新型传感器综述

新型传感器综述第1页，课件共42页，创作于2023年2月第一章新型传感器综述新型传感效应1新型敏感材料2新加工工艺3新型传感器的发展方向4第2页，课件共42页，创作于2023年2月一、新型传感效应按引起传感效应的物理量类型来区分，新型传感效应分为：光效应磁效应力效应化学效应生物效应化学效应第3页，课件共42页，创作于2023年2月

光效应光电效应：（1）光电导效应（2）光伏效应电光效应：（1）科顿（Cotton）效应（2）光弹效应光的多普勒效应第4页，课件共42页，创作于2023年2月1.光电导效应新型传感器

光辐射作用使材料的电导率发生变化，而这种变化与光辐射强度呈稳定的对应关系。称为光电导效应。典型器件：光敏电阻（GeAs）第5页，课件共42页，创作于2023年2月光电导效应光电导材料有本征型和掺杂型两种类型。新型传感器本征型光电导材料只有当入射光子能量hv等于或大于半导材料的禁带宽度Eg时才激发一个电子空穴对，在外电场作用下形成光电流。掺杂型光电导材料只要入射光子能量hv等于或大于杂质电离能ΔE时就能把施主能级上的电子激发到导带而形成导电电子，在外电场作用下形成电流。第6页，课件共42页，创作于2023年2月光电导效应光电导器件的光电流与入射光通量之间存在着一定的关系，称为光电特性。E为入射光的光照度；为光敏电阻的光导；

为光电导灵敏度。第7页，课件共42页，创作于2023年2月光电导效应12-13学年第二学期新型传感器典型器件光敏电阻（GeAs），具有与人眼十分相近的光谱响应特征。在可见光亮度测量中广泛采用光敏电阻，例如照相机自动曝光系统中的亮度测量等。第8页，课件共42页，创作于2023年2月2.P-N结光伏效应12-13学年第二学期新型传感器当光照射P-N结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子-空穴对。这些非平衡载流子在内电场作用下，按一定方向运动，在开路状态下形成电荷积累，产生了一个与内电场方向相反的光生电场，及光生电压Uoc，这就是所谓的光生伏特效应。第9页，课件共42页，创作于2023年2月P-N结光伏效应新型传感器ηSE为光电灵敏度（光照灵敏度）；q为电子电荷数；为材料的量子效率；A为受光面积；hv为光子的能量。第10页，课件共42页，创作于2023年2月12-13学年第二学期新型传感器P-N结光伏效应结型光电器件用作探测器时，有两种工作模式，即工作在反偏置的光电导工作模式或零偏置的光伏工作模式。当负载电阻RL断开（IL=0）时，P-N结两端的电压称为开路电压，用UOC表示，则第11页，课件共42页，创作于2023年2月12-13学年第二学期新型传感器当负载电阻短路（即RL=0）时，光生电压接近于零，流过器件的电流叫做短路电流ISC，这时光生载流子不再积累于P-N结两侧，P-N结又恢复到平衡状态，费米能级被拉平而势垒高度恢复到无光照时的水平，短路电流与光照度E成正比。P-N结光伏效应第12页，课件共42页，创作于2023年2月10-11学年第二学期新型传感器P-N结光伏效应基于光伏效应的P-N结光电器件有三种：硅光电池光敏二极管光敏三极管光敏二极管和硅光电池的伏安特性一致，只不过是工作在不同的偏置下；光电三极管则可以看作光电二极管注入基极电流的普通三极管，及伏安特性与普通三极管相同，只不过其曲线中的基极电流为光生电流。第13页，课件共42页，创作于2023年2月新型传感器能使左、右旋圆偏振光传输速度相异的旋光性物质（或称光学活性物质，如芳香族化合物），在直线偏振光入射并透过时，会产生角的偏转，这种现象称为科顿效应。3.科顿效应α第14页，课件共42页，创作于2023年2月10-11学年第二学期新型传感器科顿效应第15页，课件共42页，创作于2023年2月10-11学年第二学期新型传感器直线偏振光是由左、右旋圆偏振光的合成，因此当它入射于旋光性物质时，左右旋偏振光因传播速度不同而使其折射率各不相同。而圆偏振光每前进一个波长距离就有一次旋转，所以左右旋偏振光透过厚度为d的旋光性物质后，旋转的角度分别为：科顿效应第16页，课件共42页，创作于2023年2月10-11学年第二学期新型传感器其中为入射光波长，分别为左、右旋偏振光在媒质中的折射率。透过的合成直线偏振光偏转的角度则为：科顿效应第17页，课件共42页，创作于2023年2月

磁效应10-11学年第二学期新型传感器磁光效应：（1）法拉第效应（2）克尔效应磁电效应：（1）霍尔（Hall）效应（2）磁阻效应压磁效应：（1）磁致伸缩效应（2）威德曼效应约瑟夫效应核磁共振第18页，课件共42页，创作于2023年2月

法拉第效应10-11学年第二学期新型传感器法拉第效应又称为磁致旋光效应。当线偏振光通过处于磁场下的透明介质时，光线的偏振面（光矢量振动方向）将发生偏转，其偏转角与磁感应强度B以及介质的长度L成如下比例关系：式中，K是物质的特性常数，及维尔德（Verdet）常数，其数值与光波波长和温度有关。第19页，课件共42页，创作于2023年2月霍尔效应10-11学年第二学期新型传感器霍尔效应实际是基于洛伦兹力的效应。当电流通过半导体薄片时，垂直于电流方向的磁场B使电子向薄片的一侧偏转，从而使薄片的两侧产生电位差。所产生的电位差称为霍尔电势，霍尔电势与激励电流的关系为：式中，为霍尔常数。由于材料及制作工艺的原因，霍尔元件存在温度效应和不等位电势的问题。实际应用中必须考虑霍尔元件的温度和不等位电势的补偿问题。第20页，课件共42页，创作于2023年2月

力效应10-11学年第二学期新型传感器1.压电效应：当具有压电效应的材料受到沿一定方向的外力作用而变形时，在其某两个表面上将产生极性相反的电荷。常见压电材料有石英晶体（水晶）、铌酸锂（LiNbO3）、镓酸锂（LiGaO3）锗酸铋（Bi12GeO3）等单晶体和经过极化处理的多晶体如钛酸钡、锆钛酸压电陶瓷（PZT），此外还有高分子压电薄膜如聚偏二氟乙烯（PVDF）、压电半导体（ZnO）等。第21页，课件共42页，创作于2023年2月力效应10-11学年第二学期新型传感器2.磁致伸缩效应：某些铁磁体及其合金以及某些铁氧体在磁场作用下将产生机械变形，其尺寸、大小会作相应的伸缩，称为磁致伸缩效应（焦耳效应）。磁致伸缩效应与磁性物质内部的磁畴变化有关。受到外磁场作用时，其体内各磁畴转动并使它们的磁化方向与外磁场保持一致，导致磁性体沿外磁场方向的长度发生量级的变化。从宏观角度理解为材料在磁场下产生了自由应变第22页，课件共42页，创作于2023年2月

力效应10-11学年第二学期新型传感器式中，常数C的确定：磁性材料在饱和场强下，测得的饱和磁致伸缩系数此时第23页，课件共42页，创作于2023年2月

力效应10-11学年第二学期新型传感器3.饱和效应：在高分子核磁共振吸收过程中，随入射电磁波振幅的增加，高分子吸收电磁波能量逐渐减少，这种现象称为饱和效应。第24页，课件共42页，创作于2023年2月

化学效应10-11学年第二学期新型传感器1.吸附效应：利用吸附效应可制成气敏传感器。诸如SnO2、ZnO等金属氧化物的半导体陶瓷材料接触气体时，在特定的温度下，材料会吸附气体分子，其分子表面和气体分子之间发生电子交换，使得半导体材料的表面电位、功函数及电导率发生变化，这种现象称为吸附效应。氧化型气体吸附到N型半导体上，或还原型气体吸附到P型半导体上，将使其载流子减少，电阻增大。反之，其载流子增多，电阻减小。第25页，课件共42页，创作于2023年2月

化学效应10-11学年第二学期新型传感器2.半导体表面场效应：利用电压所产生的电场控制半导体表面电流的效应称为半导体表面场效应。是绝缘栅场效应晶体管（如MOS场效应管）基本的工作原理。这种控制作用随环境气体、溶液离子浓度等化学物质而变化，则可构成气敏、离子敏、生物敏等半导体场效应化学传感器。例如离子敏场效应管，在绝缘栅上制作一层敏感膜来代替栅极，利用敏感膜与化学物质的电化学作用产生的电位来控制场效应管的电流输出。第26页，课件共42页，创作于2023年2月

化学效应10-11学年第二学期新型传感器3.中性盐效应：在化学反应系统中加入中性盐后，系统的离子强度发生变化，从而影响其反应速度，这种现象称为中性盐效应。4.电泳效应：当水溶液电解时，溶液中的离子向电极方向移动（电泳），因水溶液流动阻碍离子移动而减小其迁移率的现象称为电泳效应。第27页，课件共42页，创作于2023年2月

多普勒效应10-11学年第二学期新型传感器具有一定频率f0的信号源（如光源）与传感器之间以速度v相对运动，传感器所接受的信号频率f将与信号源自身频率f0不相同，并且，若两者相对运动，则，若两者相向运动，则，这种现象称为多普勒效应。第28页，课件共42页，创作于2023年2月

多普勒效应10-11学年第二学期新型传感器如光波，设光波与传感器之间相对运动的方向在同一直线上，光波源的频率为f0，当两者以速度v相对于光源运动，在光速为c的情况下，传感器所接受到的光波信号频率为f，则式中，表示传感器与光源之间相对运动的方向，为光源与传感器两者相对运动方向之间的夹角。第29页，课件共42页，创作于2023年2月二、新型敏感材料10-11学年第二学期新型传感器传感器的敏感材料指能利用物理效应或化学、生物反应原理做成敏感元件的基本材料。按结晶状态可分为单晶、多晶、非晶和微晶等，按电子结构和化学键可分为金属、陶瓷和聚合物等；按物理性质可分为超导体、导体、半导体、介电体、压电体、铁磁体、铁弹体、磁弹体等；第30页，课件共42页，创作于2023年2月二、新型敏感材料10-11学年第二学期新型传感器按形态分有掺杂、微粉、薄膜、块状、纤维等；按功能可分为力敏、压敏、光敏、色敏、声敏、磁敏、气敏、湿敏等。第31页，课件共42页，创作于2023年2月半导体敏感材料10-11学年第二学期新型传感器半导体敏感材料可以将多种非电量转换为电量，无论是光、声、热、磁、气、湿等都可以利用相应的半导体材料进行传感。第32页，课件共42页，创作于2023年2月半导体敏感材料10-11学年第二学期新型传感器材料类型典型材料可测物理量备注单晶Si、Ge力、光、磁多晶Si光、压、热可制成薄膜非晶态a-Si：H热、应变、光制作成薄膜异质结外延Si加速度、压力、酶在蓝宝石上定向外延的单晶膜化合物GaAs、InSd、ZnS、CdS、TeCdHg、PbS力、磁、光、紫外、红外、超声第33页，课件共42页，创作于2023年2月光导纤维10-11学年第二学期新型传感器光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术。光纤传感器的基本原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制过的信号光，再经由光纤送入光敏器件、调制器而获得被测参数。第34页，课件共42页，创作于2023年2月光纤传感器数值孔径：表示向光纤入射信号光波难易程度的参数。临界入射角大小由光纤本身的性质所决定；光纤的数值孔径越大，表明它可以在较大的入射角范围内输入全反射光，并保证此光波沿纤芯传输。二、光导纤维及其传光原理第35页，课件共42页，创作于2023年2月光纤传感器二、光导纤维及其传光原理归一化频率：能够传输较大v值的光纤（即能够传输较多的模）叫多模光纤；仅能传输v值小于2.41的光纤叫单模光纤。单模和多模光纤是最常用的，通称为普通光导纤维。特殊光导纤维，典型的有保偏光导纤维。沿纤芯传输的光可以分解为沿轴向和沿径向两部分平面波成分。沿径向的平面波在纤芯与包层的界面处全反射，每一往复传输的相位变化是的整数倍时，就可以对径向形成驻波，称为“模”。光纤内只能存在特定数目的“模”传输光波。“模”的总数用归一化频率表示，在