3传感器与基础效应.doc

传感器与基础效应物性型传感器是利用某些物质(如半导体、陶瓷、压电晶体、强磁性体和超导体等)的物性随外界待测量作用而发生变化的原理制成。它利用了诸多的效应(包括物理效应、化学反应和生物效应)和物理现象，如利用材料的压阻、湿敏、热敏、光敏、磁敏、气敏等效应，把应变、湿度、温度、位移、磁场、煤气等被测量变换成电量。而新原理、新效应(如约瑟夫逊效应)的发现和利用，新型物性材料的开发和应用，使物性型传感器得到很大的发展，并逐步成为传感器发展的主流。因此了解传感器所基于的各种效应，对物性型传感器的深入理解、开发和使用是非常必要的。表l41列出了主要物性型传感器所基于的物理效应及所使用的材料。第一节 光电效应物质在光的作用下释放电子的现象称为光电效应。被释放的电子称为光电子。光电子在外电场中运动所形成的电流称为光电流。光电效应的实验规律为：(1)光电流的大小与入射光的强度成正比；(2)光电子的初动能只与入射光的频率有关，而与入射光强度无关；(3)当入射光的频率低于某一极限频率(称为红限频率，随金属不同而异)时，不论光强的强弱，照射时间的长短，均无光电子产生；(4)从光照开始到光电子被释放出来，整个过程只需10-9s以下的时间。上述光电效应的实验规律巳由爱因斯坦的光量子理论给予了完满的解释。光电效应一般分为光电子发射效应、光导效应和光生伏特效应三类。一、光电子发射效应光电子发射效应又称外光电效应。它是指金属在光的照射下，释放的光电子逸出金属表面的现象，是1887年由德国人赫芝发现的。基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光子是具有能量hv的粒子。频率为v的光则是以一群能量各为hv的粒子在空间传播。当金属中的电子吸收了入射光子的能量时，若足以克服逸出功，那么电子就会逸出金属表面，产生光电子发射，逸出的光电子动能为：式中h普朗克常数，为6626110-34(Js)；v光的频率(s-1)；me电子质量，me=9109510-31(kg)；v0电子逸出速度(ms-1)；超出功(J)，也称功函数，是一个电子从金属或半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功，其值与材料有关，还与材料表面状态有关。单位时间逸出的电子数，即发射的光电流i与光强成正比，即式中P入射光功率；外光量子效率，它与材料及表面状态有关，是波长的函数e电子电荷量。二、光导效应物体受到光照时，其内部原子释放的电子留在内部而使物体的导电性增加，电阻值下降的现象称为光导效应或称内光电效应。绝大多数的高电阻率半导体都具有光导效应。基于光导效应的光电器件有光敏电阻(亦称光电导管)，其常用的材料有硫化镉(CdS)、硫化铅(PbS)、锑化铟(InSb)、非晶硅(asi：H)等。纯半导体在光线照射下，其禁带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度Eg(eV)的光子的激发，由价带越过禁带跃迁到导带，成为自由电子。同时，价带也因此而形成自由空穴。致使纯半导体中导带的电子和价带的空穴浓度增大，半导体电阻率减小。三、光生伏特效应物体(如半导体)在光的照射下能产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管和光敏三极管。1侧向光生伏特效应当半导体光电器件的光灵敏面受光照不均匀时，由载流子浓度梯度形成载流子的扩散而产生的光电效应称为侧向光生伏特效应。基于该效应工作的光电器件有半导体位置敏感器件(简称PSD)，由于电子迁移率比空穴的大，致使被光照部分带正电，未被光照部分带负电，两部分之间产生光电动势。2pn结光生伏特效应光照射到距表面很近的半导体pn结时，结及附近的半导体吸收光能。若光子能大于禁带宽度，则价带电子跃迁到导带成为自由电子，而价带则相应成为空穴。这些电子空穴对在pn结内部电场的作用下，电子移向n区外侧，空穴移向P区外侧，结果P区带正电，n区带负电，形成光电动势。基于此效应的光电器件有光电他、太阳电他、光敏二极管和三极管等。3光电磁效应(同称PEM效应)半导体受强光照射并在光照运直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端面间产生电势的现象称为光电磁效应。它可以看成是光扩散电流的霍尔效应。Ge、InSb、InAs、PbS、CdS等材料均有明显的光电磁效应。4贝克勒耳(Becquerel)效应贝克勒耳效应是液体中的光生伏特效应。当光照射浸在电解液中的两个同样电极中的任一个电极时，在两个电圾间将产生电势的现象称为贝克勒耳效应。基于该效应的有感光电池。第二节 电光效应物质的光学特性(如折射率)受外电场影响而发生变化的现象统称为电光效应。一、泡克耳斯(Pockels)效应平面偏振光沿处在外电场内的压电晶体的光铀传播时发生双折射现象(称为电致双折射)，且两个主折射率之差与外电场强度成正比，该效应称为泡克耳斯效应(线性电光效应)。利用泡克耳斯效应可制成电光调制器或电光开关，能以25109Hz的频率调制光束，如调制激光；可制成光纤电压、电场传感器，可测量高电压、强电场。常用的具有泡克耳斯效应的压电材料有磷酸二氢钾(K2H2P04)，简称KDP等。二、电光克尔(Kerr)效应光照具有各向同性的透明物质(也可以是液体)，在与入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现象，即一束入射光变成正常(寻常)和异常(非常)两束出射光，称这种现象为电光克尔效应。实验证明两个主折射率之差n为式中K克尔常数；E电场强度。因此电光克尔效应又称平方电光效应。此效应发生过程极为迅速约l0-8s,可用于观测放电现象、照相机快门、光导纤维传感器中。三、光弹性效应当外力或振动作用于弹性体产生应变时，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质，这种现象称为光弹性效应。利用光弹性效应可制成压力、振动、声响传感器。该效应与泡克耳斯效应均为对材料折射率调制的效应。四、电致发光效应某些固态晶体如高纯度Ge、si和GaAs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，以及某些固态晶体如GaP、InP、GaAs等无需外加激发光而在外加电场作用下即可发光的现象统称为电致发光效应。可制成发光二极管、半导体激光器等器件。第三节磁光效应置于外磁场中的物体，在光和外磁场作用下，其光学特性(如吸光特性、折射率等)发生变化的现象称为磁光效应。一、法拉第(Faraday)效应平面偏振光(即直线偏振光)通过带磁性的透光物体或通过在纵向磁场(磁场方向与光传播方向平行)作用下的非旋光性物质时。其偏振光面发生偏转的现象称为磁光法拉第效应。它是由于磁场的作用使直线偏振光分解成传递速度各异的左旋和右旋两圆偏振光，因此从物体端面出射的合成偏振光将发生偏转。偏振光面偏转的角度与磁场强度H、光在物体中通过的长度l成正比，即式中Kverdet常数是磁性材料固有的，与光波波长和温度有关，而与磁场强度H无关。二、磁光克尔(Kerr)效应平面偏振光垂直入射于抛光的强电磁铁的磁极表面，所产生的反射光偏转角度随磁场强度而变化，这种现象称为磁光克尔效应。它适用于光不能穿透所用磁光材料的场合，常用的材料有锰铋陶瓷。三、科顿蒙顿(Cotton-mouton)效应当光线垂直于磁场的方向照射液体(如消基苯等芳香族化合物)时，液体分子在外磁场的作用下形成一定规律的排列，而呈现双折射特性，即一束入射光变为寻常和非常两束出射光，这种现象称为科顿蒙顿效应。它是一种磁致双折射效应。二主折射率之差n为式中ccottonMouton常数，它与光波波长及温度有关，与磁场强度H无关。第四节 电(流)磁效应置于磁场中的通电金属导体或半导体所产生的种种物理现象，统称为电(流)磁效应。一、霍尔(Hall)效应当电流垂直于外磁场方向通过导体或半导体簿片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间产生电位差的现象，称为霍尔效应。半导体霍耳电势如下二、磁阻效应当通有电流的半导体或磁性金属薄片置于与电流垂直或平行的外磁场中，由于磁场的作用力加长了载流子运动的路径，使其电阻值随外磁场增强而加大的现象称为磁阻效应。第五节 热电效应与热释电效应一、热电效应是温差转换成电的物理效应。1塞贝克(Seebeck)效应两种不同的金属串接成闭合回路，当它们的两个结点处于不同温度时，则在回路内有电流产生，亦即两结点间产生电动势，这种由于温度不同而产生电动势的现象称为温差电效应成称塞贝克效应，习惯称作热电效应。两种金属的接触电势是由于接触时自由电子由密度大的金属向小的扩散，直至动态平衡而形成。单一金属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。2珀耳帖(Pelticr)效应它是塞贝克效应的逆效应。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)，或当电流以不同方向通过金属与半导体相接触处时，其接触处或发热或吸热，这种现象称为珀耳帖效应。如果通电电流为I，则吸收或放出的热量Q为式中b珀耳帖系数，其大小取决于材料和环境温度。=T，其中为塞贝克系数，T为环境绝对温度。利用珀耳帖效应可制成制冷器，用来控制半导体激光器温度等。3汤姆逊(Thomson)效应同一种金属组成闭合回路或一种半导体，保持回路二侧或半导体两端为一定温度差T，并通以电流I时，回路的温度转折处(或半导体整体)将产生比例于IT的吸热或发热，这种现象称为汤姆逊效应。二、热释电效应电石、水晶、酒石酸钾钠(罗谢耳盐)、钛酸钡(BaTiO3)等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。产生的电荷Q与温度T的关系为式中热释电系数，其大小取决于晶体材料；A晶体受热表面积。高介电常数材料，如BaTiO3、PbTio3、LiTaO3、LiNbO3等有显者的热释电效应，可制成红外探测器、温度传感器、热成象器件。热(释)电式红外探测器具有不需冷却、响应光谱范围宽、响应快(s甚至达ns)和价格低等优点，但由于产生的电荷会被空气中的各种离子结合而消失，需采用周期性遮光体，以使红外光能断续加热探测器，不断输出电荷。第六节 热磁效应有些具有磁化的匀质金属两端由于温度差形成热流，在与垂直热流方向的磁场作用下所产生的物理现象称为热磁效应。若热磁效应所产生的电场与热流方向及磁场方向相垂直，则称为横向能斯脱(Nernst)效应或称电气横向效应，若产生的电场与热流方向一致，称为纵向能斯脱效应或称电气纵向效应。能斯脱效应所产生的电场强度与金属温度梯度及磁场强度成正比，比例系数则为Nernst系数，其大小由材料的物理性质所决定。若热磁效应在垂直于热流与磁场方向或在热流方向产生温度梯度，则称为热磁横向效应或热磁纵向效应。利用热磁效应可制成Nernst红外探测器。第七节 压电效应一、正压电效应当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。二、逆压电效应当在电介质的极化方向施加电场，某些电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，这种物理现象称为逆压电效应。三、电致伸缩放应电介质在电场的作用下会由于极化的变化而引起形变，若形变与电场方向无关，这个现象就称为电致伸缩效应。电致伸缩效应与逆压电效应都是电能转换成机械能的效应。但前者与电场方向无关，其应变大小与电场强度的平方成正比，而后者(逆压电效应)则与电场方向有关，其应变与电场强度成正比，当外加电场反向时，产生的应变也同时反向。第八节 压阻效应半导体材料(如硅、锗、p型硅、n型硅)受到外力或应力作用时，其电阻率发生交化的现象称为压阻效应。第九节 压磁效应一、磁致伸缩效应某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体在外磁场作用下产生机械变形的现象称为磁致伸缩效应或称焦耳效应。二、压磁效应磁致伸缩材料在外力(或应力、应变)作用下，引起内部发生形变，产生应力，使各磁畴之间的界限发生移动，磁畴磁化强度矢量转动，从而使材料的磁化强度和磁导率发生相应的变化。这种由于应力使磁性材料磁性质变化的现象称为压磁效应，也称逆磁致伸缩放应。三、威德曼效应当给铁磁杆通以纵向电流(即置于环状磁场中)，并使其拉伸(或压缩)或扭曲时，会产生纵向磁化的现象称为逆威德曼效应。此时，若在杆的圆周方向绕上线圈，则可得到由于扭曲或纵向力所产生的输出电压。因此可制成扭矩或力传感器。第十节 约瑟夫逊效应与核磁共振一、约瑟夫逊效应在两块超导体之间放置厚度约为l0-9m的极薄的绝缘层，组成约瑟夫逊结或称超导隧道结，绝缘层两侧超导电子间就会发生耦合，呈现出超导电流的量子干涉现象，即约瑟夫逊效应。约瑟夫逊效应是超导体的隧道效应。在两金属片之间夹有极薄(约为l0-9m)的绝缘层(如氧化膜)，当两端施加直流电压时，回路就有电流产生，即有电流通过绝缘层，这种现象称为隧道效应。约瑟夫逊结，在不外加电压或磁场时，有直流电流通过绝缘层，即超导电流能无电阻地通过极薄的绝缘层，这种现象称为直流约瑟夫逊效应。约瑟夫逊结能够吸收和发射电磁波的现象，统称为交流约瑟夫逊效应。1加以直流电压辐射电磁波给约瑟夫逊结加以直流电压时，约瑟夫逊结会产生频率与所加电压V成正比的高颇超导电流，并向外辐射电磁波，电磁波频率为：。式中e电子电荷量，e=1.602l0-19C；h普朗克常数，h=6.62510-3Js。2加以直流和交流电压输出直流电流(压)给约瑟夫逊结加以直流电压，同时施加一交流射频电压或用一定频率的电磁波作用于结上，则当由直流电压引起的高频电流频率与外加交流射频电压频率相等，或与外加电磁波频率相等，或者是它们的整数倍时，将有直流成份的超导电流流过绝缘层。输出直流电压式中n整数；f 外加电压频率或外作用电磁波频率。二、核磁共振核磁共振是一种磁共振现象。磁共振是指与物质磁性和磁场有关的共振现象，即磁性物质内具有磁炬的粒子在直流磁场的作用下，其能级将发生分裂，当能级间的能量差正好与外加交变磁场(其方向垂直于直流磁场)的量子值相同时，物质将强烈吸收交变磁场的能量并产生共振，达就是磁共振。它在本质上也是一种能级间跃迁的量子效应。磁共振现象与物质的磁性有密切的关系。当磁矩来源于顺磁物质原子中的原子核时，则这种磁共振称为核磁共振。第十一节 光的多普勒效应和萨古纳克效应一、光的多普勒(Doppler)效应当光波源或观察者(光接收器)相对于介质(或散射体、反射器)运动时，观察者所接收到的光波频率不同于光波源的频率，两者相接近时，接收到的频率增大，反之，则减小，这种现象称为光的多普勒效应。由于多普勒效应而引起的频率变化数值称为多普勒频移。设观察者、光波源与介质之间相对运动的方向在同一条直线上，光波源的频率为fS。当观察者以速度vS相对于介质运动而接近或远离光波源时，则在光速为c（c v）的情况下，观察者所接受到的光波频率为，式中当观察者接近光源时取“+”、反之取“-”。当观察者静止不动，光波源以速度相对于介质运动而接近或远离接受器时，接受到的光波频率为，忽略高次项，则与上面情况的表达式相同。推导方程为光速度等于波长与频率的乘积，而其中波长不变，光在空间中的速度C不变。当观察者和光波源相对静止，介质（如运动散射体）运动速度为V时，若他们的位置、速度关系如下图所示，则接受到的光波频率为，忽略高次项，得到。则多普勒频移为，式中光线入射方向和接受方向位于运动速度方向的法线同侧时q2取“+”、异侧时取“-”；运动速度在入射光方向的投影分量指向光源时Df取“+”、反之取“-”。利用多普勒效应可以进行速度、流速、流量等测量，例如光纤式血液流速测量，激光多普勒超低速、超音速测量等。二、萨古纳克(Sagnac)效应同一光源同一光路，两束对向传播光之间的光程差或相位差与其光学系统相对于惯性空间旋转的角速度成正比的现象，称为萨古纳克效应。 其简化证明可用图146所示的示意图进行。图中光源A发出的光由B点分为两束，一束为顺时针传播的光束。另一束为反时针传播的光束。当系统角速度0时，顺、反光束由B点开始传播均又回到B点，路程为L=2r，所需时间为t=Lc。其中c为光速，故两束光之间无光程差。当系统以角速度相对惯性空间反时针旋转时，从B点出发的反时针传播光束到达B/所需时间与顺时针传播光束由B点到B/点所需时间之差为因光速c r，所以式中 A圆形光学系统围成的面积。因此，顺、反两光束之间的光程差和相位差分别为式中 0真空中光的波长。可以证明，上面推导结论同样适用于任意形状的光路，且萨古纳克效应与光的传播媒质无关。第十二节 声音的多普勒效应及声电、声光效应一、声音的多普勒效应声音的多普勒效应与光的多普勒效应相类似。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出的频率不同，两者靠近时频率升高，远离时频率降低，这种现象称为声音的多普勒效应。二、声电效应在半导体中，超声(或声子)与自由载梳子(电子或空穴)相互作用所产生的多种物理效应，如声波的衰减或放大(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，统称为声电效应。在压电半导体中，声电效应表现为声子使自由载流子重新分布，从而在半导体两端之间出现电场。它是研究半导体材料性质的重要途径，也可用以实现超声的直接放大和做成l09Hz量级的声电振荡器。主要材料有CdS、ZnO、GaAs等。某些介质在声波作用下，其光学特性(如折射率)发生改变的现象称为声光效应。其中超声波的声光效应尤为显著，即光通过处在超声波作用下的透明物质时会产生衍射现象。第十三节 放射线效应一、放射线效应物质被放射线照射后，其某些特性(如折射率)发生变化的现象，统称为放射线效应。某些物质在G射线照射下，物质中原于与G射线的光子相互作用，使原子的某一束缚电子发射出去，所发射的电子称为光电子，这种现象称为G射线的光电效应，也可简称为光电效应。G射线的光电效应截面随光子能量增大而减小，随吸收物质原子序数的增大而迅速增大。二、吸收效应及原子序号效应1吸收效应某些能吸收高能电子束的物质，当用高能电子束聚焦照射时，在放射出特性x射线(物质所特有的x射线或称为萤光x射线)的同时，自身还吸收这些特性x射线，其吸收量的大小取决于同时存在的元素种类、浓度、入射电子束能量以及特性x射线的取出角度等因素，这种现象称为吸收效应。2原子序号效应某些物质能把入射的电子束能量转换成x射线能量并发射出去，而且这种能量转换的比例取决于物质原子序号和电子束能量，因此称这种物理现象为原子序号效应。 三、俄歇(Auger)效应当气体(如惰性气体)受到放射线(如x射线、射线)照射时，由一个气体原子可以发射几个电子，而且这些电子的动能与入射的射线频率(也即能量)无关，仅与被照射气体的原子种类有关，这种现象称为俄歇效应。四、康普顿(Compton)效应x射线、射线等短波长的电磁辐射通过原子序数较低的元素时，被元素散射的射线波长除一部分保持原值外，还有一部分将发生改变，这种现象称为康普顿效应，或称康普顿散射。所改变的波长的大小与入射射线的波长无关，仅决定于散射角，即第十四节 击波动态效应击波(如冲击被)通过某些物质时所引起的物理现象统称为击波动态效应。一、动态电学效应击波在物质中通过时引起物质的电导率改变，或引起某些电介质的极化(即其相对面上产生电荷)，或退极化（如极化了的铁电体放出电荷），这种现象称为动态电学效应。二