山东建筑大学-传感器35章磁敏传感器.ppt

1、传感器技术及应用机械09,20112012第二学期 2012年3月,5.6 磁敏传感器,半导体磁敏传感器：可将磁场强度参数转变为电参数的传感器。 种类：霍尔传感器、磁敏电阻传感器、磁敏二极管、磁敏晶体管等。 特点： 可实现非接触检验，寿命长、可靠性高。 从直流（0Hz）到高频（数十GHz）其特性完全一样。 不仅能够测量运动磁场强度,也能测量静止的磁场。 能够使器件小型化和集成化。,一、霍尔元件,霍尔电压形成的定性说明 (a)磁场为0时，电子在半导体中的流动; (b)磁场不为0，电子在劳伦兹力作用下发生偏转; (c)电荷积累达到平衡时,电子在流动,二、 磁敏电阻,磁敏电阻是一种电阻随磁场而变化的

2、磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁电阻效应。 1、工作原理 磁电阻效应： 将载流导体（金属或半导体）置于外磁场中，不但产生霍尔效应（电势或电场），同时电阻也会随磁场而变化。这种现象成为磁敏电阻效应，简称磁电阻效应。,2. 作用机理,外磁场改变了导体载流子迁移的路径，致使与外界电场同方向的电流分量减小，等价于电阻增大,磁敏元件,载流子迁移率,几何形状,物理磁阻效应,几何磁阻效应,电阻率相对变化,电阻相对变化,（1）物理磁阻效应,具有两种载流子的材料通电后，电子和空穴电流密度分别为 jn 和jp ，总电流密度j,无外磁场H时，j=jn + jp,有外磁场H时， jn 与 jp 背向偏转,j

3、jn + jp 相当于增大,磁敏电阻材料,当材料中仅存在一种载流子时，磁阻效应几乎可以忽略，此时霍尔效应更为强烈。在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。 一般使用N型InSb(锑化铟)和InSbNiSb半导体材料做成磁阻器件。,（2）几何磁阻效应,无外磁场时，电流密度矢量j与电场一致 有外磁场时，j与合成电场方向有一夹角,在电极处，合成电场E与金属电极面垂直 在极板附近 j 出现偏角 ,只在电极附近偏转,增大磁阻效应途径：,缩短电流路径l，增大电极长度w，减薄磁阻材料d （a）用薄膜技术制作在基片上，典型厚度是20m, （b）矩形磁阻元件，横向宽度w 比纵向长度 l 大40

4、倍, （c） 把W l 的扁平器件串联起来栅格磁阻器件。,科比诺圆盘,中心和边缘为两电极 不存在横向霍尔电场和电势 磁敏电阻变化更加明显,栅格磁阻器件,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）， 相当于许多扁条状磁阻串联。 零磁场电阻约100,栅格金属条在100根以上。 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。,磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大；因此，使用磁敏电阻时必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。,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,磁阻元件的温度特性不好，在应用时，一般都要设计温度

5、补偿电路。,4、磁阻式传感器应用磁阻效应角度传感器,测量原理输出电压与磁场角度成正比 由于电阻没有极性，仅与磁场强度的绝对值成正比， 磁极每转动180度，某个位置上的磁敏电阻阻值变化一周期， 相对180度布置的两磁敏电阻a和d同步变化R 与a，d相差90度布置的磁敏电阻b，c变化周期差180度， 即b，c与a，d正好反相R,磁阻式传感器应用磁阻效应角度传感器,将相间90度布置的四个磁敏电阻接入电桥电路， 传感器每相对磁极转动180度，输出电压变化一个周期。,UZZ900信号调理芯片,KMZ41型传感器：内含8个MR形成两组电桥,两组磁敏电阻相对磁场布置相差45度，磁阻变化相位差90度 两组电桥

6、的输出电压相位相差90度,KMZ41型传感器：可以实现辨向功能,两组电桥制作成相差45度分布，输出信号相差90度,可判别角度方向,转速传感器,传感器与调理电路,安装,工作原理 输出方波 频率信号,各向异性磁阻传感器(AMR),原理： *Anisotropic Magnetoresistive Effect各向异性磁阻效应 各向异性磁阻传感器是将铁镍合金薄膜沉积在硅基底上构成的，沉积的时候薄膜以条带的形式排布，形成一个平面的线阵以增加磁阻的感知磁场的面积。 当外部磁场加到这样的铁磁性薄膜上的时候，磁畴旋转，改变空间取向，这样使得薄膜条带构成的线阵的表观电阻发生改变。具体的说，电桥的相对的两个臂上

7、的电阻增大，而另外两只相对的臂上的电阻减小，就反应在电桥电压输出的改变上。,芯片内的惠斯通电桥,各向异性磁阻传感器HMC1002,HoneyWell公司的HMC1002 特性： *响应时间短（可以测高频交变磁场） *测量精度高 （达10(-8)T) *有两个敏感轴，可确定平面内大小方向 芯片体积小，定位较准确,芯片管脚排布,HMC1052磁阻传感器由两个AMR 传感器(各向异性磁阻传感器) 整合在一起,可以把任何水平方向的磁场分解为X , Y 两个方向的矢量。,三、 磁敏二极管(SMD),工作原理 在高阻半导体芯片（本征型I）两端，分别制作P、N两个电极 P、N为重参杂区，I区长度较长 I区一

8、侧光滑，一侧打毛粗糙， 粗糙表面易于使电子空穴对复合而消失，成为r面（复合区） 外加正向偏压：P区接正，N区接负大量空穴从P区注入I区；大量电子从N区注入I区 未加磁场，电子和空穴运行方向不偏转,磁敏二极管加正向电压：P+N-,当磁场方向使电子、空穴向r面偏转时，载流子对因复合而消失，使I区载流子数目大为减少，该管外部表现为电阻增大，电流减小，压降增大，U0 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，电流增大，压降减小, U0,磁敏二极管的伏安特性,在给定磁场情况下，磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流的关系曲线。,在一定条件下，磁敏二极管的输出电压的变化量U与外加磁场的关系,磁敏二极管的磁电特性：,磁敏二极管的磁电特性,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。,温度补偿及提高灵敏度的措施 互补式电路,温度特性曲线,差分式电路,全桥式电路,要求:灵敏度高 用交流电源或脉冲电压源,磁敏二极管与其它磁敏器件相比，具有以下特点：,(1)灵敏度高,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。 (2) 灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄，但是弱磁场情况下具有较好的线性。 （3）具有正反磁灵敏度 磁敏二极管可用来检测交、直流磁