《磁敏传感器》PPT课件 (2)
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电
磁机编码
器
信 号 处 理 电 路
动系统运动时，磁敏电阻作为
敏感元件非接触的感应磁场强
度变化并转化成电阻大小的变
化，经过信号处理得到标准TTL
矩形脉冲信号，从而实现数字
化转化。编码器每转输出的脉
冲数越多，分拟量传感器
磁 敏 电 阻
片
无 触点 电位 器
微 位 移 传感 器
液 压 传感 器
态控 制
钢钢倾测塔柱角量制态机器人姿控制倾机角控弯测动摄折机角度量自像量桩测打机垂直度量倾测斜角仪梁水平层高建筑铁桥路公路农业机械水平控制
二、 磁敏电阻芯片 数字量传感器
磁
敏
电
脉冲传感
磁栅尺
磁编码器
阻
器
传 感 器 及
无 触点 开 关
接 近
开 关
扭矩
传感 器
测速
传感 器
双路 判 向
测速
涡旋 流 量 计
振 动 传感 器
压力 传感 器
图像 识 别 仪
磁 性 无 损 探 伤
电流 传感 器
直弱 流磁
电流 互 感
检 测 传感
器器
磁 电阻 电度 表
加 速 度 传感 器
倾 斜 角 传 感 器
传
感 器 及
机尺
械寸
工 件
检 测
纸 张厚 度 控
活 塞 位 置 控
制制
血 压 计
气 压 计
泵 压控 制
真空 阀 门控
制
钢材
核 磁 共 振 超导的约瑟夫逊效应测磁场
•二、磁敏电阻传感器
• 磁敏电阻传感器是利用薄膜化的磁电阻敏 感元件非接触地将与磁场变化相关的多种运 动形式转化为电信号输出，形成的各种各样 传感器:
•
半导体磁电阻材料
•低维功能磁电阻材料 各向异性磁电阻薄膜
材料
•
(AMR)
•
巨磁电阻 薄膜材料 (G
MR)
三、磁敏电阻器件的特性：
B
RB/R0
15
3
03
10
B(KGS)
ΔRB/R0|B=3kGs≥2.5 倍 Δ ρ / ρ0 = ρB － ρ0 / ρ
= 9π/16 (1－ π/4)μ 2B2
2
Ni80Fe20薄膜
金
电流
磁场B
属
衬底
磁场B//
薄
ρ
ρ //
膜
3
B
磁
1
θ
敏
2
AMR
B
ρ
电
弱磁场 Δ ρ / ρ0 = ρ // － ρ / ρ0
4
饱和磁化： ρ = ρ // cos2 θ－ ρ sin2
阻
θ
MR(%)
3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
-200 -100
0
100
200
H(Oe)
Fe/Al2O3/Fe 薄膜
隧
道
衬底
结
巨
磁
磁场
电阻
电流
电流
Magnetoresistance(Fe/Al2O3/Fe-glass-FG-3, 2001/5/21 fabricated,
纺 织机 械
测速
Ａ Ｂ Ｓ 刹
车 控 制
发 电机 低 速
测速
柴 油 机 增
压 测速
飞机 螺 旋
桨 测速
绝 对式
防 暴 型
打 印
磁磁
编编
机
码器 码器
复 印 机
扫 描
仪
数控车床 数控铣床 数控磨床 数控刨床 数控镗床
加工中心
录音机 录像机 音响 全自动
线切割
洗衣机
（ＧＭＲ）
1、半导体磁敏电阻
• 弱磁检测原理
RB/R0
15 Vin
纸币
Vou
N
S
t
（a） 图2
（ b）
3 03
10
B(KGS)
ΔRB/R0|B=3kGs≥2.5倍
• 半导体磁敏电阻工作原理：
FL B ⊖⊕ I
Fm = －q v B
B
d
⊖⊖⊖⊖FH⊕⊕⊕⊕
I all
VＨａｌｌ
I
EH＝ j B / n q ＝ RH jB VH ＝ RH I B / d μ ＝ RH σ
轧花 机
挡板 控 制
心
电 图 仪
记 录 仪
工
业 阀 门控 制
磁
带 张力 控 制
电 动 缝 纫机 针 压
机 器 人 臂 控 制
油
压 控 制
液 压 电子 泵控 制
风速
风向 控 制
照 相 机 光
阑控 制
内燃 机 油 路 控 制
石 油 磕
头机
转角
起 重 机 力 矩 限 制 器
铺路 机
倾角 控 制
船 舶 平 衡 姿
Cu
衬底
电流 磁场
五、颗粒膜
Ag80Co20 薄膜 衬底
磁场
：Co 颗粒
电流
• 弱磁性检测传感器
Vin
纸币
N
Vo
S
ut
（a） 图2
（ b）
齿轮转动测速
齿宽
引线 红 正 蓝 负 黄-输出
螺母
齿轮
支架
测速传感器
磁敏电阻角度传感器
磁敏电阻倾斜角传感 器
永磁体
2 永磁体
MR元件
转子 磁轭
1
• 一、磁敏感元件与器件
类型
原理与应用
磁电
感
变化的磁场产生感生电动势 电感线圈、差动变压器、电涡流
敏 霍 耳 元 件 外加磁场产生霍耳电压
传 韦根德元件 外加磁场产生高的感生电动势
磁 敏 电 阻 磁场引起敏感元件电阻的变化
感 磁敏二、三极 霍耳元件和磁敏电阻与二极管、三极管的集成
管
化
器 磁记忆合金 磁场引起形状记忆合金的变化
20.00
15.00
10.00
5.00
up+1 down+1 up-1 down-1
MR(%)
0.00 -150.0 -100.0 -50.0 0.0
50.0 100.0 150.0
H(Oe)
三、自旋阀磁电阻薄膜
Fe/Cu/Fe 薄膜
衬底
电流 磁场
四、多层膜磁电阻薄膜
(Fe/Cu)30 膜
Fe
钢 丝
绳
钢管
检 测
钢 轨 车 轴
石 油 套 管
录 人 地卫 计 计磁 音 防 民 磁 星 算 算卡 机 伪 币 方 定 机 机读 磁 检 磁 位 位 读 存出 头 测 检 检 系 出储磁
测 测 统 头 器头
应
用 领 域
汽
车油 路 控 制
汽 车刹 车控 制
汽
车方 向
盘 转角
纺 织 张力 控 制
机 翼
转角 控 制
机 床
测 长
数 显游 标卡 尺
专用 电梯 编自 码器 动控
制
伺 服
电机 控 制
办公 自 动化
纺
织 机
械
数 控
机
床
远 传液 位
传感 器
冶 金 石 油 机 械
家自
用 动生
电 器
产 线
应 用 领 域
火
系 自 磁 高 车 分 车 统 动 编 轮 统系 防火 码器 辨率 测速
轮船
测速 系
统
电主
轴高 速
测量
变 频 电机 测速
3
图1(a) WYT-1原理图
MR元件 图2(a) WYT-2工作原理
100%
70%
Vout 50%
Vin
90
30% 0
0%
150
300
图1(b) WYT-1输出特性
60% Vout 50% Vin
40%
0
250 360 图2(b) WYT-2输出特性
图1 5.0 Vout 4.5 （V） 2.5
图2
⑴ 永磁体与MR元件非接触，无触点； ⑵ 无磨损，无接触电噪声； ⑶ 电性能寿命无限； ⑷ 纯电阻元件，响应速度从静态到10－9秒，反应
迅速准确； ⑸ 灵敏度高，输出信号大，易于采集处理； ⑹ 分辨率高，可靠性高； ⑺ 利用磁敏电阻开发出的传感器结构简单，轻巧； ⑻ 可适用于水、油、汽、粉尘等多种恶劣环境。
四、磁敏电阻传感器技术所涉及的技术领 域
• 高性能功能薄膜材料的制备 • 采用半导体加工工艺敏感器元件的制
备 • 不同类型传感器结构设计 • 利用现代电子技术信号的处理 • 传感器的抗干扰技术 • 不同应用领域相关背景知识
五、磁敏电阻功能材料
半导体磁敏电阻
金属薄膜各项异性磁敏电阻（ＡＭＲ）
自旋阀巨磁电阻 隧道结巨磁电阻 多层膜磁电阻薄膜 颗粒膜巨磁电阻 庞磁电阻
微位移传感 器
0.5 0 角度
测量范围
•
磁编码器
旋
高分辨率的磁敏电阻式编码器
转
的结构如右图所示，主要部分 多 由磁敏电阻敏感元件、永磁磁 极 鼓、信号处理电路及机械结构 磁 组成。多极充磁的磁鼓将圆周 化 分割成以磁极间距为λ的周期性 磁 磁场强弱变化，当磁极随着转 极
λ方向 磁
N
鼓 N S S N N SS 伺服
磁机编码
器
信 号 处 理 电 路
动系统运动时，磁敏电阻作为
敏感元件非接触的感应磁场强
度变化并转化成电阻大小的变
化，经过信号处理得到标准TTL
矩形脉冲信号，从而实现数字
化转化。编码器每转输出的脉
冲数越多，分拟量传感器
磁 敏 电 阻
片
无 触点 电位 器
微 位 移 传感 器
液 压 传感 器
态控 制
钢钢倾测塔柱角量制态机器人姿控制倾机角控弯测动摄折机角度量自像量桩测打机垂直度量倾测斜角仪梁水平层高建筑铁桥路公路农业机械水平控制
二、 磁敏电阻芯片 数字量传感器
磁
敏
电
脉冲传感
磁栅尺
磁编码器
阻
器
传 感 器 及
无 触点 开 关
接 近
开 关
扭矩
传感 器
测速
传感 器
双路 判 向
测速
涡旋 流 量 计
振 动 传感 器
压力 传感 器
图像 识 别 仪
磁 性 无 损 探 伤
电流 传感 器
直弱 流磁
电流 互 感
检 测 传感
器器
磁 电阻 电度 表
加 速 度 传感 器
倾 斜 角 传 感 器
传
感 器 及
机尺
械寸
工 件
检 测
纸 张厚 度 控
活 塞 位 置 控
制制
血 压 计
气 压 计
泵 压控 制
真空 阀 门控
制
钢材
核 磁 共 振 超导的约瑟夫逊效应测磁场
•二、磁敏电阻传感器
• 磁敏电阻传感器是利用薄膜化的磁电阻敏 感元件非接触地将与磁场变化相关的多种运 动形式转化为电信号输出，形成的各种各样 传感器:
•
半导体磁电阻材料
•低维功能磁电阻材料 各向异性磁电阻薄膜
材料
•
(AMR)
•
巨磁电阻 薄膜材料 (G
MR)
三、磁敏电阻器件的特性：
B
RB/R0
15
3
03
10
B(KGS)
ΔRB/R0|B=3kGs≥2.5 倍 Δ ρ / ρ0 = ρB － ρ0 / ρ
= 9π/16 (1－ π/4)μ 2B2
2
Ni80Fe20薄膜
金
电流
磁场B
属
衬底
磁场B//
薄
ρ
ρ //
膜
3
B
磁
1
θ
敏
2
AMR
B
ρ
电
弱磁场 Δ ρ / ρ0 = ρ // － ρ / ρ0
4
饱和磁化： ρ = ρ // cos2 θ－ ρ sin2
阻
θ
MR(%)
3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
-200 -100
0
100
200
H(Oe)
Fe/Al2O3/Fe 薄膜
隧
道
衬底
结
巨
磁
磁场
电阻
电流
电流
Magnetoresistance(Fe/Al2O3/Fe-glass-FG-3, 2001/5/21 fabricated,
纺 织机 械
测速
Ａ Ｂ Ｓ 刹
车 控 制
发 电机 低 速
测速
柴 油 机 增
压 测速
飞机 螺 旋
桨 测速
绝 对式
防 暴 型
打 印
磁磁
编编
机
码器 码器
复 印 机
扫 描
仪
数控车床 数控铣床 数控磨床 数控刨床 数控镗床
加工中心
录音机 录像机 音响 全自动
线切割
洗衣机
（ＧＭＲ）
1、半导体磁敏电阻
• 弱磁检测原理
RB/R0
15 Vin
纸币
Vou
N
S
t
（a） 图2
（ b）
3 03
10
B(KGS)
ΔRB/R0|B=3kGs≥2.5倍
• 半导体磁敏电阻工作原理：
FL B ⊖⊕ I
Fm = －q v B
B
d
⊖⊖⊖⊖FH⊕⊕⊕⊕
I all
VＨａｌｌ
I
EH＝ j B / n q ＝ RH jB VH ＝ RH I B / d μ ＝ RH σ
轧花 机
挡板 控 制
心
电 图 仪
记 录 仪
工
业 阀 门控 制
磁
带 张力 控 制
电 动 缝 纫机 针 压
机 器 人 臂 控 制
油
压 控 制
液 压 电子 泵控 制
风速
风向 控 制
照 相 机 光
阑控 制
内燃 机 油 路 控 制
石 油 磕
头机
转角
起 重 机 力 矩 限 制 器
铺路 机
倾角 控 制
船 舶 平 衡 姿
Cu
衬底
电流 磁场
五、颗粒膜
Ag80Co20 薄膜 衬底
磁场
：Co 颗粒
电流
• 弱磁性检测传感器
Vin
纸币
N
Vo
S
ut
（a） 图2
（ b）
齿轮转动测速
齿宽
引线 红 正 蓝 负 黄-输出
螺母
齿轮
支架
测速传感器
磁敏电阻角度传感器
磁敏电阻倾斜角传感 器
永磁体
2 永磁体
MR元件
转子 磁轭
1
• 一、磁敏感元件与器件
类型
原理与应用
磁电
感
变化的磁场产生感生电动势 电感线圈、差动变压器、电涡流
敏 霍 耳 元 件 外加磁场产生霍耳电压
传 韦根德元件 外加磁场产生高的感生电动势
磁 敏 电 阻 磁场引起敏感元件电阻的变化
感 磁敏二、三极 霍耳元件和磁敏电阻与二极管、三极管的集成
管
化
器 磁记忆合金 磁场引起形状记忆合金的变化
20.00
15.00
10.00
5.00
up+1 down+1 up-1 down-1
MR(%)
0.00 -150.0 -100.0 -50.0 0.0
50.0 100.0 150.0
H(Oe)
三、自旋阀磁电阻薄膜
Fe/Cu/Fe 薄膜
衬底
电流 磁场
四、多层膜磁电阻薄膜
(Fe/Cu)30 膜
Fe
钢 丝
绳
钢管
检 测
钢 轨 车 轴
石 油 套 管
录 人 地卫 计 计磁 音 防 民 磁 星 算 算卡 机 伪 币 方 定 机 机读 磁 检 磁 位 位 读 存出 头 测 检 检 系 出储磁
测 测 统 头 器头
应
用 领 域
汽
车油 路 控 制
汽 车刹 车控 制
汽
车方 向
盘 转角
纺 织 张力 控 制
机 翼
转角 控 制
机 床
测 长
数 显游 标卡 尺
专用 电梯 编自 码器 动控
制
伺 服
电机 控 制
办公 自 动化
纺
织 机
械
数 控
机
床
远 传液 位
传感 器
冶 金 石 油 机 械
家自
用 动生
电 器
产 线
应 用 领 域
火
系 自 磁 高 车 分 车 统 动 编 轮 统系 防火 码器 辨率 测速
轮船
测速 系
统
电主
轴高 速
测量
变 频 电机 测速
3
图1(a) WYT-1原理图
MR元件 图2(a) WYT-2工作原理
100%
70%
Vout 50%
Vin
90
30% 0
0%
150
300
图1(b) WYT-1输出特性
60% Vout 50% Vin
40%
0
250 360 图2(b) WYT-2输出特性
图1 5.0 Vout 4.5 （V） 2.5
图2
⑴ 永磁体与MR元件非接触，无触点； ⑵ 无磨损，无接触电噪声； ⑶ 电性能寿命无限； ⑷ 纯电阻元件，响应速度从静态到10－9秒，反应
迅速准确； ⑸ 灵敏度高，输出信号大，易于采集处理； ⑹ 分辨率高，可靠性高； ⑺ 利用磁敏电阻开发出的传感器结构简单，轻巧； ⑻ 可适用于水、油、汽、粉尘等多种恶劣环境。
四、磁敏电阻传感器技术所涉及的技术领 域
• 高性能功能薄膜材料的制备 • 采用半导体加工工艺敏感器元件的制
备 • 不同类型传感器结构设计 • 利用现代电子技术信号的处理 • 传感器的抗干扰技术 • 不同应用领域相关背景知识
五、磁敏电阻功能材料
半导体磁敏电阻
金属薄膜各项异性磁敏电阻（ＡＭＲ）
自旋阀巨磁电阻 隧道结巨磁电阻 多层膜磁电阻薄膜 颗粒膜巨磁电阻 庞磁电阻
微位移传感 器
0.5 0 角度
测量范围
•
磁编码器
旋
高分辨率的磁敏电阻式编码器
转
的结构如右图所示，主要部分 多 由磁敏电阻敏感元件、永磁磁 极 鼓、信号处理电路及机械结构 磁 组成。多极充磁的磁鼓将圆周 化 分割成以磁极间距为λ的周期性 磁 磁场强弱变化，当磁极随着转 极
λ方向 磁
N
鼓 N S S N N SS 伺服