山东建筑大学-传感器35章磁敏传感器课件

1、传感器技术及应用机械0920112012第二学期2012年3月5.6 磁敏传感器半导体磁敏传感器：可将磁场强度参数转变为电参数的传感器。种类：霍尔传感器、磁敏电阻传感器、磁敏二极管、磁敏晶体管等。特点：可实现非接触检验，寿命长、可靠性高。从直流（0Hz）到高频（数十GHz）其特性完全一样。不仅能够测量运动磁场强度,也能测量静止的磁场。能够使器件小型化和集成化。 一、霍尔元件霍尔电压形成的定性说明(a)磁场为0时，电子在半导体中的流动;(b)磁场不为0，电子在劳伦兹力作用下发生偏转;(c)电荷积累达到平衡时,电子在流动二、 磁敏电阻磁敏电阻是一种电阻随磁场而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论

2、基础为磁电阻效应。1、工作原理磁电阻效应：将载流导体（金属或半导体）置于外磁场中，不但产生霍尔效应（电势或电场），同时电阻也会随磁场而变化。这种现象成为磁敏电阻效应，简称磁电阻效应。 2. 作用机理 外磁场改变了导体载流子迁移的路径，致使与外界电场同方向的电流分量减小，等价于电阻增大磁敏元件载流子迁移率几何形状物理磁阻效应几何磁阻效应电阻率相对变化电阻相对变化（1）物理磁阻效应具有两种载流子的材料通电后，电子和空穴电流密度分别为 jn 和jp ，总电流密度j无外磁场H时，j=jn + jp有外磁场H时，jn 与 jp 背向偏转j l 的扁平器件串联起来栅格磁阻器件。科比诺圆盘中心和边缘为两电极

3、不存在横向霍尔电场和电势磁敏电阻变化更加明显栅格磁阻器件在LW长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），相当于许多扁条状磁阻串联。零磁场电阻约100,栅格金属条在100根以上。栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。LBILBIBI 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大；因此，使用磁敏电阻时必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加磁阻元件的温度特性不好，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。4、磁阻式传感器应用磁阻效应角度传感器测量原理输出电压与磁场角度成正比由于电阻没

4、有极性，仅与磁场强度的绝对值成正比，磁极每转动180度，某个位置上的磁敏电阻阻值变化一周期，相对180度布置的两磁敏电阻a和d同步变化R与a，d相差90度布置的磁敏电阻b，c变化周期差180度，即b，c与a，d正好反相R磁阻式传感器应用磁阻效应角度传感器将相间90度布置的四个磁敏电阻接入电桥电路，传感器每相对磁极转动180度，输出电压变化一个周期。UZZ900信号调理芯片KMZ41型传感器：内含8个MR形成两组电桥两组磁敏电阻相对磁场布置相差45度，磁阻变化相位差90度两组电桥的输出电压相位相差90度KMZ41型传感器：可以实现辨向功能两组电桥制作成相差45度分布，输出信号相差90度可判别角度

5、方向转速传感器传感器与调理电路安装工作原理输出方波频率信号各向异性磁阻传感器(AMR)原理： *Anisotropic Magnetoresistive Effect各向异性磁阻效应各向异性磁阻传感器是将铁镍合金薄膜沉积在硅基底上构成的，沉积的时候薄膜以条带的形式排布，形成一个平面的线阵以增加磁阻的感知磁场的面积。当外部磁场加到这样的铁磁性薄膜上的时候，磁畴旋转，改变空间取向，这样使得薄膜条带构成的线阵的表观电阻发生改变。具体的说，电桥的相对的两个臂上的电阻增大，而另外两只相对的臂上的电阻减小，就反应在电桥电压输出的改变上。芯片内的惠斯通电桥各向异性磁阻传感器HMC1002HoneyWell公

6、司的HMC1002特性： *响应时间短（可以测高频交变磁场） *测量精度高 （达10(-8)T) *有两个敏感轴，可确定平面内大小方向 芯片体积小，定位较准确芯片管脚排布HMC1052磁阻传感器由两个AMR 传感器(各向异性磁阻传感器) 整合在一起,可以把任何水平方向的磁场分解为X , Y 两个方向的矢量。 三、 磁敏二极管(SMD)工作原理在高阻半导体芯片（本征型I）两端，分别制作P、N两个电极P、N为重参杂区，I区长度较长I区一侧光滑，一侧打毛粗糙，粗糙表面易于使电子空穴对复合而消失，成为r面（复合区）外加正向偏压：P区接正，N区接负大量空穴从P区注入I区；大量电子从N区注入I区未加磁场，

7、电子和空穴运行方向不偏转磁敏二极管加正向电压：P+N-当磁场方向使电子、空穴向r面偏转时，载流子对因复合而消失，使I区载流子数目大为减少，该管外部表现为电阻增大，电流减小，压降增大，U0 当磁场方向使电子、空穴向光滑面偏转时，复合率变小，外部表则现为电阻减小，电流增大，压降减小, U0 磁敏二极管的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。在一定条件下，磁敏二极管的输出电压的变化量U与外加磁场的关系磁敏二极管的磁电特性：磁敏二极管的磁电特性互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。温度补偿及提高灵敏度的措施 互补式电路温度特性曲线差分式电路全桥式电路要求:灵敏度高 用交流电源或脉冲电压源磁敏二极管与其它磁敏器件相比，具有以下特点：(1)灵敏度高,磁敏二极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至上千倍，而且线路简单，成本低廉。(2) 灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄，但是弱磁场情况下具有较好的线性。（3）具有正反磁灵敏度磁敏二极管可用来检测交、直流磁场，特别适合于测量弱磁