东北大学传感器与敏感材料复习提纲

《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Δx=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Δx=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。

-90°

磁敏无接触电位器工作原理示图和输出特性曲线

0°

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。 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。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)

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。

? 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。 ? 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)

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)

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：

① 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；

② 两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，

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