磁传感器PPT课件.ppt
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1、,磁传感器,新型传感技术及应用,磁传感器,本章基本内容包括:本章基本内容包括电磁效应、洛伦兹力、霍尔效应、磁阻效应、量子力学电磁效应、霍尔传感器、硅谐振式传感器。,引 言,【CONTENT】,1.概 述 2.磁传感器的工作原理 3.霍尔元件与霍尔传感器 4.磁阻元件和传感器 5.硅谐振式磁传感器简介,声表面波传感器,【概 述】,磁传感器的历史悠久,古代人就已开始利用指南针来判别方向,可以说指南针是最古老的磁传感器。但是,现在特别要求传感器输出容易处理的信号。因此,目前主要采用将磁量转换成电量的磁传感器,直接用于测量磁场强度,也可间接用来测量某些物理量。线圈是将磁量变成电量的最简单的元件。在线圈
2、中通以电流就会产生磁场,当线圈中得磁场一旦随时间变化,就会在线圈上感应出电动势,这就是电磁感应。利用该现象进行直接变换的元件就是线圈。磁传感器就是利用线圈的磁场变化率来进行被测量的检测的。,电磁感应,【概 述】,将磁场加在半导体等固体上,固体的电性质就会发生变化,这种现象称为电磁效应。基于这种物性制成的固体磁传感器,可以精确地检测从静磁场到交变磁场的强度,并转换成电信号输出。,固体磁传感器具有体积小、功耗低、便于集成化等许多优点,并通过材料选择与合理设计,能够获得很高的灵敏度和稳定度。制作固体磁传感器的材料有磁性体、半导体、超导体等。,声表面波传感器,【磁传感器的工作原理】,2.1电磁效应与洛
3、伦兹力磁场的变化,将会在它交链的电路中产生电动势,可写成:式中,为磁通,=LI。该式直接表面了电与磁的感应效应,即电磁效应。稳定的磁场不产生电场;均匀变化的磁场产生稳定磁场;不均匀变化的磁场产生均匀变化的电场。首先分析真空中的电子运动,如无电场而只有磁场情况下,电子只受洛伦兹力的作用。由于洛伦兹力总是跟电子的运动方向和磁场相垂直,故不对电子做功,它只改变电子的运动方向,而不改变电子的速率。结果,洛伦兹力对运动的电子来说,起着向心力的作用。若无外加磁场时,电流沿着电场方向流动,即电子朝着与电场相反的方向移动。,【磁传感器的工作原理】,在磁场中,运动的带电粒子要受到一个与磁场和运动方向相垂直的洛伦
4、兹力的作用。设载流子电荷量为-e,电场强度为E,载流子瞬时速度为v,外加磁场强度为B,则这个载流子所受的力为:该式表明了电量与磁量的密切关系。载流子除受电场E的作用力外,在磁场中还受到洛伦兹力的作用,洛伦兹力与速度和磁场相垂直。,在真空中电场和磁场同时存在而且相互垂直情况下电子所作的运动。设电子在原点处最初为静止状态。-X方向的电场使电子沿X方向加速运动,由于Z方向的磁场影响,导致电子逐渐向Y方向弯曲,图中所示1点处电阻速度达到最大,此后减速到2点,电子速度又变为0,反复进行这样地运动,使电子移动的轨迹实际是一个接一个的半圆弧形。由于这是朝与电场平均成直角方向运动,故无能量损失,最终电子沿Y方
5、向前进。,再来研究固体中电子的运动。在固体中,由于杂质原子和晶格的振动,阻碍了电子的运动。这些阻碍物与电子相碰撞,会造成能量损失,经过一段碰撞缓和时间后,电子的速度下降到0,电子的运动轨迹就出现了在1,2,3点上速度为零,电子的平均运动方向不会再沿Y方向运动,而是沿与X轴成角的方向前进,这种现象成为霍尔效应,角成为霍尔角。,【磁传感器的工作原理】,2.1霍尔效应 利用霍尔效应的磁传感器,主要材料是-族化合物半导体。因为它们具有较高的电子迁移率,而金属材料的电子迁移率较小,几乎不出现霍尔效应,也不能用于磁传感器。族:B,Al,Ga,In;族:N,P,As,Sb。,在半导体中,把电场E分为与电流密
6、度i平行的分量EX和与电流密度i垂直的分量EY,它们之间有下列关系:横向电场EY是在外加磁场的影响下产生的,称其为霍尔电场。它与电流密度和磁场强度B成正比,即:,【磁传感器的工作原理】,比例系数RH称霍尔系数,近似为:N型半导体P型半导体式中,n,p分别为电子和空穴的密度;e是电子的电荷;是接近于1 的系数。用电导率的电流密度和电场之间的关系式:可以得到霍尔角的一般表达式:,【磁传感器的工作原理】,对N型半导体而言,电导率可用=nen表示,从而可得到:以空穴代替电子有:为半导体的迁移率。可知,半导体的迁移率越大或外加磁场强度B越大,霍尔角就越大,极限值为90。InSb是迁移率最大的半导体材料,
7、也是对磁场灵敏度最高的材料,但受温度影响较大,因此,在使用时应视温度变化范围采取温度补偿措施。近年来,已经开始使用禁带幅度大,电子迁移率大的GaAs材料,这种材料不易受温度影响,可在200左右的高温下使用。Si材料电子迁移率小,单纯使用它性能欠佳。但它能与配套的电子线路实现集成化,因而广泛用于制造把机械量变换成电量的磁传感器。,【磁传感器的工作原理】,2.3磁阻效应物质的电阻在外加磁场作用下增大的现象,在半导体出现后,促进了对这种现象的进一步研究,这种现象为磁电阻效应。磁电阻效应有两层含义:一是强调电阻率随磁场强度的增加而增加,这是有关物体性质的变化现象;二是指电阻值随磁场强度的增加而增加,只
8、是有关物体的电特性现象。对磁电阻效应产生的机理分析如下:(1)在半导体内存在外界电场EX,霍尔电场EY,在合成电场E的作用下,电子沿斜的方向加速,获得速度后,由于和晶格与杂质原子存在碰撞,所以作圆弧运动,运动轨迹从宏观上看是与外界电场EX平行,如a所示。虽然电子是沿外界电场EX的方向移动,但由于外加磁场作用,电子与晶格和杂质原子碰撞概率增加,故电阻率增加,这就是金属产生磁电阻效应的原因。,【磁传感器的工作原理】,(2)半导体中载流子的能量并不完全相等,而是具有某种分布,随着各自能量的不同,每个载流子的碰撞和时间也有不同的值。若对载流子全体的碰撞缓和时间进行平均,那么,霍尔电场产生的静电力和由于
9、运动产生的洛伦兹力将保持平衡。但是比全体平均碰撞缓和时间要长的载流子,所发生的碰撞过程要长,因此该部分载流子的平均速度要大,如图b所示。但洛伦兹力超过静电力时,将发生较大的偏转。另外,比全体平均碰撞时间要短的载流子所发生的碰撞过程要短,故这部分载流子的平均速度药效,如图c所示。当静电力超过洛伦兹力时,发生的偏转就小。b,c两种情况中的载流子都是沿着偏离外电场的方向移动,所以在外电场方向的迁移率就变小,导致电阻率增加,这就是半导体产生磁电阻率效应的原因。(3)产生电阻率效应的第三个原因是存在电子与空穴两种载流子,在外加磁场作用下,由空穴和电子复合形成的电流,分别朝相反的方向作倾斜运动,在这种电流
10、的合成电流方向上迁移率减小,导致电阻增加。,【磁传感器的工作原理】,设电子与空穴各自的碰撞缓和时间是常数,各自的密度为n,p,迁移率为n,p,且n/p1,nn/pp1,n/pnB。在此条件下,电阻率的增加可表达为:或者写成:式中,和分别为有磁场和无磁场时的电阻率。,【磁传感器的工作原理】,2.4量子力学电磁效应(超导体电磁效应)从量子力学可观测到,某些金属,如铅,铌等,在超低温状态下其电阻值会突变为零,这种性质成为超导。在超导体中,电子作规则运动。若将绝缘薄膜夹在两超导体之间,由于隧道效应的影响,超导电流将穿过绝缘薄膜,这种现象为约瑟夫逊效应。隧道效应:电子等量子的波粒二象性,穿越势垒的运动。
11、原理:一个很小的磁场很小的电流约瑟夫效应另一反馈回路输出。基于超导体的约瑟夫逊效应,利用超导量子干涉器件,可以对各种物理量做超精密测量。超精密测量的精度可达,而一般传感器的测量精度,若达到0.1%0.04%,就已经很满意了。,声表面波传感器,【霍尔元件与霍尔传感器】,3.1霍尔元件实用化的磁传感器主要用霍尔元件和磁阻效应元件。长方形半导体元件中电流通常沿正面平行流过,若无外加磁场,电子均匀分布,如图a所示;在加上与正面垂直的磁场的瞬间,由于受到洛伦兹力的作用,电子向左侧偏移,如图b所示;元件左侧电子过剩,右侧电子不足,就会产生一个横向的磁场,如图c所示,这就是霍尔电场。霍尔电场产生一定大小的静
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