传感器35章磁敏传感器.ppt
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 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、直流磁场，特别适合于测量弱磁场；可用作借助磁场触发的无触点开关。,磁敏二极管2检测到转子磁场磁敏管2输出信号给控制电路3接通对应定子线圈1，产生对转子磁极的拉-推力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旋转磁场使转子旋转,磁敏二极管应用无刷直流电机,End,
