1、灵敏度极高灵敏度极高：可达10-15T，比灵敏度较高的光泵式磁敏传感器要高出几个数量级；第三节第三节 SQUIDSQUID磁敏传感器磁敏传感器SQUID磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器，是以约瑟夫逊（Jose Phson）效应为理论基础，用超导材料制成的，在超导状态下检测外磁场变化的一种新型磁测装置。特点特点频带宽：频带宽：响应频率可从零响应到几kHz。测量范围宽测量范围宽：可从零场测量到几kT；该图是两块超导体中间隔着一厚度仅1030的绝缘介质层而形成的“超导体绝缘层超导体”的结构，通常称这种结构为超导隧道结，也称约瑟夫逊结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特殊而有用的
2、性质。超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡地流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超导隧道结的约瑟夫逊效应超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应直流约瑟夫逊效应。超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应交流约瑟夫逊效应。绝缘层 超导体超导体超导结示意图4、约瑟夫逊效应 直流约瑟夫逊效应表明，超导隧道结的介质层具有超导体的一些性质，但不能认为它是临界电流很小的超导体，它还有一般超导体所没有的性质。实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出现高频的正弦电流，其频率正比于所加的
3、直流电压，即 f=KV式中 K=2e/h=483.61012Hz/V。根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波。可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。而临界电流IC对磁场亦很敏感，即随着磁场的加大临界电流IC逐渐变小，如图所示。超导结的Ic-H曲线01234562010H=0Ic5、ICH 特性根据量子力学理论，超导结允许通过的最大超导电流Imax与的关系式沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量；0磁
4、通量子；IC(0)没有外磁场作用时，超导结的临界电流。00sin)0()(CCIIIC是的周期函数超导结临界电流随外加磁场而周期起伏变化的原理,完全可用于测量磁场中。例如,若在超导结的两端接上电源,电压表无显示时,电流表所显示的电流是为超导电流;电压表开始有电压显示时,则电流表所显示的电流为临界电流IC,此时,加入外磁场后,临界电流将有周期性的起伏,且其极大值逐渐衰减,振荡的次数n乘以磁通量子0,可得到透入超导结的磁通量=n0。而磁通量和磁场H成正比关系,如果能求出,磁场H即可求出。同理,若外磁场H有变化,则磁通量亦随变化,在此变化过程中,临界电流的振荡次数n乘以0即得到磁通量的大小,亦反映了
5、外磁场变化的大小。因而,可利用超导技术测定外磁场的大小及其变化。临界电流临界电流随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场作用下，超导结各点的超导电流具有确定的相位。相位作用下，超导结各点的超导电流具有确定的相位。相位相反的电流互相抵消；相位相同的电流互相迭加。相反的电流互相抵消；相位相同的电流互相迭加。测磁原理测磁原理TmmTdL42112150102101102测量外磁场的灵敏度与测定振荡的次数n的精度及的大小有关。设n可测准至一个周期的1/100，则测得最小的变化量应为0/100=210-15Tm2。若假设磁场在超导结上的透入面积为Ld(L是超导结的
6、宽度，一般为0.lmm左右；d是磁场在介质层及其两侧超导体中透入的深度)，则对SnSnOSn结来说，锡的穿透深度=500，亦即d=2=1000。则，Ld 110-11m2，这里临界电流的起伏周期是磁通量子0,0=210-15Tm2,对于透入面积Ld为110-11m2的锡结而言，临界电流的起伏周期是：二、二、SQUIDSQUID磁敏传感器的构成类型磁敏传感器的构成类型 超导量子干涉器（超导量子干涉器（SQUID）是指由超导隧）是指由超导隧道结和超导体组成的闭合环路。其临界电流是道结和超导体组成的闭合环路。其临界电流是环路中外磁通量的周期函数；其周期则为磁通环路中外磁通量的周期函数；其周期则为磁通
7、量子量子0，它具有宏观干涉现象。通常，人们称，它具有宏观干涉现象。通常，人们称这样的超导环路为超导量子干涉器件。这样的超导环路为超导量子干涉器件。射频超导量子干涉器（射频超导量子干涉器（RF SQUID）直流超导量子干涉器（直流超导量子干涉器（DC SQUID）超导量子干涉器件有两种类型：CTRTRF振荡器（一）（一）RF SQUID射频射频超导量子超导量子干干涉器涉器含含有一个超导隧道结的超有一个超导隧道结的超导环，在超导环中存在导环，在超导环中存在超导量子干涉效应。测超导量子干涉效应。测量时，采用射频电流进量时，采用射频电流进行偏置，其构成形式如行偏置，其构成形式如图所示。图所示。超导环超
8、导环偏置的目的是使超导结周期地达到临界状态,使环外磁通以量子化的形式进入环内，从而在超导环内的超导电流产生周期变化，这样在结上产生周期电动势，实现磁测。采用交流偏置,将一射频磁场耦合到超导环上，在外磁通作用下,测量超导结产生电动势。+输入线圈RF线圈铌圆柱压板铌碗隧道结铌柱输入线圈RF线圈(a)(b)(c)(d)(e)(f)铌膜微桥RF SQUID结构图IAIBC1C212ABIDC SQUID构成示意图（二）（二）DC SQUID直流超导量子干涉器（直流超导量子干涉器（DC SQUID）是在一块超）是在一块超导体上由两个超导隧道结而构成的超导环。超导导体上由两个超导隧道结而构成的超导环。超导
9、环中存在超导量子干涉效应，测量时用直流电流环中存在超导量子干涉效应，测量时用直流电流进行偏置，如图所示。进行偏置，如图所示。E铌螺钉聚酯膜铌圆柱体微桥铅膜条铌膜条石英管铅铟合金膜隧道脂金属条铌膜条T形铅膜(a)(b)(c)DC SQUID 结构图 应用超导量子干涉器检测磁通量变化时，除经常使用的锁相放大技术外，还采用超导磁通变换器方法超导磁通变换器方法零磁通法零磁通法零电流方法零电流方法 三、三、SQUID SQUID 磁敏传感器的检测方法磁敏传感器的检测方法L1至放大器L2L环同轴线超导磁通变换器示意图 利用磁通变换器可以提高测量磁场及测量磁场梯度的灵敏度，同时还可以完成其它一些有关磁的测量
10、，如测定物质的磁化率等。（一）超导磁通变换器方法（一）超导磁通变换器方法 超导磁通变换器由SQUID加上两个互相连接的线圈构成，如图所示。图中的L环是超导环的电感，L2是与超导环相耦合的线圈电感，L1是与外磁通相耦合，且与L2相连的线圈电感。音频振荡器射频振荡器相敏检波器放大器积分器VfRfCTLT(a)音频振荡器放大器VfRfLTCT调制线圈（b）积分器相敏检波器（二）零磁通法（二）零磁通法谐振线圈超导环超导环 （三）零电流法（三）零电流法采用反馈方式，反馈电流不是加到直接与超导环耦合的线圈上，而是加到与磁通变换器附加线圈Lf相耦合的反馈线圈上，如图所示。LTCTVfRfLi Lf Lp电子
11、线路Mi反馈线圈探测线圈输入线圈磁通变换器中的电流为零；磁通变换器中的电流为零；在探测线圈附近的磁场畸变不大。在探测线圈附近的磁场畸变不大。优点：超导环超导核磁共振仪，超导核磁共振磁力仪超导核磁共振测井仪四、四、SQUIDSQUID磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用磁测量超导磁力仪，超导磁力梯度仪 超导岩石磁力仪，超导磁化率仪电测量超导检流计，超导微伏计，超导电位计重力测量超导重力仪，超导加速仪 超导重力梯度仪超导辐射检测器辐射测量磁共振测量 磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。利用某些高导磁率的软磁性材料（如坡莫合金）作磁利用某些高导磁率的软磁性材料（如坡莫合金）作磁芯，以其在交变磁场
12、作用下的磁饱和特性及法拉第电芯，以其在交变磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。磁感应原理研制成的测磁装置。第四节第四节 磁通门式磁敏传感器磁通门式磁敏传感器最大特点最大特点：适合在零磁场附近工作的弱磁场进行测量。传感器可作成体积小，重量轻、功耗低，既可测纵向向量T、垂直向量Z，也可测T、Z，不受磁场梯度影响，测量的灵敏度可达0.01nT，且可和磁秤混合使用组成磁测仪器。应用应用：航空、地面、测井等方面的磁法勘探，在军事上，也可用于寻找地下武器（炮弹、地雷等）和反潜。还可用于预报天然地震及空间磁测等。一、磁通门式磁敏传感器的物理基础一、磁通门式磁敏传感器的物理基础磁饱和现
13、象饱和磁感应强度Bs饱和磁场强度Hs（一）磁滞回线和磁饱和现象（一）磁滞回线和磁饱和现象BAHsHcFBr-HcE-BrDC静态磁滞回线示意图BsHOB磁滞现象：磁感应强度的变化滞后于磁场H的变化最大剩磁BrBr,Bs，Hs及矫顽力Hc是磁性材料的四个重要参数。磁通门传感器使用软磁性材料。动态导磁率dHdBd定义：物体在磁场中被磁化后，在磁化方向上会产生伸长或缩短现象。几种磁性材料的伸缩系数3020100-10-20-30l/lFeCoNi010203040 H/10-4T45 坡莫合金（二）磁致伸缩现象（二）磁致伸缩现象饱和磁致伸缩系数lls内容：不论何种原因使通过一回路所包围面积内的磁通量
14、发生变化时，回路上产生的感应电动势E与磁通随时间t的变化率的负值成正比。dtdkE（三）法拉第电磁感应定律（三）法拉第电磁感应定律式中 k比例系数。圆形磁芯跑道形磁芯长方形磁芯闭合式磁芯长条形双磁芯长条形单磁芯非闭合式磁芯磁芯从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。在磁场的分量测量中，用跑道形磁芯较多。磁通门传感器的磁芯几何形状二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理1.长轴状跑道形磁芯长轴状跑道形磁芯4132ff2跑道型磁芯机构示意图1 灵敏元件架；2初级线圈3输出线圈；4坡莫合金环 如图所示，一般沿长轴方向的尺寸远大于短轴方向的尺寸，故当
15、沿长轴方向磁化时，要比沿短轴方向磁化时的退磁作用及退磁系数小得多。这样，就可以认为跑道形磁芯仅被沿长轴方向的磁场所磁化。在实践中，也仅测量沿长轴方向的磁场分量。L1L2LSH1=2HmsintH2=-2HmsintHHe-HsBm(a)（b）=tH2H1H=te1e2E（d）H=tBB1B2（c）图2.4-4 传感器测磁原理示意图BtHHHHHtHHHHHmeemeesin2sin22211tHHBtHHBmedmedsin2sin221smedsBHHBsin21B2211222BsmedsBHHBsin22222111E0cos10208SHsm2E0cos10208SHsm2211222
16、222110cos1020cos102088SHSHEsmsmS E s是属周期性的重复脉冲，故可用富氏分解法计算Es的二次谐波分量2222111122由分段函数组式可知，Es是一奇函数。富氏分解中的余弦项的系数an=0，a2=0。计算富氏分解中正弦项的系数b2：2.2.富氏分解法富氏分解法tHHHfSnEemssdS2sin10168输入波带通滤波器放大器相敏检波器积分器地磁补偿稳流器-9V稳压器+9V稳压器低通滤波器-9V输入+9V输入0-5V电压表反馈电阻W1W2W3选频功放二分频延时器二分频电子温度计与温度补偿电子温度计与温度补偿W4图2.4-5 CCM-1型磁通门磁力仪方框图感应式磁
17、敏传感器是以天然场或人工场为场源，根据法拉第电磁感应原理，采用某些特殊技术研制成的测磁装置，可用于测量交变场中磁场变化率。第五节 感应式磁敏传感器 一、感应式磁敏传感器的物理基础 dtdnn法拉第电磁感应定律 屏蔽铜箔铝管铝盖输出磁芯线圈图2.5-4 长螺旋管式传感器构成示意图交变场薄板状良导体内感应电流示意图R交变场示意图T发射机T，向发射线圈供给交变电流，它在线圈周围则建立起交变电磁场，称为一次场。如果地下有良导矿体存在，则矿体被一次场所激发而在矿体内产生感应电流，这是一种涡旋电流（涡流），此涡流在空间也产生交变磁场向周围发射，这种场称为二次场或异常场。一、霍耳磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器
18、 二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管 三、磁敏电阻三、磁敏电阻 第六节第六节 半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器（一）霍耳效应（一）霍耳效应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。场的方向上将产生电动势的现象。+I+lwd霍耳效应原理图VH（二）霍耳磁敏传感器工作原理（二）霍耳磁敏传感器工作原理 设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力q电子电量(1.6210-19C)；v电于运动速度。同时，作用于
19、电子的电场力 qvBfLwqVqEfHHE/wqVqvBH/当达到动态平衡时dnqvwdjwIdnqwIv/pqdIBVH/霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：dIBRVHHHR电流密度j=nqvnN型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体 霍耳系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率pP型半导体中的孔穴浓度型）（型）（PqpRNqnRHH11载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金属材料，电子金属材料，电子很高但很高但很小，绝缘材料，很小，绝缘材料，很高但很高但很小。很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。故为获得较强霍耳
20、效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。设 KH=RH /d KH霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为时，霍耳电势应为：VH KH I B VH KH I B cos 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍霍耳电耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，向时，霍耳电霍耳电势并不改变方向。势并不改变方向。霍耳器件片(a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路外形尺寸:6.
21、43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w电流极霍耳电极R4ABCDR1R2R3R4（c）霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。H图2.6-4 霍耳器件符号AAABBBCCCDDD关于霍耳器件符号，名称及
22、型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。控制电流I；霍耳电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍耳负载电阻R3；霍耳电流IH。图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。IKBIdRVIHHVKVRKBVdRRVVHH1111上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流
23、或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。同样，若给出控制电压V，由于V=R1I，可得控制电压和霍耳电势的关系式设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势VH的关系式（四）、基本特性（四）、基本特性 1、直线性：指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。VH=KHBI 2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：KH乘积灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强度B和控制电流I乘积之间的比值，通常以mV/(mA0.1T)。因为霍耳元件的
24、输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故称为乘积灵敏度乘积灵敏度。KB磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。若控制电流值固定，则：VHKBB若磁场值固定，则：VHKI I3、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4、最大输出功率 在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻R2等于霍耳负载电阻R3时，霍耳输出功率为最大。22max4/RVPHO5、最大效率 霍耳器件的输出与输入功率之比，称
25、为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：1222maxmax4/RIRVPPHinO6、负载特性 当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如图所示。8060402000.20.40.60.81.0VH/mV=7.0=1.5=3.0B/T理论值理论值实际值实际值VHR3I霍耳电势的负载特性=R3/R2 霍耳电势随负载电阻值而改变的情况7、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率（或电导率）与温度的关
26、系。霍耳材料的温度特征霍耳材料的温度特征（a）RH与温度的关系；（与温度的关系；（b）与温度的关系与温度的关系RH/cm2/A-1-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/0双重影响双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。二者相反。8、频率特性u磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。器件的频率特性很好，到10kHz时交流输出还与直流情况相同。因此,霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。u磁场交变。磁场交变。霍耳输出不仅与频率有关，
27、而且还与器件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数(特别是气隙宽度)等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故。总之，在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数MHz时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。（五）（五）霍耳开关集成传感器霍耳开
28、关集成传感器由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。1 1霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大BT整形地H 3020T输出输出VoutR=2k+12V123（b）应用电路）应用电路 （a）外型）外型 霍耳开关集成传感器的外型及应用电路霍耳开关集成传感器的外型及应用电路1232 2霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，工作特
29、性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍耳开关集成传感器的技术参数：工作电压、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。0 该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。3 3霍耳开关集成传感器的应用霍耳开关集成传感器的应用 （1）霍耳开关集成传感器的接口电路RL
30、VACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳开关集成传感器的一般接口电路霍耳开关集成传感器的一般接口电路VACRL磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，霍耳开关集成传感器的L1-B关系曲线NSAlNiCo 磁铁6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距离L1/mmB/TL1随磁铁与传感器的间隔距离的增加,作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时,传感器开关接通,而磁铁移开到一定距离时开关关断。应用时,如果磁铁已选定,则应按具体的应用场合,
31、对作用距离作合适的选择。（2）给传感器施加磁场的方式 磁铁侧向滑近式磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动滑近移动的方式在传感器前方通过。霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L2-B关系曲线关系曲线0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙空隙2.05AlNiCo 磁铁磁铁6.432L2距离距离L2/mm采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外，还可采用下列方法增强传
32、感器的磁感应强度。SN磁力集中器传感器磁铁磁力集中器安装示意图磁力集中器安装示意图SN磁力集中器传感器磁铁铁底盘在磁铁上安装铁底盘示意图在磁铁上安装铁底盘示意图SN磁铁磁力集中器传感器带有磁力集中器的移动激励方式示意图带有磁力集中器的移动激励方式示意图磁感应强度B/T0.100.080.060.040.0202.557.510磁铁与中心线的距离L2/mmB-L2曲线的对比图曲线的对比图(a)加磁力集中器的移动激励方式 激励磁场应用实例(b)推拉式 两个磁铁的S极都面对传感器，这样可以得到如图所示的较为线性的特性。N SS N传感器图2.6-20 推拉式激励磁场示意图图图2.6-21 推拉式推拉
33、式L1-B关系曲线关系曲线距离距离L1/mmB/T0.05-0.050-10-5051015-15注意：磁铁S极作用于传感器背面，会抵消传感器正面磁铁S极的激励作用。(c)双磁铁滑近式 为激励传感器开关的接通，往往把磁铁的S极对着传感器正面，如果在传感器的背面也设置一磁铁，使它的N极对着传感器的背面，就会获得大得多的磁场。传感器滑近S N N S 图2.6-22 双磁铁滑近式结构示意图(d)翼片遮挡式 翼片遮挡方法就是把铁片放到磁铁与传感器之间，使磁力线被分流、傍路，遮挡磁场对传感器激励。当磁铁和传感器之间无遮挡时，传感器被磁铁激励而导通；当翼片转动到磁铁和传感器之间时，传感器被关断。图2.6
34、-23 翼片遮挡器的形状片状筒状 霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等(e)偏磁式 在传感器背面放置固定的磁铁加入偏磁，就可以改变传感器的工作点或释放点。例如。将磁铁的N极粘附在传感器的背面，则传感器在正常情况下处于导通状态，必须在它的正面施加更强的负磁场，才能使它关断。4.霍耳开关集成传感器的应用领域 1霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器
35、放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。（六）霍耳线性集成传感器（六）霍耳线性集成传感器单端输出传感器的电路结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675 双端输出传感器的电路结构框图 单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁
36、场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是SL3501M。2 2霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1)(1)传感器的输出特性如下图：磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0-0.2-0.1-0.100.10.20.3输输出出电电压压U/VSL3501T传感器的输出特性曲线2 2霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2)(2)传感器的输
37、出特性如下图：2.52.01.51.00.50 0.040.080.120.16 0.200.24输输出出电电压压U/V磁感应强度磁感应强度B/TSL3501M传感器的输出特性曲线00.28 0.32R=0R=15R=100（七）霍耳磁敏传感器的应用（七）霍耳磁敏传感器的应用 利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振
38、动计、罗盘、转速计、无触点开关等。利用霍耳传感器制作的仪器优点：(1)体积小，结构简单、坚固耐用。(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。测量磁场的大小和方向电位差计电位差计mAESNR图图2.6-24 霍耳磁敏传感器测磁原理示意图霍耳磁敏传感器测磁原理示意图磁方向图西90o东0o北南180o270o磁通集束器图中Li为集束器的总长度，La为集束器中部的空隙距离
39、，霍耳器件磁通密度Ba比外部磁通密度B0约增强Li/La倍。图为均匀磁场中使用集束器(实线)和不使用磁集束器(用虚线表示)时的磁方向图 ERVHB0LaBaLi磁通集束器原理图21材料温度(K)RHInSb78460.0527110InAs787.50.0096506.8Si78150.05070410410410310310310310310表表2.6-2 几种导体材料在低温下的性能几种导体材料在低温下的性能 二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍
40、）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。（一）磁敏二极管的工作原理和主要特性（一）磁敏二极管的工作原理和主要特性 1 1磁敏二极管的结构与工作原理磁敏二极管的结构与工作原理 （1）磁敏二极管的结构 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的PN结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用=40cm左右的P型或N型单晶做基区(锗本征半导体的=50cm)，在它的两端有P型和N型锗，并引出，若代表长基区，则其P
41、N结实际上是由P结和N结共同组成。以2ACM1A为例，磁敏二级管的结构是P+iN+型。+（b）磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构;(b)电路符号H+H-N+区p+区i区r区电流（a）在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，并在本征区（i）区的一个侧面上，设置高复合区(r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。PNPNPNH=0H+H-电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工作原理示意图流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。为什么磁敏二极管会有这种特性呢?下面作一下分析。（2）磁敏二极
42、管的工作原理 当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，iii电子孔穴复合区结论：结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。2 2磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的主要特征（1）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。-0.2213579U/VI/mA00.2T0.1
43、5T0.1T0.05T-0.05T（a）531I/mA46810U/V -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.30.4（b）531I/mA481216U/V-0.1 00.10.40.30.2-0.3（c）图2.6-29 磁敏二极管伏安特性曲线（a）锗磁敏二极管（b）、（c）硅二极管-0.1T-0.15T-0.2T000 由图可见硅磁敏二极管的伏安特性有两种形式。一种如图2.6-29（b）所示，开始在较大偏压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压的增加，电流逐渐增加；此后，伏安特性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。另一种如图2.6-29(c)所示。硅磁敏二极管的伏安特性曲线上
44、有负阻现象，即电流急增的同时，有偏压突然跌落的现象。产生负阻现象的原因是高阻硅的热平衡载流子较少，且注入的载流子未填满复合中心之前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之后，电流才开始急增之故。（2）磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。图2.6-30 磁敏二极管的磁电特性曲线（a）单个使用时（b）互补使用时B/0.1T1.0 2.0 3.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0
45、 3kREE=12V（18V）Td=20（a）（b）U/VU/V 图2.6-30给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。（3）温度特性 温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量 （或无磁场作用时中点电压 ）随温度变化的规律，如图所示。muuU/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I图2.6-31 磁敏二极管温度特性曲线(单个使用时)U由图可见，磁敏二极管受温度的影响较大。反映磁敏二极管的温度特性好坏，也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下，u0的温度系数小于20mV，的温度系数小于0.6%/。而锗
46、磁敏二极管u0的温度系数小于-60mV，的温度系数小于1.5%/。所以，规定硅管的使用温度为-4085，而锗管则现定为-4065。uu（4）频率特性 硅磁敏二极管的响应时间，几乎等于注入载流子漂移过程中被复合并达到动态平衡的时间。所以，频率响应时间与载流子的有效寿命相当。硅管的响应时间小于1 ，即响应频率高达1MHz。锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz。sdB0.1-12-9-6-3 01010.01图2.6-32 锗磁敏三极管频率特性f/kHz%10000uuuhBu%10000IIIhBi(2.6-26)(2.6-27)5）磁灵敏度 磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：（a）在恒流条件下
47、，偏压随磁场而变化的电压相对磁灵敏度（hu），即：u 0磁场强度为零时，二极管两端的电压；u B磁场强度为B时，二极管两端的电压。(b)在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁灵敏度（hi），即：(c)在给定电压源E和负载电阻R的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：应特别注意，如果使用磁敏二极管时的情况和元件出厂的测试条件不一致时，应重新测试其灵敏度。%10000uuuhBRu%10000IIIhBRI（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性 1 1磁敏三极管的结构与原理磁敏三极管的结构与原理 （1）磁敏三极管的结构 NPN型磁敏三极管是在弱P型
48、近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元图2.6-33 NPN型磁敏三极管的结构和符号a)结构 b)符号rN+N+ceH-H+P+bceba）b）件,如图。在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区r。长基区分为输运基区和复合基区两部。i（2 2）磁敏三极管的工作原理）磁敏三极管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）图2.6-34 磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0;(b)H=H+;(c)H=H-1-运输基区；2-复合基区12当不受磁场作用如图2.6-34(a)时，由于磁敏三极管的基区宽
49、度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通过eib而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数 =IcIb1。当受到H磁场作用如图2.6-34（b）时，由于洛仑兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。当受 磁场使用如图2.6-34(c)时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。H/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mA B-=0.1TIb=3mA B=0Ib=3mA B+=0.1
50、T2468101.00.80.60.40.20IC/mA图2.6-35 磁敏三极管伏安特性曲线2 2磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性 （1）伏安特性 图2.6-35(b)给出了磁敏三极管在基极恒流条件下（Ib=3mA）、磁场为0.1T时的集电极电流的变化；图2.6-35(a)则为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线。（2）磁电特性 磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性。3BCM（NPN型）锗磁敏三极管的磁电特性曲线如图2.6-36所示。B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3图2.6-36 3BCM磁敏三极管电磁特性由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似
