第二章磁敏傳感器 b(2.3-2.7)

1、第二章 磁敏傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 質子旋進式磁敏傳感器質子旋進式磁敏傳感器 第二節(jié)第二節(jié) 光泵式磁敏傳感器光泵式磁敏傳感器 第三節(jié)第三節(jié) SQUIDSQUID磁敏傳感器磁敏傳感器 第四節(jié)第四節(jié) 磁通門式磁敏傳感器磁通門式磁敏傳感器 第五節(jié)第五節(jié) 感應式磁敏傳感器感應式磁敏傳感器 第六節(jié)第六節(jié) 半導體磁敏傳感器半導體磁敏傳感器 第七節(jié)第七節(jié) 機械式磁敏傳感器機械式磁敏傳感器 磁敏傳感器是對磁場參量(B,H,)敏感的元器件或裝置 ,具有把磁學物理量轉換為電信號的功能。靈敏度極高靈敏度極高：可達10-15T，比靈敏度較高的光泵式磁敏傳感器要高出幾個數(shù)量級；第三節(jié)第三節(jié) SQUIDSQUID磁敏傳感器

2、磁敏傳感器SQUID磁敏傳感器是一種新型的靈敏度極高的磁敏傳感器，是以約瑟夫遜（Jose Phson）效應為理論基礎，用超導材料制成的，在超導狀態(tài)下檢測外磁場變化的一種新型磁測裝置。特點特點頻帶寬：頻帶寬：響應頻率可從零響應到幾kHz。測量范圍寬測量范圍寬：可從零場測量到幾kT；n深部地球物理深部地球物理：用帶有SQUID磁敏傳感器的大地電磁測深儀進行大地電磁測深，效果甚好。n在古地磁考古古地磁考古、測井測井、重力勘探重力勘探及預報天然地震預報天然地震中， SQUID也具有重要作用。n在生物醫(yī)學生物醫(yī)學方面，應用SQUID磁測儀器可測量心磁圖、腦磁圖等，從而出現(xiàn)了神經磁學、腦磁學等新興學科，為

3、醫(yī)學研究開辟了新的領域。n在固體物理固體物理、生物物理生物物理、宇宙空間宇宙空間的研究中，SQUID可用來測量極微弱的磁場，如美國國家航空宇航局用SQUID磁測儀器測量了阿波羅飛行器帶回的月球樣品的磁矩。nSQUID技術還可用作電流計，電壓標準，計算機中存儲器，通訊電纜等；在超導電機、超導輸電、超導磁流體發(fā)電、超導磁懸浮列車超導磁懸浮列車等方面，均得到廣泛應用。 應用領域應用領域超導電性：在某一溫度TC以下電阻值突然消失的現(xiàn)象。（a）T/K0T/K 00K0TC（b）電阻隨溫度變化曲線a、正常導體；b、超導體一、一、SQUIDSQUID磁敏傳感器的基本原理磁敏傳感器的基本原理超導體：具有超導電

4、性的物體。臨界溫度(TC)：超導體從具有一定電阻值的正常態(tài)轉變?yōu)殡娮柚低蝗粸榱銜r所對應的溫度,其值一般從3.4K至18K超導體特性：理想導電性理想導電性；完全逆磁性完全逆磁性；磁通量子化磁通量子化。SSNNHH（c）（b）（a）（a）TTc H 0（b）TTC H 0（c）TTC H = 0 理想導電性實驗1、理想導電性零電阻特性 若將一超導環(huán)置于外磁場中，然后使其降溫至臨界溫度以下，再撤掉外加磁場，此時發(fā)現(xiàn)超導環(huán)內有一感生電流I，超導環(huán)內無電阻消耗能量，此電流將永遠維持下去 ，因無電阻。 （a）（b）邁斯納效應示意圖（a）正常態(tài)時，超導體內部磁場分布（b）在超導態(tài)時，超導體內部磁場分布2、完

5、全逆磁性，邁斯納(Meissner)效應， 或排磁效應 超導體不管在有無外磁場存在情況下，一旦進入超導狀態(tài)，其內部磁場均為零，即磁場不能進入超導體內部而具有排磁性，亦稱之為邁斯納效應。 根據(jù)邁斯納效應，把磁體放在超導盤上方，或在超導環(huán)上方放一超導球時， 圖(a)中超導盤和磁鐵之間有排斥力，能把磁鐵浮在超導盤的上面；圖(b)中由于超導球有磁屏蔽作用，其結果可使超導球懸浮起來。這種現(xiàn)象稱為磁懸浮現(xiàn)象。 N S 超導球磁導盤（a）（b）磁懸浮現(xiàn)象示意圖 假定有一中空圓筒形超導體中空圓筒形超導體(如圖)并 按下列步驟進行：(1)常態(tài)讓磁場H穿過圓筒的中空部分。(2)超導態(tài)筒的中空部分有磁場。3、 磁通

6、量子化感生電流H0 T4mA時，此無靈敏度溫度點處于+40左右。 當溫度超過此點時，負向靈敏度也變?yōu)檎蜢`敏度，即不論對正、負向磁場，集電極電流都發(fā)生同樣性質變化。 因此，減小基極電流，無靈敏度的溫度點將向較高溫度方向移動。當Ib0=2mA時，此溫度點可達50左右。但另一方面，若Ib0過小，則會影響磁靈敏度。所以，當需要同時使用正負靈敏度時，溫度要選在無靈敏度溫度點以下。 （5）磁靈敏度 磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈敏度 和負向靈敏度 兩種。其定義如下： 式中 受正向磁場B+作用時的集電極電流； 受反向磁場B-作用時的集電極電流； 不受磁場作用時，在給定基流情況下的集電極輸出電流。hhTIII

7、hcccB1 . 0/%10000cBIcBI0cI（4）頻率特性 3BCM鍺磁敏三極管對于交變磁場的頻率響應特性為10kHz。 (2.6-32)（三）磁敏二極管和磁敏三極管的應用（三）磁敏二極管和磁敏三極管的應用 由于磁敏管有效高的磁靈敏度，體積和功耗都很小，且能識別磁極性等優(yōu)點，是一種新型半導體磁敏元件，它有著廣泛的應用前景。 利用磁敏管可以作成磁場探測儀器如高斯計、漏磁測量儀、地磁測量儀等。用磁敏管作成的磁場探測儀，可測量10-7T左右的弱磁場。根據(jù)通電導線周圍具有磁場，而磁場的強弱又取決于通電導線中電流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接觸方法來測量導線中電流。而用這種裝置來檢測磁場還

8、可確定導線中電流值大小，既安全又省電，因此是一種備受歡迎的電流表。 此外,利用磁敏管還可制成轉速傳感器(能測高達每分鐘數(shù)萬轉的轉速),無觸點電位器和漏磁探傷儀等。（四）、常用磁敏管的型號和參數(shù)（四）、常用磁敏管的型號和參數(shù) 3BCM型鍺磁敏三極管參數(shù)表型鍺磁敏三極管參數(shù)表%10000ccBcIIIh參 數(shù)單位測試條件規(guī)范ABCDE磁靈敏度%Ec=6V,RL=100,Ib=2mA,B= 0.1T5101015 1520 202525擊穿電壓BUccoVIc=1.5mA2020252525漏電流Icc0Vcs=6A200200200200200最大基極電流mAEc=6VRL=5k4功耗PcmmW

9、45使用溫度 -4065最高溫度 75mA3CCM型硅磁敏三極管參數(shù)表型硅磁敏三極管參數(shù)表 A%10000ccBcIIIh參數(shù)單 位測試條件規(guī)范磁靈敏度%Ec=6VIb=3mAB= 0.1T5%擊穿電壓BUccoVIc=1020V漏電流Icc0Ice=6A5功耗mW 20mW使用溫度 -4085最高溫度 100溫度系數(shù)%/ -0.10-0.25%/A三、磁敏電阻三、磁敏電阻 是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎為磁阻效應。（一）（一） 磁阻效應磁阻效應 若給通以電流的金屬或半導體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應，

10、簡稱為磁阻效應。 在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導體材料的兩種載流子 (電子和空穴 )的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化 ,它可表示為：22000273. 0B為磁感應強度；材料在磁感應強度為時的電阻率；0 材料在磁感應強度為0時的電阻率；載流子的遷移率。 當材料中僅存在一種載流子時磁阻效應幾乎可以忽略，此時霍耳效應更為強烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應很強。 磁阻效應還與樣品的形狀、尺寸密切相關。這種與樣品形狀、尺寸有關的磁阻效應稱為磁阻效應的幾何磁阻效應。 長方形磁阻器件只有在L(長度)

11、W（寬度）的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把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），以短路霍耳電勢，這種柵格磁阻器件如圖2.6-38（b）所示，就相當于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。所以柵格磁阻器件既增加了零磁場電阻值、又提高了磁LWBB圖2.6-38 幾何磁阻效應II（a（b阻器件的靈敏度。 常用的磁阻元件有半導體磁阻元件和強磁磁阻元件。其內部有制作成半橋或全橋等多種形式。1 靈敏度特性 磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁場強度下的電阻變化率來表示，即磁場電阻特性的斜率。常用K表示，單位為mV/mA.kG即.Kg。在運算時常用RB/R0求得，R0表示無磁場情況下，磁阻元件的電阻值

12、，RB為在施加0.3T磁感應強度時磁阻元件表現(xiàn)出來的電阻值，這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于2.7。 （二）（二） 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性2 磁場電阻特性 磁阻元件磁場電阻特性N級0.30.20.100.10.2 0.3R/1000500S級(a) S、N級之間電阻特性B/T15RBR0105溫度(25)弱磁場下呈平方特性變化強場下呈直線特性變化0(b)電阻變化率特性0.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4B/T磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關，它只隨磁場強度的增加而增加在0.1T以下的弱磁場中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過0.1T后呈現(xiàn)線性變化圖2.6-40 強磁磁阻元

13、件電阻-磁場特性曲線輸出電壓V磁飽和點B=Bs0(b)磁場輸出特性H 圖2.6-40顯示的是強磁磁阻元件的磁場電阻特性曲線。 從圖中可以看出它與圖2.6-39（a）曲線相反，即隨著磁場的增加，電阻值減少。并且在磁通密度達數(shù)十到數(shù)百高斯即飽和。一般電阻變化為百分之幾。 3 電阻溫度特性 圖2.6-41是一般半導體磁阻元件的電阻溫度特性曲線，從圖中可以看出，半導體磁阻元件10384210242106-4002060100溫度/電阻變化率%圖2.6-41 半導體元件電阻-溫度特性曲線的溫度特性不好。圖中的電阻值在35的變化范圍內減小了1/2。因此，在應用時，一般都要設計溫度補償電路。圖2.6-42是強磁磁阻元件的電阻溫度特性曲線，圖中給出了采用恒流、恒壓供電方式時的溫度特性。13010050電阻變化率%-30BX10-4/T電阻+3500ppm/0 輸出(恒流工作) -500ppm/ 輸出(恒壓工作) -300ppm/圖2.6-42 強磁阻元件電阻-磁場特性曲線 可以看出，采用恒壓供電時，可以獲得500ppm/的良好溫度特性，而采用恒流供電時卻高達3500 ppm/。但是由于強磁磁阻元