1、傳感器技術(shù)及應(yīng)用機械09,20112012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： 可實現(xiàn)非接觸檢驗，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。 不僅能夠測量運動磁場強度,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，電子在半導(dǎo)體中的流動; (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,電子在流動,二、 磁敏電阻,磁敏電阻是一種電阻隨磁場而變化的

2、磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁電阻效應(yīng)。 1、工作原理 磁電阻效應(yīng)： 將載流導(dǎo)體（金屬或半導(dǎo)體）置于外磁場中，不但產(chǎn)生霍爾效應(yīng)（電勢或電場），同時電阻也會隨磁場而變化。這種現(xiàn)象成為磁敏電阻效應(yīng)，簡稱磁電阻效應(yīng)。,2. 作用機理,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，j=jn + jp,有外磁場H時， jn 與 jp 背向偏轉(zhuǎn),j

3、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，磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時霍爾效應(yīng)更為強烈。在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強。 一般使用N型InSb(銻化銦)和InSbNiSb半導(dǎo)體材料做成磁阻器件。,（2）幾何磁阻效應(yīng),無外磁場時，電流密度矢量j與電場一致 有外磁場時，j與合成電場方向有一夾角,在電極處，合成電場E與金屬電極面垂直 在極板附近 j 出現(xiàn)偏角 ,只在電極附近偏轉(zhuǎn),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20m, （b）矩形磁阻元件，橫向?qū)挾葁 比縱向長度 l 大40

4、倍, （c） 把W l 的扁平器件串聯(lián)起來柵格磁阻器件。,科比諾圓盤,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LW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100,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。,磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度影響較大；因此，使用磁敏電阻時必須首先了解如下圖所示的持性曲線。然后，確定溫度補償方案。,磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)，它只隨磁場強度的增加而增加,磁阻元件的溫度特性不好，在應(yīng)用時，一般都要設(shè)計溫度

5、補償電路。,4、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，僅與磁場強度的絕對值成正比， 磁極每轉(zhuǎn)動180度，某個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度布置的四個磁敏電阻接入電橋電路， 傳感器每相對磁極轉(zhuǎn)動180度，輸出電壓變化一個周期。,UZZ900信號調(diào)理芯片,KMZ41型傳感器：內(nèi)含8個MR形成兩組電橋,兩組磁敏電阻相對磁場布置相差45度，磁阻變化相位差90度 兩組電橋

6、的輸出電壓相位相差90度,KMZ41型傳感器：可以實現(xiàn)辨向功能,兩組電橋制作成相差45度分布，輸出信號相差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,各向異性磁阻傳感器(AMR),原理： *Anisotropic Magnetoresistive Effect各向異性磁阻效應(yīng) 各向異性磁阻傳感器是將鐵鎳合金薄膜沉積在硅基底上構(gòu)成的，沉積的時候薄膜以條帶的形式排布，形成一個平面的線陣以增加磁阻的感知磁場的面積。 當(dāng)外部磁場加到這樣的鐵磁性薄膜上的時候，磁疇旋轉(zhuǎn)，改變空間取向，這樣使得薄膜條帶構(gòu)成的線陣的表觀電阻發(fā)生改變。具體的說，電橋的相對的兩個臂上

7、的電阻增大，而另外兩只相對的臂上的電阻減小，就反應(yīng)在電橋電壓輸出的改變上。,芯片內(nèi)的惠斯通電橋,各向異性磁阻傳感器HMC1002,HoneyWell公司的HMC1002 特性： *響應(yīng)時間短（可以測高頻交變磁場） *測量精度高 （達(dá)10(-8)T) *有兩個敏感軸，可確定平面內(nèi)大小方向 芯片體積小，定位較準(zhǔn)確,芯片管腳排布,HMC1052磁阻傳感器由兩個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 兩個方向的矢量。,三、 磁敏二極管(SMD),工作原理 在高阻半導(dǎo)體芯片（本征型I）兩端，分別制作P、N兩個電極 P、N為重參雜區(qū)，I區(qū)長度較長 I區(qū)一

8、側(cè)光滑，一側(cè)打毛粗糙， 粗糙表面易于使電子空穴對復(fù)合而消失，成為r面（復(fù)合區(qū)） 外加正向偏壓：P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)大量空穴從P區(qū)注入I區(qū)；大量電子從N區(qū)注入I區(qū) 未加磁場，電子和空穴運行方向不偏轉(zhuǎn),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，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，U0 當(dāng)磁場方向使電子、空穴向光滑面偏轉(zhuǎn)時，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, U0,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,互補使用時，正、反向磁靈敏度曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性。,溫度補償及提高靈敏度的措施 互補式電路,溫度特性曲線,差分式電路,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：,(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