磁学传感器 传感器及其工作原理

传感器及其工作原理

一、认识传感器

1.传感器

（1）定义：传感器是指这样一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等物理量，并能把它们按照一定的规律转换为便于传送和处理的另一个物理量（通常是电压、电流等电学量），或转换为电路的通断.

☞生活中的实例

（2）基本特性：把非电学量转换为电学量，可以方便地进行测量、传输、处理和控制等.

2.传感器的工作原理：传感器通过敏感元件感受的通常是非电学量，而它利用转换元件输出的通常是电学量，如电压、电流、电荷量等.

传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路和辅助电源四部分组成，其工作原理如图所示.

敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；转换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和转换电路一般还需要辅助电源供电.

☞敏感原件干簧管的结构及原理

如图所示，它由用玻璃管封入两个软磁性材料制成的簧片组成.当磁铁靠近干簧管时，两个簧片被磁化而接通，所以干簧管能起到开关的作用，操纵开关的是磁场这只看不见的“手”.干簧管是一种能够感知磁场的传感器，广泛用于电工设备和电子设备中.

3.传感器的特点

微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化它是实现自动检测和自动控制的首要环节.传感器的存在和发展，让物体有了“触觉”“味觉”和“嗅觉”等，让物体慢慢“活”了起来.

4.传感器的分类

（1）按照其用途可分为：压力传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、热敏传感器、雷达传感器等.

（2）按照其原理可分为：振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等.

（3）按其输出信号可分为：模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号；

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）；

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号（包括直接和间接转换）；

开关传感器—当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号.

（4）按照其测量目的可分为：物理型传感器、化学型传感器、生物型传感器.

☞几种传感器中的敏感元件

二、对敏感元件的认识

1、光敏电阻：是一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器.

（1）特性：当用不同的光照射光敏电阻时会得到不同的电阻，由实验数据可知一般光照强度越强，电阻越小.

（2）本质：一般构成光敏电阻的物质为半导体材料，当无光照时载流子极少，导电性能不好；随着光照的增强，载流子增多，导电性能变强，电阻就会减小.

（3）作用：把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量，就如同人的眼睛一样，可以感知光线的强弱，应用光敏电阻可制成光电计数器.

☞街旁路灯和江海里的航标都要求在夜晚亮、白天熄，利用半导体的电学特性制成了自动点亮、熄灭的装置，实现了自动控制，这是利用半导体的光敏性.

2.热敏电阻和金属热电阻

（1）热敏电阻

①由半导体材料制成，利用温度变化使半导体的导电性能发生变化的电子元件一般热敏电阻的阻值随温度的升高而减小.

②分类：热敏电阻是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC）、负温度系数热敏电阻（NTC）和临界温度热敏电阻（CTR）.正温度系数热敏电阻随温度升高电阻增大；负温度系数热敏电阻随温度升高电阻减小（这是最常见到的热敏电阻，如边栏图R-T图象中的热敏电阻）；临界温度热敏电阻具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加急剧减小，具有很大的负温度系数.它们的电阻率随温度的变化如边栏图中ρ-t图象所示.

☞金属热电阻与热敏电阻的R-T特性曲线

☞各种热敏电阻的电阻率随温度的变化情况

（2）金属热电阻：金属的电阻率随温度的升高而增大，利用这一特性，金属丝也可以制作成热敏传感器，称为热电阻一般的金属热电阻的灵敏度较差.

（3）氧化锰热敏电阻和金属热电阻的对比

三、霍尔元件

1、霍尔元件：如图所示，在一个很小的矩形半导体（例如砷化铟）薄片上、制作四个电极E、F、M、N，它就成了一个霍尔元件.

2、霍尔电压

（1）表达式：如图所示，E、F间通入恒定电流I，同时外加与薄片垂直的磁感应强度为B的磁场，则MN间出现霍尔电压UH，UH＝kIB/d.

（2）原理：以载流子是自由电子为例，霍尔电压的推导如下：根据左手定则，让磁感线垂直穿过手心，四指指向电子运动的反方向（即电流方向），

拇指指向即电子受洛伦兹力的方向，电子在洛伦兹力作用下发生偏转，并在左右两侧表面积累，则左侧表面积累负电荷，右侧表面就积累等量的正电荷，即右侧表面的电势高，这样就会形成电场，当电子所受电场力与洛伦兹力平衡时，左、右两侧的电压达到稳定.

☞霍尔元件的分类

霍尔元件可分为两类：一类是金属霍尔元件，其载流子是自由电子；另一类是半导体霍尔元件，其载流子是空穴（可以认为是带正电的粒子）.

设M、N左右两板距离为h，E、F上下两板距离为d，则eE场=eU/h＝evB，又知导体中电流I＝nevS＝nev·hd，联立方程得U＝IB/ned.由于ne是由霍尔元件本身材料决定的，我们把kIB/d称为霍尔系数，用k表示，这样就有UH＝kIB/d，其中d是薄片的厚度.

3、霍尔电势高低的判断

由左手定则判断带电粒子的受力方向，从而得出带电粒子的偏转方向，正电荷聚集的面为高电势面，负电荷聚集的面为低电势面.

☞霍尔电势判断要点

在判断霍尔电势的高低时，一定要注意载流子是正电荷还是负电荷.无论载流子是正电荷还是负电荷，四指指的都是电流方向，即正电荷定向移动的方向，负电荷定向移动的反方向（电流方向一定时，无论载流子是正电荷还是负电荷，载流子受力方向均相同）.

4.霍尔元件的作用

一个霍尔元件的厚度d、霍尔系数k为定值，若保持电流I恒定，则霍尔电压U就与磁感应强度B成正比，因此，霍尔元件能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量，故霍尔元件又称磁敏元件.

☞霍尔传感器技术在汽车工业中有着广泛的应用，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器有开关式、模拟式和数字式三种形式.

光刻机10章传感器及其制造工艺

（光刻机10章)第五章：传感器及其制造工艺

传感器种类

传感器在光刻机中扮演着至关重要的角色，它们负责检测和测量各种物理量，如位置、温度、压力、光强等，为光刻机的精确控制和操作提供关键信息。以下是光刻机中常见的一些传感器种类：

位置传感器是光刻机中用于检测机械部件位置和移动的关键传感器。它们通过测量机械部件的位移、角度等参数，确保硅片在曝光过程中的精确对准。位置传感器通常采用光学、磁学或电容等原理进行测量，具有高精度、高灵敏度和快速响应的特点。

温度传感器用于监测光刻机内部和工作环境的温度变化。光刻机在工作过程中会产生大量的热量，而温度的波动会对光刻精度和稳定性产生严重影响。因此，温度传感器能够及时检测温度变化，为光刻机的温度控制提供准确的数据支持。

除了位置传感器和温度传感器外，光刻机中还包括许多其他类型的传感器，如压力传感器、光强传感器、气体传感器等。这些传感器共同构成了光刻机的感知系统，为光刻过程的精确控制和优化提供了有力支持。

制造工艺

传感器的制造涉及到多个环节和工艺步骤，其中包括敏感元件的制备、信号处理电路的设计与制造等。

敏感元件的制备是传感器制造的核心环节。敏感元件是传感器的核心部分，能够直接感受到被测物理量的变化并将其转化为电信号。制备敏感元件通常需要采用特殊材料和精密工艺，如薄膜技术、纳米技术、微电子技术等。这些技术能够确保敏感元件具有高度的灵敏度、稳定性和可靠性。

信号处理电路的设计与制造也是传感器制造中不可或缺的一环。信号处理电路负责将敏感元件输出的微弱电信号进行放大、滤波、转换等处理，使其能够被后续电路或系统所识别和处理。信号处理电路的设计需要考虑到信号的特性、噪声干扰、功耗等因素，并采用先进的电路设计和制造技术来实现。

注意事项

在传感器的制造和使用过程中，需要注意以下几个方面：

首先，要保证传感器的测量精度和稳定性。传感器的测量精度和稳定性直接影响到光刻机的性能和可靠性。因此，在制造过程中需要采用高精度、高稳定性的材料和工艺，并进行严格的测试和校准，以确保传感器的性能符合光刻机的要求。

其次，要防止传感器受到外部干扰。传感器在工作过程中可能会受到各种外部因素的干扰，如温度、湿度、电磁场等。这些干扰可能导致传感器的测量精度和稳定性下降，甚至损坏传感器。因此，在设计和制造过程中需要采取相应的屏蔽、隔离和滤波等措施，以减小外部干扰对传感器的影响。

最后，还需要注意传感器的安装和维护。传感器的安装位置和方式对其性能有很大影响，需要根据光刻机的具体要求进行合理的安装和固定。在使用过程中，需要定期对传感器进行检查和维护，如清洁、校准、更换等，以确保其长期稳定运行。

总之，传感器是光刻机中的重要组成部分，其制造和使用需要高度的技术水平和严格的工艺要求。只有在保证传感器性能的前提下，才能实现光刻机的高精度、高稳定性和高效率。#光刻机小知识# #易拉盖视觉检测# #光学筛选机瑞科# #存储晶圆pcb# #电子束检测# #dip治具# #离子迁移测试机# #从煜自动化# #面板制造自动化#

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