传感器检测技术磁敏传感器.ppt

传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1 1磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上产生电动势的现象。上产生电动势的现象。霍耳效应原理图霍耳效应原理图+I I+l lw wd dV VH H传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2 2磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院3 3磁敏传感器磁敏传感器K KH H霍耳器件的乘积灵敏度霍耳器件的乘积灵敏度，与材料的物理性质和几，与材料的物理性质和几何尺寸有关，表示单位磁感应强度和单位控制电流何尺寸有关，表示单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。时霍耳电势的大小。若磁感应强度若磁感应强度B B的方向与电流方向夹角为的方向与电流方向夹角为，霍耳电，霍耳电势应为：势应为：U UH H K KH H I B I B H H K KH H I B I B sinsin 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。时，霍耳电势并不改变方向。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院4 4磁敏传感器磁敏传感器80806060404020200 0V VH H/(mV)/(mV)=B(B(T)T)理论值理论值实际值实际值霍耳电势的负载特性霍耳电势的负载特性=R=R3 3/R/R2 2 V VH HR R3 3I I霍耳电势随负载电阻值而改变的情况霍耳电势随负载电阻值而改变的情况传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院5 5磁敏传感器磁敏传感器温度特性温度特性霍霍耳耳电电势势或或灵灵敏敏度度的的温温度度特特性性，以以及及输输入入阻阻抗抗和和输输出出阻阻抗抗的的温温度度特特性性。可可归归结结为为霍霍耳耳系系数数和和电电阻阻率率(或或电电导率导率)与温度的关系。与温度的关系。霍耳材料的温度特征霍耳材料的温度特征（a a）R RH H与温度的关系；（与温度的关系；（b b）与温度的关系与温度的关系R RH H/cm/cm2 2/A/A-1-1250250200200150150100100505040408080120120160160200200LnSbLnSbLnAsLnAsT T/0 02 24 46 6/710/710-3-3cmcmLnAsLnAs2002001501501001005050LnSbLnSbT T/0 0传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院6 6磁敏传感器磁敏传感器频率特性频率特性磁磁场场恒恒定定：给给传传感感器器通通入入交交变变电电流流。到到10kHz10kHz时时交交流流输输出出的的频频率率特特性性很很好好。霍霍耳耳器器件件可可用用于于微微波波范范围围，其其输输出出不不受受频频率影响。率影响。磁磁场场交交变变：霍霍耳耳电电势势不不仅仅与与频频率率有有关关，还还与与器器件件的的电电导导率率、周周围围介介质质的的磁磁导导率率、磁磁路路参参数数(特特别别是是气气隙隙宽宽度度)等等有有关关。这这是由于在交变磁场作用下，元件内部产生是由于在交变磁场作用下，元件内部产生涡流涡流。在交变磁场下，当频率为数十在交变磁场下，当频率为数十kHzkHz时，可以不考虑频率时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数对器件输出的影响，即使在数MHzMHz时，如果能仔细设计气隙时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有宽度，选用合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。良好的频率特性的。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院7 7磁敏传感器磁敏传感器霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势大小与磁场强度霍尔电势大小与磁场强度B B和控制电流和控制电流I I二者的乘二者的乘积成正比。实用中可以把积成正比。实用中可以把I I或或B B作为输入信号，或两者作为输入信号，或两者同时作为输入信号。同时作为输入信号。霍尔传感器按其输出特性分为霍尔传感器按其输出特性分为线性输出型线性输出型和和开关量开关量输出型输出型两种。两种。1)1)线性输出将霍尔元件和放大电路做成一体。输线性输出将霍尔元件和放大电路做成一体。输出电压与通过的磁场强度出电压与通过的磁场强度B B成线性比例关系。用于成线性比例关系。用于磁场磁场检测检测等场合。等场合。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院8 8磁敏传感器磁敏传感器单端输出传感器的电路结构框图单端输出传感器的电路结构框图2 23 3输出输出+稳压稳压V VCCCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大地地H H稳压稳压H H3 3V VCCCC地地4 4输出输出输出输出1 18 86 67 75 5 双端输出传感器的电路结构框图双端输出传感器的电路结构框图 单单端输出：传感端输出：传感器输出电压对外加器输出电压对外加磁场的微小变化能磁场的微小变化能做出线性响应，通做出线性响应，通常将输出电压用电常将输出电压用电容交连到外接放大容交连到外接放大器，将输出电压放器，将输出电压放大到较高的电平。大到较高的电平。双端输出：传感双端输出：传感器是一个器是一个8 8脚双列脚双列直插封装的器件，直插封装的器件，可提供差动输出。可提供差动输出。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院9 9磁敏传感器磁敏传感器测量磁场的大小和方向测量磁场的大小和方向电位差计电位差计mAmAE ES SN NR R霍耳磁敏传感器测磁原理示意图霍耳磁敏传感器测磁原理示意图传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1010磁敏传感器磁敏传感器原原理理：利利用用霍霍耳耳效效应应与与集集成成电电路路技技术术结结合合而而制制成成，能能感感知知与与磁磁信信息息有有关关的的物物理理量量，并并以以开开关关信信号号形形式输出式输出。特特点点：霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器使使用用寿寿命命长长、无无触触点点磨磨损损、无无火火花花干干扰扰、无无转转换换抖抖动动、工工作作频频率率高高、温温度度特性好、能适应恶劣环境。特性好、能适应恶劣环境。2)2)霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1111磁敏传感器磁敏传感器由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围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内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器内部结构框图霍耳开关集成传感器内部结构框图2 23 3输出输出+稳压稳压V VCCCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大BTBT整形整形地地H H传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1212磁敏传感器磁敏传感器霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从从工工作作特特性性曲曲线线上上可可以以看看出出，工工作作特特性性有有一一定定的的磁磁滞滞B BH H，图图中中的的B BOPOP为为工工作作点点“开开”的的磁磁感感应应强强度度，B BRPRP为为释释放点放点“关关”的磁感应强度。的磁感应强度。V VOUTOUT(V)(V)1212ONONOFFOFFB BRPRPB BOPOPB BH HB B0 0外加磁场与传感器输出外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁电平的关系。当外加磁感强度高于感强度高于B BOPOP时，输出时，输出电平由高变低，传感器电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁处于开状态。当外加磁感强度低于感强度低于B BRPRP时，输出时，输出电平由低变高，传感器电平由低变高，传感器处于关状态处于关状态。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1313磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1414磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1515磁敏传感器磁敏传感器霍耳传感器的仪器霍耳传感器的仪器优点：优点：(1)(1)体积小，结构简单、寿命长。体积小，结构简单、寿命长。(2)(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)(3)装置性能稳定，可靠性高。装置性能稳定，可靠性高。(4)(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。缺点：缺点：转转换换效效率率低低，受受温温度度影影响响大大。随随着着新新材材料料新新工工艺艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。不断出现，这些缺点正逐步得到克服。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1616磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1717磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1818磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1919磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2020磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2121磁敏传感器磁敏传感器二、磁敏电阻二、磁敏电阻 电电阻阻随随磁磁场场变变化化而而改改变变的的敏敏感感元元件件，也也称称MRMR元元件件，它的理论基础为它的理论基础为磁阻效应磁阻效应。磁阻效应磁阻效应 给给通通电电的的金金属属或或半半导导体体材材料料薄薄片片加加上上与与电电流流垂垂直直或或平平行行的的外外磁磁场场，则则其其电电阻阻值值会会变变化化。称称此此种种现现象象为为磁致电阻变化效应磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应简称为磁阻效应。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2222磁敏传感器磁敏传感器 在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子种载流子(电子和空穴电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化，它可表示为：率较大的一种载流子引起电阻率变化，它可表示为：为磁感应强度；为磁感应强度；材料在磁感应强度为时的电阻率；材料在磁感应强度为时的电阻率；0 0 材料在磁感应强度为材料在磁感应强度为0 0时的电阻率；时的电阻率；载流子的迁移率。载流子的迁移率。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2323磁敏传感器磁敏传感器没没有有栅栅格格时时，电电流流只只在在电电极极附附近近偏偏转转，电电阻阻增增加加很很小小。在在LWLW长长方方形形磁磁阻阻材材料料上上面面制制作作许许多多平平行行等等间间距距的的金金属属条条(即即短短路路栅栅格格)，相相当当于于许许多多扁扁条条状状磁磁阻阻串串联联。栅栅格格磁磁阻阻器器件件既既增增加加了了零零磁磁场场电电阻阻值值、又又提提高高了了磁磁阻阻器器件件的的灵灵敏度。敏度。LWBBII a b传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2424磁敏传感器磁敏传感器 三、磁敏二极管和磁敏三极管三、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、磁敏三极管是霍耳元件和磁敏电阻之磁敏二极管、磁敏三极管是霍耳元件和磁敏电阻之后发展起来的磁电转换元件。后发展起来的磁电转换元件。优点：优点：磁灵敏度高，磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至磁灵敏度高，磁灵敏度比霍耳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，应数千倍；能识别磁场的极性；体积小、电路简单，应用广泛；在检测、控制等方面普遍应用。用广泛；在检测、控制等方面普遍应用。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2525磁敏传感器磁敏传感器磁敏二极管的结构与工作原理磁敏二极管的结构与工作原理 与普通二极管区别：普通二极管与普通二极管区别：普通二极管PNPN结的长度很短，避结的长度很短，避免载流子在基区里复合，免载流子在基区里复合，磁敏二级管的磁敏二级管的PNPN结很长，大于结很长，大于载流子的扩散长度，由接近本征半导体的高阻材料构成载流子的扩散长度，由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用的。一般锗磁敏二级管用=40=40cmcm左右的左右的P P型或型或N N型单型单晶晶(锗本征半导体的锗本征半导体的=50=50cm)cm)，在它的两端有，在它的两端有P P型和型和N N型锗型锗，若，若r r表示本征，则其表示本征，则其PNPN结实际上是由结实际上是由P Pr r结和结和N Nr r结结共同组成。共同组成。以以2ACM1A2ACM1A为例，磁敏二级管的结构是为例，磁敏二级管的结构是P P+iNiN+型。型。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2626磁敏传感器磁敏传感器+（b b）磁敏二极管的结构和电路符号磁敏二极管的结构和电路符号(a)(a)结构结构;(b);(b)电路符号电路符号H H+H H-N N+区区p p+区区i i区区r r区区电流电流（a a）在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P P型和型和N N型两个区域，并在本征区型两个区域，并在本征区(i)(i)区的一个侧面上，设置高复合区的一个侧面上，设置高复合区区(r(r区区)，而与，而与r r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面，构成磁敏二极管的管芯。面，构成磁敏二极管的管芯。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2727磁敏传感器磁敏传感器流过二极管的电流也在变化，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也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。磁场的不同而不同。磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的当磁敏二极管的P P区接电源正极，区接电源正极，N N区接电源负极，即外加正区接电源负极，即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，P PN NH H电流电流（b b）i iP PN NH H电流电流（c c）i iP PN NH H=0=0电流电流（a a）i i电子电子空穴空穴复合区复合区传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2828磁敏传感器磁敏传感器磁磁电电特特性性：在在给给定定条条件件下下，磁磁敏敏二二极极管管的的输输出出电电压压变变化量与外加磁场变化的关系化量与外加磁场变化的关系 磁敏二极管的磁电特性曲线磁敏二极管的磁电特性曲线（a a）单个使用时（）单个使用时（b b）互补使用时）互补使用时B B/0.10.1T T1.1.0 02.2.0 03.3.0 0-1.0-1.0-2.0-2.00.0.4 40.0.8 81.1.2 21.1.6 62.2.0 0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6-2.0-2.0B B/0.1T0.1T2.2.0 0-1.01.0-2.02.00.0.4 40.0.8 81.1.2 21.1.6 62.2.0 0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6-2.02.01.1.0 03k3kR RE EE=E=12V12V（18V18V）T Td d=20=20（a a）（b b）U U/V/VU U/V/V 下图给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线下图给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2929磁敏传感器磁敏传感器磁敏三极管的结构与原理磁敏三极管的结构与原理磁磁敏敏三三极极管管的的结结构构：NPNNPN型型磁磁敏敏三三极极管管是是在在弱弱P P型型近近本本征征半半导导体体上上，用用合合金金法法或或扩扩散散法法形形成成三三个个结结即即发发射射结、基极结、集电结所形成的半导体元件。在长基结、基极结、集电结所形成的半导体元件。在长基NPNNPN型磁敏三极管的结构和符号型磁敏三极管的结构和符号a)a)结构结构 b)b)符号符号r rN N+N N+c ce eH H-H H+P P+b bc ce eb b区的侧面制成一个区的侧面制成一个复合速率很高的高复合速率很高的高复合区复合区r r。长基区分。长基区分为输运基区和复合为输运基区和复合基区两部分。基区两部分。i i传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院3030磁敏传感器磁敏传感器磁敏三极管的工作原理磁敏三极管的工作原理N N+N N+N N+c cc cc cy yy yy ye ee ee er rr rr rx xx xx xP P+P P+P P+b bb bb bN N+N N+N N+（a a）（b b）（c c）磁敏三极管工作原理示意图磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0;(b)H=(a)H=0;(b)H=H+H+;(c)H=;(c)H=H H-1-1-运输基区；运输基区；2-2-复合基区复合基区1 12 2H HH H传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院3131磁敏传感器磁敏传感器磁电特性：磁电特性：磁敏三极管最重要的工作特性。磁敏三极管最重要的工作特性。B B/0.1T/0.1TI Ic/mAc/mA0.50.50.40.40.30.30.20.20.10.11 15 52 23 34 4-1-1-2-2-3-3传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院3232磁敏传感器磁敏传感器磁敏二极管和磁敏三极管的应用磁敏二极管和磁敏三极管的应用1.1.磁敏管有较高的磁灵敏度，体积和功耗很小，能识别磁磁敏管有较高的磁灵敏度，体积和功耗很小，能识别磁场极性。场极性。2.2.可用于磁场探测仪器可用于磁场探测仪器如漏磁测量仪、地磁测量仪等。如漏磁测量仪、地磁测量仪等。3.3.由于通电导线周围具有磁场，磁场的强弱取决于通电导由于通电导线周围具有磁场，磁场的强弱取决于通电导线中电流大小，利用磁敏管采用非接触方法来线中电流大小，利用磁敏管采用非接触方法来测量导线测量导线中电流中电流。4.4.利用磁敏管制成转速传感器利用磁敏管制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的能测高达每分钟数万转的转速转速)，可制成无触点电位器和漏磁探伤仪等。，可制成无触点电位器和漏磁探伤仪等。