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1、传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)传感器技术及应用传感器技术及应用机械机械0820102011第二学期第二学期2011年年3月月传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏
2、度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)5.6 磁敏传感器磁敏传感器l半导体磁敏传感器：半导体磁敏传感器：可将磁场强度参数转变可将磁场强度参数转变为电参数的传感器。为电参数的传感器。l种类：种类：霍尔传感器、磁敏电阻传感器、磁敏霍尔传感器、磁敏电阻传感器、磁敏二极管、磁敏晶体管等。二极管、磁敏晶体管等。l特点：特点：l可实现可实现非接触检验非接触检验，寿命长、可靠性高。，寿命长、可靠性高。从直流（从直流（0Hz）到高频）到高频（数十（数十GHz）其特性）其特性完全一样。完全一样。不仅能够测
3、量运动磁场强度不仅能够测量运动磁场强度,也也能测量静止能测量静止的磁场。的磁场。能够使器件能够使器件小型化和集成化小型化和集成化。传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD) 一、霍尔元件一、霍尔元件霍尔电压形成的定性说明霍尔电压形成的定性说明(a)磁场为磁场为0时，电子在半导体中的流动时，电子在半导体中的流动;(b
4、)磁场不为磁场不为0，电子在劳伦兹力作用下发生，电子在劳伦兹力作用下发生偏转偏转;(c)电荷积累达到平衡时电荷积累达到平衡时,电子在流动电子在流动传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)二、二、 磁敏电阻磁敏电阻l磁磁敏敏电电阻阻是是一一种种电电阻阻随随磁磁场场而而变变化化的的磁磁敏敏元元件件，也也称称MR元元件
5、件。它它的的理理论论基础为磁电阻效应。基础为磁电阻效应。1、工作原理、工作原理l磁电阻效应磁电阻效应：l将将载载流流导导体体（金金属属或或半半导导体体）置置于于外外磁磁场场中中，不不但但产产生生霍霍尔尔效效应应（电电势势或或电电场场），同同时时电电阻阻也也会会随随磁磁场场而而变变化化。这这种种现现象象成成为为磁磁敏敏电电阻阻效效应应，简简称称磁磁电阻效应。电阻效应。 传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁
6、阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)2. 作用机理作用机理 外外磁磁场场改改变变了了导导体体载载流流子子迁迁移移的的路路径径，致致使使与与外外界界电电场场同同方向的电流分量减小，等价于电阻增大方向的电流分量减小，等价于电阻增大磁磁敏敏元元件件载流子载流子迁移率迁移率几何几何形状形状物理磁物理磁阻效应阻效应几何磁几何磁阻效应阻效应电阻率相对变化电阻率相对变化电阻相对变化电阻相对变化传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的
7、形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)（1）物理磁阻效应）物理磁阻效应具具有有两两种种载载流流子子的的材材料料通通电电后后，电电子子和和空空穴穴电流密度分别为电流密度分别为 jn 和和jp ，总电流密度，总电流密度j无外磁场无外磁场H时，时，j=jn + jp有外磁场有外磁场H时，时，jn 与与 jp 背向偏转背向偏转j l 的的扁扁平平器器件件串串联联起起来来栅栅格磁阻器件。格磁阻器件。传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理
8、工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)科比诺圆盘科比诺圆盘中心和边缘为两电极中心和边缘为两电极不存在横向霍尔电场和电势不存在横向霍尔电场和电势磁敏电阻变化更加明显磁敏电阻变化更加明显传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻
9、效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)栅格磁阻器件栅格磁阻器件l在在LW长方形磁阻材料上面制长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），（即短路栅格），l相当于许多扁条状磁阻串联。相当于许多扁条状磁阻串联。l零磁场零磁场电阻约电阻约100,栅格金属栅格金属条在条在100根以上。根以上。l栅格磁阻器件既增加了零磁场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电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。灵敏度。LBILBIBI传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏
10、电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)4、磁阻式传感器应用、磁阻式传感器应用磁阻效应角磁阻效应角度传感器度传感器l测量原理测量原理输出电压与磁场角度成正比输出电压与磁场角度成正比l由于电阻没有极性，仅与磁场强度的绝对值成正比，由于电阻没有极性，仅与磁场强度的绝对值成正比，l磁极每转动磁极每转动180度，某个位置上的磁敏电阻阻值变化一度，某个位置上的磁敏电阻阻值变化一
11、周期，周期，l相对相对180度布置的两磁敏电阻度布置的两磁敏电阻a和和d同步变化同步变化 Rl与与a，d相差相差90度布置的磁敏电阻度布置的磁敏电阻b，c变化周期差变化周期差180度，度，l即即b，c与与a，d正好反相正好反相 R传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)磁阻式传感器应用磁阻式传感器应用磁阻效应角磁
12、阻效应角度传感器度传感器l将相间将相间90度布置的四个磁敏电阻接入度布置的四个磁敏电阻接入电桥电路，电桥电路，l传感器每相对磁极转动传感器每相对磁极转动180度，输出度，输出电压变化一个周期。电压变化一个周期。传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)lUZZ900信号调理芯片信号调理芯片KMZ41型传感器：型传感
13、器：内含内含8个个MR形成两组电桥形成两组电桥传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)l两组磁敏电阻相对磁场布置相差两组磁敏电阻相对磁场布置相差45度，度，磁阻变化相位差磁阻变化相位差90度度l两组电桥的输出电压相位相差两组电桥的输出电压相位相差90度度KMZ41型传感器：可以实现辨向功能型传感器：可以实现辨向功
14、能传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)两组电桥制作成相差两组电桥制作成相差45度分布，输出度分布，输出信号相差信号相差90度度l可判别角度方向可判别角度方向传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电
15、阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)转速传感器转速传感器l传感器与调理电路传感器与调理电路传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)安装l工作原理工作原理l输出方波输出方波l频率信
16、号频率信号传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)三、三、 磁敏二极管磁敏二极管(SMD)l工作原理工作原理l在在高高阻阻半半导导体体芯芯片片（本本征征型型I）两两端端，分分别别制制作作P、N两两个个电极电极lP、N为重参杂区，为重参杂区，I区长度较长区长度较长lI区一侧光滑，一侧打毛粗糙，区一侧光滑，一侧打毛粗
17、糙，l粗粗糙糙表表面面易易于于使使电电子子空空穴穴对对复复合合而而消消失失，成成为为r面面（复复合区）合区）l外加正向偏压：外加正向偏压：P区接正，区接正，N区接负大量空穴从区接负大量空穴从P区注入区注入I区；大量电子从区；大量电子从N区注入区注入I区区l未加磁场，电子和空穴运行方向不偏转未加磁场，电子和空穴运行方向不偏转传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感
18、器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)磁敏二极管加正向电压：磁敏二极管加正向电压：P+N-l当磁场方向使电子、空穴向当磁场方向使电子、空穴向r面偏转时，面偏转时，载流子对因复合而消失，使载流子对因复合而消失，使I区载流子数区载流子数目大为减少，该管外部表现为电阻增大，目大为减少，该管外部表现为电阻增大，电流减小，压降增大，电流减小，压降增大， U0 l当磁场方向使电子、空穴向光滑面偏转时，当磁场方向使电子、空穴向光滑面偏转时，复合率变小，外部表则现为电阻减小，电复合率变小，外部表则现为电阻减小，电流增大，压降减小流增大，压降减小, U0 传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁
19、敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)磁敏二极管的伏安特性磁敏二极管的伏安特性l在给定磁场情况下，磁敏在给定磁场情况下，磁敏二极管二极管两端两端正正向向偏压和通偏压和通过它的电流的关系曲线。过它的电流的关系曲线。在一定条件下，磁敏二极管的在一定条件下，磁敏二极管的输出输出电压的变化量电压的变化量 U与外加磁与外加磁场的关系场的关系磁敏二极管的磁电特性：磁
20、敏二极管的磁电特性：传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)磁敏二极管的磁电特性磁敏二极管的磁电特性l互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。对称，且在弱磁场下有较好的线性。传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原
21、理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)磁敏二极管与其它磁敏器件相比，具有以下特点：磁敏二极管与其它磁敏器件相比，具有以下特点：(1)(1)灵敏度高灵敏度高, ,磁敏二极管的灵敏度比霍尔元件高磁敏二极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至上千倍，而且线路简单，成本低廉。几百甚至上千倍，而且线路简单，成本低廉。(2) (2) 灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄，但灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄，但是弱
22、磁场情况下具有较好的线性。是弱磁场情况下具有较好的线性。（3 3）具有正反磁灵敏度）具有正反磁灵敏度v磁敏二极管可用来检测交、直流磁场，特别适磁敏二极管可用来检测交、直流磁场，特别适合于合于测量弱磁场测量弱磁场；可用作借助磁场触发的可用作借助磁场触发的无触无触点开关点开关。传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)
23、磁敏二极管磁敏二极管2检测到转子磁场检测到转子磁场磁敏管磁敏管2输出信号给控制电路输出信号给控制电路3接通对应定子线圈接通对应定子线圈1，产生对转子，产生对转子磁极的拉磁极的拉-推力推力转子磁场顺序作用于各磁敏管转子磁场顺序作用于各磁敏管磁敏管顺序接通各定子线圈产生旋磁敏管顺序接通各定子线圈产生旋转磁场转磁场使转子旋转使转子旋转磁敏二极管应用磁敏二极管应用无刷直流电机无刷直流电机传感器技术及应用传感器技术及应用磁敏传感器磁敏传感器磁敏电阻磁敏电阻 工作原理工作原理-磁阻效应磁阻效应影响磁阻效应的因素影响磁阻效应的因素材料材料磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状灵敏度与形状灵敏度与形状几何磁阻效应几何磁阻效应栅格磁阻器件栅格磁阻器件应用：应用：磁阻效应角度传感器磁阻效应角度传感器磁敏二极管磁敏二极管(SMD)lEnd
