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1、1,第四章 磁传感器,第一节 概述 第二节 霍尔磁敏传感器 第三节 磁敏电阻 第四节 感应式磁敏传感器 第五节 磁通门式磁敏传感器 第六节 质子旋进式磁敏传感器 第七节 光泵式磁敏传感器 第八节 SQUID磁敏传感器,磁敏传感器是对磁场参量(B,H,)敏感的元器件或装置 ,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。,2,质子旋进式磁敏传感器 光泵式磁敏传感器 SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器 磁通门式磁敏传感器 感应式磁敏传感器 半导体磁敏传感器 霍尔器件、磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管 机械式磁敏传感器 光纤式磁敏传感器 法拉弟磁光效应型 、磁致伸缩型 、磁力作用型,磁敏传感器的种类,3,
2、一、霍耳效应Hall effect,当电流垂直于外磁场方向通过导体或半导体薄片时,在垂直于电流和磁场方向的两侧产生电势差的现象叫做霍尔效应。,第二节 霍耳磁敏传感器,w,4,设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力 q电子电量(1.6210-19C)； v电于运动速度。 同时，作用于电子的电场力,当达到动态平衡时,5,霍耳电势UH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：,电流密度 j=nqv,nN型半导体中的电子浓度,N型半导体,P型半导体,RH霍耳系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率,pP型半导
3、体中的孔穴浓度,载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。,金属材料，电子很高但很小，绝缘材料，很高但很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。,6,设 KH=RH / d,KH霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。,若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为时，霍耳电势应为：,UH KH I B,UH KH I B cos,7,注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。,讨论： 任何材料在一定条件下都能产
4、生霍尔电势，但不 是都可以制造霍尔元件 绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用； 金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。 半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以 霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。 由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度 KH越大， 所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。,8,二、基本特性,1、直线性：指霍耳器件的输出电势UH分别和基本参数I、U、B之间呈线性关系。,UH=KHBI,2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：,KH乘积灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强度B和控制电流I乘积之间的比值，通常以mV/(mA0.1T)。因为霍耳元
5、件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故称为乘积灵敏度。,9,KB磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。,KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。,若控制电流值固定，则：,UHKBB,若磁场值固定，则：,UHKI I,10,80,60,40,20,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,VH/mV,=,=7.0,=1.5,=3.0,B/T,理论值,实际值,UH,R3,I,霍耳电势的负载特性,=R3/R2,霍耳电势随负载电阻值而改变的情况,3、负载特性,11,4、温
6、度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。,霍耳材料的温度特征 （a）RH与温度的关系；（b）与温度的关系,RH/cm2/A-1,250,200,150,100,50,40,80,120,160,200,InSb,InAs,T/,0,2,4,6,/710-3cm,InAs,200,150,100,50,InSb,T/,0,双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。二者相反。,砷化铟,碲化铟,12,6、频率特性 磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。器件的频率特性很好，到10kHz时交流输出还与
7、直流情况相同。因此,霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。 磁场交变。霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数(特别是气隙宽度)等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故。,注意：涡流磁效应的电流与磁场频率成正比，当磁场频率变化不大时（010kHz），涡流不大，故可以不考虑附加霍耳电势的作用；但是当磁场频率增加到数百千赫时，情况就不同了。,5、工作温度范围 锑化铟为0+40，锗为-40+75，硅为-60+150。,13,7、不等位电势U0,定义：霍尔器件在额定控制电流下，无外磁场时，两个霍尔电极之间的开路电势差。,14,霍耳输
8、出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。 若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。 电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。 霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。,器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。,电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。,三、霍耳磁敏传感器（霍耳器件）,1、霍耳磁敏传感器的符号与基本电路,15,控制电流I； 霍耳电势UH； 控制电压E； 输出电阻R2； 输入电阻R1； 霍耳负载电阻R3； 霍耳电流IH。,图中控制电流I由电源E供给,RW为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般
9、电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。,实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB。,R3,RW,16,单端输出传感器的电路结构框图,2,3,输出,+,稳压,VCC,1,霍耳元件,放大,地,H,2、霍耳线性集成传感器,17,霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1),磁感应强度B/T,5.6,4.6,3.6,2.6,1.6,-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3,输出电压U/V,SL3501T传感器的输出特性曲线,18,霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2),2.
10、5,2.0,1.5,1.0,0.5,0.04,0.08,0.12,0.16,0.20,0.24,输出电压U/V,磁感应强度B/T,SL3501M传感器的输出特性曲线,0,0.28,0.32,R=0,R=15,R=100 ,19,由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。 稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。,霍耳开关集成传感器内部结构框图,2,3,输出,+,稳压,VCC,1,霍耳元件,放大,BT,整形,地,H,3、 霍耳开关集成传感器,20,输出 Uout,R=2k,+12V,1,2,3,（b）应用电路,（a）外型,霍耳开
11、关集成传感器的外型及应用电路,1,2,3,21,霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。,霍耳开关集成传感器的工作特性曲线,VOUT/V,12,ON,OFF,BRP,BOP,BH,B,霍耳开关集成传感器的技术参数： 工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、工作温度、工作点。,0,该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。,22,
12、四、霍耳磁敏传感器的应用,1、霍耳线性集成传感器的应用,23,2、霍耳开关集成传感器的应用,24,25,第三节 磁敏电阻 是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。 （一） 磁阻效应 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值增加。这种现象称为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。,26,当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。 磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。 长方形磁阻器
13、件只有在L(长度)W（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把LW的扁平器件串联起来，就会制成零磁场电阻值较大、灵敏度较高的磁阻器件。,27,图（a）是没有栅格的情况，电流只在电极附近偏转，电阻增加很小。在LW长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍耳电势，这种栅格磁阻器件如图（b），相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。,L,W,B,B,几何磁阻效应,I,I,（a）,（b）,常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。,28,1、 磁场电阻特性,磁阻元件磁场电阻特性,N级,0
14、.3,0.2,0.1,0,0.1,0.2,0.3,R/,1000,500,S级,(a) S、N级之间电阻特性,B/T,15,RB R0,10,5,温度(25),弱磁场下呈平方特性变化,强场下呈直线特性变化,0,(b)电阻变化率特性,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,B/T,磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加,在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化,（二） 磁阻元件的主要特性,29,2、灵敏度特性 磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。常用K表示，单位为mV/mA.kG即
15、.Kg。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。,30,3 电阻温度特性 从一般半导体磁阻元件的电阻温度特性曲线中可以看出，半导体磁阻元件的温度特性不好。,103,8,4,2,102,4,2,10,6,-40,0,20,60,100,温度/,电阻变化率%,半导体元件电阻-温度特性曲线,图中的电阻值在35的变化范围内减小了1/2。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,31,三、磁敏电阻的应用,HMC1001单轴磁阻传感器的管脚和内部结构示意图,32,三、磁敏电阻的应用,
