1、1第四章磁敏传感器2第四章 磁敏传感器体型磁敏传感器：霍尔传感器结型磁敏传感器：磁敏二极管、磁敏三极管磁电传感器检测磁场强度：10-14T25T磁学量信号 电信号3霍尔霍尔元件的特点：元件的特点：v 霍尔霍尔元件优点元件优点: : 信噪比大信噪比大 频率范围宽频率范围宽 无触点无触点 易微型化和集成化易微型化和集成化 v 缺点缺点: : 转换效率低转换效率低 受磁场影响大受磁场影响大 4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件4原理：原理：金属：自由电子；半导体：载流子金属：自由电子；半导体：载流子洛仑兹力洛仑兹力F FL L、电场力、电场力F FL L F FL LF FE E霍尔电场霍尔电场E EH
2、 H霍尔电势霍尔电势U UH H一、霍尔效应一、霍尔效应 金属或半导体薄片、磁场、电流金属或半导体薄片、磁场、电流 产生电场产生电场霍尔效应示意图霍尔效应示意图4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件4.1.1 4.1.1 霍尔元件霍尔元件5BREHHIR RH H为霍尔系数；为霍尔系数； I I为为外加电流；外加电流； B B为为磁场强度磁场强度霍尔电场霍尔电场EH HBKdBRUHHHIIK KH H为灵敏度系数；为灵敏度系数； I I为为外加电流；外加电流； B B为为磁场强度磁场强度霍尔电势霍尔电势UH H4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件bUEHH6电场电场HE作用于电子的力：作用于电子的力：
3、 bUeEeEqFHHHE/负号表示电子的受力方向与电场方向相反负号表示电子的受力方向与电场方向相反 电场力电场力EF若电子都以均一速度若电子都以均一速度- ，那么在，那么在作用下所受作用下所受力力： vBevBBveFL)(洛仑兹力洛仑兹力LF4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件7磁场与薄片磁场与薄片法线法线有一夹角有一夹角（0 0至至9090）二二、影响霍尔效应的因素：影响霍尔效应的因素： ( (1 1) ) 磁场与元件法线的夹角磁场与元件法线的夹角 cosIBKUHH(2) (2) 元件的几何形状对元件的几何形状对U UH H的影响的影响f f( (l/bl/b) )为形状效应因子为形状效应
4、因子)/(blIBfKUHHf f( (l l/ /b b) )l l/ /b b1.01.04.04.03.03.02.02.00 00.50.51.01.04.1 4.1 霍尔元件霍尔元件8(3) (3) 控制电极对控制电极对U UH H的短路作用的短路作用 控制电极的控制电极的接触面积接触面积 对霍尔电势的对霍尔电势的短路短路作用作用 离控制电极越近离控制电极越近U UH H越小，在越小，在l l/2/2处处U UH H有最大值。有最大值。 U UH H随随x x的变化曲线的变化曲线 0 0. .5 51 1. .0 0 x x/ /l lU UH H( (x x) )/ /m mV V
5、b b/ /l l= =4 4b b/ /l l= =2 2b b/ /l l= =1 12 20 00 05 50 01 10 00 01 15 50 00 04.1 4.1 霍尔元件霍尔元件测量磁场测量磁场检测电流检测电流测微小位移、压力、机械振动：测微小位移、压力、机械振动：线性梯度磁场线性梯度磁场四四、霍尔效应的用途霍尔效应的用途 BKUHHI9abcdabcdcdab绝缘基片霍尔片（a a）体型）体型（b b）改进型）改进型（c c）薄膜型）薄膜型 敏感结构：敏感结构：霍尔片霍尔片图图a ：单晶薄片单晶薄片图图b：克服克服a、b电极短路作用电极短路作用图图c：元件厚度越小，元件厚度越
6、小，KH越大，薄膜型器件越大，薄膜型器件4.1.2 4.1.2 霍尔元件的结构与特性霍尔元件的结构与特性 4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件10工艺：工艺： 外延法外延法制备单晶硅薄膜霍尔元件制备单晶硅薄膜霍尔元件 InAsInAs薄膜薄膜型高灵敏器件型高灵敏器件外形结构外形结构-霍尔片、四根引线、壳体霍尔片、四根引线、壳体(c)符号(c)符号UHRL负负载载R RE E(d)基本电路(d)基本电路(b)结构(b)结构(a)外形(a)外形a aa ab bb bc cc cd dd da ab bc cd da a、b b线线为控制电流端引线为控制电流端引线，常为，常为红色导线红色导线； c c
7、、d d为为霍尔输出引线霍尔输出引线，常为，常为绿色导线：绿色导线：壳体壳体是非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。是非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件11主要技术参数主要技术参数 1. 1. 输入电阻输入电阻R Rinin： 控制电流电极端子之间的电阻值。控制电流电极端子之间的电阻值。 2. 2. 输出电阻输出电阻R Routout： 霍尔电压输出电极端子之间的电阻值。霍尔电压输出电极端子之间的电阻值。 3. 3. 额定控制电流额定控制电流I IC C：B B=0=0、 2525、TT =10 =10 最大允许控制电流最大允许控制电流I Icmcm：最高允许使用温度（
8、：最高允许使用温度（T Tj j）/2TdbIscmb b、d d元件尺寸元件尺寸，电阻率，电阻率， s s散热系数散热系数, , T T= =T Tj j- -T T室温室温4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件124. 4. 乘积灵敏度乘积灵敏度K KH H： 在单位控制电流在单位控制电流I IC C、单位磁感应强度单位磁感应强度B B作用下，作用下， 器件输出端器件输出端开路开路时的霍尔电压时的霍尔电压（单位为单位为V/ATV/AT）。ddRKHHIBKUHH4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件5. 5. 磁灵敏度磁灵敏度S SB B ： 在额定控制电流在额定控制电流I IC C和单位磁感应强度和
9、单位磁感应强度B B作用下，霍尔器件作用下，霍尔器件 输出端开路的霍尔电压输出端开路的霍尔电压V VH H。 BUSHB/单位为单位为V/ TV/ T13 7. 7. 霍尔电压温度系数霍尔电压温度系数： 温度每变化温度每变化11时时U UH H的相对变化率的相对变化率（单位是单位是%/%/）。 6. 6. 不等位电势不等位电势U UM M： B B=0=0 材料厚度不均、输出电极焊接不良材料厚度不均、输出电极焊接不良 两个两个输出电极不在同一等位面输出电极不在同一等位面。U UM MR RI Ic c m mE E4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件144.1.4 4.1.4 霍尔元件应用霍尔元件
10、应用 一、位移测量一、位移测量 响应快，无接触测量，一般测量响应快，无接触测量，一般测量微微小位移。小位移。N NS SN NS SI IB BX X0 0( (a a) ) 传传感感器器磁磁路路结结构构示示意意图图( (b b) ) 磁磁场场变变化化X X磁场梯度磁场梯度dB/dx为常数，即磁场随为常数，即磁场随x线性变化线性变化4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件15霍尔元件沿霍尔元件沿x x方向移动时：方向移动时：KdxdBIKdxdUHHK K为位移传感器为位移传感器输出灵敏度输出灵敏度 磁场梯度越大磁场梯度越大，灵敏度越高；灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。磁场梯度越均匀，输出
11、线性度越好。KXUH4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件16二、二、转速测量转速测量永磁体固定在被测轴上，元件置于磁铁气隙中。永磁体固定在被测轴上，元件置于磁铁气隙中。轴转动时，磁场变化，霍尔元件输出轴转动时，磁场变化，霍尔元件输出U UH H 变化。变化。NS霍尔元件0UH=t(度)2H霍尔元件SN0VH/mVt/弧度H两种测量转速示意图两种测量转速示意图4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件17三三、功率测量、功率测量 UkB112LHHHI BRURK K IUKPddK K1 1、K K2 2均为常数，均为常数，K=RK=RH HK K1 1K K2 2/d/d适用于直流大功率的测量适用于直流大
12、功率的测量。UBRRL霍尔元件IUH外加磁场外加磁场B正比于被测电压正比于被测电压U：UH正比于正比于被测功率被测功率PUIP 4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件18四四、在无损探伤中的应用、在无损探伤中的应用 原理：原理： 有缺陷时，磁力线有有缺陷时，磁力线有部分露出部分露出表面；表面； 用霍尔元件检测用霍尔元件检测泄露磁感应强度泄露磁感应强度B B的变化；的变化；组成：组成： 磁场激励源、探伤元件、可调整式探头等组成。磁场激励源、探伤元件、可调整式探头等组成。 SNSN无缺陷磁料中磁力线的分布无缺陷磁料中磁力线的分布 有缺陷磁料中磁力线的分布有缺陷磁料中磁力线的分布 4.1 4.1 霍尔元件
13、霍尔元件191. 1. 霍尔计数装置霍尔计数装置 金属钢球计数金属钢球计数被磁化的钢球被磁化的钢球经过经过霍尔开关霍尔开关SL3051；每过一个钢球产生一个脉冲，可每过一个钢球产生一个脉冲，可计数和计数和显示。显示。 4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件202. 2. 霍尔汽车点火器霍尔汽车点火器传统点火传统点火器器： 触点开关可靠性差触点开关可靠性差霍尔汽车点火器：霍尔汽车点火器： 无触点无触点 磁轮鼓：磁轮鼓：交替嵌有永久磁铁交替嵌有永久磁铁 磁轮鼓转动时，磁场变化，磁轮鼓转动时，磁场变化， SL3020SL3020输出脉冲信号。输出脉冲信号。SSSSSSSSNNNNNNNN开关管E火花塞SL
14、3020磁轮鼓4.1 4.1 霍尔元件霍尔元件214.2.1 4.2.1 磁阻效应磁阻效应4.2 4.2 半导体磁阻器件半导体磁阻器件 磁阻效应：磁阻效应： 当半导体片受到与电流垂直的当半导体片受到与电流垂直的B B时，出现时，出现电流密度下降电流密度下降，电阻率增大电阻率增大的现象的现象。 将外加磁场使电阻变化的现象称为磁阻效应。将外加磁场使电阻变化的现象称为磁阻效应。 物理磁阻效应物理磁阻效应 几何磁阻效应几何磁阻效应22 一、物理磁阻效应一、物理磁阻效应 1 1、定义、定义 部分载流子运动方向偏转，部分载流子运动方向偏转，沿着原电流方向的沿着原电流方向的电流密度减小电流密度减小、电阻电阻
15、率增大率增大的的现象。现象。 因外磁场与外电场互相垂直因外磁场与外电场互相垂直-又称为又称为横向磁阻效应横向磁阻效应。 将磁场引起的电阻值变化将磁场引起的电阻值变化称为称为-磁阻磁阻；2 2、解释、解释 载流子的漂移速度载流子的漂移速度服从服从热力学统计分布热力学统计分布规律，即载流子的速度规律，即载流子的速度不完全一致不完全一致。 当通有电流的霍尔片放在与其垂直的磁场中当通有电流的霍尔片放在与其垂直的磁场中一定时间后一定时间后，产生，产生了电场了电场E EH H。BvqqEH4.2 4.2 半导体磁阻器件半导体磁阻器件23 速度为速度为 的载流子的载流子受到的受到的F FL L与与F FE
16、E相同相同，运动方向不发生运动方向不发生偏转偏转； 速度速度 或或 的的载流子的运动方向都会发生偏转。载流子的运动方向都会发生偏转。 因因微观散射作用微观散射作用，电子加速到一定值后又减小，再加速后电子加速到一定值后又减小，再加速后再减小再减小，结果结果呈呈圆弧变化圆弧变化。vv+-+(a) 空穴(b) 电子312Bz-+-BzxVxeEH+-+VxpEH载流子载流子偏转的偏转的示意图示意图 4.2 4.2 半导体磁阻器件半导体磁阻器件243 3、磁阻定量描述、磁阻定量描述：000B0000000/1/1/1BBBB(1) (1) 磁场不太强，即磁场不太强，即H HB BZ Z111时时较强磁
17、场时，随着磁场增加，磁阻线性增加较强磁场时，随着磁场增加，磁阻线性增加电阻率达饱和，磁阻达到最大值。电阻率达饱和，磁阻达到最大值。264 4、电流变化、电流变化 两种载流子显示出横向磁阻效应。两种载流子显示出横向磁阻效应。 B BZ Z=0=0时时pnJJJ4.2 4.2 半导体磁阻器件半导体磁阻器件B BZ Z00时时 电子和空穴沿电子和空穴沿y y方向电流均不为零，方向电流均不为零， 向相向相反方向偏转，但合成电流反方向偏转，但合成电流 仍沿外加电场方向，而总仍沿外加电场方向，而总的合成电流减小，相当于电导率减小，电阻率增大。的合成电流减小，相当于电导率减小，电阻率增大。 和 nJpJ J
18、JpJJn(a) Bz=0JpJJn(b) Bz0BzEy27二、几何磁阻效应二、几何磁阻效应 1 1、定义、定义 相同磁场相同磁场作用下，由于半导体片的作用下，由于半导体片的几何形状不同几何形状不同而出现电阻而出现电阻值不同变化的现象。值不同变化的现象。 J J与与E E的方向关系的方向关系 几何磁阻效应的实验结果几何磁阻效应的实验结果4.2 4.2 半导体磁阻器件半导体磁阻器件长宽比越小，几何磁阻效应越强。长宽比越小，几何磁阻效应越强。28 2 2、解释、解释 原因是半导体片原因是半导体片内部电流分布受外磁场作用而发生变化内部电流分布受外磁场作用而发生变化。 左图左图 电流端电流端因因E
19、EH H受电极短路而减弱，电子受到受电极短路而减弱，电子受到F FL L而偏斜，则而偏斜，则电流电流方向偏斜方向偏斜； 中间部分中间部分E EH H受短路影响受短路影响小小，F FE E=F=FL L，运动方向不变化；运动方向不变化； 当片当片长度减小长度减小，不受影响的区域变小，不受影响的区域变小，E EH H受短路作用更显著，受短路作用更显著，几何磁阻越显著。几何磁阻越显著。 右图右图 可看出可看出长宽比越小长宽比越小，几何磁阻效应越强几何磁阻效应越强 。 4.2 4.2 半导体磁阻器件半导体磁阻器件293 3、理论计算得：理论计算得： （1 1）弱磁场弱磁场时时)1)(200tggRRB
20、Bg g为弱磁场下样品的形状系数；为弱磁场下样品的形状系数；为霍尔角为霍尔角,tg,tg = E = EH H/E/E0 0图图l l/ /b b值越小，值越小，g g值越大。值越大。短而宽的半导体片的几何磁阻效应较大短而宽的半导体片的几何磁阻效应较大。 gl/b00.51.01234.2 4.2 半导体磁阻器件半导体磁阻器件30（2 2）中等磁场中等磁场时时)1)(00nBBtggRR 1n2;1n1;tg1; 磁阻比随磁阻比随B B的加强变化趋势均非线性增加，的加强变化趋势均非线性增加， 且且l l/ /b b大的大的g g较小，相同较小，相同B B 时，时，R RB B变化小，增加慢。变
21、化小，增加慢。（3 3）强磁场强磁场时时)(00tglbGRRBBG为强磁场下样品的形状系数为强磁场下样品的形状系数4.2 4.2 半导体磁阻器件半导体磁阻器件31由图可知：由图可知： G G最大是最大是1 1，最小是负无限大。，最小是负无限大。 G G随随l l/ /b b增加增加与中弱磁场趋势相反与中弱磁场趋势相反，但只要形状一定，但只要形状一定，G G一定。一定。 随随B B加强而线性增加幅度更大，只是加强而线性增加幅度更大，只是相同相同BB时时l l/ /b b大的大的G G也大，磁阻增加快。也大，磁阻增加快。 24682-2-4-6l/bG0 强磁场下强磁场下 G G与与l l/ /
22、b b的的关系曲线的的关系曲线 4.2 4.2 半导体磁阻器件半导体磁阻器件32一、长方形磁敏电阻元件一、长方形磁敏电阻元件 dbl长方形磁敏电阻外形长方形磁敏电阻外形 物理磁阻效应和几何磁阻效应物理磁阻效应和几何磁阻效应同时存在同时存在。1 1、弱场时的磁阻比、弱场时的磁阻比 )1(20BmRRsBm ms s为磁阻平方系数为磁阻平方系数4.2.2 4.2.2 磁阻元件磁阻元件 4.2 4.2 半导体磁阻器件半导体磁阻器件)0()0()(22xHsRgm为为横向横向磁阻系数，是常数；磁阻系数，是常数； g g为形状系数；为形状系数；M Ms s只随只随形状系数形状系数g g变化变化33 磁阻
23、平方灵敏度为：磁阻平方灵敏度为： dRgblRmBRRSHnsBs)(020S SS S与长宽比与长宽比l l/ /b b和厚度和厚度d d有关。有关。 2 2、强场时、强场时 )(000BRlbGRRHBBbdlR00BdRGRRHBB00强场时强场时B B/0 0为常数，为常数，则则在强磁场下在强磁场下R RB B与与B B就成正比关系。就成正比关系。 4.2 4.2 半导体磁阻器件半导体磁阻器件34二、栅格型磁敏电阻二、栅格型磁敏电阻高灵敏电阻高灵敏电阻 结构形式：结构形式： 在长方形磁阻的长度方向沉积在长方形磁阻的长度方向沉积许多金属短路条；许多金属短路条； 将其分割成宽度都为将其分割
24、成宽度都为b b，l l/ /b b1 载流子的有效扩散长度载流子的有效扩散长度，发射区注入的载流子少数输入发射区注入的载流子少数输入c c、大部分通过大部分通过e-p-be-p-b形成形成I Ib b，I Ib bIIc c，电流放大倍数，电流放大倍数11。图图b b： 当受到当受到正向磁场（正向磁场（B B+ +）作用时载流子受作用时载流子受F FL L作用作用向发射区一侧向发射区一侧偏转，使偏转，使I IC C明显下降，同时基区复合明显下降，同时基区复合增大，增大，I Ib b增加量较小增加量较小，电流放大倍数，电流放大倍数减小减小。 2cbern+p+1xyn+cbern+p+xyn+
25、cbern+p+xyn+xyz(a) B=0;(b) B=B+;(c) B=B-;1-输运基区2复合基区4.3 4.3 结型磁敏器件结型磁敏器件 分析分析磁场强度磁场强度B B变化时，变化时，基极电流基极电流I Ib b、集电极电集电极电流流I Ic c和和电流放大倍数电流放大倍数的变化。的变化。2cbern+p+1xyn+cbern+p+xyn+cbern+p+xyn+xyz(a) B=0;(b) B=B+;(c) B=B-;1-输运基区2复合基区52图图c c： 反向磁场（反向磁场（B B- -）作用时，载流子受作用时，载流子受F FL L作用向作用向集集区一侧区一侧偏转，使偏转，使I I
26、C C增大，基区复合减小，增大，基区复合减小，增加，增加，I IB B几乎不变。几乎不变。 三、磁敏三极管的主要特性三、磁敏三极管的主要特性 1. 1. 伏安特性伏安特性 磁场为磁场为0 0、1KG1KGS S；I Ib b为为3mA3mA；B B变化时集电极变化时集电极IcIc、放大倍数、放大倍数的变化的变化。 I IC C(mA)(mA)1.01.00.80.80.60.60.40.40.20.20 02 24 46 68 8V Vcccc(V)(V)I=3mA B=-1KGI=3mA B=-1KGI=3mA B=0I=3mA B=0I=3mA B=1KGI=3mA B=1KG4.3 4.
27、3 结型磁敏器件结型磁敏器件2cbern+p+1xyn+cbern+p+xyn+cbern+p+xyn+xyz(a) B=0;(b) B=B+;(c) B=B-;1-输运基区2复合基区 正、反向磁场作用下，正、反向磁场作用下，I Ib b、IcIc、 明显变化明显变化。53n-p-nn-p-n型型GeGe磁敏三极管的磁电特性曲线。磁敏三极管的磁电特性曲线。在弱场时，曲线接近一条直线在弱场时，曲线接近一条直线。可利用这一线性关系测量磁场。可利用这一线性关系测量磁场。 3BCM磁敏三极管磁电特性 0.10.10.20.20.30.30.40.40.50.51 12 23 34 45 5-1-1-2
28、-2-3-3B(KG)B(KG)Ic(mA)Ic(mA)2. 2. 磁电特性磁电特性 3. 3. 温度特性及补偿温度特性及补偿 -20-20-10-10 0 01010202040405050303060600.20.20.40.40.60.60.80.81.01.01.21.21.41.41.61.6B=0B=0B=-1KGB=-1KGB=1KGB=1KGT()T()I Ic c(mA)(mA)基极恒流基极恒流I Ib b=2mA=2mA GeGe磁敏三极管正温度系数磁敏三极管正温度系数； 硅磁敏三极管负温度系数硅磁敏三极管负温度系数。4.3 4.3 结型磁敏器件结型磁敏器件输出电流压变化量
29、输出电流压变化量与与外加外加B的关系的关系。54磁敏二极管和磁敏三极管的应用磁敏二极管和磁敏三极管的应用 磁敏管有高效的磁灵敏度，体积和功耗都很小，能识别磁极性，是磁敏管有高效的磁灵敏度，体积和功耗都很小，能识别磁极性，是一种新型半导体磁敏元件，有广泛的应用前景。一种新型半导体磁敏元件，有广泛的应用前景。 v 磁场探测仪器磁场探测仪器 如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。 可以测量可以测量10-7T左右的弱磁场。左右的弱磁场。 v 电流表电流表 原理：原理：通电导线周围有磁场，磁场强弱取决于通电导线中电流大小。通电导线周围有磁场，磁场强弱取决于通电导线中电流
30、大小。 利用磁敏管实现导线电流的非接触测量。利用磁敏管实现导线电流的非接触测量。 该装置既安全又省电。该装置既安全又省电。 v 转速传感器、漏磁探伤仪等转速传感器、漏磁探伤仪等 能测每分钟数万转的转速。能测每分钟数万转的转速。 4.3 4.3 结型磁敏器件结型磁敏器件55铁磁性金属薄膜磁阻元件的特点：铁磁性金属薄膜磁阻元件的特点： 温度系数小、性能稳定、灵敏度高、制备工艺简单。温度系数小、性能稳定、灵敏度高、制备工艺简单。 是一种很有前途的磁敏元件。是一种很有前途的磁敏元件。 铁磁材料存在两种磁阻效应：铁磁材料存在两种磁阻效应： 电阻率电阻率随着磁场强度的变化而变化，但随着磁场强度的变化而变化
31、，但与磁场方向无关与磁场方向无关。 电阻率的变化与电流密度电阻率的变化与电流密度 和磁场和磁场 相对取向相对取向有关，称为有关，称为磁电阻磁电阻各向异性效应各向异性效应。 磁敏元件所利用的是磁敏元件所利用的是各向异性效应。各向异性效应。JB4.4.1 4.4.1 铁磁体中的磁阻效应铁磁体中的磁阻效应4.4 4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件铁磁性金属薄膜磁阻元件56电阻率电阻率为：为： 2/2CosSin为为电流电流方向与方向与磁场磁场方向方向互相垂直互相垂直时材料的电阻率；时材料的电阻率；为为电流电流方向与方向与磁场磁场方向方向互相平行互相平行时材料的电阻率；时材料的电阻率；为为电流方向与磁场方
32、向电流方向与磁场方向的夹角。的夹角。 磁阻效应的大小表示：磁阻效应的大小表示： 0/00为为零磁场时零磁场时材料的电阻率；材料的电阻率；4.4 4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件铁磁性金属薄膜磁阻元件57结构结构: : 图图a a：两个相同的磁敏电阻相垂直排列组成；两个相同的磁敏电阻相垂直排列组成； 电阻图形设计成迂回状：较高的电阻值、器件小型化。电阻图形设计成迂回状：较高的电阻值、器件小型化。 图图b b：y y()()：a a和和b b电极之间；电极之间；X X（）：）：b b和和c c电极之间。电极之间。 结构与工作原理结构与工作原理 4.4.2 4.4.2 铁磁薄膜磁敏电阻的结构与工作原理
33、铁磁薄膜磁敏电阻的结构与工作原理 a ab bc c(a) 几何结构(a) 几何结构I I0 0I Ib bB Ba ac cV V0 0 x xy yI I(b)工作原理(b)工作原理4.4 4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件铁磁性金属薄膜磁阻元件58当外加磁场当外加磁场 在在xyxy平面内平面内与与y y轴成轴成角角时时B2/2)(SinCosx2/2)(CosSiny若电源电压为若电源电压为V V0 0，则由，则由b b电极的输出电压：电极的输出电压： 0/00 x222)()()()(VCosVVVyx 输出电压只与输出电压只与角有关，与磁场的大小无关。角有关，与磁场的大小无关。 三端分压
34、型结构三端分压型结构四端桥型结构四端桥型结构 四端磁敏电阻结构四端磁敏电阻结构 a ac cdb bA AB BC CD Da ab bc c(a) 几何结构(a) 几何结构I I0 0I Ib bB Ba ac cV V0 0 x xy yI I(b)工作原理(b)工作原理三端分压型结构三端分压型结构 4.4 4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件铁磁性金属薄膜磁阻元件591 1、灵敏度高、有选择性灵敏度高、有选择性： 比霍尔器件高比霍尔器件高1-21-2个数量级；个数量级； 方向性方向性：B B与金属膜平与金属膜平行行时灵敏度最好，时灵敏度最好，B B与金属膜垂直时无磁敏特性；与金属膜垂直时无磁敏
35、特性；2 2、温度特性好温度特性好： 电阻值、输出电压与电阻值、输出电压与T T成线性关系，易进行温度补偿。成线性关系，易进行温度补偿。3 3、频率特性好频率特性好： 保持输出信号不变的截止频率是强磁性共振频率；小于保持输出信号不变的截止频率是强磁性共振频率；小于10MHz10MHz。4 4、倍频特性倍频特性： 输出电压的频率正好等于输出电压的频率正好等于B B频率的频率的2 2倍，输出电压波形是正强波。倍，输出电压波形是正强波。 4.4.3 4.4.3 铁磁薄膜磁敏电阻的特点铁磁薄膜磁敏电阻的特点 4.4 4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件铁磁性金属薄膜磁阻元件605 5、饱和特性饱和特性： 当
36、当BBBsBBs时时达到饱和。达到饱和。 在饱和情况下不用限幅器即可获得稳定的输出。在饱和情况下不用限幅器即可获得稳定的输出。 4.4 4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件铁磁性金属薄膜磁阻元件614.5.2 4.5.2 高分辨率磁性旋转编码器高分辨率磁性旋转编码器 4.5 新型磁传感器按工作原按工作原理分类理分类光电式：光电式：应用最多的编码器，有反光式、透光式应用最多的编码器，有反光式、透光式磁性线圈式磁性线圈式电磁感应式电磁感应式静电电容式静电电容式磁阻式磁阻式624.5.2 4.5.2 高分辨率磁性旋转编码器高分辨率磁性旋转编码器 4.5 新型磁传感器按编码方式的分类按编码方式的分类绝对式：
37、绝对式： 将被测点的将被测点的绝对位置绝对位置直接直接转换为二进制的数字编码输出。转换为二进制的数字编码输出。 中途断电，中途断电， 重新上电后也重新上电后也能读出当前位置的数据能读出当前位置的数据。增量式：增量式： 测量输出的是当前状态与前一状态的测量输出的是当前状态与前一状态的差值差值。 通常以通常以脉冲数字形式脉冲数字形式输出，输出， 然后用计数器计取脉冲数。然后用计数器计取脉冲数。 需要规定需要规定脉冲当量脉冲当量（一个脉冲所代表的被测物理量的值）和（一个脉冲所代表的被测物理量的值）和零位零位标志标志（测量的起始点标志）。（测量的起始点标志）。 中途断电中途断电无法得知无法得知运动部件
38、的运动部件的绝对位置绝对位置。63 磁阻式磁性编码器具有磁阻式磁性编码器具有结构紧凑结构紧凑、高速下仍工作稳定高速下仍工作稳定、抗污染抗污染能力强能力强、抗振抗爆能力强抗振抗爆能力强、耗电少等优点。耗电少等优点。 磁性旋转编码器包含磁性旋转编码器包含磁鼓和磁阻传感器头磁鼓和磁阻传感器头。磁鼓：磁鼓： 在在铝合金锭子铝合金锭子上敷上一层上敷上一层磁性介质磁性介质（-Fe-Fe2 2O O3 3），并被磁化成具有），并被磁化成具有偶偶数数个长度为个长度为磁极。磁极。磁阻头：磁阻头： 在玻璃基片上镀上一层在玻璃基片上镀上一层NiNi8181FeFe1919合金薄膜合金薄膜，并列有，并列有1010个个
39、检测增量检测增量信号信号的磁阻元件，的磁阻元件，4 4个用于个用于零道信号零道信号检测的磁阻元件。检测的磁阻元件。4.5.2 4.5.2 高分辨率磁性旋转编码器高分辨率磁性旋转编码器 4.5 新型磁传感器64磁头外壳磁鼓电路板定子磁性编码器结构磁性编码器结构磁阻元件磁阻元件磁头磁头磁鼓磁鼓N NS SN NN NN NS SS SS S4.5 新型磁传感器U1U2U3U4U1U2U3U4AB 磁鼓旋转时，磁场周期性地变化，磁鼓旋转时，磁场周期性地变化，磁阻也周期性地变化，且每个磁场周期磁阻也周期性地变化，且每个磁场周期对应对应两个两个磁阻变化周期，具有磁阻变化周期，具有倍频特性倍频特性。654
40、.5.3 4.5.3 涡流传感器涡流传感器 4.5 4.5 新型磁传感器新型磁传感器工作原理工作原理:金属导体在交流磁场中的电涡流效应。金属导体在交流磁场中的电涡流效应。电涡流（涡流）：电涡流（涡流）： 一个一个金属板金属板置于一只线圈的附置于一只线圈的附近，当线圈输入一近，当线圈输入一交变电流交变电流i ( (高频高频100kHz左右左右)时，便产生交变磁通量时，便产生交变磁通量，金属板在此交，金属板在此交变磁场变磁场中会产生中会产生感应电流感应电流i1，这种电流在金属体内是，这种电流在金属体内是闭合的闭合的，称之为电涡流（涡流）。，称之为电涡流（涡流）。66集肤效应集肤效应 集肤效应与激励
41、源频率集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、工件的电导率 、磁导率、磁导率 等有关。等有关。 频率频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。 电涡流在金属导体的电涡流在金属导体的纵深方向纵深方向不是均匀分布的，只集中在金属导体不是均匀分布的，只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。 4.5 4.5 新型磁传感器新型磁传感器67图图4-19 4-19 电涡流传感器等效电路电涡流传感器等效电路MMR RL L1 1L LR R1 11U1II电涡流传感器的等效电路：电涡流传感器的等效
42、电路： 电涡流等效成一个电涡流等效成一个短路环短路环中的电中的电流，短路环可以认为是一匝流，短路环可以认为是一匝短路线圈短路线圈，其电阻为其电阻为R1、电感为、电感为L1。 线圈与被测导体等效为线圈与被测导体等效为两个相互两个相互耦合的线圈耦合的线圈。 线圈与导体间存在一个互感线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距它随线圈与导体间距x的减小而增大。的减小而增大。4.5 4.5 新型磁传感器新型磁传感器68电涡流效应的检测应用：电涡流效应的检测应用： 涡流的大小与金属板的电阻率涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、磁导率、厚度、厚度h、金属板与、金属板与线圈的距离线圈的距离、激励电流角频率
43、、激励电流角频率等参数有关。等参数有关。 若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。检测深度的控制：检测深度的控制： 由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变改变f，可控制检测深度。，可控制检测深度。 激励源频率一般设定在激励源频率一般设定在100kHz1MHz。 频率越低，频率越低，检测深度越深检测深度越深。 4.5 4.5 新型磁传感器新型磁传感器69 间距间距x的测量：的测量： 如果控制上式中的如果控制上式中的i1、f、 、 、r不变，电涡流线圈的阻抗不变
44、，电涡流线圈的阻抗Z就成为就成为间距间距x的单值函数，就成为非接触测量位移的传感器。的单值函数，就成为非接触测量位移的传感器。其它用途：其它用途： 检测与表面电导率检测与表面电导率 有关的有关的表面温度、表面裂纹表面温度、表面裂纹等参数；等参数； 检测与材料磁导率检测与材料磁导率 有关的有关的材料型号、表面硬度材料型号、表面硬度等参数。等参数。 4.5 4.5 新型磁传感器新型磁传感器70电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈4.5 4.5 新型磁传感器新型磁传感器71电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电流高频电流通过通过励磁线圈励磁线圈，产生，产生交变磁场交变磁场，在，在铁质锅底铁质锅底会产生无数的会产生无数的电涡流电涡流，使锅底自行，使锅底自行发热发热，烧开锅，烧开锅 内内 的的 食食 物。物。4.5 4.5 新型磁传感器新型磁传感器72大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器4.5 4.5 新型磁传感器新型磁传感器
