分量又可測量磁場梯度；2.光泵式磁敏傳感器的應(yīng)用

光泵式磁敏傳感器已廣泛應(yīng)用于地球物理觀測、航天、尋找地下資源、機載探潛、考古等方面。圖5.3給出的是相關(guān)網(wǎng)站展出的G858型便攜式銫光泵磁力儀的現(xiàn)場使用照片。它包括探頭（直徑6cm，重340g）、裝在腰帶上的控制盒（寬15cm，高8cm，長28cm，重1.6kg）、操縱桿和背帶、以及附在尼龍腰帶上的電池等。主要用于礦藏、石油、環(huán)境勘探等方面。G858型便攜式銫光泵磁力儀是基于自振蕩離散波束銫蒸氣（無放射性CS-133）的，其靈敏度與測量速度有關(guān)。若測量速度為0.1s，靈敏度為0.05nT；測量速度為0.2s，靈敏度達0.03nT；測量速度0.5s，靈敏度為0.02nT；測量速度1.0s時靈敏度高達0.01nT。它既能輸出地磁波動的音頻信號，又能將數(shù)據(jù)通過RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口連續(xù)輸出，同時自身帶微控制器驅(qū)動的320x200日光型液晶顯示屏，可進行數(shù)據(jù)（剖面、總磁場（分辨率0.1nT）、梯度（0.1nT）、調(diào)查/繪圖參數(shù)和診斷）顯示、系統(tǒng)功能設(shè)置、調(diào)查設(shè)置、調(diào)查監(jiān)測等。該儀器配12VDC可充電電池，磁力儀用時壽命6小時，梯度儀用時壽命3小時。5.2質(zhì)子旋進式磁敏傳感器5.2.1質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的結(jié)構(gòu)圖5.4質(zhì)子旋進式磁敏傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖圖5.4示出了質(zhì)子旋進式磁敏傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。其傳感部分為一500cc左右有機玻璃容器，并灌以蒸餾水。容器外面繞以數(shù)百匝的導(dǎo)線，并使線圈軸向與被測外場B0的方向垂直。除探頭外，圖中還示出了傳感器其它的主要組成模塊。5.2.2質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的原理質(zhì)子旋進式磁敏傳感器是基于核磁共振感應(yīng)法原理來進行磁場測量的。我們知道，當(dāng)測量弱磁場時，因樣品中的原子取向接近于自由狀態(tài)，故核磁共振信號很弱。為了增強共振信號，必須設(shè)法使樣品的核磁矩增加，并使其方向盡量偏離被測磁場B0，這可通過給樣品施加一輔助磁場（稱預(yù)極化場）Bp（Bp>>B0）來實現(xiàn)。BP會使核磁矩在擺脫電子殼層磁矩影響的同時，使其偏離被測磁場B0接近90o，同時還會使核磁矩在Bp與B0的合成矢量方向上按指數(shù)規(guī)律增加。這時，若突然斷開預(yù)極化場Bp，被大大增加的核磁矩的大小和方向還沒來得及變化，就以拉莫爾角頻率ωL圍繞被測磁場B0進動，從而產(chǎn)生增強了的共振信號，原子核中的質(zhì)子在旋進的過程中，會周期性地切割檢測線圈，從而產(chǎn)生感應(yīng)信號，這就是核磁共振感應(yīng)法。由于初始核磁矩很大，故感應(yīng)的信號也較強。但因為弛豫過程的作用，其信號幅度e的大小隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減，可表示如下：其中：γ為旋磁比，χ為磁化率，t2為橫向馳豫時間，Bp為預(yù)極化場強，B0為被測場強，（NS）為檢測線圈常數(shù)（匝數(shù)面積乘積），V為樣品體積。 上式表明，感應(yīng)信號的角頻率為ωL，可由信號處理裝置測量出ωL的大小，并根據(jù)式：

得到被測磁感應(yīng)強度B0的量值如下：

(5.8)(5.9)上述方法屬于靜態(tài)極化法，由感應(yīng)信號e的表達式知，信號的幅值為：

(5.10)可以看出，該幅值與被測磁場大小B0有關(guān)。對于弱磁場，其測量靈敏度有限。若采用所謂的動態(tài)極化法，則可使樣品的磁化強度比靜態(tài)極化時大500倍，靈敏度大大提高，同時探頭轉(zhuǎn)向差小，工作溫度范圍加寬。動態(tài)極化法主要基于電子自旋和核自旋之間的相互作用。當(dāng)把頻率等于電子自旋共振頻率的高頻磁場作用于樣品時，通過樣品中核子和電子的偶極矩的作用，把能量轉(zhuǎn)移給原子核，從而實現(xiàn)了原子核的預(yù)取向。如上所述，這種方法，會使原子核預(yù)取向的強度遠大于靜態(tài)極化法，這正是動態(tài)極化法能獲得高靈敏度的原因所在。5.2.3質(zhì)子旋進式磁敏傳感器的應(yīng)用質(zhì)子旋進磁力儀主要用于弱磁場的測量，它可應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘探、工程勘探、磁場觀測測量、管線探測、地質(zhì)填圖等領(lǐng)域。圖5.5示出的是加拿大產(chǎn)的一種SM-19T型質(zhì)子旋進磁力儀的外形。其技術(shù)指標(biāo)（來自于相關(guān)網(wǎng)站資料）為：靈敏度：<0.1nT；分辨率：0.01nT；絕對精度：1nT；動態(tài)范圍：10,000到120,000nT；梯度容限：>7,000nT/m；采樣率：每3秒至60秒，一個讀數(shù)

工作溫度：-40°C到+60°C

圖5.5SM-19T型質(zhì)子旋進式磁力儀GSM-19T型質(zhì)子磁力儀主要包括主機、探頭及電纜、RS232電纜、4M存儲器、探頭支桿、運輸箱、充電器、數(shù)據(jù)傳輸軟件等部分。其工作模式包括流動測量、基站、遙控等。GSM-19T的優(yōu)點包括：集成了GPS用于定位測量（分辨率可達5米、3米或1米）；高靈敏度的質(zhì)子旋進系統(tǒng)（0.1納特@一次采樣/秒），能用于測量近地表和地下目標(biāo)體；高梯度容差（7000納特/米），甚至在接近無地質(zhì)信號地區(qū)也可提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)。此外，它還采用了先進的信號處理及存儲、顯示技術(shù)，方便用戶操作。5.3.3超導(dǎo)磁敏傳感器的應(yīng)用SQUID在弱磁場測量中具有極高的靈敏度，其頻帶從直流到MHz，可應(yīng)用于生物磁測量、無損探傷、大地測量等領(lǐng)域。1.生物磁場的測量生物磁場的測量包括心磁圖、腦磁圖等的測量，可用于心腦疾病的診斷。目前低溫SQUID生物磁圖儀較為成熟，高溫超導(dǎo)SQUID的靈敏度能輕松實現(xiàn)心磁測量，但對于腦磁測量還有一些難度。2.無損探傷作為最靈敏的磁場探測器，SQUID可以通過測量缺陷的磁性反常來進行無損探傷。它可以工作到lOHz以下直到直流,這在金屬材料的深層檢測中具有很大的優(yōu)勢。此外高溫SQUID的探測線圈與室溫樣品的距離可以更近，因此無論信噪比還是價格都有優(yōu)勢。國外利用SQUID已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對飛機機翼的內(nèi)部缺陷、金屬材料的腐蝕性、橋梁建筑、集成電路中的短路等進行定位與檢測等。3.大地測量SQUID能探測超低頻的信號，因此對于深層的大地電磁測量，有十分明顯的優(yōu)越性。4.作為超低頻信息接收系統(tǒng)，可用于深水下潛艇信號的接收。圖5.14給出了美國QuantumDesign公司生產(chǎn)的MPMSSQUIDVSM型DCSQUID磁強計的外形。該磁強計的靈敏度≤10-8emu，數(shù)據(jù)平均時間只有4秒。它既有振動樣品磁強計的速度，又有SQUID的靈敏度，是精密磁場研究的重要手段。圖5.15是MPMSSQUIDVSM型DCSQUID磁強計的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它包括計算機控制系統(tǒng)、系統(tǒng)控制電子部件、杜瓦瓶、7特斯拉蒸汽冷卻超導(dǎo)磁體等。MPMSSQUIDV