傳感器技術(shù)及應(yīng)用

機(jī)械092011～2012第二學(xué)期2012年3月5.6磁敏傳感器半導(dǎo)體磁敏傳感器：可將磁場強(qiáng)度參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳?shù)的傳感器。種類：霍爾傳感器、磁敏電阻傳感器、磁敏二極管、磁敏晶體管等。特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)非接觸檢驗(yàn)，壽命長、可靠性高。從直流（0Hz）到高頻（數(shù)十GHz）其特性完全一樣。不僅能夠測量運(yùn)動(dòng)磁場強(qiáng)度,也能測量靜止的磁場。能夠使器件小型化和集成化。一、霍爾元件霍爾電壓形成的定性說明(a)磁場為0時(shí)，電子在半導(dǎo)體中的流動(dòng);(b)磁場不為0，電子在勞倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn);(c)電荷積累達(dá)到平衡時(shí),電子在流動(dòng)2.作用機(jī)理外磁場改變了導(dǎo)體載流子遷移的路徑，致使與外界電場同方向的電流分量減小，等價(jià)于電阻增大磁敏元件載流子遷移率幾何形狀物理磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)電阻率相對變化電阻相對變化（1）物理磁阻效應(yīng)具有兩種載流子的材料通電后，電子和空穴電流密度分別為jn和jp，總電流密度j無外磁場H時(shí)，j=jn+jp有外磁場H時(shí)，jn與jp背向偏轉(zhuǎn)j<jn+jp相當(dāng)于增大磁敏電阻材料當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)，磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時(shí)霍爾效應(yīng)更為強(qiáng)烈。在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。一般使用N型InSb(銻化銦)和InSb―NiSb半導(dǎo)體材料做成磁阻器件。增大磁阻效應(yīng)途徑：縮短電流路徑l，增大電極長度w，減薄磁阻材料d（a）用薄膜技術(shù)制作在基片上，典型厚度是20μm,（b）矩形磁阻元件，橫向?qū)挾葁比縱向長度l大40倍,（c）把W>l的扁平器件串聯(lián)起來——柵格磁阻器件?？票戎Z圓盤中心和邊緣為兩電極不存在橫向霍爾電場和電勢磁敏電阻變化更加明顯柵格磁阻器件在L>W長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），相當(dāng)于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。零磁場電阻約100Ω,柵格金屬條在100根以上。柵格磁阻器件既增加了零磁場電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。LBILBIBI4、磁阻式傳感器應(yīng)用——磁阻效應(yīng)角度傳感器測量原理——輸出電壓與磁場角度成正比由于電阻沒有極性，僅與磁場強(qiáng)度的絕對值成正比，磁極每轉(zhuǎn)動(dòng)180度，某個(gè)位置上的磁敏電阻阻值變化一周期，相對180度布置的兩磁敏電阻a和d同步變化＋R與a，d相差90度布置的磁敏電阻b，c變化周期差180度，即b，c與a，d正好反相－R磁阻式傳感器應(yīng)用——磁阻效應(yīng)角度傳感器將相間90度布置的四個(gè)磁敏電阻接入電橋電路，傳感器每相對磁極轉(zhuǎn)動(dòng)180度，輸出電壓變化一個(gè)周期。UZZ900信號(hào)調(diào)理芯片KMZ41型傳感器：

內(nèi)含8個(gè)MR形成兩組電橋兩組電橋制作成相差45度分布，輸出信號(hào)相差90度可判別角度方向轉(zhuǎn)速傳感器傳感器與調(diào)理電路安裝工作原理輸出方波——頻率信號(hào)芯片內(nèi)的惠斯通電橋芯片管腳排布

HMC1052磁阻傳感器由兩個(gè)AMR傳感器(各向異性磁阻傳感器)整合在一起,可以把任何水平方向的磁場分解為X,Y兩個(gè)方向的矢量。磁敏二極管加正向電壓：P+——N-當(dāng)磁場方向使電子、空穴向r面偏轉(zhuǎn)時(shí)，載流子對因復(fù)合而消失，使I區(qū)載流子數(shù)目大為減少，該管外部表現(xiàn)為電阻增大，電流減小，壓降增大，U>0

當(dāng)磁場方向使電子、空穴向光滑面偏轉(zhuǎn)時(shí)，復(fù)合率變小，外部表則現(xiàn)為電阻減小，電流增大，壓降減小,U<0

磁敏二極管的伏安特性在給定磁場情況下，磁敏二極管兩端正向偏壓和通過它的電流的關(guān)系曲線。在一定條件下，磁敏二極管的輸出電壓的變化量U與外加磁場的關(guān)系磁敏二極管的磁電特性：磁敏二極管的磁電特性互補(bǔ)使用時(shí)，正、反向磁靈敏度曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性。溫度補(bǔ)償及提高靈敏度的措施①互補(bǔ)式電路溫度特性曲線②差分式電路③全橋式電路要求:靈敏度高用交流電源或脈沖電壓源磁敏二極管與其它磁敏器件相比，具有以下特點(diǎn)：(1)靈敏度高,磁敏二極管的靈敏度比霍爾元件高幾百甚至上千倍，而且線路簡單，成本低廉。(2)靈敏度與磁場關(guān)系呈線性的范圍比較窄，但是弱磁場情況下具有較好的線性。（3）具有正反磁靈敏度磁敏二極管可用來檢測交、直流磁場，特別適合于測量弱磁場；可用作借助磁場觸發(fā)的無觸點(diǎn)開關(guān)。磁敏二極管2檢測到轉(zhuǎn)子磁