SQUID磁敏传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 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,-15,T,，,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,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,T,C,以下电阻值突然消失的现象,。,（a）,T,/K,0,T,/K,0,0K,0,T,C,（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,(,T,C,),：,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,）,T,Tc,H 0,（b）TT,C,H 0,（c）TT,C,H=0,理想导电性实验,1,、理想导电性,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,H,0 T4mA,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,I,b,0,=,2mA,时，此温度点可达,50,左右。但另一方面，若,I,b,0,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。,（,5,）磁灵敏度,磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度 和负向灵敏度 两种。其定义如下：,式中,受正向磁场,B,+,作用时的集电极电流；,受反向磁场,B,-,作用时的集电极电流；,不受磁场作用时，在给定基流情况下的集电极输出电流。,（,4,）频率特性,3BCM,锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为,10kHz,。,(2.6-32),（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,-7,T,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,参 数,单,位,测试,条件,规范,A,B,C,D,E,磁灵敏度,%,E,c,=6V,R,L,=100,I,b,=2mA,B,=0.1T,510,1015,1520,2025,25,击穿电压,BU,cco,V,I,c,=1.5mA,20,20,25,25,25,漏电流,I,cc0,V,cs,=6A,200,200,200,200,200,最大基极电流,mA,E,c,=6V,R,L,=5k,4,功耗,P,cm,mW,45,使用温度,-4065,最高温度,75,mA,3CCM,型硅磁敏三极管参数表,参数,单 位,测试条件,规范,磁灵敏度,%,E,c,=6V,I,b,=3mA,B,=0.1T,5%,击穿电压,BU,cco,V,I,c,=10,20V,漏电流,I,cc,0,I,ce,=6A,5,功耗,mW,20mW,使用温度,-,4085,最高温度,100,温度系数,%/,-,0.10,-,0.25%/,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：,为磁感应强度；,材料在磁感应强度为时的电阻率；,0,材料在磁感应强度为,0,时的电阻率；,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,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,2.6-38,（,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,L,W,B,B,图,2.6-38,几何磁阻效应,I,I,（,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,.Kg,。,在运算时常用,R,B,/R,0,求得，,R,0,表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，,R,B,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,0.3,0.2,0.1,0,0.1,0.2,0.3,R,/,1000,500,S,级,(a)S,、,N,级之间电阻特性,B,/T,15,R,B,R,0,10,5,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,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,B,/T,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,在,0.1T,以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过,0.1T,后呈现线性变化,图,2.6-40,强磁磁阻元件,电阻,-,磁场特性曲线,输出电压,V,磁饱和点,B,=Bs,0,(b),磁场,输出特性,H,图,2.6-40,显示的是强磁磁阻元件的磁场,电阻特性曲线。,从图中可以看出它与图,2.6-39,（,a,）,曲线相反，即随着磁场的增加，电阻值减少。并且在磁通密度达数十到数百高斯即饱和。一般电阻变化为百分之几。,3,电阻,温度特性,图,2.6-41,是一般半导体磁阻元件的电阻,温度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件,10,3,8,4,2,10,2,4,2,10,6,-40,0,20,60,100,温度,/,电阻变化率,%,图,2.6-41,半导体元件电阻,-,温度特性曲线,的温度特性不好。图中的电阻值在,35,的变化范围内减小了,1/2,。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,图,2.6-42,是强磁磁阻元件的电阻,温度特性曲线，图中给出了采用恒流、恒压供电方式时的温度特性。,130,100,50,电阻变化率,%,-30,B,X10,-4,/T,电阻,+3500ppm/,0,输出,(,恒流工作,),-,500ppm/,输出,(,恒压工作,),-,300ppm/,图,2.6-42,强磁阻元件电阻,-,磁场特性曲线,可以看出，采用恒压供电时，可以获得,500ppm/,的良好温度特性，而采用恒流供电时却高达,3500,ppm,/,。,但是由于强磁磁阻元件为开关方式工作，因此常用恒压方式。,60,（三）磁敏电阻的应用,磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度,/,角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、,UPS,、,变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。,