东北大学传感器与敏感材料复习提纲

1、传感器敏感材料及器件课程主要内容1. 传感器与检测技术的发展趋势；（1）传感器与检测技术性能的改善（2）开展基础理论研究（3）传感器与检测系统的集成化（4）传感器与检测技术的智能化（5）传感器与检测技术的非接触化和多参数融合化（6）检测系统的网络化和虚拟化2. 霍尔效应定义，霍尔电势，霍尔式位移传感器的工作原理图，霍尔式转速传感器原理图及测量原理；（1） 霍尔效应和霍尔电势：置于磁场中的静止载流导体, 当它的电流方向与磁场方向不一致时, 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现象称霍尔效应。电势称霍尔电势。（2）下面是霍尔位移传感器的工作原理图及工作原理图（a）是磁场强

2、度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置，霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0，因此霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零，此时位移x=0。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移，霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，这时UH不为零，其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量，这种结构的传感器，其动态范围可达 5 mm，分辨力为 0.001 mm。 图（b）所示是一种结构简单的霍尔位移传感器, 由一块永久磁铁组成磁路的传感器，在x=0时，霍尔电压不等于零。 图（c）是一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器，为了获得较好的线性分布, 在磁极端面装有极靴, 霍尔元件调整好

3、初始位置时，可以使霍尔电压UH=0 。 这种传感器灵敏度很高，但它所能检测的位移量较小，适合于微位移量及振动的测量（3） 霍尔式转速传感器：图 7 - 13 是几种不同结构的霍尔式转速传感器。磁性转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，磁性转盘随之转动，固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨力。3.磁阻效应定义，半导体InSb磁敏无接触电位器原理图及测量原理；（1）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，则其电阻值就会变化。称

4、此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。（2）半导体InSb磁敏无接触电位器 半导体InSb磁敏无接触电位器是半导体InSb磁阻效应的典型应用之一。与传统电位器相比,它具有无可比拟的优点：无接触电刷、无电接触噪音、旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。 半导体InSb磁敏无接触电位器是基于半导体InSb磁阻效应原理，由半导体InSb磁敏电阻元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故称无接触电位器。该电位器的核心是差分型结构的两个半圆形磁敏电阻；它们被安装在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面

5、积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线如图所示。磁敏无接触电位器工作原理示图和输出特性曲线0°90°-90°4. 磁敏二极管的结构和工作原理；磁敏三极管的结构和工作原理；（1）磁敏二极管的结构和工作原理1结构 磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I，本征区I的一面磨成光滑的低复合表面(为I区)，另一面打毛，设置成高复合区(为r区)，其目的是因为电子 空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向电流后就会在P、I、N结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是PIN型的。

6、工作原理当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压(P区为正)，则有大量的空穴从P区通过i区进入N区，同时也有大量电子注入P区，这样形成电流，只有少量电子和空穴在i区复合掉。 当磁敏二极管受到如下图 (b)所示的外界磁场H+(正向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，空穴和电子一旦复合就失去导电作用，意味着基区的等效电阻增大，电流减小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于r区而复合的电子和空穴数量就越多，载流子减少，外电路的电流越小。当磁敏二极管受到如右图(c)所示的外界磁场片H-(反向磁场)作用时，则

7、电子和空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，i区的等效电阻减小，则外电路的电流变大。 若在磁敏二极管上加反向偏压(P区的负)，则仅有很微小的电流流过，并且几乎与磁场无关。 因此，该器件仅能在正向偏压下工作。利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电转换。（2）1.磁敏三极管的结构 在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其最大特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的r区和本征I区。长基区分为输运基区和复合基区。2磁敏三极管的工作原理 当磁敏三极管未受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长

8、度，大部分载流子通过e-I-b，形成基极电流；少数载流子输入到c极，因而基极电流大于集电极电流。当受到正向磁场(H +)作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子向复合区偏转 ，导致集电极电流显著下降；当反向磁场(H -)作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。由此可知，磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。5. 输入电阻和输出电阻；额定激励电流和最大允许激励电流；不等位电势和不等位电阻；寄生直流电势；霍尔电势温度系数；霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成, 如图 7 - 9(a)所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四个引线。

9、1、1两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极(1)输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。 霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源, 其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在20±5时确定的。Ø 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。Ø 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加，所以，使用中希望选用尽可能大的激励电流，因而需要知道元件的最大允许激励电流，改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。 (2)不等

10、位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。产生这一现象的原因有：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 不等位电势也可用不等位电阻表示 (3)寄生直流电势在外加磁场为零，霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，该直流电势称寄生直流电势。其产生的原因有： 激励电极与霍尔电极接触不良，形成非欧姆接触，造成 整流效果； 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热

11、容不同， 散热状态不同形成极向温差电势。寄生直流电势一般在 1mV以下，它是影响霍尔片温漂的原因之一。(4)霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下, 温度每变化1时, 霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。6. 应变式加速度传感器原理图及测量原理；图示应变式电阻加速度传感器由基座(用来固定在被测物体上)、等截面悬臂梁、质量块和4个电阻应变片组成，以等截面悬臂梁为弹性敏感元件。加速度传感器l一基座； 2一质量块；3一应变片； 4一悬臂梁测量时，根据所物体加速度的方向，把传感器固定在被测部位，当弹性元件感受到加速度时，其表面产生应变，粘贴在表面的电阻应变片的

12、阻值会随着弹性元件的应变发生相应变化。7. 压阻效应定义，压电效应定义，正压电效应（顺压电效应）定义，逆压电效应（电致伸缩效应）定义；单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。压电效应正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。8. 压电式单向力传感

13、器原理图及测量原理；9. 纵向效应型加速度传感器原理图及测量原理；纵向效应是最常见的,如图。压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力Fma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 qd33Fd33ma10. 压电式传感器表面粗糙度测试原理图及测量原理；图示为压电式传感器在轮廓仪上应用时的结构示意图。传感器由驱动箱拖动使其触针在工件表面以恒速滑行。工件表面的起伏不平使

14、触针上下运动，通过针杆使压电晶体随之变形，这样，在压电晶体表面就产生电荷，由引线输出与触针位移成正比的电信号。11. 光学敏感材料的换能机理：能够结合原理图描述四种光电效应的基本原理；光学敏感元件有以下几种换能形式（1）光生伏特效应（2）光电导效应（3）光电发射效应（4）光折变效应；光电效应的基本原理有：1. 光生伏特效应：P 1922. 光电导效应：P 1923. 光电发射效应：P 1934. 光折变效应：P 193（不太懂，要吃透）12. 半导体光敏感材料：Si与Ge晶体结构类型及其主要应用领域；Ge折射率的测量方法及影响因素；Si与Ge相比，特点？GaAs吸收系数的影响因素；ZnS折射率

15、与温度的关系；CdS的折射率变化特点； P196 锗的晶体结构；锗折射率测量方法；影响因素；P198 应用领域；硅的应用P201；硅的晶体结构 P199；硅和锗相比的特点 P198;GaAs吸收系数的影响因素 P205-206（紫色笔部分）；ZnS折射率与温度的关系 P207；CdS的折射率变化特点 P21213. 聚合物光折变材料：聚合物掺杂体系和全功能聚合物体系的结构特点； P219页左右，不确定14. 结型光电器件：PN结内电流方程及其物理意义；硅光电池的分类及工作原理；硅光电二极管和光电池比较；硅光二极管与硅光三极管的比较；PN结内电流方程及其物理定义：P222-223；硅光电池的分类

16、以及工作原理：P224硅光电池的分类P224-225；硅光电二极管与光电池的比较：P227（另外，注意看一看硅光二极管的结构）；硅光二极管与硅光三极管（硅光敏晶体管）的比较：P229，比较多，注意看。15. 光电导器件：光敏电阻的特点、分类、工作原理及常用结构；相关物理概念：光电导增益、量子效率、响应时间、上升响应时间、下降时间、前历效应；光敏电阻的特点、分类、工作原理及常用结构：P239；光电导增益、量子效率、响应时间、上升响应时间、下降时间、前历效应 P242-245(很多，有点麻烦)；16. 真空光电器件：光电阴极的主要指标参数；光电管和光电倍增管的构成；光电倍增管的应用；相关物理概念：

17、光电发射体、光电阴极的光谱响应曲线；光电阴极的重要指标参数：；光电管与光电倍增管的构成：；相关物理概念暂时没有找到，切切注意。17. 湿度测量：湿度测量常用方法；相关物理概念：湿度、绝对湿度和相对湿度、霜点温度、湿滞、温度系数；湿度测量的常用方法P35；几个定义 P36-37;18. 能够结合原理图说明下列光纤湿度传感器的传感原理：法布里-珀罗（F-P）腔湿度传感器；光纤渐逝波耦合器湿度传感器；长周期光纤光栅湿度传感器；光纤布拉格光栅（FBG）湿度传感器；需要翻译一下ppt，书上小多，不明重点19. 光纤的结构及普通通信光纤的参数；光纤结构P306;普通通信光纤的参数：P306，（我的笔记，红

18、色）20. 光纤光栅的概念、特性、传感原理；光纤传感器的基本概念:P315;特性P315；传感原理P31821. 光纤传感器的优点；光纤传感器具有灵敏度高，响应速度快，动态范围大，抗电磁干扰能力强、超高电绝缘、防然、防爆、安全性能高、耐腐蚀、材料资源丰富、成本低、体积小、轻巧灵便的优点22. 反射式强度调制型光纤传感器的结构原理和位移测量特性曲线； 由于反射回光纤的强度信号容易受光源功率波动或传输光纤损耗的影响, 要直接从光强信号得到反射面到光纤端面的绝对距离十分困难。 光强调制函数M是RF接收的光功率与TF发送的光功率之比。M反映的是传感器的强度调制特性，它是反射式强度调制型传感器进行测量的基础。 阴影 I代表漫反射损耗部分，由于此时的漫散射角大于接收光纤的数值孔径角，所以这部分的散射光不能被R