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『簡體書』磁电阻传感器

書城自編碼: 2541662
分類: 簡體書→大陸圖書→自然科學物理學
作者: 钟智勇
國際書號(ISBN): 9787030436511
出版社: 科学出版社
出版日期: 2015-03-23
版次: 1 印次: 1
頁數/字數: 212/300000
書度/開本: 16开 釘裝: 平装

售價:NT$ 647

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《磁电阻传感器》可作为磁性传感器领域的研究生和高年级本科生的教材, 也可作为相关领域的教学、科研和工程技术人员的参考书.9787030436511
內容簡介:
《磁电阻传感器》介绍了三种磁电阻(AMR、GMR和TMR)传感器的工作原理以及使用要点, 共5章. 第1章主要介绍与磁电阻传感器有关的磁学与磁性材料基础知识; 第2章在概述磁传感器的检测原理与应用的基础上, 系统地论述了各种磁电阻效应以及作为磁传感器的工作原理, 特别介绍了在应用中需要的转移特性曲线建模与特征; 第3章和第4章主要介绍磁电阻传感器设计与应用时涉及的关键技术, 第3章介绍作为磁通聚集器和屏蔽器的软磁, 以及作为偏置磁体或辅助磁体的永磁体的设计; 第4章讨论磁电阻传感器的噪声来源与抑制技术; 第5章举例介绍磁电阻传感器在角度、转速、电流测量、无损检测与地磁探测等领域中的应用.
目錄
目录
前言
第1章磁学基础.1
I.1基本磁学量1
I.I.I磁矩1
1.1.2磁化强度1
1.1.3磁场强度2
1.1.4磁感应强度2
1.1.5磁通,.2
1.2磁性材料的磁特性参数.2
1.2.1饱和磁化强度.2
1.2.2居里温度2
1.2.3磁晶各向异性常数3
1.2.4磁致伸缩系数.3
1.2.5比饱和磁化强度 3
1.3物质的磁性3
1.3.1铁磁性 4
1.3.2反铁磁性4
1.3.3亚铁磁性4
1.3.4抗磁性5
1.3.5顺磁性5
1.4磁性材料的磁化5
1.4.1磁化曲线5
1.4.2磁滞回线7
1.5磁化状态下磁体中的能量与磁畴8
1.5.1自发磁化与磁畴8
1.5.2铁磁体及磁性薄膜系统中的能量12
1.6磁学单位值的转换关系18
第2章磁电阻传感器工作原理 20
2.1磁场传感器概述20
2.1.1磁场测量的历史回顾20
2.1.2磁场测量的对象22
2.1.3常用的磁场测量方法23
2.1.4磁传感器的选择要点32
2.2磁电阻效应概述33
2.3各向异性磁电阻传感器原理37
2.3.1各向异性磁电阻效应37
2.3.2各向异性磁电阻效应的产生机理38
2.3.3各向异性磁电阻传感器的工作原理及转移特性曲线41
2.3.4各向异性磁电阻传感器的偏置技术46
2.3.5各向异性磁电阻传感器的置位与复位技术51
2.3.6各向异性磁电阻传感器的垂直轴效应52
2.4巨磁电阻传感器原理55
2.4.1巨磁电阻效应的发现55
2.4.2巨磁电阻效应的唯象解释57
2.4.3多层薄膜的巨磁电阻效应62
2.4.4自旋阀结构的巨磁电阻效应68
2.4.5颗粒膜的巨磁电阻效应77
2.4.6巨磁电阻传感器的转移特性曲线80
2.4.7多层膜GMR传感器的磁滞与减小措施84
2.5隧道结磁电阻传感器原理89
2.5.1自旋相关隧穿过程与隧穿磁电阻效应89
2.5.2隧穿磁电阻效应的理论模型91
2.5.3磁性隧道结传感单元的典型结构93
2.5.4TMR的磁性层和势垒层材料94
2.5.5转移特性曲线98
2.5.6TMR传感器的输出信号与偏压之间的关系103
2.6磁电阻传感器的性能指标106
第3章软硬磁体在磁电阻传感器中的应用110
3.1高磁导率软磁材料110
3.2磁通聚集器112
3.2.1高磁导率磁体对磁通的聚集与导向作用112
3.2.2影响磁通聚集器增益因子的因素114
3.2.3磁通聚集器的应用举例115
3.3磁屏蔽体117
3.4永磁体的设计119
3.4.1永磁材料的退磁曲线119
3.4.2常见永磁体材料120
3.4.3永磁体在磁电阻传感器中的典型应用124
第4章磁电阻传感器的噪声127
4.1磁电阻传感器的噪声来源127
4.1.1热噪声128
4.1.2散粒噪声128
4.1.31f噪声129
4.1.4随机电报噪声129
4.2磁电阻传感器的1f噪声特征与影响因素129
4.2.11f噪声模型 130
4.2.2磁电阻薄膜材料及影响1f噪声的因素131
4.31f噪声的抑制方法134
4.41f噪声的测量138
第5章磁电阻传感器的应用141
5.1角度测量141
5.1.1角度传感器概述141
5.1.2磁电阻角度传感器的工作原理143
5.1.3永磁体对磁电阻角度传感器性能的影响149
5.2转速测量150
5.2.1转速传感器概述150
5.2.2磁电阻转速传感器的测量原理与梯度磁电阻传感器151
5.2.3磁电阻转逮传感器的装配156
5.3电流测量157
5.3.1电流传感器的分类与基本原理157
5.3.2XMR传感器在电流测量中的应用161
5.4无损检测166
5.4.1基于磁电阻传感器的涡流检测技术的工作原理166
5.4.2基于磁电阻传感器的涡流检测技术的影响因素168
5.4.3磁电阻涡流传感器探头的设计169
5.5地磁测量172
5.5.1地磁场172
5.5.2磁电阻传感器在地磁测量中的应用举例174
参考文献180
附录1各种磁电阻传感器的性能及应用领域187
附录2各种电流传感器性能比较与选型指南188
附录3部分磁电阻传感器生产厂商的产品与性能190
索引201
內容試閱
第1章 磁学基础
I.I基本磁学量
1.1.1磁矩
电流之间或运动电荷之间的相互作用是磁现象的物理基础,例如电流或运动电荷可以在其周围空间产生磁场,从广义的角度来说,可以将产生磁场的“源”都称作磁体,从这种概念出发,磁体既可以是任何电流回路,也可以是原子中带电粒子的轨道运动或自旋运动,或者是它们的任意组合.从狭义的角度来看,磁体则是一个被外磁场磁化了的物体.一个磁体的两端具有极性相反而强度相等的两个磁极.磁极是磁体外部磁力线的出发点和汇集点,磁体可以分割成许多具有两个磁极的小磁体,当磁体被分割成无限小的单元时,就成为一个磁偶极子.它们产生的外磁场与同一位置上的一个无限小面积的电流回路产生的外磁场等效,因此,磁偶极子是一个可用无限小的电流回路来代表的磁体.
磁矩或称磁面积矩pm是用来表征磁偶极子磁性强弱和方向的一个物理量,其值等于磁偶极子等效的平面回路的电流强度i安[培]和回路面积A米2的乘积,即
p?- iA 1.1
磁矩的方向按右手螺旋法则确定,并且垂直于电流回路的平面.磁矩的单位为安[培].米2A.1112.物质某一部分的合成磁矩是磁偶极子磁矩的矢量和,磁矩的大小可以直接用磁强讦测量.
1.1.2磁化强度
磁化强度M是表征描述宏观磁性体磁性强弱的物理量,它的定义是单位体积磁体内磁偶极子具有的磁矩矢量和,即
M:∑Vm —可一 1.2
对于一个不均匀磁化的物体,内部各点的磁化强度不相同,物体内任一点的磁化强度可以通过对该点的一个微小体积求和而得到.磁化强度M的单位是安[培]米Am.
1*1.3磁场强度
磁场强度日是表示磁场中各点“磁力”大小和方向的物理量,单位是安[培]米Am,它是用两根载流导体之间产生的力来定义的.
1*1.4 磁感应强度
磁感应强度B是描述空间某点磁场的大小和方向的物理量.对于一个在磁化场中感应出磁化强度M的磁体,它的磁感应强度可以看作由两个分量所组成.其一是由磁化场所产生的LLoH,另一个是由磁体所引起的poM,所以
B - poH+M 1.3
式中,uo为真空中的磁导率,其值为4nxl0-7.B的单位为韦[伯]米2 Wbm2,或特[斯拉]T.
1.1.5磁通
磁感应强度B及与之相垂直面积4的乘积称为该面积的磁通,单位为韦[伯]Wb.
@一BA 1.4
1.2磁性材料的磁特性参数
磁性材料的磁特性可以分为两大类,其一是仅与材料的化学成分和微观晶体结构有关的本征特性,另一类称为技术磁特性,它除了与上述因素有关外,还与晶粒大小?晶粒取向及应力分布等宏观结构因素有关.本征磁特性反映了关于与磁性材料的化学成分和结构转变有关的信息.对于各种类别的磁性材料,它们都是非常重要的参数.本小节只介绍本征参数,技术特性参数在1.4节中介绍.
1*2.1 饱和磁他强度
磁性体受到足够强的外磁场作用,磁化强度基本上不再随外磁场而增加,这种现象称为“磁饱和”,磁饱和状态下的磁化强度称为饱和磁化强度A彳?.
1.2.2 居里温度
铁磁材料高于某一温度Te时,自发磁化强度为零.这一温度叫做居里温度,亦称居里点,即铁磁材料或亚铁磁材料由铁磁状态或亚铁磁状态转变为顺磁状态的临界温度,
1*2.3 磁晶各向异性常数
磁性单晶体由于晶体结构上的各向异性,沿不同方向磁化时,存在难易之分,当沿着晶体的不同方向磁化而得到饱和磁化强度时,需要不同的能量,这种现象称为磁晶各向异性,这种各向异性的强弱可以用一个常数来衡量,这个常数叫磁晶各向异性常数.单位为焦[耳]米3 Jiri3.
1.2.4磁致伸缩系数
磁性体由磁中性状态磁化到饱和时,在磁化方向上的长度L将发生增长或缩短的纵向变化△L,这种长度的相对变化量即称为磁致伸缩纵向系数,表示如下:
A?=△LL 1.5
1.2.5 比饱和磁化强度
磁性体的单位质量的磁矩称为比磁化强度,即
∑肛? -=—万一 1.6
式中,P是磁性体的质量.当磁性体磁化到饱和时的比磁化强度称为比饱和磁化强度盯?,单位为安[培].米2千克A.rn2kg.
从磁化强度M和比磁化强度盯的定义式可以得如下关系:
UP=MV 1.7
所以
盯?-M?d 1.8
式中,d为磁性体的密度,即d=PVkgm3.
1.3物质的磁性
磁性是物质的一种基本属性.所谓磁性,是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列,当所施加的磁场强度增大时.这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象.磁体被置于外磁场中,它的磁化强度将发生变化,磁化强度和磁场强度的关系为
M - XH 1.9
上式中X称为磁体的磁化率.磁化率是单位磁场强度在磁体中所感生的磁化强度,是表征磁体磁性强弱的参量,磁性可以按磁体的磁化率或磁导率U=I+X大小和符号分类,分为抗磁性?顺磁性?铁磁性?亚铁磁性和反铁磁性等五种[,,2].
1*3.1铁磁性
铁磁性的物质只要在很小的磁场作用下就能磁化到饱和,其磁化率大于零,达到101~106数量级,其磁化强度M与磁场强度日之间的关系是非线性的复杂函数关系,反复磁化时出现磁滞现象.铁磁性物质内部的原子磁矩是按区域自发平行取向的,当铁磁性物质的温度比居里温度高时,铁磁性将转变为顺磁性,
铁磁性的元素有铁?镍?钻,铁磁性物质中轨道磁矩''mo基本为零,然而由于自旋磁矩m?的作用,铁磁性物质有大的磁矩,因此在铁磁性材料中,m?》mo.晶格中的磁畴的相邻磁矩之间存在一种特殊的量子效应,即一种强的交换作用,使磁矩平行排列,这种作用促使了原子磁矩的线性排列,在一个区域内磁矩成严格的平行结构.因此,铁磁材料具有很大的正的磁化率- MH,其范围从1到1000000,这使地》1.铁磁材料中的自旋磁矩平行排列,如图1.1a所示.
图1.1在无外加磁场下自旋磁矩的结构
a铁磁性材料;b反铁磁性材料;c亚铁磁性材料
1*3.2 反铁磁性
由于电子自旋反向平行排列.在同一子晶格中有自发磁化强度,电子磁矩是同向排列的;在不同子晶格中,电子磁矩反向排列.在元外加磁场下,反铁磁性材料中,相邻磁矩大小相等且反平行排列,因此,即使在外加磁场下净磁矩也几乎为零.外加磁场对磁矩影响很小,但是会导致相对磁化率地略有增加.图1.1b展示了反铁磁性中自旋磁矩的结构.
1*3.3亚铁磁性
亚铁磁性的宏观磁性与铁磁性相同,但磁化率的数量级低一些,为10~103数量级,它们的内部磁结构与反铁磁性的相同,但相反排列的磁矩不等量,从这个角度可以认为亚铁磁性是未抵消的反铁磁性结构的铁磁性,
铁氧体是典型的亚铁性物质,亚铁磁性元素有铬和锰,在元素周期表中与铁元素相邻,它们有相近的原子序数,相邻原子偶极矩间的作用力强,但是这种相互作用导致了电子自旋的反平行排列.在无外加磁场时,不同原子的自旋磁矩在数值上很大且不相等,但从原子到原子的磁矩方向不同,因此宏观上看没有净磁矩.在外加磁场作用下,大小不等的原子磁矩方向交替排列,从而使净磁矩为非零,如图1.1c 所示.由于磁矩之部分的抵消,因此亚铁磁性材料的磁感应强度远远低于铁磁材料.相对磁导率远远大于lr》1.当铁磁材料的温度超过居里温度时,自旋方向将随机排列,材料变成顺磁性.
1.3.4抗磁性
当物质受到外磁场日作用后,感生出与H方向相反的磁化强度,这种物质称为抗磁性物质,抗磁性元素有铋?铜?金刚石?金?铅?汞?银和硅,抗磁性材料的磁性很弱,在无外加磁场作用下,轨道和自旋磁矩相互抵消净,磁矩为零.在外加磁场作用下,自旋磁矩将略大于轨道磁矩m? mo,产生了一个很小的净磁矩,小的磁矩将引起一个弱的偶极子,偶极子产生一个很小的磁场,方向与外加磁场方向相反.如果将抗磁性材料放在棒状磁铁南极或北极,它们之间将相互排斥.
抗磁性材料的磁化率很小且为负- MH≈ 10_5,因此相对磁导率p?m?,电子只占据了部分的核外轨道.由于自旋磁矩间相互作用较弱,自旋电子没有完全平行排列,在外加磁场下,磁偶极子沿外加磁场方向平行排列.高温时顺磁性材料中的自旋磁矩消失,顺磁性物质会被强磁性的棒状磁铁吸引.
顺磁性物质磁化率为正且很小x - MH≈10_5,因此相对磁导率地1.例如铝的相对磁导率Ur=1.00002,钛的相对磁导率Ur=1.00002,铂的相对磁导率“,= 1.00003.
1.4磁性材料的磁化
磁性材料对外磁场的响应过程称为磁化过程,该过程可以由磁化曲线与磁滞回线来表征[3,4].
1*4.1磁化曲线
磁化曲线是表征物质磁化强度或磁感应强度与磁场强度的依赖关系的曲线.处于磁中性状态的样品在磁化时,可以有下列几种磁化曲线:
1初始磁化曲线:处于磁中性状态的磁体,当受到一方向不变数值做单调增大的磁场作用时得到的磁化曲线.
2基本f正常或换向磁化曲线:从磁中性状态开始,在由小到大,不同大小的正负磁场的反复作用下,可得到一系列由小到大的正常磁滞回线.这些正常回线的顶点的轨迹称为基本或正常或换向磁化曲线,如图1.2所示.它和起始磁化曲线基本重合,但略陡.
B~
初始磁化曲线受到许多偶然因素f例如:机械振动?温度变化?磁场强度日的大小等的影响是不稳定的,正常磁化曲线是材料经过交替反复磁化过程而得到的,所以它是最稳定的磁化曲线.若不作特别说明,磁化曲线就是基本磁化曲线.
上面提到,测试磁化曲线是需要样品处于磁中性态.磁体的中性化,一般采用两种方法:①交流场退磁法,即对磁体通过一个其峰值由相应的饱和值减至零的交流场,使磁体处于磁中性状态;②热退磁法,即在无任何外磁场的情况下,使磁体从高温f高于居里温度逐渐降低至室温,而得到磁中性状态.
磁化曲线可以划分为四个区域,如图1.3所示.I为起始段,这是在弱磁场范围内,磁感应强度增长较缓慢,磁化曲线基本上为直线,在速部分曲线上M与H或B与日的关系为线性关系;II为第二段,曲线向上弯曲,在这个区域内磁感应强度B随着磁场强度日的增加而很快上升,但B与日的关系不再呈线性关系;III为第三段,当磁场的强度再增大,磁化曲线的增势减小,此阶段称为趋近饱和阶段;Ⅳ为顺磁阶段,在某一磁场强度下磁体被磁化到饱和以后,磁场的强度增大到

 

 

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