传感器原理及其应用-传感器基础效应

传感器的基础效应物联网工程专业2011班目录光电效应 邹烈勇泡克耳斯效应 陈黎妮克尔效应 陈萍电致发光效应 黄慧莹电致发光效应 黄慧莹法拉第效应 谢晓君磁光克尔效应 李菁雯科顿-穆顿效应 杨紫霜塞曼效应 陈丹光磁效应 王行健霍尔效应 陈昊磁阻效应 董扬帆巨磁阻效应 董扬帆塞贝克效应 时红杰珀尔帖效应 陈霖汤姆逊效应 陈天恒压电效应 谢榕声音的多普勒效应 陶焕声电效应 刘进声光效应 董涛磁声效应 柯奕佳纳米效应 余耀光弹效应 戴敬禹

光电效应邹烈勇中文名称：光电效应英文名称：photoelectriceffect外光电效应现象物质吸收光子并激发出自由电子的行为。历史光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用。大约1900年，马克思·普朗克（MaxPlanck）对光电效应作出最初解释，并引出了光具有的能量包裹式能量（quantised）这一理论。1902年，勒纳（Lenard）也对其进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释。1905年，爱因斯坦26岁时提出光子假设，成功解释了光电效应。基本原理外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下，金属会吸收光子并发射电子。材料Ag-O-Cs，Cs-Sb应用传感器上的应用：制成光电管，光电倍增管生活中的应用：发光二极管（LED）

泡克耳斯效应陈黎妮英文名称Pockelseffect理论来源1893年由德国物理学家F.C.A.泡克耳斯发现。一些晶体在纵向电场（电场方向与光的传播方向一致）作用下会改变其各向异性性质，产生附加的双折射效应，称为电致双折射。例如把磷酸二氢钾晶体放置在两块平行的导电玻璃之间，导电玻璃板构成能产生电场的电容器，晶体的不加电场时，入射光在晶体内不发生双折，加电场时。晶体发生双折射。泡克耳斯效应与所加电场强度的一次方成正比。基本定义耳斯效应（Pockels）：平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现象，且两个主折射率之差与外电场强度成正比，这种电光效应即为泡克耳斯效应。n1-n2=rER为比例常数。Pockelseffect也被称为线性电光效应基本原理一种电光效应。某些晶体在电场作用下会产生一个附加的双折射，这一双折射与外加电场强度成正比。1893年德国物理学家F.泡克耳斯首先研究了这种线性电光效应，由此而得名。（1）对于晶体，常用折射率椭球描述其折射率特性。在主轴坐标系中可以写为。（1）当有外加电场作用时，晶体的折射率发生改变，因而方程（1）各项的系数也有相应的改变，可以写为（2）式（2）中分别对应折射率椭球方程中x2，y2，z2，yz，xz，xy各项系数的改变量;Ej（j=1，2，3）分别表示电场各分量Ex，Ey，Ez;γj为电光张量，可用一个3×6的矩阵表示，共有18个矩阵元，其中有些可能为零，有些彼此相关。这些关系依赖于晶体的对称性，只是在无中心对称的晶体中才产生这种效应（见晶体物理性能的对称性）。若光沿光轴传播，无外加电场时，没有双折射；若同时有平行于z轴的电场作用，则有双折射产生。由式（2）可得式中分别对应折射率椭球方程中x2，y2，z2，yz，xz，xy各项系数的改变量;Ej（j=1，2，3）分别表示电场各分量Ex，Ey，Ez;γj为电光张量，可用一个3×6的矩阵表示，共有18个矩阵元，其中有些可能为零，有些彼此相关。这些关系依赖于晶体的对称性，只是在无中心对称的晶体中才产生这种效应（见晶体物理性能的对称性）。若光沿光轴传播，无外加电场时，没有双折射；若同时有平行于z轴的电场作用生。由式（2）可得（3）（3）式中no为晶体固有的寻常光折射率，ny'与nx'分别表示加电场后在晶体的感生主轴y‵与x‵方向的折射率。为使光波在x‵与y‵两方向的偏振分量之间的位相差为π，所需加的电压值称为半波电压，记为Vλ/2或Vπ，而，不但可以省去一个偏振器，而且调Q电压只需，54（4）式中λ为光在真空中的波长。如上所述，光传播方向与电场方向平行的情况称为纵向电光效应。泡克耳斯盒就是利用纵向电光效应制成的一种快速电光开关。附图表示这种电光开关的一例。圆柱形电光晶体KD*P置于两偏振器P与A之间。圆柱的对称轴即为晶体的光轴方向。与光轴垂直的两端面是透明的。抾与·分别表示线偏振光的偏振方向平行于纸面和垂直于纸面。通过环形电极给晶体施加半波电压Vπ。当偏振器P与A的主轴平行时，光路是关闭的，因为在半波电压作用下，两偏振分量的位相推迟为π，这相当于偏振面旋转了90°。透过P与晶体的偏振光正是A所不允许通过的。如果突然退掉晶体上的电压，光路立即变为通路。这种电光开关的响应时间小于1纳秒。将泡克耳斯盒置于脉冲激光器的谐振腔内，可做为调Q元件。若光在晶体中的传播方向与电场垂直，则称为横向电光效应。在这种情况下，可通过增大纵宽比（通光方向长度／加电压方向的厚度）来降低有效半波电压。用于光波振幅调制的电光调制器常采用这种方式。利用泡克耳斯效应也可以做成电光偏转器，用以改变光束的传播方向。材料常用的具有泡克耳斯效应的压电材料是磷酸二氢钾（KH2PO4简称kDP）等。应用利用电光效应可以制作电光调制器，电光开关，电光光偏转器等，可用于光闸，激光器的Q开关和光波调制，并在高速摄影，光速测量，光通信和激光测距等激光技术中获得了重要应用。当加在晶体上的电场方向与通光方向平行，称为纵向电光调制（也称为纵向运用）;当通光方向与所加电场方向相垂直，称为横向电光调制（也称为横向运用）。利用电光效应可以实现对光波的振幅调制和位相调制。利用泡克耳斯效应制成的电光调制器或电光开关，能以25*10Hz的频率调制光度，如调制激光，可制成光纤电压和电场传感器。

克尔效应陈萍中文名称：克尔效应英文名称：Keereffect现象光照射具有各向同性的透明物质（也可以是液体），在入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射，即一束入射光变成‘寻常’和‘异常’两束出射光。历史1875年英国物理学家J·克尔发现光照射具有各向同性的透明物质（也可以是液体），在入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现象。基本原理放在电场中的物质，由于其分子受到电力的作用而发生取向（偏转），呈现各向异性，结果产生双折射，即沿两个不同方向物质对光的折射能力有所不同。分类克尔效应又分为克尔电光效应﹑光学克尔效应和磁学克尔效应。（1）克尔电光效应：或直流克尔效应，是特殊情况下，电场是一种缓变的外部应用领域。\o"查看图片"

（2）光学克尔效应：电场是由于光本身，这导致变异的折射率是成正比的地方辐射光。（3）磁学克尔效应：根据反映的磁材料具有轻微旋转偏振平面。材料具有各向同性的透明物质（也可以是液体）应用（1）传感器上的应用：制造几乎无惯性的光的开关——光闸电场的极化作用非常迅速，在加电场后不到10-9秒内就可完成极化过程，撤去电场后在同样短的时间内重新变为各向同性。（2）生活中的应用：高速摄影、光速测量和激光技术中。

电致发光效应黄慧莹中文名称：电致发光效应英文名称：ElectroLuminesecenceEffect现象某些固态晶体（如高纯度锗、硅和砷化镓等化合物半导体）在光和外加电场作用下发出冷光（指荧光和磷光）的现象；某些固态晶体（如磷化镓、磷化铟等）无需外加激发光而在外加电场作用下即可发光的现象。历史20世纪初，虞瑟福发现SiC晶体在电场作用下发光现象；50年代，人们将硫化锌和有机介质涂敷在透明导电玻璃上，再做上电极，加上交流电压，实现稳定的电致发光；1981年开发出薄膜电致发光显示器件。基本原理将电能直接转换为光能的过程。显示特点主动发光冷光源，面发光且亮度均匀无光斑，功耗小，寿命长（大于5000h），工作温度范围宽（－40~+70℃），超薄，可根据要求任意剪裁形状和尺寸，其抗冲击性、抗震动性好。材料（1）某些固态晶体，如高纯度锗、硅和砷化镓等化合物半导体（2）某些固态晶体，如磷化镓、磷化铟等应用（1）LCD模块、手提电话、IC卡电话机、磁卡电话、电池供电的显示屏、BP机、手表、汽车仪表板、音响及电视遥控器，手持GPS接收器、便携式计算机等的主动显示或背光显示。（2）电致发光板。电致发光板是一种发光器件，简称冷片管、EL灯、EL发光片或EL冷光片，它由背面电极层、绝缘层、发光层、透明电极层和表面保护膜组成，利用发光材料在电场作用下产生光的特性，将电能转换为光能。

电致发光效应黄慧莹中文名称：电致发光效应英文名称：ElectroLuminesecenceEffect现象某些固态晶体（如高纯度锗、硅和砷化镓等化合物半导体）在光和外加电场作用下发出冷光（指荧光和磷光）的现象；某些固态晶体（如磷化镓、磷化铟等）无需外加激发光而在外加电场作用下即可发光的现象。历史20世纪初，虞瑟福发现SiC晶体在电场作用下发光现象；50年代，人们将硫化锌和有机介质涂敷在透明导电玻璃上，再做上电极，加上交流电压，实现稳定的电致发光；1981年开发出薄膜电致发光显示器件。基本原理将电能直接转换为光能的过程。显示特点主动发光冷光源，面发光且亮度均匀无光斑，功耗小，寿命长（大于5000h），工作温度范围宽（－40~+70℃），超薄，可根据要求任意剪裁形状和尺寸，其抗冲击性、抗震动性好。材料（1）某些固态晶体，如高纯度锗、硅和砷化镓等化合物半导体（2）某些固态晶体，如磷化镓、磷化铟等应用（1）LCD模块、手提电话、IC卡电话机、磁卡电话、电池供电的显示屏、BP机、手表、汽车仪表板、音响及电视遥控器，手持GPS接收器、便携式计算机等的主动显示或背光显示。（2）电致发光板。电致发光板是一种发光器件，简称冷片管、EL灯、EL发光片或EL冷光片，它由背面电极层、绝缘层、发光层、透明电极层和表面保护膜组成，利用发光材料在电场作用下产生光的特性，将电能转换为光能。

法拉第效应谢晓君中文名称：法拉第效应英文名称：Faradayeffect现象当线偏振光（见光的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即ψ＝VBl，比例系数V称为费德尔常数，与介质性质及光波频率有关。偏转方向取决于介质性质和磁场方向。历史1845年法拉第（MichalFaraday）发现玻璃在强磁场的作用下具有旋光性，加在玻璃棒上的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转基本原理当一束平面偏振光穿过一些原来不具有旋光性的介质，且给介质沿光的传播方向加一磁场，就会观察到光经过该介质后偏振面旋转了一个角度，也就是说磁场使介质具有了旋光性。分类无材料旋转角大的磁性材料应用法拉第效应可用于混合碳水化合物成分分析和分子结构研究。近年来在激光技术中这一效应被利用来制作光隔离器和红外调制器。该效应可用来分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段。因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动，当光的传播方向相反时，偏振面旋转角方向不倒转，所以法拉第效应是非互易效应。这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的。许多微波、光的隔离器、环行器、开关就是用旋转角大的磁性材料制作的。法拉第效应有许多重用的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值倍增。如用于光纤通讯系统中的磁光隔离器，因为偏振面的磁致旋转取决于磁场的方向，与光的传播方向无关，由此可设计成光隔离器，使光沿规定的方向通过同时阻挡反向传播的光，从而减少光纤中器件表面反射光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛用于激光多级放大技术和高分辨的激光光谱技术，激光选模等技术中。法拉第效应的弛豫时间不大于10^10秒量级。在激光通讯、激光雷达等技术中已发展成类似微波器件的光频环行器、调制器等。利用法拉第效应的调制器（磁光调制器）在1μ～5μ的红外波段将起重用作用，且磁光调制器需要的驱动功率较电光调制器小的多，对温度稳定性的要求也较低。所以磁光调制是激光调制技术的重用组成之一，也常用于激光强度的稳定装置。又如作为重要的传感机理应用于电工测量技术中，在磁场测量方面，利用它弛豫时间短（约1010-秒）的特点制成的磁光效应磁强计可测量脉冲强磁场，交变强磁场；利用它对温度不敏感的特点，磁光效应磁强计可适用于较宽的温度范围，如等离子体中强磁场，低温超导磁场；在电流测量方面，利用电流的磁效应和光纤材料的法拉第效应，可测量几千个安培的大电流或几千KV的高压电流等。

磁光克尔效应李菁雯中文名称：磁光克尔效应英文名称：Magneto-opticalKerreffect现象入射的线偏振光在已磁化的物质表面反射时，振动面发生旋转的现象。历史在1845年，MichaelFaraday首先发现了磁光效应，他发现当外加磁场加在玻璃样品上时，透射光的偏振面将发生旋转的效应，随后他在外加磁场之金属表面上做光反射的实验，但由于他所谓的表面并不够平整，因而实验结果不能使人信服。1877年JohnKerr在观察偏振化光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应（magneto-opticKerreffect）。1985年Moog和Bader两位学者进行铁超薄膜磊晶成长在金单晶（100）面上的磁光克尔效应做了大量实验，成功地得到一原子层厚度磁性物质之磁滞回线，并且提出了以SMOKE（surfacemagneto-opticKerreffect的缩写）来作为表面磁光克尔效应，用以表示应用磁光克尔效应在表面磁学上的研究。基本原理克尔磁光效应分极向、纵向和横向三种，分别对应物质的磁化强度与反射表面垂直、与表面和入射面平行、与表面平行而与入射面垂直三种情形。极向和纵向磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向效应最强，纵向次之，横向则无明显磁致旋光。分类磁光克尔效应分为极向，横向，纵向三种。（1）纵向克尔效应，即磁化强度既平行于介质表面又平行于光线的入射面时的克尔效应；（2）极向克尔效应，即磁化强度与介质表面垂直时发生的克尔效应；（3）横向克尔效应，即磁化强度与介质表面平行时发生的克尔效应（如图所示）．材料MnBi应用（1）传感器上的应用1.最重要应用是观察铁磁体的磁畴。不同磁畴有不同自发磁化方向，引起反射光振动面的不同旋转，通过偏振片观察反射光时，将观察到与各磁畴对应的明暗不同的区域。用此方法还可对磁畴变化作动态观察。2.磁光记录原理展示生活中的应用：医学中用于判断“肾结石”破碎的回声探测仪。

科顿-穆顿效应杨紫霜名称中文名称：科顿-穆顿效应英文名称：Cotton-MoutonEffect现象当光的传播方向与磁场垂直时，平行于磁场方向的线偏振光的相速不同于垂直于磁场方向的线偏振光的相速而产生的双折射现象历史又称磁双折射效应，简记为MLB。是1907年A.科顿和H.穆顿在液体中发现的。W.佛克脱在气体中也发现了同样效应，称佛克脱效应，它比前者要弱得多。基本原理当光的传播方向与磁场垂直时，平行于磁场方向的线偏振光的相速不同于垂直于磁场方向的线偏振光的相速而产生的双折射现象。其相位差正比于两种线偏振光的折射率之差，同磁场强度大小的二次方成正比。Ne-N。=C’λH²式中C’为科顿穆顿常数，它与光波波长λ和温度有关，与磁场强度无关。材料铁磁和亚铁磁介质中

塞曼效应陈丹中文名称：塞曼效应英文名称：Zeemaneffect现象当光源放在足够强的磁场中时，光源发出的每条光谱线都分裂成若干条偏振化的光谱线，分裂的谱线条数随能级的类别而不同的现象。历史1896年，荷兰物理学家塞曼使用半径10英尺的凹形罗兰光栅观察磁场中的钠火焰的光谱，他发现钠的D谱线似乎出现了加宽的现象。这种加宽现象实际是谱线发生了分裂。随后不久，塞曼的老师、荷兰物理学家洛仑兹应用经典电磁理论对这种现象进行了解释。他认为，由于电子存在轨道磁矩，并且磁矩方向在空间的取向是量子化的，因此在磁场作用下能级发生分裂，谱线分裂成间隔相等的3条谱线。塞曼和洛仑兹因为这一发现共同获得了1902年的诺贝尔物理学奖。1897年12月，普雷斯顿（T.supeston）报告称，在很多实验中观察到光谱线有时并非分裂成3条，间隔也不尽相同，人们把这种现象叫做为反常塞曼效应，将塞曼原来发现的现象叫做正常塞曼效应。反常塞曼效应的机制在其后二十余年时间里一直没能得到很好的解释，困扰了一大批物理学家。1925年，两名荷兰学生乌仑贝克和古兹米特提出了电子自旋假设，很好地解释了反常塞曼效应。塞曼效应也可以用来测量天体的磁场。1908年美国天文学家海尔等人在威尔逊山天文台利用塞曼效应，首次测量到了太阳黑子的磁场。基本原理塞曼效应证实了原子具有磁距和空间取向量子化的现象，至今塞曼效应仍是研究能级结构的重要方法之一。正常塞曼效应可用经典理论给予很好的解释；而反常塞曼效应却不能用经典理论解释，只有用量子理论才能得到满意的解释。塞曼效应的产生是原子磁矩和外加磁场作用的结果。分类1.若一条谱线分裂成三条、裂距按波数计算正好等于一个洛仑兹单位（L0=eB/4πmc）的现象称为正常塞曼效应；而分裂成更多条且裂距大于或小于一个洛仑兹单位的现象称为反常塞曼效应。正常塞曼效应2.实验中不仅可以观察到光谱发射线的塞曼效应，吸收线也会发生塞曼效应，这被称为逆塞曼效应。实验仪器（材料没的说）（1）干涉滤光片：其作用是只允许546.1nm的绿光通过，滤掉Hg原子发出的其它谱线，从而得到单色光。（2）偏振片：在垂直于磁场方向观察时用以鉴别成分和成分。（3）CCD摄像头：CCD是电荷耦合器件的简称，是一种金属氧化物——半导体结构的器件，具有光电转换，信息存储和信号传输（自扫描）的功能，在图像传感、信息处理和存储多方面有着广泛的应用。本实验中，经由F—P标准具出射的多光束，经透镜会聚相干，呈多光束干涉条纹成像于CCD光敏面，利用CCD的光电转换功能，将其转换为电信号“图像”，由荧光屏显示，因为CCD是对弱光极为敏感的光放大器件，故荧屏上呈现明亮、清晰的F—P干涉图像。（4）F—P标准具：是由两块平行的光学玻璃（或石英）板中间夹有一个热胀系数很小的石英（或铟钢）间隔圈组成。两玻璃板表面磨成光学平面，并且内表面要高精度的平行，间隔圈的厚度起伏<；内表面镀有ZnS—MgF多层介质高反射膜，使波长为546.1nm的入射光反射率，由于多次反射的结果，而获得多光束的干涉，从而使其具有极高的分辨率（105～107）；为了消除两平板的内、外表面反射光产生的干涉条纹的重叠，特别使外表面与内表面加工成1/6度左右的夹角；非固定式的标准具，还可更换不同厚度的间隔圈，用三个螺丝调节玻璃上三点压力，来达到精确的平行。应用（1）传感器上的应用：因变化量极小，难用于传感器，但可用于激光稳频，制成双频激光器。（2）科学中的应用：1.由塞曼效应实验结果去确定原子的总角动量量子数J值和朗德因子g值，近而去确定原子总轨道角动量量子数L和总自旋量子数S的数值。2.由物质的塞曼效应分析物质的元素组成

光磁效应王行健光磁效应是慈光效应的逆效应。因为是法拉第发现的，故又称法拉第效应。其也被称为光诱导慈效应。现象光磁效应（Magneto-opticaleffect）是指光照射物质后，物质磁性（如磁化率磁晶各向异性、磁滞回线等）发生变化的现象材料掺硅的钇铁石榴（1967年R.W.蒂尔等人在掺硅的钇铁石榴石

（YIG）中发现红外光照射引起磁晶各向异性变化）基本原理光磁效应多与非三价离子的代换有关，这种代换使亚铁磁材料中出现了二价铁离子，光照使电子在二、三价铁离子间转移，从而引起磁性的变化。应用美国密歇根大学研究人员日前发现，光所产生的巨大磁效应有望用于太阳能发电，即通过光电磁效应来发电，从而替代传统的半导体太阳能电池。密歇根大学电气工程及应用物理学系教授斯蒂芬·兰德表示：“我们可以利用光的磁效应来制作一种光电池。过去或许我们总是无法看到这种可能，因为思维惯性使然。这一新发现标志着我们推翻了长达一个世纪之久的物理学信条。”据悉，兰德这篇文章发表在《应用物理学杂志》上。虽然光具有电和磁性成分，但是科学家一直认为这种磁场的影响很小，可以忽略。兰德和他的同事发现，在适当的强度下，当光线穿过不导电材料时，光场所产生的磁效应比此前预期的要高出1亿倍。在这种情况下，磁场效应形成的强度就相当于一种强电场的效应。对此，兰德称：“新发现有望运用于太阳能上，即不需使用太阳能电池、不需要半导体、不需要吸收光以产生电荷分离、太阳能电池的工作原理是，光进入一种材料，随后被吸收并产生热。对于我们的新研究，我们期望有一个很低的热负荷。不是光被吸收，而是能量存储在磁矩中。强磁化的诱发可以采用强烈的光线，最终它可以提供一种电容性电源。”而这一切又都离不开光整流的发现。应用物理学博士威廉·费舍尔说，在传统的光学矫正过程中，光的电场导致电荷分离，或者分开材料中的正负电荷。这就形成一个电压，类似电池中的情形。这种电效应以前在晶体材料中就已经被发现。这种材料具有一定的对称性。兰德和费希尔发现，在正常情况下，在其他各种类型的材料中，光的磁场也可以形成光学矫正。费舍尔表示：“事实上，这种磁场一开始就使电子弯曲，形成一种C形状，它们每次前进一点点，这种C形态的电荷运动既产生电偶极子，又产生磁偶极子。如果我们将很多这种偶极子排成一排，放在长纤维中，我们就可以制成一个巨大的电压。通过抽取电压，我们可以用它作电源。这其中有一个前提——光照必须穿过一种不导电材料，如玻璃等。同时，光必须聚焦，达到强度为每平方厘米1000万瓦。虽然阳光本身没有这么强，但我们正在积极寻找新材料，这些材料可在较低强度下工作。”费舍尔说：“在最近的文章中，我们发现非相干光（incoherent

light）就像阳光，理论上几乎可以同样有效地产生电荷分离，就像激光一样。”研究人员预计，通过采用改进的材料，太阳能转换为可用能源的转换率可以达到10%。这相当于当今商用级别太阳能电池。费舍尔认为：“为了制造现代化的太阳能电池，我们就必须进行大量半导体加工，我们需要的只是透镜，以便聚焦光线，并依靠光线来引导它。玻璃兼具这两个方面作用。我们并不需要对普通玻璃进行太多加工，估计透明陶瓷的性能会更好。”据悉，研究人员接下来将研究开发这种电源，先用激光，然后用阳光。

霍尔效应陈昊中文名称：霍尔效应英文名称：HallEffect现象当电流垂直于外磁场的方向通过半导体薄片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间有电位差的现象历史美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。基本原理在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中的电子与电洞受到不同方向的劳伦兹力而往不同方向上聚集，在聚集起来的电子与电洞之间会产生电场，此一电场将会使后来的电子电洞受到电力作用而平衡掉磁场造成的劳伦兹力，使得后来的电子电洞能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。V为电子运动方向材料一般用半导体作霍尔元件的材料。（半导体的霍尔效应明显强于导体）应用（以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。）电流传感器：由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。霍尔电流传感器工作原理如图所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出2.位移传感器：在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。3.转速传感器：在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。

磁阻效应董扬帆中文名称：磁阻效应英文名称：magnetoresistiveeffect定义：由于磁场而引起的半导体或导体电阻的变化。现象当通以电流的半导体或金属薄片置于与电流垂直或平行的外加磁场中，其电阻随外加磁场的变化而变化。历史材料的电阻会因为外加磁场而增加或减少，则称电阻的变化称为磁阻（MR）。磁阻效应是1857年由英国物理学家威廉·汤姆森发现的，它在金属里可以忽略，在半导体中则可能由小到中等。从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。基本原理一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。如图1所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ（0）表示。其中ρ（0）为零磁场时的电阻率，设磁电阻在磁感应强度为B的磁场中电阻率为ρ（B），则Δρ=ρ（B）-ρ（0）。由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/R（0）正比于Δρ/ρ（0），这里ΔR=R（B）-R（0），因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量ΔR/R（0）来表示磁阻效应的分类若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。一般情况下，载流子的有效质量的驰豫时时间与方向无关，则纵向磁感强度不引起载流子偏移，因而无纵向磁阻效应。材料某些均匀的金属或半导体，如锑化铟等。应用目前，磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储（磁卡、硬盘）等领域。磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。其中最典型的锑化铟（InSb）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的磁阻器件磁电阻，有着十分重要的应用价值。2007年诺贝尔物理学奖授予来自法国国家科学研究中心的物理学家艾尔伯·费尔和来自德国尤利希研究中心的物理学家皮特·克鲁伯格，以表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献。

巨磁阻效应董扬帆中文名称：巨磁阻效应英文名称：GiantMagnetoresistance现象磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。历史早在1988年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。那时，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁阻效应（GiantMagneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前3个月，德国优利希研究中心格林贝格尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。。基本原理巨磁电阻（GMR）效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。GMR是一个量子力学效应，它是在层状的磁性薄膜结构中观察到的。这种结构由铁磁材料和非磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。普通磁电阻（正，极小，各向异性）巨磁电阻（负，巨大，各向同性）分类压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。（1）正压电效应：由机械能转变为电能的效应。当对压电材料施加外力，材料体内的电偶极矩会因压缩而变短，压电材料为抵抗变化会在材料表面产生正负电荷，以保持原状。（2）逆压电效应：由电能转变为机械能的效应。当在电介质的极化方向施加电场时，某些介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力。当外电场撤去后，变形或应力也随之消失。材料立方钙钛矿型巨磁阻材料，如La，Ca，MnO，（LCMO），铁磁材料应用1.SV-GMR磁头和传感器构成GMR磁头和传感器的核心元件是自旋阀（SpinValve）元件。它的基本结构是由钉扎磁性层（例如Co）、Cu间隔层和自由磁性层（例如NiFe等易磁化层）组成的多层膜。由于钉扎层的磁矩与自由磁层的磁矩之间的夹角发生变化会导致SV-GMR元件的电阻值改变，进而使读出电流发生变化。运用SV-GMR元件的磁传感器，检测灵敏度比使用MR元件的器件高1至数个量级，更容易集成化，封装尺寸更小，可靠性更高。它不仅可以取代以前的MR传感器，还可以制成传感器阵列，实现智能化，用来表述通行车辆，飞机机翼、建筑防护装置或管道系统中隐蔽缺陷的特征，跟踪地磁场的异常现象等。2.巨磁电阻随机存取存储器（MRAM）3.无刷直流电机的应用4.GMR医用及生物磁场传感器

5.

GMR在各种逻辑元件和全金属计算机中的应用

利用GMR材料可研制出磁性二极管、三极管和各种逻辑元件。目前正在把磁性GMR多层膜和半导体材料集成在一起，主要是利用电子的自旋注入（SPIN—INJECTION）来开发新的磁性器件。全金属的计算机将成为可能。

塞贝克效应时红杰中文名称：塞贝克效应英文名称：SeebeckEffect现象两种不同金属或半导体构成的回路中，如果两种金属或半导体的结点处温度不同，就会在回路中产生电流的现象。历史1820年代初期，塞贝克通过实验方法研究了电流与热的关系。1821年，塞贝克将两种不同的金属导线连接在一起，构成一个电流回路。他将两条导线首尾相连形成一个结点，他突然发现，如果把其中的一个结加热到很高的温度而另一个结保持低温的话，电路周围存在磁场。他实在不敢相信，热量施加于两种金属构成的一个结时会有电流产生，这只能用热磁电流或热磁现象来解释他的发现。在接下来的两年里时间（1822～1823），塞贝克将他的持续观察报告给普鲁士科学学会，把这一发现描述为“温差导致的金属磁化”。科学学会认为，这种现象是因为温度梯度导致了电流，继而在导线周围产生了磁场。尽管塞贝克不认同，但这一观点被大多数人所接受，人们把这种现象称为塞贝克效应。基本原理塞贝克效应的原理图与热电偶测温原理中用到的图是相同的，如下图所示：产生电流的电动势称为塞贝克电动势，它有两部分组成：1）两种导体的接触电动势，称珀耳帖电势；2）单一导体的温差电势，称汤姆逊电势。两种金属导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，直至动态平衡而形成，在接触两侧失去电子的带正电，得到电子的带负电，从而得到稳定的接触电势。单一导体的温差电势是由于自由电子在高温端具有较大的动能，向低温端扩散而形成的。高温端失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电。因此，两金属导体Ａ、Ｂ组成的闭合回路，当节点温度分别为Ｔ1、Ｔ２时，温差电效应产生的电动势为ＥＡＢ（Ｔ２，Ｔ１）﹦（T2‐T1）㏑＋﹙σA－σB﹚dT式中，k为波尔兹曼常数，k＝1.38×J/K;e为电子电荷量，e=1.602×C;na，nB为金属材料A、B的自由电子密度；σA，σB为金属A、B的汤姆逊系数。在一定温度范围内，温差电动势E为E=α﹙T2－T1﹚式中，α为塞贝克系数；T1、T2为闭合回路两节点的温度。分类半导体的Seebeck效应金属的Seebeck效应材料金属、半导体应用塞贝克效应发现之后，人们就为它找到了应用场所。利用塞贝克效应，可制成温差电偶（thermocouple，即热电偶）来测量温度。只要选用适当的金属作热电偶材料，就可轻易测量到从－180℃到+2000℃的温度，如此宽泛的测量范围，令酒精或水银温度计望尘莫及。现在，通过采用铂和铂合金制作的热电偶温度计，甚至可以测量高达+2800℃的温度！利用半导体的塞贝克效应可以制成温差发电器。它的主要元件是半导体温差发电片，它是由许多的PN结串联起来输出电压的元件，一个PN结在温差条件下产生电压，把多个串联形成较大的电压供使用。半导体温差发电的研究目前并未成熟，大规模应用半导体温差发电依然无法实现。塞贝克效应也被运用于热电制冷技术中。

珀尔帖效应陈霖简介概要两种不同的导体（或半导体）构成回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温度差，这就是珀尔帖效应。帕尔帖效应可以视为\o"塞贝克效应"塞贝克效应的反效应，通常将塞贝克效应称为热电第一效应，帕尔帖效应称作热电第二效应。发现过程珀尔帖现象最早是在1821年，由一位\o"德国"德国科学家ThomasSeeback首先发现，不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背后真正的科学原理。1834年，一位法国表匠，同时也是兼职研究这现象的物理学家珀尔帖，才发现背后真正的原因。现象当电流流过两种导体组成的闭合回路时，一结点处变热（吸热）另一结点处变冷（放热）或当电流以不同的方向通过金属与导体相接触处时，其接触处或放热或吸热。原理电流流过两种不同导体的\o"界面"界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。这就是帕尔帖效应。由帕尔帖效应产生的热流量称作\o"帕尔帖热"帕尔帖热，用符号\o"珀尔帖效应"\o"点击查看原图"表示。对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的\o"能级"能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。材料理论上材料可以是任何两种不同的导体（或半导体）但是上世纪90年代，原\o"苏联"苏联科学家\o"约飞"约飞的研究表明，以\o"碲化铋"碲化铋为基的化合物是最好的\o"热电半导体"热电半导体材料。应用半导体电子致冷元件——\o"热电致冷器"热电致冷器（简称TEC）与风冷和水冷相比，半导体致冷片具有以下优势：（1）可以把温度降至室温以下；（2）精确温控（使用闭环温控电路，精度可达±0.1℃）；（3）高可靠性（致冷组件为固体器件，无运动部件，寿命超过20万小时，失效率低）；（4）没有工作噪音。

汤姆逊效应陈天恒中文名称：汤姆逊效应英文名称：ThomsonEffect现象导体两端有温度差时产生电势的现象，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。历史1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即汤姆逊效应。基本原理汤姆逊效应的物理学解释是：金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便引成一个电势差。这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止。公式及引申运用Q=μI（ΔT）μ为汤姆逊系数，ΔT为导体两端温差。且汤姆逊系数和塞贝克系数的关系为：μ/T=dα/dT材料金属导体组成的闭合回路一种半导体应用汤姆逊效应因为产生的电压极其微弱，至今尚未发现实际应用。甚至在热电偶工作原理的计算中，都加以忽略。原因是汤姆逊系数其数值非常小，而且与金属材料及其温度有关，譬如铜在0℃时汤姆逊系数只有2μV/℃，铋的系数比较大，常温下也只有10V/℃左右。所以在热电效应运用中，汤姆逊效应一般可以忽略而只考虑塞贝克效应和帕贴耳效应。

压电效应谢榕中文名称：压电效应英文名称：PiezoelectricEffect现象某些电介质沿一定方向受外力作用，在其一定的两个表面产生异号电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电的状态的现象。历史1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。第一次世界大战，居里的继承人郎之万最先利用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。基本原理机械能与电能互换的一种现象。晶格内原子间特殊的排列方式，使得材料有应力场与电偶的效应。分类压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。（1）正压电效应：由机械能转变为电能的效应。当对压电材料施加外力，材料体内的电偶极矩会因压缩而变短，压电材料为抵抗变化会在材料表面产生正负电荷，以保持原状。（2）逆压电效应：由电能转变为机械能的效应。当在电介质的极化方向施加电场时，某些介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力。当外电场撤去后，变形或应力也随之消失。材料（1）石英晶体、铌酸锂（LiNbO3）、镓酸锂（LiGaO3）、锗酸铋（Bi12GeO20）等单晶体（2）经极化处理后的多晶体，如钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）（3）高分子压电薄膜（如聚偏二氟乙烯（PVDF））（4）压电半导体（如ZnO、Cds）应用（1）传感器上的应用：利用压电效应可制成压电传感器、压电超声波探头、压电表面波传感器及压电陀螺等。利用正压电效应可将力、压力、振动、加速度等非电量转换成电量。利用逆压电效可制成超声波发生器、声发射传感器、频率高度稳定的晶体振荡器。（2）生活中的应用：压电打火机这种打火机所应用的是“压电”的原理。有些晶体的结构比较特别，当受到压力而改变形状时，会放出少量的高压电流。打火机内就有那种晶体，当我们按打火机的“扳机”，利用杠杆原理，晶体就会受压而发出电流，令两个相隔很近的电极在空气中放电，产生一个小火花来达到点火的效果。

声音的多普勒效应陶焕中文名：声音的多普勒效应英文名：Doppereffectofsound现象当声源和观察者（或声接收器）在连续介质中有相对运动时，观察者接收到的声波频率与声源发生的频率不同，两者靠近时频率升高，远离时频率降低。历史1842年奥地利一位名叫多普勒的数学家、物理学家。一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。基本原理声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接受到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变．在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大．同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小．应用（1）医学应用为了检查心脏、血管的运动状态，了解血液流动速度，可以通过发射超声来实现。由于血管内的血液是流动的物体，所以超声波振源与相对运动的血液间就产生多普勒效应。血管向着超声源运动时，反射波的波长被压缩，因而频率增加。血管离开声源运动时，反射波的波长变长，因而在单位时向里频率减少。反射波频率增加或减少的量，是与血液流运速度成正比，从而就可根据超声波的频移量，测定血液的流速。（2）交通应用交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波同时测量反射波的频率，根据反射波的频率变化的多少就能知道车辆的速度。装有多普勒测速仪的监视器有时就装在路的上方，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上。

声电效应刘进中文名称：声电效应英文名称：Sound-electroniceffect概念在半导体中，超声（或声子）与自由载流子相互作用所产生的多种物理效应，统称为声电效应。现象声波的衰减或放大（声子的吸收或发射），大振幅超声对半导体电压电流特性的影响等原理声波在半导体中→产生传播的周期性势场波（周期与声波相同）；在电子的平均自由程（）比声波的波长（）小时，则电子不断遭受声子散射而失去能量→电子将被声波周期性电势场的波谷所俘获。（为声子的波数），注：平均自由程指的是两次碰撞之间一个电子平均所走的距离。声波在半导体传播时，电子即被声波势场牵引着向前运动，→产生了电动势→声波致电的效应。【注】，这里的声子指的是声波的能量子。举例声波的衰减和放大前提条件-1.电子要落在声波的周期电势场谷中；2.外加电场使电子漂移运动。电子漂移速度<声波速度时，声波周期势场牵引电子向前，声波衰减；电子漂移速度>声波速度时，电子推压声波周期势场，声波被放大。材料半导体如氧化锌，砷化镓应用超声波放大器高速电子推着声波前进，声波得以放大。电信号→声信号→放大→声信号→电信号

声光效应董涛中文名称：声光效应英文名称：AcoustoopticEffect现象某些介质在声波（主要指超声波）的作用下，其光学特性（如折射率）发生改变的现象称为声光效应。历史1922年，L.N.布里渊在理论上预言了声光衍射;1932年P.J.W.德拜和F.W.席尔斯以及R.卢卡斯和P.比夸特分别观察到了声光衍射现象。从1966年到1976年期间，声光衍射理论、新声光材料及高性能声光器件的设计和制造工艺都得到迅速发展。1970年，实现了声表面波对导光波的声光衍射，并研制成功表面（或薄膜）声光器件。1976年后，随着声光技术的发展，声光信号处理已成为光信号处理的一个分支。基本原理当超声波传过介质时，在其内产生周期性弹性形变，从而使介质的折射率产生周期性变化，相当于一个移动的相位光栅，称为声光效应。若同时有光传过介质，光将被相位光栅所衍射，称为声光衍射。声光衍射分类声光衍射可分为拉曼-拉斯（Ranman-Nath）衍射和布拉格（Bragg）衍射两种情况。拉曼-拉斯衍射：超声波频率较低，当光波平行于声波面入射（即垂直于声场传播方向），声光互作用长度（作用长度）L较短时，产生拉曼－赖斯衍射。由于声速比光速小得多，故声光介质可视为一个静止的平面相位光栅。而且声波长比光波长大得多，当光波平行于声波面通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，即通过光学稠密（折射率大）部分的光波波阵面将推迟，而通过光学疏松（折射率小）部分的光波波阵面将超前，于是通过声光介质的平面波波阵面出现凸凹现象，变成一个折皱曲面，如图3所示。由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光，这就是拉曼－赖斯衍射。布拉格衍射：当超