第五章磁电式传感器1介绍.ppt

第5篇磁敏传感器技术 1霍尔式磁敏传感器2结型磁敏器件3磁阻式磁敏传感器4机械式 感应式与磁通门式磁敏传感器5磁共振式及超导式磁敏传感器6光纤磁敏传感器7微波传感器 1霍尔式磁敏传感器 在利用半导体材料的磁敏感特性而工作的一类磁敏传感器 即半导体磁敏传感器 中 比较重要的包括霍尔磁敏传感器 磁敏二极管 磁敏三极管以及半导体磁阻器件等 其中应用最广泛的是霍尔磁敏传感器 霍尔磁敏传感器包括霍尔元件和霍尔集成电路 后者是将分立的霍尔元件与放大器电路等集成在一块硅片上所构成的一种IC型结构 它们都是基于半导体材料中电流与磁场相互作用从而产生电动势的霍尔效应原理工作的 1 1霍尔效应 1879年美国物理学家E H Hall首先发现了霍尔效应 如图1 1模型所示 当在长方形半导体片的长度方向通以直流电流I时 若在其厚度方向存在一磁场B 那么在该半导体片的宽度方向就会产生电位差EH 此即霍尔效应 1 2霍尔元件的主要技术参数 1 输入电阻 Rin 2 输出电阻 Rout 3 额定控制电流 Ic 4 最大允许控制电流 Icm 5 不等位电势 Vm 6 不等位电阻 RM 7 磁灵敏度 SB 与乘积灵敏度 SH 8 霍尔电势温度系数 9 输入 输出电阻温度系数 in 10 非线性误差NL 1 3霍尔元件的等效电路及不等位电势补偿原理 等效电路 1 3霍尔元件的等效电路及不等位电势补偿原理 1 4霍尔磁传感器电路分析与设计 1 霍尔元件的驱动电路 2 霍尔元件的输出放大电路 1 5霍尔集成电路 1 6霍尔式磁敏传感器的应用 由霍尔效应的基本关系式可知 霍尔电压VH与输入控制电流Ic以及磁感应强度B都成线性关系 因此 可保持Ic不变通过测量VH来得到B 也可保持B不变通过测量VH来得到Ic 还可测量VH直接得到Ic和B的乘积 由此可以得到各种类型的基于霍尔效应的传感器 霍尔元件可用于交直流电压 电流 功率以及功率因数的测量 还可用于磁场 线圈匝数 磁性材料矫顽力的测量 除此之外 还可利用霍尔效应来测量速度 里程 圈数 流速 位移 镀层及工件厚度等 2结型磁敏器件 结型磁敏器件是指由PN结构成的磁敏器件 主要包括磁敏二极管和磁敏三极管两大类 2 1磁敏二极管 磁敏二极管是指电特性随外部磁场改变而有显著变化的一种二极管 它是一种电阻随磁场的大小和方向均改变的结型二端器件 2 1 2磁敏二极管的工作原理 与普通P I N 二极管不同 磁敏二极管I区的一个侧面是用杂质扩散或者喷砂法制成的高复合区 若在其两极施加恒定电压 同时在垂直于电场方向施以磁场 那么由于洛伦兹力的作用将使载流子偏向或远离复合区 假设在某个方向磁场作用下 电子和空穴因受洛伦兹力作用 都向r面偏转 因r面的高复合特性 使得进入I区的电子和空穴很快就被复合掉 从而使I区载流子密度减小 电阻增大 电压降VI也增大 导致N I结和P I结上的电压降VP I和VI N 减小 注入载流子也相应减少 如此反复 直到电流无法再减小且达到某一稳态值为止 若改变磁场方向 电子和空穴将向与r区相对的光滑面流动 因光滑面载流子复合能力较弱 使得I区载流子浓度增加 电阻减小 电压降VI也减小 相应地VN I和VP I增加 载流子的注入量也增加 电流进一步增大 如此正反馈 直到电流饱和为止 2 1 3磁敏二极管的主要技术参数与特性 磁灵敏度温度特性伏安特性磁电特性 2 2磁敏三极管 磁敏三极管是基于双注入 长基区二极管设计制造的一种结型磁敏晶体管 它也可以分为NPN和PNP两种类型 制作的材料既可以是Ge也可以是Si 磁敏三极管的结构 2 2 2磁敏三极管的工作原理 锗磁敏三极管的磁敏特性有两个部分组成 一个是集电极电流增益特性 共射极直流电流增益和共基极直流电流增益都随磁场变化而变化 另一个是基极电流增益特性 发射极c 复合区r以及基极b构成长基区磁敏二极管 对于硅管来说 因为不存在复合区r 所以它的磁敏特性只包含集电极电流增益特性 而不包含基极电流增益特性 2 2 4磁敏三极管的应用电路 磁敏三极管主要用在磁场测量 大电流测量 直流无刷马达 磁力探伤 接近开关 程序控制 位置控制 转速测量 速度测量和各种工业过程自动控制等领域 3磁阻式磁敏传感器 磁阻式磁敏传感器又称为磁敏电阻 它包括使用InSb材料制作的半导体磁敏电阻器与使用CoNi 镍钴合金 强磁材料制作的强磁性材料磁敏电阻器 以及韦根德器件等 它们统称为MR MagneticResistor 此外 巨磁阻效应器件 GMR 以及Z元件等新型磁阻元件也逐渐得到广泛应用 3 1半导体磁阻传感器 3 1 1磁阻效应位于磁场中的通电半导体 因洛仑兹力的作用 其载流子的漂移方向将发生偏转 致使与外加电场同方向的电流分量减小 电阻增大 这种现象称为磁阻效应 它包括物理磁阻效应与几何磁阻效应 3 1 2磁敏电阻的形状 3 1 3半导体磁敏电阻的主要技术参数 描述半导体磁敏电阻的主要技术参数如下 1 B 0时的电阻值R0 2 B 0时的磁阻比RB R0 3 最大允许功耗 mW 4 电阻温度系数 oC 5 额定工作电流 6 最大工作电流 7 平均失效率 h 8 最大输入电压 9 形状效应系数 10 半导体磁敏电阻的材料 11 半导体磁敏电阻的的短路条尺寸 3 2韦根德器件 韦根德器件是利用韦根德效应制成的一种无源磁敏器件 它由美国科学家韦根德在1965年发明 该传感器无需外加工作电源便能将磁信号转变成电信号 因此它又被称为零功耗磁敏传感器 3 2 1韦根德器件的工作原理 韦根德金属丝中的两种磁化状态及其转化 3 2 1韦根德器件的工作原理 韦根德器件的驱动信号和输出信号 3 2 2韦根德器件的主要技术参数 1 触发磁感应强度B 2 输出脉冲幅值V 3 脉宽 4 工作温度范围T 3 2 3韦根德器件的特点 韦根德器件具有以下特点 1 韦根德器件属有源传感器 工作时无须使用外加电源 2 输出信号幅值与磁场的变化速度无关 可实现 零速 传感 3 无触点 耐腐蚀 防水 防爆 使用寿命长 4 可采用双磁极交替触发工作方式 触发磁场极性变化一周 传感器输出一对正负双向脉冲电信号 幅值大于1伏 信号周期为磁场交变周期 5 触发磁感应强度可小至5毫特斯拉左右 3 2 3韦根德器件的应用 3 3铁磁性金属薄膜磁敏电阻 铁磁性金属薄膜磁敏电阻是二十世纪六十年代开发成功的利用铁磁材料中磁电阻的各向异性效应 1857年由W Thonson发现 工作的磁敏器件 其电阻薄膜是铁磁体 具有很小的温度系数和较稳定的性能 灵敏度也比较高 工作范围通常在10 3 10 2T 常用作磁读头和旋转编码器的速度检测 包括三端 四端以及两维的集成电路等 3 3 1铁磁材料磁电阻的各向异性效应 3 3 2金属薄膜磁敏电阻的结构与工作原理 3 3 3金属膜磁敏电阻的技术参数 下述金属膜磁敏电阻技术参数测试条件为 电源电压V0 5V 磁场强度H 500Oe 磁场角度变化范围 0o 90o 对三端型器件 全电阻最小值500欧 最大值5000欧 典型值l400欧 中点电压最小值2 45V 最大值2 55V 典型值2 5V 输出电压最小峰值60mV 典型值80mV 功率150mW 对四端桥型器件 全电阻最小值lOOO欧 最大值5000欧 典型值2500欧 中点电压最小值2 45V 最大值2 55V 典型值2 5V 输出电压峰值最小值l20mV 典型值l60mV 消耗功率300mW 金属膜磁敏电阻工作温度范围 40 100oC 贮存温度范围 50 150oC 3 3 4金属膜磁敏电阻的特点及其应用 1 金属膜磁敏电阻的特点 1 灵敏度高 平均角度灵敏度 土lmV 1o 三端型 土2mV 1o 四端型 2 温度特性好 电阻值 输出电压与温度均呈线性关系 补偿容易 3 频率特性好 信号频率小于l0MHz时即可保持输出不变 4 灵敏度与磁场方向有关 磁场平行于金属膜时灵敏度最好 垂直于金属膜时没有磁敏特性 5 饱和特性 磁场强度小于临界值时 电阻率与磁场大小有关 大于临界值时 电阻率达到饱和 6 倍频特性 由式 3 7 可以看出 输出电压的频率恰好等于磁场旋转频率的2倍 输出电压波形是正弦波 3 3 4金属膜磁敏电阻的特点及其应用 2 金属膜磁敏电阻的应用金属膜磁敏电阻主要用于测量转速 角度位移 直线位移 无触点开关 无刷马达 剩磁和漏磁 磁力探伤 远传压力表 远传水表 直流电表 音响设备及办公自动化设备等 3 4巨磁阻效应器件 GMR 4机械式 感应式与磁通门式磁敏传感器 4 1机械式磁敏传感器机械式 或称磁力式 磁敏传感器是利用被测磁场中的磁化物体或通电流的线圈与被测磁场之间相互作用的机械力矩来测量磁场的一种经典测量装置 其优点是结构简单 灵敏可靠以及不需要特殊的电源供电 因此在地磁场测量 磁法勘探 古地磁研究等方面仍占有一定的地位 4 1 1机械式磁敏传感器的分类与结构根据机械式磁敏传感器的磁针 棒 偏转时是否存在反作用力矩 可将其分为两类 第一类 磁针处于自由转动状态 在被测磁场的作用下 磁针的轴向将趋于磁感应强度的方向 此时不存在反作用力矩 如磁罗盘 主要由磁针 顶针 刻度盘等构成 主要用于测量地磁场的方位 第二类 磁针在被测磁场的作用下 转矩将与反作用力矩 由磁针的重力 线的扭力或相对偏转磁针而配备的其它阻尼装置等所产生 相平衡 图4 1示出了悬丝式磁敏传感器的结构组成 4 1 2机械式磁敏传感器的工作原理 4 2感应式磁敏传感器 感应式磁敏传感器是以电磁感应定律为基础来进行磁场测量的 其应用范围包括 1 测量大地的磁场微变 为探矿 沉积盆地及大地构造研究 火山活动监测 地球物理研究等提供依据 2 探测隐匿的物体 如人体 邮件里藏匿的刀 枪等 3 地下目标的无损探测 民用方面可以用它来研究分布于地下及建筑物中的管道 电缆 钢筋及其它金属物体 还可以对地下墓葬进行先期研究等 军事方面则可以用来探测地雷 炸弹 水下沉雷 地下伪装等等 4 纺织 食品工业流水线上可用来检查残存的铁钉 铁丝和其它金属碎片 5 可用于陨石的鉴别 6 可用于医疗设备 4 3磁通门式磁敏传感器 第五章磁共振式及超导式磁敏传感器 磁共振法是利用磁共振现象来精密测量磁场的一种方法 它可用于确定地下埋藏物 如油罐 井口 管道 武器 洞穴 古迹等 的位置 进行地质结构调查 寻找矿源 确定矿区岩区位置等 磁共振法包括核磁共振法 顺磁共振法 光泵磁共振法等三种主要方法 从精确度上来说 光泵法最高 核磁共振次之 本章主要介绍属于光泵法的光泵式磁敏传感器和属于核磁共振法的质子旋进式磁敏传感器的原理与应用 5 1光泵式磁敏传感器 5 2质子旋进式磁敏传感器 5 3超导磁敏传感器 1 超导现象与超导体某些材料 当温度降到一定数值Tc以下时 其电阻率会骤降到零 若通以电流 则几乎可以无限地流动下去 这种现象称为超导现象 相应的温度Tc称为临界温度 普通超导材料临界温度只有几K 高温超导材料可达100K以上 低于临界温度时能产生超导现象的材料称为超导体 超导体在临界温度以下具有 理想导电性 完全逆磁性 和 磁通量子化 等特性 2 超导体的理想导电性理想导电性是指超导体在临界温度值Tc以下的零电阻特性 我们知道 由于法拉第效应 置于外磁场中的超导环内会产生感应电流 若在Tc以下 撤掉外磁场 此时由于超导环内无电阻消耗能量 故感应电流并不会消失 而将永远维持下去 5 3超导磁敏传感器 6光纤磁敏传感器 6 1法拉第效应光纤磁敏传感器 6 2磁致伸缩效应光纤磁场传感器 6 3光纤磁场传感器的应用 1 高压电气系统中磁场的测量 光纤磁场传感器的绝缘性能好 工作距离长 且抗腐蚀 制造成本也相对较低 因而成为高压电气系统中磁探测器的首选 2 能实现大动态范围 高灵敏度的磁场探测 这在地质勘探 生物医学工程 制导 航空航天 工业检测等领域有着重要而广泛的应用 特别是在军事上可作为探测潜艇 鱼雷的重要工具 3 能测量磁场梯度 可用于地雷等地下埋藏物的探测 4 可用于高能等离子诊断 电磁信号探测以及磁光罗盘的航向测定等等 7 微波传感器 7 1微波的概念 特点及应用微波是无线电波的一种 其波长为1mm 1m 频率范围约为300MHz 300GHz 包括了电磁波谱中分米波 厘米波 毫米波等波段 微波的波段细分还常用字母符号来表示 如UHF L LS S C XC X Ku K Ka Q U M E F G R等波段 其频率范围从0 3 1 12GHz到220 325GHz不等 电磁波谱中 微波的上下邻分别是 短波 波长长于微波 波长范围为1m 100m 亚毫米波 含部分远红外波 波长短于微波 波长范围1毫米 0 1毫米 7 2微波传感系统的原理 特点及关键部件 微波传感系统是指利用微波的特性来实现对某些物理量进行测量的器件或装置 最重要的微波传感系统当是微波雷达 它是利用大功率微波对目标的反射特性来进行目标探测和定位的 此外 还有利用被测物体对弱功率微波的吸收和反射特性来实现的微波测量系统 它包括反射式和透射式两类 7 2微波传感系统的原理 特点及关键部件 现代雷达系统的基本组成框图 7 3典型微波传感系统及其应用 冲击脉冲探地雷达的原理框图 思考题 1 何谓霍尔效应 何谓霍尔元件不等位电势 如何补偿霍尔元件不等位电势 2 试述霍尔元件恒压驱动和恒流