傳感器敏感材料及器件復(fù)習(xí)提綱

1、傳感器敏感材料及器件課程主要內(nèi)容1.傳感器與檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢；2.霍爾效應(yīng)定義，霍爾電勢，霍爾式位移傳感器的工作原理圖，霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器原理圖及測量原理；置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體, 當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時, 載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢, 這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。圖（a）是磁場強度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對地放置，霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強度B=0，因此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零，此時位移x=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對位移，霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強度也隨之改變，這時UH不為零，其量值大小反映出霍爾元件

2、與磁鐵之間相對位置的變化量磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。3.磁阻效應(yīng)定義，半導(dǎo)體InSb磁敏無接觸電位器原理圖及測量原理；磁阻效應(yīng) 若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。半導(dǎo)體InSb磁敏無接觸電位器是基于半導(dǎo)體InSb磁阻效應(yīng)原理，由半導(dǎo)體InSb磁敏電阻元件和偏置磁鋼組成；其結(jié)構(gòu)與普通電位器相似。由于無電刷接觸，故稱無接觸電位器。該電位器的核心是差分

3、型結(jié)構(gòu)的兩個半圓形磁敏電阻；它們被安裝在同一旋轉(zhuǎn)軸上的半園形永磁鋼上，其面積恰好覆蓋其中一個磁敏電阻；隨著旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，磁鋼覆蓋于磁阻元件的面積發(fā)生變化，引起磁敏電阻值發(fā)生變化，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，即能調(diào)節(jié)其阻值。其工作原理和輸出電壓隨旋轉(zhuǎn)角度變化的關(guān)系曲線如圖所示。4.磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理；磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理；結(jié)構(gòu) 磁敏二極管的P型和N型電極由高阻材料制成，在P、N之間有一個較長的本征區(qū)I，本征區(qū)I的一面磨成光滑的低復(fù)合表面(為I區(qū))，另一面打毛，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)(為r區(qū))，其目的是因為電子 空穴對易于在粗糙表面復(fù)合而消失。當(dāng)通過正向電流后就會在P、I、N結(jié)之間形成電流。由此可知，磁敏二極

4、管是PIN型的。 當(dāng)磁敏二極管未受到外界磁場作用時，外加正偏壓(P區(qū)為正)，則有大量的空穴從P區(qū)通過i區(qū)進入N區(qū)，同時也有大量電子注入P區(qū)，這樣形成電流，只有少量電子和空穴在i區(qū)復(fù)合掉。 當(dāng)磁敏二極管受到如下圖 (b)所示的外界磁場H+(正向磁場)作用時，則電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于r區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度比光滑面I區(qū)快，空穴和電子一旦復(fù)合就失去導(dǎo)電作用，意味著基區(qū)的等效電阻增大，電流減小。磁場強度越強，電子和空穴受到洛侖茲力就越大，單位時間內(nèi)進入由于r區(qū)而復(fù)合的電子和空穴數(shù)量就越多，載流子減少，外電路的電流越小。 當(dāng)磁敏二極管受到如右圖(c)所示的外界磁場片H-(反向磁場

5、)作用時，則電子和空穴受到洛侖茲力作用而向I區(qū)偏移，由于電子、空穴復(fù)合率明顯變小，i區(qū)的等效電阻減小，則外電路的電流變大。 若在磁敏二極管上加反向偏壓(P區(qū)的負)，則僅有很微小的電流流過，并且?guī)缀跖c磁場無關(guān)。 因此，該器件僅能在正向偏壓下工作。利用磁敏二極管的正向?qū)娏麟S磁場強度的變化而變化的特性，即可實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。磁敏三極管的結(jié)構(gòu) 在弱P型或弱N型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴散法形成發(fā)射極、基極和集電極。其最大特點是基區(qū)較長，基區(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，也有高復(fù)合速率的r區(qū)和本征I區(qū)。長基區(qū)分為輸運基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。磁敏三極管的工作原理 當(dāng)磁敏三極管未受到磁場作用時，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴散長

6、度，大部分載流子通過e-I-b，形成基極電流；少數(shù)載流子輸入到c極，因而基極電流大于集電極電流。當(dāng)受到正向磁場(H +)作用時，由于磁場的作用，洛侖茲力使載流子向復(fù)合區(qū)偏轉(zhuǎn) ，導(dǎo)致集電極電流顯著下降；當(dāng)反向磁場(H -)作用時，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。由此可知，磁敏三極管在正、反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。5.輸入電阻和輸出電阻；額定激勵電流和最大允許激勵電流；不等位電勢和不等位電阻；寄生直流電勢；霍爾電勢溫度系數(shù)；輸入電阻和輸出電阻Ø 激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻。Ø 霍爾電極輸出電勢對外電路來說相當(dāng)于一個電壓源, 其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。

7、以上電阻值是在磁感應(yīng)強度為零且環(huán)境溫度在20±5時確定的。Ø 當(dāng)霍爾元件自身溫升10時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。Ø 以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，所以，使用中希望選用盡可能大的激勵電流，因而需要知道元件的最大允許激勵電流，改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵電流增加。 Ø 當(dāng)霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。Ø 不等位電勢也可用不等位電阻表示Ø 寄生直流電勢Ø

8、; 在外加磁場為零，霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，該直流電勢稱寄生直流電勢。Ø 霍爾電勢溫度系數(shù)Ø 在一定磁感應(yīng)強度和激勵電流下, 溫度每變化1時, 霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。6.應(yīng)變式加速度傳感器原理圖及測量原理；圖示應(yīng)變式電阻加速度傳感器由基座(用來固定在被測物體上)、等截面懸臂梁、質(zhì)量塊和4個電阻應(yīng)變片組成，以等截面懸臂梁為彈性敏感元件。加速度傳感器l一基座； 2一質(zhì)量塊；3一應(yīng)變片； 4一懸臂梁測量時，根據(jù)所物體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位，當(dāng)彈性元件感受到加速度時，其表面

9、產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在表面的電阻應(yīng)變片的阻值會隨著彈性元件的應(yīng)變發(fā)生相應(yīng)變化。7.壓阻效應(yīng)定義，壓電效應(yīng)定義，正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）定義，逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）定義；壓阻效應(yīng) 單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)

10、力也隨之消失的現(xiàn)象。8.壓電式單向力傳感器原理圖及測量原理；9.縱向效應(yīng)型加速度傳感器原理圖及測量原理；縱向效應(yīng)是最常見的,如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。當(dāng)傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力Fma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 qd33Fd33ma10.壓電式傳感器表面粗糙度測試原理圖及測量原理；圖示為壓電式傳感器在輪廓儀上應(yīng)用時的結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器由驅(qū)動箱拖動使其觸針在工件

11、表面以恒速滑行。工件表面的起伏不平使觸針上下運動，通過針桿使壓電晶體隨之變形，這樣，在壓電晶體表面就產(chǎn)生電荷，由引線輸出與觸針位移成正比的電信號。11.光學(xué)敏感材料的換能機理：能夠結(jié)合原理圖描述四種光電效應(yīng)的基本原理；第一次小作業(yè)12.半導(dǎo)體光敏感材料：Si與Ge晶體結(jié)構(gòu)類型及其主要應(yīng)用領(lǐng)域；Ge折射率的測量方法及影響因素；Si與Ge相比，特點？GaAs吸收系數(shù)的影響因素；ZnS折射率與溫度的關(guān)系；CdS的折射率變化特點； 書195-21213.聚合物光折變材料：聚合物摻雜體系和全功能聚合物體系的結(jié)構(gòu)特點； P219-22014.結(jié)型光電器件：PN結(jié)內(nèi)電流方程及其物理意義；硅光電池的分類及工作

12、原理；硅光電二極管和光電池比較；硅光二極管與硅光三極管的比較；P222-23815.光電導(dǎo)器件：光敏電阻的特點、分類、工作原理及常用結(jié)構(gòu)；相關(guān)物理概念：光電導(dǎo)增益、量子效率、響應(yīng)時間、上升響應(yīng)時間、下降時間、前歷效應(yīng)；P239-25016.真空光電器件：光電陰極的主要指標(biāo)參數(shù)；光電管和光電倍增管的構(gòu)成；光電倍增管的應(yīng)用；相關(guān)物理概念：光電發(fā)射體、光電陰極的光譜響應(yīng)曲線；P251-26317.濕度測量：濕度測量常用方法；相關(guān)物理概念：濕度、絕對濕度和相對濕度、霜點溫度、濕滯、溫度系數(shù)；P35-3718.能夠結(jié)合原理圖說明下列光纖濕度傳感器的傳感原理：法布里-珀羅（F-P）腔濕度傳感器；光纖漸逝波耦合器濕度傳感器；長周期光纖光柵濕度傳感器；光纖布拉格光柵（FBG）濕度傳感器；P53-5619.光纖的結(jié)構(gòu)及普通通信光纖的參數(shù)；P30520.光纖光柵的概念、特性、傳感原理；P315、318 光譜特性 傳輸與調(diào)制特性.21.光纖傳感器的優(yōu)點；P5722.反射式強度調(diào)制型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)、原理和位移測量特性曲線；P310