《义磁传感器》PPT课件.ppt

a,第四章 磁敏传感器 磁敏传感器是把磁学物理量转换为电信号的元器件或装置 分类：,a,2009年版中国磁敏传感器市场竞争研究报告信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗仪器等的飞速发展和电子计算机应用的普及，为磁敏传感器的快速发展提供了机会，全球形成了相当可观的磁敏传感器产业根据数据：全世界2012年仅车载微电机系统磁传感器全球供货 将达到9亿3千万只（88亿美元）中国磁敏传感器行业在过去几年中一直保持稳定的增长，磁InSb霍尔元件目前年需求量在几亿只。价格确仅有0.3元人民币左右。该领域是磁敏传感器用量最大的领域，但是在国内目前未形成工业化生产目前国内磁敏传感器还没有应用到汽车电子、航空航天领域，磁敏传感器生产厂商的产能利用率还比较低,一、霍耳磁敏传感器(以下内容部分取自网上)（一）霍耳效应,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。,+,I,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,l,w,d,霍耳效应原理图,VH,（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，作用于电子的电场力,当达到动态平衡时,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：,电流密度j=nqv,nN型半导体中的电子浓度,N型半导体,代入前式,霍耳系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率,P型半导体中的孔穴浓度为P,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，电子很高但很小，绝缘材料，很高但很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。,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，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。,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:6.43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2,（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）,d,s,l,（b）,2.1,5.4,2.7,A,B,0.2,0.5,0.3,C,D,（a）,w,电流极,霍耳电极,R4,（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。,关于霍耳器件符号，名称及型号，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；内阻R2；可调电阻R；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。,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。,上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流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=RI，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,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。,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 I,3、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。,5、最大效率 霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：,6、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。,80,60,40,20,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,VH/mV,=,=7.0,=1.5,=3.0,B/T,理论值,实际值,VH,R3,I,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）与温度的关系。,霍耳材料的温度特征（a）RH与温度的关系；（b）与温度的关系,RH/cm2/A-1,250,200,150,100,50,40,80,120,160,200,LnSb,LnAs,T/,0,2,4,6,/710-3cm,LnAs,200,150,100,50,LnSb,T/,0,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。磁场交变。霍耳输出不仅与频率有关，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）霍耳开关集成传感器,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。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。,1霍耳开关集成传感器的结构及工作原理,2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,VOUT/V,12,ON,OFF,BRP,BOP,BH,B,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,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，,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,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 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。磁铁以滑近移动的方式在传感器前方通过。,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感器的磁感应强度。,S,N,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,磁感应强度B/T,0.10,0.08,0.06,0.04,0.02,0,2.5,5,7.5,10,磁铁与中心线的距离L2/mm,B-L2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。,图2.6-21 推拉式L1-B关系曲线,距离L1/mm,B/T,0.05,-0.05,0,-10,-5,0,5,10,15,-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。,(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。,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,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霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1)传感器的输出特性如下图：,2霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2)传感器的输出特性如下图：,（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,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，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,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）；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 1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PN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。,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。,P,N,P,N,P,N,H=0,H+,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，,i,i,i,电子,孔穴,复合区,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。,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。,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。,（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。,(2.6-26),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，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。,（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性 1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,r,N+,N+,c,e,H-,H+,P+,b,c,e,b,a）,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）磁敏三极管的工作原理,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。,/b=5mA,Ib=4mA,Ib=3mA,Ib=2mA,Ib=1mA,Ib=0mA,IC,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,2,4,6,8,10,VCE/V,/mA,VCE/V,Ib=3mA B-=0.1T,Ib=3mA B=0,Ib=3mA B+=0.1T,2,4,6,8,10,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,IC,/mA,图2.6-35 磁敏三极管伏安特性曲线,2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/0.1T,Ic/mA,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,1,5,2,3,4,-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，曲线近似于一条直线。,(3)温度特性 磁敏三极管对温度也是敏感的。3ACM、3BCM磁敏三极管的温度系数为0.8；3CCM磁敏三极管的温度系数为-0.6。3BCM的温度特性曲线如图2.6-37所示。,温度系数有两种：一种是静态集电极电流Ic0的温度系数；一种是磁灵敏度 的温度系数。在使用温度t1 t2范围 Ic0的改变量与常温（比如25）时的Ic0之比，平均每度的相对变化量被定义为Ic0的温度系数 Ic0CT，即：,同样，在使用温度t1t2范围内，的改变量与25时的 值之比，平均每度的相对变化量被定义为 的温度系数：,(2.6-30),对于3BCM磁敏三极管，当采用补偿措施时，其正向灵敏度受温度影响不大。而负向灵敏度受温度影响比较大，主要表现为有相当大一部分器件存在着一个无灵敏度的温度点，这个点的位置由所加基流（无磁场作用时）Ib0的大小决定。当Ib04mA时，此无灵敏度温度点处于+40左右。当温度超过此点时，负向灵敏度也变为正向灵敏度，即不论对正、负向磁场，集电极电流都发生同样性质变化。因此，减小基极电流，无灵敏度的温度点将向较高温度方向移动。当Ib0=2mA时，此温度点可达50左右。但另一方面，若Ib0过小，则会影响磁灵敏度。所以，当需要同时使用正负灵敏度时，温度要选在无灵敏度温度点以下。,（5）磁灵敏度 磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度 和负向灵敏度 两种。其定义如下：式中 受正向磁场B+作用时的集电极电流；受反向磁场B-作用时的集电极电流；不受磁场作用时，在给定基流情况下的集电极输出电流。,（4）频率特性 3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为10kHz。,(2.6-32),（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用 由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。此外,利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。,（四）、常用磁敏管的型号和参数 3BCM型锗磁敏三极管参数表,3CCM型硅磁敏三极管参数表,真正倡导起母亲节的是一位美国妇女，名叫贾维斯,二、磁敏电阻 是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。（一）磁阻效应 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。,在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化,它可表示为：,为磁感应强度；材料在磁感应强度为时的电阻率；0 材料在磁感应强度为0时的电阻率；载流子的迁移率。,电流只在电极附近偏转，电阻增加很小。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），以短路霍耳电势，这种栅格磁阻器件如图（b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联，提高了磁阻器件的灵敏度,L,W,B,B,磁阻效应,I,I,（a,（b,常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。,霍尔效应使载流子向两边偏转，消弱磁阻效应。欲获得大的磁阻效应，需消除霍尔效应。,当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。长方形磁阻器件只有在L(长度)W（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把LW的扁平器件串联起来，就会零磁场电阻值较大、灵敏度较高的磁阻器件。,1 灵敏度特性 磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。常用K表示，单位为mV/mA.kG即.Kg。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。,（二）磁阻元件的主要特性,2 磁场电阻特性,磁阻元件磁场电阻特性,N级,0.3,0.2,0.1,0,0.1,0.2,0.3,R/,1000,500,S级,(a)S、N级之间电阻特性,B/T,15,RBR0,10,5,温度(25),弱磁场下呈平方特性变化,强场下呈直线特性变化,0,(b)电阻变化率特性,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,B/T,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,在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化,2 电阻温度特性 图是一般半导体磁阻元件的电阻温度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件,103,8,4,2,102,4,2,10,6,-40,0,20,60,100,温度/,电阻变化率%,图2.6-41 半导体元件电阻-温度特性曲线,的温度特性不好。图中的电阻值在35的变化范围内减小了1/2。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,（三）磁敏电阻的应用 磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、UPS、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。,感应式磁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。,三、感应式磁敏传感器,感应式磁敏传感器原理,法拉第电磁感应定律：,导体回路中感应电动势的大小与穿过回路磁通量变化率成正比。,感应电动感势电冬势,通过线圈磁通量,线圈匝数,磁芯导磁率,线圈绕组截面积积,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的测磁装置。,四、磁通门式磁敏传感器,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；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；可和磁秤混合使用组成磁测仪器。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。,1、磁通门式磁敏传感器的物理基础,磁饱和现象饱和磁感应强度Bs饱和磁场强度Hs,（1）磁滞回线和磁饱和现象,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Br,Br,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,磁场强度,磁感强度,磁滞现象,矫顽力,软,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,30,20,10,0,-10,-20,-30,l/l,Fe,Co,Ni,0,10,20,30,40,H/10-4T,45 坡莫合金,（2）磁致伸缩现象,饱和磁致伸缩系数,不论何种原因使通过一回路所包围面积内的磁通量发生变化时，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。,（3）法拉第电磁感应定律,式中 k比例系数。,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,2、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,4,1,3,2f,f,2,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。,L1,L2,LS,H1=2HmsintH2=-2Hmsint,W1,W2,闭合无漏磁W2H2-H1 W1-H2H1,B1,B2,外加磁场破坏平衡，对称轴移动,He,H,He,-Hs,Bm,(a),（b）,=t,H2,H1,H,=t,e1,e2,E,（d）,H,=t,B,B1,B2,（c）,图2.4-4 传感器测磁原理示意图,B,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,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.富氏分解法,结论：测量输出与被测磁场近似成正比,氢原子核的质子是一种带有正电荷的粒子，其本身在不停地自旋，具有一定的磁性。在外磁场的作用下自旋质子将按一定方向排列，称为核子顺磁性。但其磁性甚微，只是在一些磁化率很低的逆磁性物质中才能反映出来，如某些碳氢氧化合物液体(水、酒精、甘油等)。在这些样品中质子受某强磁场激发而具有定方向排列，去掉外磁场，则质子在地磁场作用下将以同相位绕地磁场T旋进，其旋进频率f与地磁场T有以下关系：T=23.4872f，单位为伽马。当测定出频率f以后即可计算出总磁场强度T的数值。利用这种原理制成的仪器称为质子旋进式磁力仪，或称核子旋进式磁力仪。,五、质子旋进式磁敏传感器,旋进现象是自旋的物体在外力矩的作用下沿着外力矩方向改变其角动量矢量的结果。,质子旋进式磁敏传感器是利用质子在外磁场中的旋进现象，根据磁共振原理研制成功的。,物理学已证明物质是具有磁性的。对水分子（H2O）而言，从其分子结构、原子排列和化学价的性质分析得知：水分子磁矩（即氢质子磁矩）在外磁场作用下绕外磁场旋进。,一、质子旋进式磁敏传感器的测磁原理,质子磁矩旋进,T,质子的旋进频率p 为质子旋磁比；T为外磁场强度,f=p T/2,五、质子旋进式磁敏传感器,从经典力学和量子力学观点,此公式的来源均能得以论证。,为方便起见，在此采用经典力学的观点，分析直角坐标系中质子磁矩的旋进情况。,设质子磁矩M在外磁场T作用下有一力矩MT，于是，它和陀螺一样，其动量矩的变化率等于外加力矩，即：,动量矩变化率,磁矩三个分量,设Tz=T(外磁场)；Tx=0；Ty=0,对上式中的第一式微分,显然，为简谐运动方程，其解为,同理,z,x,y,Mz,M,My,Mx,磁矩 M 旋进规律变化示意图,从上式可看出，Mz是常数，磁矩M在z轴上的投影是不变的；磁矩M在x轴上的投影是按余弦规律变化的；磁矩M在y轴上的投影是按正弦规律变化的。由图看出：,磁矩M在xy平面上的投影的绝对值是一个常数，并且在xy平面上旋进。,常数,综合起来看，质子磁矩M在外磁场T的作用下，绕外磁场T旋进，它的轨迹描绘出一个圆锥体，旋进的角频率为，称为拉莫尔频率（Larmor frequency）。,根据简谐运动方程，可得到：即：将此值代入上式,p=（2.675130.00002）S-1T-1,可见，频率f与磁场T成正比，只要能测出频率f，即可间接求出外磁场T的大小,从而达到测量外磁场的目的。,旋磁比：,当被测磁场很弱时，信号幅度大大衰减。对微弱的被测磁场，用一般的核磁共振检测方法是接收不到旋进信号的。为了测得质子磁矩M绕外磁场的旋进频率 f 信号，必须采取特殊方法：,二、磁场的测量与旋进信号,在核磁共振中，共振信号的幅度与被测磁场T3/2成正比。,使沿外磁场方向排列的质子磁矩,在极化场的激励下,建立质子宏观磁矩,并使其方向于外磁场方向垂直或接近垂直,通常采用预极化方法或辅助磁场方法来建立质子宏观磁矩，以增强信号幅度。,具体作法是:用圆柱形玻璃容器装满水样品或含氢质子液体，作为灵敏元件，在容器周围绕上极化线圈和测量线圈或共用一个线圈，使线圈轴向垂直于外磁场T方向。,在垂直于外磁场方向加一极化场H（该场强约为外磁场的200倍）。在极化场作用下，容器内水中质子磁矩沿极化场方向排列，形成宏观磁矩，如下图所示。,当质子磁矩在旋进过程中切割线圈，使线圈环绕面积中的磁通量发生变化，于是在线圈中就产生感应电动势。,当去掉极化场H，质子磁矩则以拉莫尔旋进频率绕外磁场旋进。,M,若测出感应电压的频率，就可计算出外磁场的大小。因为极化场H大于外磁场，故此法可使信噪比增大H/T倍。设外磁场T的磁感强度为0.510-4T，极化场H的磁感强度为10010-4 T，则可使信噪比增大200倍。,在自由旋进的过程中，磁矩M的横向分量以t2（横向弛豫时间）为时间常数并随时间逐渐趋近于零；在测量线圈中所接收的感应信号，也是以t2为时间常数按指数规律衰减的。,M衰减示意图,感应信号衰减示意图,x,y,核心：500cc左右有机玻璃容器,在容器外面绕以数百匝的导线,使线圈轴向与外磁场方向大致垂直,线圈中通以 13A的电流,而形成约0.01T的极化场,使水中质子磁矩指向极化场H的方向。,质子旋进式磁敏传感器,蒸馏水,T,线圈,质子旋进式磁敏传感器的组成,E,若迅速撤去极化磁场,则M的数值与方向均来不及变化,弛豫过程来不及影响M的行为,此时,质子磁矩在自旋和外磁场T的作用下以角速度绕外磁场T旋进。在旋进的过程中，周期性切割测量线圈，产生感应信号。由于弛豫过程的作用，其信号幅度Vt的大小随时间按指数规律衰减，其表示式为：,在实际工作时,线圈轴向与外磁场的夹角不正好保持900,由实测得知：总磁矩量值与sin2成正比例,所以,自由旋进感应信号的电压幅值和sin2成比例。又考虑到旋进信号按指数规律衰减的特点,其感应信号完整表达式应为,M0磁化强度,如果接收线圈有W匝,所包围的面积为S,充填因子为,则,角的大小只影响质子旋进信号的振幅大小，而并不影响质子旋进频率，故在实际测量中，探头无需严格定向。=900时，信号最大。,质子旋进信号强度,t2横向驰豫时间；V0信号初始幅度。,由实验得知,对于几百cm3的样品，线圈为数百匝的传感器，在较好的情况下，质子感应信号仅为0.5 mV左右。感应信号的衰减还和外磁场梯度的大小有关。理论分析和实验表明：测量线圈中产生的感应信号频率即为质子磁矩的旋进频率，这和公式 是一致的。,用质子旋进式磁敏传感器测量外磁场的主要优点是：精度高，一般在（0.110）nT范围内；稳定性好（因p是一常数，其值只与质子本身有关，它的值与外界温度、压力、湿度等因素均无关）；工作速度快，可直读外磁场nT 值；绝对值测量其缺点是：,极化功率大,只能进行快速点测；受磁场梯度影响较大,1.样品选择,如果设计的传感器系用于磁测作业，因水的纵向弛豫时间t1和横向弛豫时间t2较长，故适合地面操作。,选择样品一定要选择水或含有质子的液体，如酒精、煤油、甘油等。几种溶液的驰豫时间t1、t2数值见表。,如果有自动化程度高的测频装置，则可选用t1、t2时间短的样品；如果在空中磁测，由于飞机航速快，选择煤油作样品则是合适的；如果在低温地区工作，除考虑t1、t2外，还应考虑选择冰点低（如甘油）的样品。,三、质子旋进式磁敏传感器的设计,考虑到无磁性，价格便宜，加工方便，选择有机玻璃材料制作容器是合适的。,2.容器的选择,3.激发与接收,据前述：极化场方向应垂直于被测磁场，极化场的大小应大于被测磁场200倍，被测磁场按0.510-4T计算，根据实践经验，应选大于10010-4T的极化场进行激发较妥。为得到大的感应信号，接收线圈的轴向应垂直于被测磁场。必须采用预极化方式才能接收到旋进的感应信号。,由实验和理论计算结果认为；容器的直径和长之比应为l：1.2（1.3）的圆柱形为宜。,接收线圈的种类:地面传感器用单线圈,空中磁测用双线圈,地震台站用环形线圈,海洋磁测用三轴式线圈。,CZM-2型质子磁力仪IGS-2/MP-4质子磁力仪,四、质子旋进式磁敏传感器的应用,光泵式磁敏传感器是高灵敏度光泵磁力仪的核心部件。它是以某些元素的原子在外磁场中产生的塞曼分裂为基础，并采用光泵和磁共振技术研制成的。,六、光泵式磁敏传感器,磁力仪种类：按共振元素的不同,分为氦(He)光泵磁力仪,其中又分He3、He4光泵磁力仪;碱金属光泵磁力仪,其共振元素有铷(Rb85、Rb87)、铯(Cs133)、钾(K39)、汞(Hg)等。,灵敏度高,一般为0.01nT量级,理论灵敏度高达10-210-4nT响应频率高，可在快速变