光电子材料 4 第四章 信息传感材料

2023/9/211第四章信息传感材料2023/9/2121.传感器与传感材料定义：传感器是能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。2023/9/2132023/9/2142023/9/2152023/9/2162023/9/217信息传感材料指用于信息传感器和探测器的一类对外界信息敏感的材料，在外界信息如力学、热学、磁学、电学、化学和生物信息的影响下，这类材料的物理性质或化学性质会发生相应的变化。力敏传感材料热敏传感材料光敏传感材料磁敏传感材料气敏传感材料湿敏传感材料光纤传感材料生物传感材料2023/9/2182.力敏传感材料力敏传感材料指在外力作用下，电学性质会发生明显变化的材料，分为应变电阻材料、压阻材料和压电材料。2.1电阻应变材料电阻-应变效应是指金属导体的电阻在导体受力产生变形（伸长或缩短）时发生变化的物理现象。当金属电阻丝受到轴向拉力时，其长度增加而横截面变小，引起电阻增加。反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小。

电阻应变式传感器就是利用金属电阻应变片的电阻应变效应实现应力（应变）的传感的，金属应变片电阻值变化正比于应力大小。常用的金属应变片由金属丝式、箔式、薄膜式等。2023/9/2192341电阻应变片结构示意图bl应变片的结构与材料

由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。（1）

敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。栅长栅宽2023/9/2110对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。（2）

基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。2023/9/2111（3）

引线

是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。（4）

粘结剂

用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。2023/9/2112铜镍合金（康铜）：灵敏系数稳定性、耐辐射性能好，低温性能较差。镍铬系合金：电阻率和抗氧化能力高、工作温度较宽。铁铬铝合金：抗氧化、耐高温性能最好镍铬铁合金：电阻温度系数小、电阻率高铂和铂合金：抗氧化、耐高温性能最好前三种最常用。这些合金的灵敏系数为2～6

金属电阻应变片材料栅长度一般为0.2～100毫米，直径0.015～0.05毫米的金属丝，厚度0.002～0.005毫米的金属箔。电阻为60～1000欧（最常用的为120欧），测量范围为几微应变至数万微应变（με，1微应变=10-6毫米／毫米）金属应变片的电阻变化率和引起此电阻变化的构件表面在应变计轴线方向的应变ε之比，称为电阻应变计的灵敏系数K。2023/9/21132.2半导体压阻材料压阻效应指当半导体受到机械力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它是C.S史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。压阻系数π被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化机械力作用——晶格间距变化——禁带宽度变化——载流子相对能量改变——电阻率变化优点：

①灵敏度与精度高；

②易于小型化和集成化；

③结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，性能保持不变；

④动态特性好，其响应频率为103～105Hz。用来制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器2023/9/2114PN结压阻效应及其应用电路半导体压阻材料主要采用单晶硅材料。为了调节力敏元件的压阻系数，电阻值和温度特性，还要掺杂硼、磷等杂质。

半导体PN结受压力后也会呈现压阻效应，从而改变结间电流。2023/9/21152.3压电材料压电效应某些电介质，在一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态的现象。具有压电效应的电介物质称为压电材料顺压电效应：机械能电能逆压电效应：电能机械能压电材料压电晶体：石英晶体、酒石酸钾钠、电气石、磷酸铵、硫酸锂性能稳定、不需极化处理、无热释电效应压电陶瓷：人工极化处理的钛酸钡、锆钛酸钡压电常数大、灵敏度高、工艺成熟、价格低廉压电半导体：ZnS、ZnO、CdS、CdTe等压电高分子材料：聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯2023/9/2116石英晶体压电效应示意图将一个结构单元中构成石英晶体的硅离子和氧离子的排列在垂直于晶体Z轴的平面内投影，可得到等效于下图的正六边形排列。图中⊕代表Si4+,代表2O2-2023/9/21173.热敏传感材料热敏传感材料：对温度变化具有灵敏响应的材料。接触式测温非接触式测温热膨胀式热电势式热电阻式PN结型集成电路型热释电式光学高温传感器热辐射式温度传感器通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度通过接收被测物体发出的辐射来得知物体的温度优点：技术成熟传感器种类多测量系统简单精度较高优点：不受测温元件耐热程度限制测温速度快可测运动物体温度2023/9/21183.1双金属温度计（热膨胀式）

把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。优点：结构简单牢固可靠防爆

2023/9/21193.2热电势式温度计(热电偶)

热电效应

将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。热电势、热电偶、热电极热端（测量端或工作端）、冷端（参考端或自由端）2023/9/2120接触电动势

接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。k——玻耳兹曼常数，q0——电子电荷量，T——接触处的温度NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。2023/9/2121

同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。大小表示：

温差电动势机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。2023/9/2122热电偶回路中产生的总热电势

eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0) 忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：

2023/9/2123影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关两热电极相同时，总电动势为0两接点温度相同时，总电动势为0对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即

可见：只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。讨论2023/9/2124热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V2023/9/21253)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。2023/9/2126例子热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为－4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95－(－4.0)=6.95(mV)2023/9/21272023/9/21283.3热电阻式温度传感器热电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻（金属测温电阻）、半导体热敏电阻。热电阻广泛用来测量－200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。对用于制造热电阻材料的要求：具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率

R-t关系最好成线性物理化学性能稳定复现性好等。

目前最常用的热电阻金属是铂、铜和镍。2023/9/2129项目PtNiCu使用温度/℃-200~600-100～300-50～150电阻丝直径/mm0.03~0.070.050.1电阻率/(Ω·mm2/m）0.0981~0.1060.118～0.1380.0170～100℃电阻温度系数/(×10-3/℃)3.92～3.986.21～6.344.25～4.28主要金属测温电阻器的性能2023/9/2130半导体热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件。半导体热敏电阻RT2023/9/2131热敏电阻的电阻－温度特性大多数：负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻－温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。NTC（负电阻温度系数）热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于：－100～＋300℃之间测温。PTC（正电阻温度系数）热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。CTR（临界温度热敏电阻）也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。线性热敏电阻2023/9/21322023/9/2133半导体热敏电阻材料PTC材料

BaTiO3基热敏材料：用于家用电器的温度传感器、限流器等。

V2O3基热敏材料：常温电阻率极小，用于大电流领域的过流保护。NTC材料低温：AB2O4尖晶石型氧化物半导体陶瓷常温：AB2O4尖晶石型的含锰氧化物高温：AO2萤石型、AB2O4尖晶石型、ABO3钙钛矿型和刚玉型。CTR材料：指在一定温度发生半导体-金属间相变从而呈现负电阻突变特性的一类材料。以VO2为基的半导体材料，广泛应用于火灾报警和温度的报警、控制和测量场合。

线性热敏电阻材料：指CdO-Sb2O3-WO3系列呈线性电阻温度特性的陶瓷。2023/9/21343.4热释电式传感器热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端会产生数量相等而符号相反的电荷，从而产生电极化的现象。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化。热释电效应大小与晶格结构随温度的变化密切相关。

具有热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料：单晶：LiTaO3、LiNbO3、铌酸锶钡（SBN）热释电陶瓷：PZT（锆钛酸铅）、PLZT（锆钛酸铅镧）高分子薄膜：聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯2023/9/2135热释电材料居里温度/℃介电常数热释电系数/×10-8C/(cm2·K)TGS晶体49354.0LaTaO3单晶61843~541.8~2.3PZT陶瓷200~270380~18001.8~2.0LiNbO3陶瓷1200300.4~0.5PbTiO34702006.0SBN单晶1153806.5PVDF有机高分子1201.10.24常用热释电材料性能TGS（硫酸三甘肽）：居里温度低，可溶于水；PbTiO3和LiTaO3：具有较高实用价值。PZT：锆钛酸铅SBN：铌酸锶钡PVDF：聚偏二氟乙烯2023/9/2136光敏传感器通常是指对紫外光到红外光敏感，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。外光电效应

在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。向外发射的电子称为光电子。如光电管、光电倍增管等4.光敏传感材料内光电效应

半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。2023/9/2137内光电效应又分光电导效应和光生伏特效应

在入射光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电导率变化的现象，称为光电导效应。光生伏特效应是利用半导体PN结在光的照射下产生光电动势的现象。当大于禁带宽度的光子照射到PN结后，电子会被激发并在内建电场作用下形成光电动势。本征光电导：由带间吸收形成的载流子产生的电导非本征光电导：由束缚在杂质能级上的电子和空穴被激发后形成自由载流子而产生的电导2023/9/2138半导体光电探测器材料根据半导体知识,价带中的电子吸收光子能量后,越过禁带进入导带,才会产生导电作用。这就决定了半导体红外探测仪响应辐射的临界波长λc:λc=1.24/Eg(μm)

其中Eg为禁带宽度(电子伏特)。

半导体材料的禁带宽度决定了它所制成的探测器的响应波长范围。因此大多数的半导体红外探测仪对光的吸收是有选择性的;

中、远红外探测仪常工作于低温,因此需要制冷。响应时间比其他探测仪要快的多。2023/9/2139半导体光电探测器材料按使用波长分为宽禁带紫外光电探测器材料SiC：禁带宽度高、电子饱和漂移速度高、击穿场强、较高的热导率和化学稳定性。但禁带宽度不可调，截止波长430nm。金刚石：禁带宽度5.5eV，截止波长225nm，理想的中紫外和远紫外光电探测器材料。但制备难度大、不易掺杂。GaN：禁带宽度3.4eV，截止波长365nm。可通过外延生长形成AlGaN和InGaN三元合金，调节禁带宽度和截止波长，适于中紫外波段（200～300nm）此外，还有AlN、InN及其合金，ZnO、ZnS、ZnSe、CdSe、MnO等2023/9/2140短波红外光电探测器材料用于光通信（1.3～1.65μm）：Ge、InGaAs、InAs等。用于环保测量和医疗（2～3μm）：

InAsPSb、InGaAsSb、AlGaAsSb。中波红外（3～5μm）InSb（锑化铟）、PtSi、HgCdTe（碲镉汞）长波红外（8～14μm）材料

HgCdTe（碲镉汞）、VO2、IrSi（硅化铱）化合物本征型光电导探测器,它是由HgTe和CdTe两种材料混在一起的固溶体,其禁带宽度随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为8～14μm，工作温度77k，用液氮致冷。2023/9/2141光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射光电子，电子被正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。光电探测器件发光材料：

Cs－Sb（铯－锑）As－O－CsAg－Bi－O－Cs2023/9/2142

真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管:构造和真空光电管基本相同，所不同的仅仅是在玻璃管内充以少量的惰性气体。优点：灵敏度高缺点：光电流与入射光强度不成比例、稳定性差、惰性大、受温度影响大，容易老化2023/9/2143

在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极

12～14级光电倍增管2023/9/2144光电倍增管的工作原理光电阴极光电倍增极阳极 倍增极上涂有Cs-Sb或Ag-Mg等次级发射材料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射 二次电子发射系数σ=二次发射电子数／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σn2023/9/2145光敏电阻（光导管）当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加常用的光电材料包括Ge、Si、CdS、CdSe和PbS等。其中：CdS和CdSe可任意比例烧结，峰值波长在520～720nm连续变化PbS光谱响应范围在1～3μm，适于近红外波段。2023/9/2146光敏电阻的光电流与光强之间的关系由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。2023/9/2147光电池直接将光能转换为电能的光电器件光电池包括硅光电池、硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、砷化镓光电池等。当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定影响性能和寿命因素： 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件

2023/9/2148硅光电池结构示意图硒光电池结构示意图P区带正电，N区带负电光谱范围：450～1100nm硒材料带正电，镉材料带负电光谱范围：340～750nm是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负)。2023/9/2149结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳内，PN结装在管顶。 在电路中一般是处于反向工作状态的。光敏材料为Si和CdS等。光敏二极管光敏二极管2023/9/2150与一般三极管很相似，具有两个pn结。发射极做得很大，以扩大光的照射面积。基极不接引线。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。光敏材料为Si。光敏三极管光敏三极管及其工作电路+2023/9/2151PIN结光电二极管PIN结光电二极管就是在P区和N区之间加上一层很厚的高电阻率的本征层（I层）的光电二极管，同时P层做的很薄。

本征层的电阻很高，反偏电场主要集中在这一区域。高电阻使暗电流明显减少，在这里产生的光生电子-空穴对将立即被电场分离。2023/9/2152PIN的工作原理示意图P+W光IN+能量I层为高阻层，工作状态下承受绝大部分的外加电压，使耗尽层增厚，从而展宽光电转换的有效工作区，提高器件灵敏度；I层的存在提高了器件的击穿电压，可选用低电阻率的基体材料，减小了器件的串联电阻和时间常数，减小了漂移时间，提高了器件的响应速度。2023/9/2153PIN光电检测器的一般性能

Si-PINInGaAs-PIN波长响应0.4～1.01～1．6响应度0.4(0.85μm)

0.5（1.31μm）暗电流0.1～12～5响应时间2～100.2～1结电容0.5～11～2工作电压/V－5～－15－5～－15响应度——是光生电流和入射光功率的比值2023/9/2154雪崩光电二极管avalanchephotodiode，APDAPD在PN结的P型区外侧增加一层掺杂浓度极高的P+层。当在其上施加高反偏压时，以P层为中心的两侧产生极强的内部加速场（可达105V/cm）。

在高电场作用下，光照产生的电子会高速通过P层，并在P区产生碰撞电离，形成大量新生电子－空穴对。这些新生的电子－空穴对在高电场的作用下加速，再次激发新生电子－空穴对。当所加反向偏压足够大时，不断产生二次电子发射，形成“雪崩”样的载流子，构成强大的电流。因此，APD的响应时间极短、灵敏度很高。2023/9/2155APD光电检测器的一般性能

Si-APDInGaAs-APD波长响应0.4～1.01～1．65响应度0.5

0.5～0.7暗电流0.1～110～20响应时间0.2～0.50.1～0.3结电容1～2

＜0.5工作电压50～10040～60倍增因子30～10020～30附加噪声指数0.3～0.50.5～0.7倍增因子g——定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值2023/9/2156固体摄像器件固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号——视频信号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。

固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（ChargeInjenctionDevice，即CID）

目前，前两种用得较多，我们这里只分析CCD一种。2023/9/2157电荷耦合摄像器件

电荷耦合器件（CCD）特点——以电荷作为信号。

CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移。

CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。

CCD的基本结构包括：信号输入结构、转移电极结构、转移沟道结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元是MOS电容。CCD的MOS结构2023/9/2158

一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。2023/9/2159（1）、电荷产生

当光线照射到CCD表面的MOS结构单元时，光子穿过透明电极和氧化层，进入P型硅衬底，在衬底中形成电子－空穴对。在外场作用下，电子和空穴分别向电极两端移动，多数载流子被栅极电压排开，少数载流子被收集在势阱中形成信号电荷。2023/9/2160（2）、电荷存储

以衬底为P型硅构成的MOS电容为例。

当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2