传感器原理及其应用PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1传感器的定义和组成 1

1.1.1传感器的定义 1

1.1.2传感器的组成 2

1.2传感器的分类 2

1.2.1按传感器检测的量分类 3

1.2.2按传感器输出的信号性质分类 3

1.2.3按传感器的结构分类 3

1.2.4按传感器的功能分类 4

1.2.5按传感器的能源分类 4

1.2.6按传感器的转换原理分类 4

1.3传感器的特性与主要性能指标 4

1.3.1传感器静态特性与主要性能指标 5

1.3.2传感器动态特性 16

1.4传感器的发展趋势 18

1.4.1开发新型传感器 18

1.4.2开发新材料 19

1.4.3微型传感器加工工艺的发展 21

1.4.4传感器多功能集成化发展 22

1.4.5传感器的智能化和网络化发展 22

参考文献 24

第2章 磁传感器概述 25

2.1磁场概述 25

2.1.1磁场的定义 25

2.1.2磁场的分类 26

2.2磁传感器的定义和分类 26

2.2.1磁传感器的定义 26

2.2.2磁传感器的分类 27

2.3磁传感器的发展动向及展望 29

参考文献 32

第3章 霍尔元件 33

3.1霍尔效应 33

3.2霍尔元件及其效率 35

3.3霍尔元件的设计 38

3.3.1几何尺寸对霍尔输出电压的影响 39

3.3.2霍尔输出电极宽度对霍尔输出电压的影响 41

3.3.3霍尔元件的不等位电势及其影响因素 42

3.4霍尔元件的电磁特性 43

3.4.1 VH-B关系 43

3.4.2 VH-I关系 44

3.4.3 R-B关系 45

3.5霍尔元件的温度特性 45

3.5.1一般分析 45

3.5.2温度补偿 48

3.5.3最大允许控制电流 50

3.6霍尔元件的频率特性 51

3.7霍尔元件参数的测试方法 52

3.7.1常用参数 52

3.7.2测试方法 53

3.8霍尔元件的应用 55

3.8.1磁钢 56

3.8.2无刷直流电机 57

参考文献 60

第4章 磁敏电阻 61

4.1半导体磁阻效应 61

4.1.1物理磁阻效应 61

4.1.2几何磁阻效应 62

4.1.3磁阻比特性 64

4.2半导体磁敏电阻 65

4.2.1磁敏电阻的材料 65

4.2.2圆板型磁敏电阻 66

4.2.3栅格状磁敏电阻 67

4.2.4 InSb-NiSb共晶磁敏电阻 69

4.3半导体磁敏电阻特性及其补偿 71

4.3.1磁敏电阻的特性参数 71

4.3.2磁阻比特性 72

4.3.3温度特性 73

4.4强磁性金属磁敏电阻的工作原理与特性 74

4.4.1强磁性金属的磁阻效应 74

4.4.2强磁性金属磁敏电阻的工作原理 75

4.4.3磁场强度-输出电压特性 77

4.5强磁性金属磁敏电阻及其特性 78

4.5.1元件的构成 78

4.5.2强磁性金属磁敏电阻的工作特性 79

4.6巨磁电阻的工作原理及其应用 82

4.6.1巨磁阻效应 82

4.6.2巨磁电阻的工作原理 82

4.6.3 Co/Cu/Co多层膜巨磁电阻 85

4.6.4巨磁电阻的应用 86

参考文献 87

第5章 磁敏二极管 89

5.1磁敏二极管工作原理 89

5.2磁敏二极管的设计原则 94

5.2.1材料选择 94

5.2.2尺寸选择 94

5.3磁敏二极管的制备工艺 96

5.3.1锗磁敏二极管的制备工艺 96

5.3.2硅磁敏二极管制备工艺 97

5.4磁敏二极管特性与测试方法 98

5.4.1磁灵敏度及其测试方法 98

5.4.2输出电压随磁场变化的特性 101

5.4.3温度特性 101

5.4.4频率特性 103

5.4.5噪声 103

5.5温度补偿方法 103

参考文献 108

第6章 磁敏三极管 109

6.1磁敏三极管的工作原理 109

6.2磁敏三极管的设计原则 113

6.3磁敏三极管的制备工艺 115

6.3.1锗磁敏三极管的制备工艺 115

6.3.2硅磁敏三极管3CCM的制备工艺 116

6.3.3采用MEMS技术制造硅磁敏三极管 116

6.4磁敏三极管的特性与测试方法 122

6.4.1磁灵敏度 122

6.4.2温度特性 123

6.4.3频率特性 126

6.5磁敏三极管的温度补偿方法 127

6.5.1差分补偿方法 127

6.5.2用三极管做温度补偿的方法 128

参考文献 129

第7章 其他磁传感器 130

7.1韦根德元件 130

7.1.1韦根德效应和韦根德元件 130

7.1.2韦根德元件应用举例 131

7.2约瑟夫逊超导量子干涉元件 133

7.2.1正常电子的隧道效应 134

7.2.2约瑟夫逊效应 134

参考文献 139

第8章 压电效应与压阻效应 140

8.1压电效应 140

8.1.1应力的概念 140

8.1.2应变的概念 140

8.1.3正应力与正应变的概念 140

8.1.4切应力与切应变的概念 142

8.1.5应力张量和应变张量的概念 142

8.1.6应变分量与位移分量之间的关系 143

8.1.7石英晶体的介电性质 145

8.1.8石英晶体的压电效应 148

8.2压阻效应 153

8.2.1压阻系数 154

8.2.2液体静压强作用下的效应 156

8.2.3单轴拉伸或压缩下的压阻效应 159

8.2.4压阻效应的应用 161

8.2.5影响压阻系数大小的因素 163

参考文献 164

第9章 弹性元件的力学分析 165

9.1梁式弹性元件分析 165

9.1.1梁式弹性元件正应力 165

9.1.2弯矩和剪力 167

9.2对称载荷下的圆板弯曲 167

9.3圆板应力和位移的确定 172

9.4矩形板的弯曲 175

9.5硅弹性膜片形状的选择 176

参考文献 177

第10章 压电式传感器 178

10.1压电式加速度传感器 178

10.1.1工作原理 178

10.1.2灵敏度 178

10.1.3频响特性 180

10.1.4结构特点 185

10.1.5应用 186

10.2压电式力传感器和压力传感器 187

10.2.1压电式力传感器 187

10.2.2压电式压力传感器 188

10.3压电式传感器的误差 191

10.3.1环境温度的影响 191

10.3.2环境湿度的影响 194

10.3.3横向灵敏度 194

10.3.4电缆噪声 195

10.3.5接地回路噪声 196

参考文献 196

第11章 压阻式传感器 197

11.1压阻式压力传感器 197

11.1.1压阻系数 197

11.1.2压阻式压力传感器原理 201

11.2压阻式加速度传感器 207

11.3压阻式传感器的输出 208

11.3.1恒压源供电 208

11.3.2恒流源供电 209

11.4扩散电阻的阻值与几何尺寸的确定 210

11.5温度漂移的补偿 212

11.5.1传感器零位温漂的补偿 212

11.5.2传感器灵敏度温漂的补偿 213

11.5.3最佳灵敏度温度补偿原理分析 214

11.5.4非对称基区梳状晶体管的结构设计 217

参考文献 220

第12章 电容式传感器 222

12.1工作原理及结构类型 222

12.2主要特性 223

12.2.1特性曲线、灵敏度、非线性 223

12.2.2等效电路 227

12.2.3高阻抗、小功率特性 228

12.2.4静电引力 229

12.3电容式压力传感器性能指标简介 230

12.4电容式加速度传感器性能指标简介 232

12.5温度误差分析 233

12.5.1温度变化对结构尺寸的影响 233

12.5.2温度变化对介质介电常数的影响 234

12.6绝缘和屏蔽问题 236

12.6.1绝缘问题 236

12.6.2屏蔽问题 236

参考文献 238

第13章 硅各向异性腐蚀技术 239

13.1硅各向异性腐蚀技术简介 239

13.2硅各向异性腐蚀技术工艺规范 240

13.3 EPW各向异性腐蚀工艺 244

13.3.1 EPW腐蚀液 244

13.3.2最佳浓度的确定 246

13.3.3实验与工艺流程 248

13.4 KOH各向异性腐蚀工艺 249

13.4.1腐蚀设备 249

13.4.2氢氧化钾溶液的实验结果 250

13.5 TMAH单晶硅各向异性腐蚀技术 253

13.5.1应用说明 253

13.5.2 TMAH的性质 253

13.5.3实验装置 254

13.5.4实验结果分析 254

13.5.5结论 255

13.6硅各向异性腐蚀实验结果的理论解释 255

参考文献 259

第14章 传感器集成化 261

14.1传感器的集成化简介 261

14.2纳米硅／单晶硅异质结MOSFETs压／磁多功能传感器基本结构 261

14.3纳米硅／单晶硅异质结MOSFETs压／磁多功能传感器制作工艺 262

14.4纳米硅／单晶硅异质结p-MOSFET特性 266

14.4.1纳米硅／单晶硅异质结p-MOSFET基本结构 266

14.4.2纳米硅／单晶硅异质结p-MOSFET I-V特性 267

14.5纳米硅／单晶硅异质结MOSFETs压／磁多功能传感器压敏特性研究 267

14.6纳米硅／单晶硅异质结MOSFETs压／磁多功能传感器磁敏特性 269

14.7纳米硅／单晶硅异质结MOSFETs压／磁多功能传感器压／磁特性 271

参考文献 272

第15章 传感器CAD 273

15.1磁传感器ATLAS模拟仿真 273

15.1.1 ATLAS 273

15.1.2硅磁敏二极管磁特性仿真 275

15.1.3硅磁敏三极管ATLAS模拟仿真 277

15.2 IntelliSuite 281

15.2.1 3D Builder 282

15.2.2硅各向异性腐蚀模拟 283

15.2.3 MEMS工艺模拟 285

15.3压力传感器仿真 286

15.3.1 ANSYS 286

15.3.2 ANSYS仿真过程 287

15.3.3压力传感器仿真实例 288

参考文献 293

附录Ⅰ压阻系数 294

附录Ⅱ 应力与应变的关系——弹性定律 300

附录Ⅲ国外压力传感器和加速度传感器主要性能指标 307

附录Ⅳ国际单位制主要单位及换算表 309