1、传感器技术及应用传感器技术及应用机械机械0920112012第二学期第二学期2012年年3月月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
2、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。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)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二、二、磁敏电阻磁敏电阻l磁敏电阻磁敏电阻是一种是一种电阻随磁场而变化的电阻随磁场而变化的磁敏元件磁敏元件，也称，也称MR元件元件。它的理论。它的理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
3、将载流导体（金属或半导体）置于外将载流导体（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。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，简称磁这种现象成为磁敏电阻效应，简称磁电阻效应。电阻效应。2.作用机理作用机理 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220041169BBta
4、n00wlGRRrBB电阻率相对变化电阻率相对变化电阻相对变电阻相对变化化（1）物理磁阻效应）物理磁阻效应具有两种载流子的材料通电后，电子和空穴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pnjjjj l 的扁平器件串联起来的扁平器件串联起来栅栅格磁阻器件。格磁阻器件。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栅格磁阻器件栅格磁阻器
5、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 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大温度影响较大；因此，使用磁敏电阻时必须；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，确定首先了
6、解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。温度补偿方案。磁阻元件的电阻值与磁场的磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度极性无关，它只随磁场强度的增加而增加的增加而增加磁阻元件的磁阻元件的温度特性温度特性不好，在应用时，一不好，在应用时，一般都要设计温度补偿般都要设计温度补偿电路。电路。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
7、，某个位置上的磁敏电阻阻值变化一周期，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。lUZZ900信号调理芯片信号调理芯片KMZ41型传感器：型传感器：内含内含8个个M
8、R形成两组电桥形成两组电桥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：可以实现辨向功能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安装l工作原理工作原理l输出方波输出方波l频率信号频率信号各向异性磁阻传感器各向异性磁阻传感器(AMR)l原理：*Anisotropic Magnetoresistive
9、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芯片内的惠斯通电桥各向异性磁阻传感器各向异性磁阻传感器HMC1002HoneyWell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
10、大小方向 芯片体积小，定位较准确芯片管脚排布芯片管脚排布HMC1052磁阻传感器由两个磁阻传感器由两个AMR 传感传感器器(各向异性磁阻传感器各向异性磁阻传感器)整合在一起整合在一起,可可以把任何水平方向的磁场分解为以把任何水平方向的磁场分解为X,Y 两两个方向的矢量。个方向的矢量。三、三、磁敏二极管磁敏二极管(SMD)l工作原理工作原理l在高阻半导体芯片（本征型在高阻半导体芯片（本征型I）两端，分别制作）两端，分别制作P、N两两个电极个电极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，一侧打毛粗糙，l粗糙表面易于使电子空穴对复合而消失，成为粗
11、糙表面易于使电子空穴对复合而消失，成为r面（复面（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
12、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 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：磁敏二极管的磁电特性：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
13、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。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差分式电路全桥式电路全桥式电路要求要求:灵敏度高灵敏度高 用交流电源或脉冲电压源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：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
14、弱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，特别磁敏二极管可用来检测交、直流磁场，特别适合于适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点开关无触点开关。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磁敏管顺序接通各定子线圈产生旋转磁场旋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lEnd
