第二讲传感器的基础效应演示文稿

第二讲传感器的基础效应演示文稿现在是1页\一共有53页\编辑于星期一优选第二讲传感器的基础效应现在是2页\一共有53页\编辑于星期一检测对象类型效应输出信号器件举例主要材料机械量电阻式电阻应变效应电阻金属应变片康铜、卡玛合金压阻效应半导体应变片Si、Ge压电式压电效应电压压电元件石英、压电陶瓷正、逆压电效应频率声表面波传感器石英、ZnO+Si压磁式压磁效应感抗压磁元件及其传感器硅钢片、坡莫合金磁电式霍尔效应电压霍尔元件及其传感器GaAs、Si、InAs光电式光电效应各种光电器件及其传感器参见前表光弹性效应折射率压力、振动传感器现在是3页\一共有53页\编辑于星期一检测对象类型效应输出信号器件举例主要材料温度热电式塞贝克效应电压热电偶约瑟夫逊效应噪声电压绝对温度计超导体热释电效应电荷驻极体温敏元件PbTiO3，PVF2压电式正、逆压电效应频率声表面波温度传感器石英热型热磁效应电场Nernst红外探测器热敏铁氧体现在是4页\一共有53页\编辑于星期一检测对象类型效应输出信号器件举例主要材料磁磁电式霍尔效应电压霍尔元件，霍尔IC,MOS霍尔IC磁阻效应电阻磁阻元件电流磁敏晶体管约瑟夫逊效应噪声电压超导量子干涉器件Pb，Sn光电式磁光法拉第效应偏振光面偏转光纤传感器磁光克尔效应现在是5页\一共有53页\编辑于星期一光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。根据能量守恒定理:式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。一、光电效应1.外光电效应现在是6页\一共有53页\编辑于星期一光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。红限频率为：对应的波长限为：式中：c为真空中的光速，c

≈

3×108m/s。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。现在是7页\一共有53页\编辑于星期一2.内光电效应

当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：

（1）光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。现在是8页\一共有53页\编辑于星期一过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg

式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即现在是9页\一共有53页\编辑于星期一

材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。

（2）光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。光生伏特效应有两种：结光电效应(也称为势垒效应)和横向光电效应(也称为侧向光电效应)。现在是10页\一共有53页\编辑于星期一

结光电效应如图，由半导体材料形成的PN结，在P区的一侧，价带中有较多的空穴，而在N区的一侧，导带中有较多的电子。由于扩散的结果，使P区带负电、N区带正电，它们积累在结附近，形成PN结的自建场，自建场阻止电子和空穴的继续扩散，最终达到动态平衡，在结区形成阻止电子和空穴继续扩散的势垒。在入射光照射下，当光子能量hv大于光电导材料的禁带宽度Eg时，就会在材料中激发出光生电子-空穴对，破坏结的平衡状态。在结区的光生电子和空穴以及新扩散进结区的电子和空穴，在结电场的作用下，电子向N区移动，空穴向P区移动，从而形成光生电流。这些可移动的电子和空穴，称为材料中的少数载流子。在探测器处于开路的情况下，少数载流子积累在PN结附近，降低势垒高度，产生一个与平衡结内自建场相反的光生电场，也就是光生电动势。现在是11页\一共有53页\编辑于星期一

横向光电效应

当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分吸收入射光子的能量产生电子-空穴对，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。这种现象称为横向光电效应，也称为侧向光电效应。基于该效应的光电器件有半导体光电位置敏感器件(PSD)。光磁电效应现在是12页\一共有53页\编辑于星期一二、电光效应

物质的光学特性（如折射率）受外电场的影响而发生变化的现象统称为电光效应。泡克耳斯（Pockels）效应克尔效应光弹效应电致发光效应电致变色效应

现在是13页\一共有53页\编辑于星期一1.泡克耳斯效应1893年德国物理学家泡克耳斯首先发现，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，产生附加的双折射现象，称为电致双折射。泡克耳斯从实验证实压电晶体的两个主折射率之差为：线性电光效应现在是14页\一共有53页\编辑于星期一泡克耳斯效应偏振片1电致双折射电致双折射泡克耳斯效应透明电极透明电极压电晶体KDP偏振片2Vt+Vt()

KDP（磷酸二氢钾）是一种无对称中心的晶体，沿某一特定方向施加电场后，在晶体内能对某种方向的入射光产生双折射

KDP的双折射与外加场强成正比。系统的输出光强，可由加在晶体电极线路上的信号电压调制，其响应极为迅速，信号频率可高达310Hz。除可作高速光阀门外，还可作高速电光调制器。10现在是15页\一共有53页\编辑于星期一现在是16页\一共有53页\编辑于星期一2.克尔效应1875年英国物理学家克尔发现，光照射具有各向同性的透明物质，在与入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现象。因两个主折射率之差正比于电场强度的平方，故这种效应又称作平方电光效应。现在是17页\一共有53页\编辑于星期一克尔效应电致双折射电致双折射克尔效应偏振片1偏振片2在装有平行板电容器的透明盒内，充以某种特定的液体（如硝基苯）

接入极间电压，使两极板间产生电场，液体变成各向异性媒质，并产生双折射，系统末端有光输出，其响应极快，信号频率可高达10Hz,能用作高速“光阀门”。10Vt+Vt()现在是18页\一共有53页\编辑于星期一3.光弹效应

某些非晶体物质（如塑料、玻璃）在机械力的作用下，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质的效应。这称作应力致双折射或光弹效应。光弹效应的双折射是暂时的，应力解除后即消失。光弹性效应可用于研究机械零件、建筑构件等物体内部应力的情况。利用光弹效应可制成压力、振动、声响传感器。现在是19页\一共有53页\编辑于星期一光弹性效应偏振片2有机玻璃模型偏振片1施压应力双折射显示的偏振光干涉条纹施压方向形成光轴双折射与应力成正比用于应力分析研究FFFF光弹性效应光弹性效应机械应力作用产生的各向异性应力双折射应力双折射现在是20页\一共有53页\编辑于星期一4.电致发光效应电致发光效应：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，以及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。电致发光是将电能直接转换为光能的过程。基于电致发光效应的器件有发光二极管、半导体激光器等。现在是21页\一共有53页\编辑于星期一5.电致变色效应

这种在电流或电场的作用下,材料发生可逆变色的现象，称为电致变色效应。基于致变色效应的主要器件有信息显示器件、电致变色灵巧窗、无眩反光镜、电色储存器件等。现在是22页\一共有53页\编辑于星期一三、磁光效应

置于外磁场的物体，在光和外磁场的作用下，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。法拉第效应磁光克尔效应科顿-穆顿效应塞曼效应光磁效应现在是23页\一共有53页\编辑于星期一1.法拉第效应当线偏振光在介质中传播时，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，偏转角度与外磁场强度和光穿越介质的长度的乘积成正比，即：式中：V—磁光效应常数或费尔德常数，与介质性质及光波频率有关，可正可负；He—外磁场强度。现在是24页\一共有53页\编辑于星期一利用法拉第效应的弛豫时间不大于10-10秒量级的特点，可制成磁光效应磁强计。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、低温超导磁场等。磁光调制器现在是25页\一共有53页\编辑于星期一2.磁光克尔效应平面偏振光垂直入射于抛光的强电磁铁的磁极表面，所产生的反射光是一束椭圆偏振光，且偏振面的偏转角度随磁场强度而变化，这种现象叫磁光克尔效应。克尔磁光效应的最重要应用是观察铁磁体的磁畴。

现在是26页\一共有53页\编辑于星期一磁畴是指磁性材料内部的一个个小区域，每个区域内部包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。不同的磁畴有不同的自发磁化方向，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。现在是27页\一共有53页\编辑于星期一3.科顿-穆顿效应

科顿和穆顿于1907年发现光从处在横向磁场内的液体中通过时，产生双折射现象，称为科顿-穆顿效应，或磁致双折射效应。实验证实，处在外磁场内的媒质的二主折射率之差正比于磁感应强度H的平方：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。现在是28页\一共有53页\编辑于星期一4.塞曼效应原子在磁场中能级和光谱发生分裂的现象。塞曼效应是研究原子结构的重要途径之一。在天体物理中，塞曼效应被用来测量天体磁场及星际磁场。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。现在是29页\一共有53页\编辑于星期一现在是30页\一共有53页\编辑于星期一四、磁电效应将材质均匀的金属或半导体通电并置于磁场中产生的各种物理变化，称为磁电效应。它包括电流磁效应和狭义的磁电效应。电流磁效应是指磁场对通电的物体引起的电效应，如霍尔效应和磁阻效应；狭义的磁电效应是指物体由电场作用产生的磁化效应或由磁场作用产生的电极化效应，前者称作电致磁电效应，后者称作磁致磁电效应。现在是31页\一共有53页\编辑于星期一1.霍尔效应

置于磁场中的载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应。载流子在磁场中受到洛伦兹力的作用而发生偏转，从而形成电场E，当载流子受到的电场力与洛伦兹力达到动态平衡时，累积电荷形成稳定的电势UH

。现在是32页\一共有53页\编辑于星期一由得知，d越小，越大，则感生电动势越大，故一般霍尔元件是由霍尔系数很大的N型半导体材料制作的薄片，厚度微米级。a、a’——激励电极、控制电极，b、b’——霍尔电极现在是33页\一共有53页\编辑于星期一霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。

霍尔元件多采用N型半导体材料（高的电阻率和载流子的迁移率）。目前最常用的霍尔元件材料有N型锗(Ge)、N型硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。封装——非磁性金属、陶瓷、环氧树脂。现在是34页\一共有53页\编辑于星期一

当一载流半导体置于磁场中，其电阻值会随磁场而变化的这种现象称为磁阻效应。在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。式中：ρ0——零磁场时的电阻率；

Δρ——磁感应强度为B时电阻率的变化量；

K——比例因子；

μ——电子迁移率；

B——磁感应强度；

L，b——分别为磁敏电阻的长（沿电流方向）和宽；

f(L/b)——形状效应系数。2.磁阻效应现在是35页\一共有53页\编辑于星期一磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。与霍尔效应的区别：霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。现在是36页\一共有53页\编辑于星期一磁敏电阻常选用锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和锑化铌（NiSb）等半导体材料，在绝缘基片上蒸镀薄的半导体材料，也可在半导体薄片上光刻或腐蚀成型（栅状结构）。磁阻效应——磁敏电阻现在是37页\一共有53页\编辑于星期一主要特性：

磁电特性：当B<0.3T时，电阻的变化率与磁场的平方成正比；当B>0.3T时，成线性关系。与磁场的正负无关；

温度特性：温度系数影响大；

频率特性：工作频率范围大，一般为1~10MHz；磁感应的范围比霍尔元件大。现在是38页\一共有53页\编辑于星期一3.巨磁阻效应指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的巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁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。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，较小的外磁场也可以得到较大的电阻变化。现在是39页\一共有53页\编辑于星期一五、热电效应和热释电效应1.热电效应热电效应是温差电效应的俗称。它是温差转换成电的物理效应，通常指塞贝克效应，其逆效应有帕尔贴效应和汤姆逊效应。（1）塞贝克效应（2）帕尔贴效应（3）汤姆逊效应现在是40页\一共有53页\编辑于星期一

某些晶体材料（如铁电晶体）具有自发极化现象，自发极化的大小在温度有稍许变化时就有很大的变化。温度恒定时，由自发极化产生的表面电荷吸附空气中的电荷达到平衡；材料吸收红外光后引起温度升高，极化强度会减小，单位面积的表面电荷相应减少，一部分吸附电荷被释放；若与一个电阻连成回路，电路中就会有电流产生，如图所示。这种因温度变化引起自发极化强度变化的现象被称为热释电效应。2.热释电效应现在是41页\一共有53页\编辑于星期一当温度变化ΔT在材料各处一致时，热释电效应可以借助热释电系数p表示为：ΔP=pΔT

式中P是自发极化。右图是钛酸钡热释电系数变化规律，由图可见，温度越接近居里温度点（TC），热释电系数越大。现在是42页\一共有53页\编辑于星期一

热释电效应所产生的电荷不是永存的，由于处于器件表面，会与空气中的各种离子复合而使器件仍呈电中性。所以一般要在器件前方加装一个周期性遮断被测红外信号的机械装置，使器件接收红外光能而引起的温度作周期性变化，由于热释电式传感器很薄，所以比其它传感器响应更快，且灵敏度高。因为它检测的是温度梯度，无需与被测物达到热平衡。它适用于通过对被测物表面扫描实现成像，如用于红外热敏成像、非破坏性测试、热点监视等。

车辆计数器、人体探测器、高温计（在高炉、熔化玻璃或热损失评估中使用的非接触式温度计）和辐射计（测量辐射源产生的功率）、红外分析仪、火灾检测、高分辨率测温计、医用温度计等。现在是43页\一共有53页\编辑于星期一红外热释电传感器

广泛用于各种光谱测量、辐射功率测量、非接触温度测量、气体分析、入侵报警、火焰探测、自动照明等领域。现在是44页\一共有53页\编辑于星期一六、压电、压阻和磁致伸缩效应1.压电效应（1）正压电效应（2）逆压电效应现在是45页\一共有53页\编辑于星期一2.电致伸缩效应电介质材料在电场作用下，都会发生与电场强度的平方（或极化强度的平方）成比例的应变现象，只是强弱不同而已。这种物理效应称为电致伸缩效应。一些铁电陶瓷材料具有较强的电致伸缩效应。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，但电致伸缩效应与电场方向无关，其应变大小与电场强度的平方成正比，而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。现在是46页\一共有53页\编辑于星期一3.压阻效应半导体材料在受到外力或应力作用时，其电阻率发生变化的现象称为压阻效应。4.磁致伸缩效应（1）磁致伸缩效应：某些铁磁体、合金及铁氧体，其磁场与机械变形相互转换的种种现象称为磁致伸缩效应。磁致伸缩是指一切伴随着强磁性物质的磁化状态变化而产生的长度和体积变化。分两种：线性磁致伸缩、体积磁致伸缩。现在是47页\一共有53页\编辑于星期一（2）压磁效应——逆磁致伸缩（3）威德曼效应指给铁磁杆同时施加纵向磁场和环形磁场（即通以纵向电流）时，杆件除长度发生变化外，还同时产生扭曲现象，称为威德曼效应。现在是48页\一共有53页\编辑于星期一七、约瑟夫逊效应与核磁共振1-基片；2、7-端子电极；3、6-超导锡膜；4-约瑟夫逊结；