第九章磁参数的测量

第九章磁参数的测量磁敏传感器是对磁场参量(B,H,φ)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。第一节电磁感应法测量磁场冲击电流计名为“电流计”，实际上并不是用来测电流的，而是用来测量短时间内脉冲电流所迁移的电量,它还可以用来进行与此有关的其他方面的测量，例如测量磁感应强度、高阻、电容等等。由于其特殊的结构，线圈转动惯量较大，因此，当电流瞬间通过线圈时，线圈的运动状态来不及发生变化。电流停止后，线圈才以一定的角度摆动。线圈启动后，立即受到各种反力矩的作用，线圈的运动速度逐渐减小，当转动到最大位置时，瞬间停止，然后回复到初始位置，并在初始位置附近往返摆动数次，最终停止。三、冲击检流计法冲击电流计特点反射镜线圈NS冲击电流计结构示意图金属圆盘悬丝1、线圈转动灵活—悬丝结构。2、线圈转动惯量大—线圈短而宽，而且下面还悬吊着金属圆盘。3、镜尺读数装置—应用光放大原理，提高读数的准确度。镜尺装置光源变压器照明灯冲击电流计读数装置检流计的工作过程分为两阶段：第二节磁效应元件测磁一、霍耳磁敏传感器二、磁敏二极管和磁敏三极管三、磁敏电阻一、霍耳磁敏传感器（一）霍耳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+++++++++++－－－－－－Ｂlwd霍耳效应原理图VHVH＝KHIB1．霍耳线性集成传感器的结构及工作原理霍耳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耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,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。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳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。霍耳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。（二）霍耳线性集成传感器单端输出传感器的电路结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675双端输出传感器的电路结构框图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．霍耳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：SL3501T传感器的输出特性曲线2．霍耳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：SL3501M传感器的输出特性曲线（三）霍耳磁敏传感器的应用利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、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。利用霍耳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。利用霍耳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)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。二、磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管、三极管是继霍耳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）磁敏二极管的结构有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。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；磁敏二级管的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。+（b）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。PNPNPNH=0H+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，iii电子孔穴复合区结论：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。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。图伏安特性同一磁场作用下，电流越大，电压越高变化磁场作用下：•正向磁场下，磁场增加，电流减小；•反向磁场下，磁场增加，电流增大。（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。图磁场－电压特性（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2.6-33NPN型磁敏三极管的结构和符号a)结构b)符号rN+N+ceH-H+P+bceba）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N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）图2.6-34磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0;(b)H=H+;(c)H=H-1-运输基区；2-复合基区12当不受磁场作用如图2.6-34(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e—i—b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=Ic／Ib＜1。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。H/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mAB-=－0.1TIb=3mAB=0Ib=3mAB+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA图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(a)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(b)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所示。B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3图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。（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。利用磁敏管可以作成磁场探测仪器—如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。此外,利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。（四）、常用磁敏管的型号和参数3BCM型锗磁敏三极管参数表%10000ccBcIIIh参数单位测试条件规范ABCDE磁灵敏度%Ec=6V,RL=100Ω,Ib=2mA,B=0.1T5~1010~1515~2020~2525击穿电压BUccoVIc=1.5mA2020252525漏电流Icc0Vcs=6A≤200≤200≤200≤200≤200最大基极电流mAEc=6VRL=5kΩ4功耗PcmmW45使用温度℃-40~65℃最高温度℃75mA3CCM型硅磁敏三极管参数表A%10000ccBcIIIh参数单位测试条件规范磁灵敏度%Ec=6VIb=3mAB=0.1T5%击穿电压BUccoVIc=10≥20V漏电流Icc0Ice=6A≤5功耗mW20mW使用温度℃-40~85℃最高温度℃100℃温度系数%/℃-0.10~-0.25%/℃A三、磁敏电阻是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。（一）磁阻效应若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。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种载流子(电子和空穴)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：22000273.0BＢ——为磁感应强度；ρ——材料在磁感应强度为Ｂ时的电阻率；ρ0——材料在磁感应强度为0时的电阻率；μ——载流子的迁移率。当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。长方形磁阻器件只有在L(长度)W（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把LW的扁平器件串联起来，就会零磁场电阻值较大、灵敏度较高的磁阻器件。图（a）是没有栅格的情况，电流只在电极附近偏转，电阻增加很小。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），以短路霍耳电势，这种栅格磁阻器件如图（b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁LWBB图几何磁阻效应II（a（b阻器件的灵敏度。常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。1灵敏度特性磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场——电阻特性的斜率。常用K表示，单位为mV/mA.kG即Ω.Kg。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。（二）磁阻元件的主要特性2磁场—电阻特性磁阻元件磁场—电阻特性N级0.30.20.100.10.20.3R/Ω1000500S级(a)S、N级之间电阻特性B/T15RBR0105温度(25℃)弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特性变化0(b)电阻变化率特性0.20.40.60.81.01.21.4B/T磁阻元件的