1、第五章 磁敏传感器,第一节 质子旋进式磁敏传感器第二节 光泵式磁敏传感器 第三节 SQUID磁敏传感器第四节 磁通门式磁敏传感器第五节 感应式磁敏传感器第六节 半导体磁敏传感器第七节 机械式磁敏传感器,磁敏传感器是对磁场参量(B,H,)敏感的元器件或装置 ,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。,灵敏度极高：可达10-15T，比灵敏度较高的光泵式磁敏传感器要高出几个数量级；,第三节 SQUID磁敏传感器,SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器，是以约瑟夫逊（Jose Phson）效应为理论基础，用超导材料制成的，在超导状态下检测外磁场变化的一种新型磁测装置。,特
2、点,频带宽：响应频率可从零响应到几kHz。,测量范围宽：可从零场测量到几kT；,深部地球物理：用带有SQUID磁敏传感器的大地电磁测深仪进行大地电磁测深，效果甚好。 在古地磁考古、测井、重力勘探及预报天然地震中， SQUID也具有重要作用。 在生物医学方面，应用SQUID磁测仪器可测量心磁图、脑磁图等，从而出现了神经磁学、脑磁学等新兴学科，为医学研究开辟了新的领域。 在固体物理、生物物理、宇宙空间的研究中，SQUID可用来测量极微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用SQUID磁测仪器测量了阿波罗飞行器带回的月球样品的磁矩。 SQUID技术还可用作电流计，电压标准，计算机中存储器，通讯电缆等；在超导
3、电机、超导输电、超导磁流体发电、超导磁悬浮列车等方面，均得到广泛应用。,应用领域,超导电性：在某一温度TC以下电阻值突然消失的现象。,（a）,T/K,0,T/K,0,0K,0,TC,（b）,电阻随温度变化曲线 a、正常导体；b、超导体,一、SQUID磁敏传感器的基本原理,超导体：具有超导电性的物体。 临界温度(TC)：超导体从具有一定电阻值的正常态转变为电阻值突然为零时所对应的温度,其值一般从3.4K至18K,超导体特性：理想导电性；完全逆磁性；磁通量子化。,S,S,N,N,H,H,（c）,（b）,（a）,（a）TTcH 0,（b）TTCH 0,（c）TTCH = 0,理想导电性实验,1、理想
4、导电性零电阻特性,若将一超导环置于外磁场中，然后使其降温至临界温度以下，再撤掉外加磁场，此时发现超导环内有一感生电流I，超导环内无电阻消耗能量，此电流将永远维持下去 ，因无电阻。,（a）,（b）,迈斯纳效应示意图 （a）正常态时，超导体内部磁场分布 （b）在超导态时，超导体内部磁场分布,2、完全逆磁性，迈斯纳(Meissner)效应， 或排磁效应,超导体不管在有无外磁场存在情况下，一旦进入超导状态，其内部磁场均为零，即磁场不能进入超导体内部而具有排磁性，亦称之为迈斯纳效应。,根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导环上方放一超导球时， 图(a)中超导盘和磁铁之间有排斥力，能把磁铁浮在超导
5、盘的上面；图(b)中由于超导球有磁屏蔽作用，其结果可使超导球悬浮起来。这种现象称为磁悬浮现象。,N S,超导球,磁导盘,（a）,（b）,磁悬浮现象示意图,假定有一中空圆筒形超导体(如图)并 按下列步骤进行： (1)常态让磁场H穿过圆筒的中空部分。 (2)超导态筒的中空部分有磁场。,3、 磁通量子化,感生电流,H0 TTC,冻结磁通示意图,(3)超导态撤掉磁场H，圆筒的中空部分仍有磁场，并使磁场保持不变。称为冻结磁通现象。,超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的，并且只能取0的整数倍，而不能取任何别的值。,h普郎克常数，e 电子电量，0磁通量量子，磁通量自然单位,中空部分通过的总磁通量,
6、该图是两块超导体中间隔着一厚度仅1030的绝缘介质层而形成的 “超导体绝缘层超导体”的结构，通常称这种结构为超导隧道结，也称约瑟夫逊,结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特殊而有用的性质。 超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡地流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。,绝缘层,超导体,超导体,超导结示意图,4、约瑟夫逊效应,直流约瑟夫逊效应表明，超导隧道结的介质层具有超导体的一些性质，
7、但不能认为它是临界电流很小的超导体，它还有一般超导体所没有的性质。实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压，即f = KV 式中 K=2e/h=483.61012Hz/V。 根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波。,可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。,约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。而临界电流IC对磁场亦很敏感，即随着磁场的加大临界电流IC逐渐变小，如图所示。,超导结的Ic-H曲线,0,1,2,3,4,5,6,20,10,H,=0,Ic,5、ICH 特性,根据量子力学理论，超导
8、结允许通过的最大超导电流Imax与的关系式,沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量； 0磁通量子； IC(0)没有外磁场作用时，超导结的临界电流。,IC是的周期函数,超导结临界电流随外加磁场而周期起伏变化的原理,完全可用于测量磁场中。例如,若在超导结的两端接上电源,电压表无显示时,电流表所显示的电流是为超导电流;电压表开始有电压显示时,则电流表所显示的电流为临界电流IC,此时,加入外磁场后,临界电流将有周期性的起伏,且其极大值逐渐衰减,振荡的次数n乘以磁通量子0,可得到透入超导结的磁通量=n0。而磁通量和磁场H成正比关系,如果能求出,磁场H即可求出。同理,若外磁场H有变化,则磁通量亦随变
9、化,在此变化过程中,临界电流的振荡次数n乘以0即得到磁通量的大小,亦反映了外磁场变化的大小。因而,可利用超导技术测定外磁场的大小及其变化。,临界电流随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场作用下，超导结各点的超导电流具有确定的相位。相位相反的电流互相抵消；相位相同的电流互相迭加。,测磁原理,测量外磁场的灵敏度与测定振荡的次数n的精度及的大小有关。设n可测准至一个周期的1/100，则测得最小的变化量应为0/100=210-15Tm2。若假设磁场在超导结上的透入面积为Ld (L是超导结的宽度，一般为0.lmm左右；d是磁场在介质层及其两侧超导体中透入的深度)，则对SnSnOSn结来说，锡的穿透深度
10、=500，亦即d=2=1000。则，Ld 110-11m2，这里临界电流的起伏周期是磁通量子0,0=210-15Tm2,对于透入面积Ld为110-11m2的锡结而言，临界电流的起伏周期是：,二、SQUID磁敏传感器的构成类型,超导量子干涉器（SQUID）是指由超导隧道结和超导体组成的闭合环路。其临界电流是环路中外磁通量的周期函数；其周期则为磁通量子0，它具有宏观干涉现象。通常，人们称这样的超导环路为超导量子干涉器件。,射频超导量子干涉器（RF SQUID） 直流超导量子干涉器（DC SQUID）,超导量子干涉器件有两种类型：,CT,RT,RF 振荡器,（一）RF SQUID 射频超导量子干涉器
11、含有一个超导隧道结的超导环，在超导环中存在超导量子干涉效应。测量时，采用射频电流进行偏置，其构成形式如图所示。,超导环,偏置的目的是使超导结周期地达到临界状态,使环外磁通以量子化的形式进入环内，从而在超导环内的超导电流产生周期变化，这样在结上产生周期电动势，实现磁测。,采用交流偏置,将一射频磁场耦合到超导环上，在外磁通作用下,测量超导结产生电动势。,输入线圈,RF线圈,铌圆柱,压板,铌碗,隧道结,铌柱,输入线圈,RF线圈,(a),(b),(c),(d),(e),(f),铌膜 微桥,RF SQUID结构图,IA,IB,C1,C2,1,2,A,B,I,DC SQUID构成示意图,（二）DC SQU
12、ID 直流超导量子干涉器（DC SQUID）是在一块超导体上由两个超导隧道结而构成的超导环。超导环中存在超导量子干涉效应，测量时用直流电流进行偏置，如图所示。,E,应用超导量子干涉器检测磁通量变化时，除经常使用的锁相放大技术外，还采用 超导磁通变换器方法 零磁通法 零电流方法,三、SQUID 磁敏传感器的检测方法,利用磁通变换器可以提高测量磁场及测量磁场梯度的灵敏度，同时还可以完成其它一些有关磁的测量，如测定物质的磁化率等。,（一）超导磁通变换器方法超导磁通变换器由SQUID加上两个互相连接的线圈构成，如图所示。图中的L环是超导环的电感，L2是与超导环相耦合的线圈电感，L1是与外磁通相耦合，且
13、与L2相连的线圈电感。,音频振荡器,射频振荡器,相敏检波器,放大器,积分器,Vf,Rf,CT,LT,(a),音频振荡器,放大器,Vf,Rf,LT,CT,调制线圈,（b）,积分器,相敏检波器,（二）零磁通法,谐振线圈,超导环,超导环,（三）零电流法 采用反馈方式，反馈电流不是加到直接与超导环耦合的线圈上，而是加到与磁通变换器附加线圈Lf相耦合的反馈线圈上，如图所示。,探测线圈,输入线圈,磁通变换器中的电流为零； 在探测线圈附近的磁场畸变不大。,优点：,超导环,超导核磁共振仪，超导核磁共振磁力仪超导核磁共振测井仪,四、SQUID磁敏传感器的应用,磁测量,超导磁力仪，超导磁力梯度仪 超导岩石磁力仪，
14、超导磁化率仪,电测量,超导检流计，超导微伏计，超导电位计,重力测量,超导重力仪，超导加速仪 超导重力梯度仪,超导辐射检测器,辐射测量,磁共振测量,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研制成的测磁装置。,第四节 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，既可测纵向向量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，且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
15、，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。,一、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,（一）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,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,（二）磁致伸缩现象,饱和磁
16、致伸缩系数,内容：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。,（三）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,二、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
17、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=2Hmsint H2=-2Hmsint,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,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
18、技术研制成的测磁装置，可用于测量交变场中磁场变化率。,第五节 感应式磁敏传感器,一、感应式磁敏传感器的物理基础,法拉第电磁感应定律,发射机T，向发射线圈供给交变电流，它在线圈周围则建立起交变电磁场，称为一次场。如果地下有良导矿体存在，则矿体被一次场所激发而在矿体内产生感应电流，这是一种涡旋电流（涡流），此涡流在空间也产生交变磁场向周围发射，这种场称为二次场或异常场。,一、霍尔磁敏传感器 二、磁敏二极管和磁敏三极管 三、磁敏电阻,第六节 半导体磁敏传感器,一、霍尔磁敏传感器 （一）霍尔效应,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,+,+,+,+,+,+,+,+
19、,+,+,+,l,w,d,霍尔效应原理图,VH,（二）霍尔磁敏传感器工作原理,设霍尔片的长度为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,霍尔电势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,P型半导体,霍尔系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率,pP型半导体中的孔穴浓度,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，
20、绝缘材料，很高但很小。故为获得较强霍尔效应，霍尔片全部采用半导体材料制成。,设 KH=RH / d,KH霍尔器件的乘积灵敏度。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尔电势的大小。,若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为时，霍尔电势应为：,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，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。,霍尔器件片 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）霍尔磁敏传感器（
21、霍尔器件）,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,霍尔电极,R4,（c）,霍尔输出端的端子C、D相应地称为霍尔端或输出端。 若霍尔端子间连接负载,称为霍尔负载电阻或霍尔负载。 电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。 霍尔端子间的电阻，称为输出电阻或霍尔侧内部电阻。,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。,关于霍尔器件符号，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； 霍尔电势VH； 控制电压V； 输出电阻R
22、2； 输入电阻R1； 霍尔负载电阻R3； 霍尔电流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。霍尔输出端接负载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垂直通过霍尔器件,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。,上两式是霍尔器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍尔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=R1I，可得控制电压和霍尔电势的关系式,设霍
23、尔片厚度d均匀，电流I和霍尔电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I和霍尔电势VH的关系式,（四）、基本特性,1、直线性：指霍尔器件的输出电势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，表示霍尔电势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)。因为霍尔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。磁场灵敏度等于霍尔元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍尔电势值。常用于磁场测量等情况。,KI电流灵敏
24、度，电流灵敏度等于霍尔元件在单位磁感应强度下电流对应的霍尔电势值。,若控制电流值固定，则：,VHKBB,若磁场值固定，则：,VHKI I,3、额定电流：霍尔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 在霍尔电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，当霍尔电极间的内阻R2等于霍尔负载电阻R3时，霍尔输出功率为最大。,5、最大效率 霍尔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 当霍尔电极间串接有负载时，因为流过霍尔电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍尔电势比理论值小。由于霍尔电极间内阻和磁阻效应的影响，霍尔电势和磁感应强度之间
25、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,霍尔电势的负载特性,=R3/R2,霍尔电势随负载电阻值而改变的情况,7、温度特性：指霍尔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。它们可归结为霍尔系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。,霍尔材料的温度特征 （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,/710-3
26、cm,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,霍尔器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。 磁场交变。霍尔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
27、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。,霍尔开关集成传感器是利用霍尔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。霍尔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） 霍尔开关集成传感器,由稳压电路、霍尔元件、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霍尔开关集成传感器的结构及工作原理,2霍尔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
28、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。,霍尔开关集成传感器的工作特性曲线,VOUT/V,12,ON,OFF,BRP,BOP,BH,B,霍尔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霍尔开关集成传感器的应用（1）霍尔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
29、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,在霍尔开关应用时，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。,
30、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，
31、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、旁路，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。,霍尔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
32、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.霍尔开关集成传感器的应用领域,1霍尔线性集成传感器的结构及工作原理 霍尔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尔元件和放大器组成，当外加磁场时,霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压,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。霍尔开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍尔线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍尔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
33、尔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）霍尔线性集成传感器,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霍尔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霍尔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）霍尔磁敏传感器的应用利用霍尔效应制作的霍尔器件，不仅在磁场测量方面，而且在测
34、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。利用霍尔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。,利用霍尔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)霍尔器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍尔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
35、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，霍尔器件磁通密度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、三极管是继霍尔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（磁灵敏度比霍尔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
36、敏二极管的结构 有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种。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，磁敏二极管的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。一般锗磁敏二极管用=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，磁敏二极管的结构是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
37、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,空穴,复合区,在电路中，P区接正电极，N区接负电极，即给磁敏二极
38、管加上正电压时，P区向i区注人空穴，N区向i区注入电子。在没有外加磁场时，大部分的空穴和电子分别流人N区和P区而产生电流，只有很少一部分载流子在i区或r区复合，如图(a)所示。此时i区有固定的阻值，器件呈稳定状态。 若给磁敏二极管外加一个磁场B时，在正向磁场的作用下，空穴和电子在洛仑兹力的作用下偏向r区，如图(b)所示。由于空穴和电子在r区的复合速率大，因此载流子复合掉的比没有磁场时大得多，从而使i区中的载流子数目减少，i区电阻增大，该区的电压降也增加，又使P与N结的结压降减小，导致注人到i区的载流子数目减少。其结果是使i区的电阻继续增大，其压降也继续增大，形成正反馈过程，直到迸人某一动平衡状
39、态为止。 当给磁敏二极管加一个反向磁场B-时，载流子在洛仑兹力的作用下均偏离复合区r，如图(c)所示。其偏离r区的结果与加正向磁场时的情况恰恰相反，此时磁敏二极管的正向电流增大，电阻减小。,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。 磁敏二极管是采用电子与空穴双重注人效应及复合效应原理工作的，具有很高的灵敏度。由于磁敏二极管在正、负磁场作用下，其输
40、出信号增量的方向不同，因此利用这一点可以判别磁场方向。,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
41、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
42、，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。,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
43、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(
44、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,I
45、b=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,
46、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
47、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。,
