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1、新型传感器新型传感器第一章第一章 新型传感器综述新型传感器综述新型传感效应新型传感效应1 新型敏感材料新型敏感材料2新加工工艺新加工工艺3新型传感器的发展方向新型传感器的发展方向4一、新型传感效应一、新型传感效应 按引起传感效应的物理量类型来区分，新按引起传感效应的物理量类型来区分，新型传感效应分为：型传感效应分为：光效应光效应磁效应磁效应 力效应力效应化学效应化学效应生物效应生物效应化学效应化学效应 光效应光效应光电效应：光电效应：（1）光电导效应光电导效应（2）光伏效应光伏效应电光效应：电光效应：（1）科顿（科顿（Cotton）效应）效应（2）光弹效应）光弹效应光的多普勒效应光的多普勒效应
2、 1.光电导效应光电导效应新型传感器 光辐射光辐射作用使材料的作用使材料的电导率电导率发生变化，而发生变化，而这种变化与光辐射强这种变化与光辐射强度呈稳定的对应关系度呈稳定的对应关系。称为光电导效应。称为光电导效应。典型器件：光敏电阻（典型器件：光敏电阻（GeAs）光电导效应光电导效应 光电导材料有光电导材料有本征型本征型 和和掺杂型掺杂型 两种类型。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本征型光电导材料只有当入射光子能量hvhv等于等于或大于半导材料的禁带宽度或大于半导材料的禁带宽度EgEg时才激发一个电子时才激发一个电子空穴对，在外电场作用下形成光电流。空穴对，在外电场作
3、用下形成光电流。掺杂型光电导材料只要入射光子能量掺杂型光电导材料只要入射光子能量hvhv等于或大等于或大于杂质电离能于杂质电离能E E时就能把施主能级上的电子激发到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。导带而形成导电电子，在外电场作用下形成电流。光电导效应光电导效应gPPUISUEg 光电导器件的光电流与入射光通量之间存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。在着一定的关系，称为光电特性。E E 为入射光的光照度；为入射光的光照度；为光敏电阻的光导；为光敏电阻的光导；为光电导灵敏度。为光电导灵敏度。PggS光电导效应光电导效应12-
4、13学年第二学期新型传感器 典型器件光敏电阻（典型器件光敏电阻（GeAs），具有与人），具有与人眼十分相近的光谱响应特征。在可见光亮度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。曝光系统中的亮度测量等。2.P-N结光伏效应结光伏效应12-13学年第二学期新型传感器 当光照射当光照射P-N结时，只要入射光子能量大于材结时，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料禁带宽度，就会在结区产生电子-空穴对。这些空穴对。这些非平衡载流子在内电场作用下，按一定方向运动非平衡载流子在内电场作用下，按一定
5、方向运动，在开路状态下形成电荷积累，产生了一个与内，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，及光生电压电场方向相反的光生电场，及光生电压Uoc，这就，这就是所谓的光生伏特效应。是所谓的光生伏特效应。P-N结光伏效应结光伏效应LDPIII/()0(1)qUkTDI eI()LLSRRUI新型传感器/()/()00(1)(1qU kTqU kTLPDPEIIII eS E I eI/()ESq A hvSE为光电灵敏度（光照灵敏度）；为光电灵敏度（光照灵敏度）；q为电子电荷数；为电子电荷数；为材料的量子效率为材料的量子效率；A为受光面积；为受光面积；hv为光子的能量。为光子
6、的能量。12-13学年第二学期新型传感器P-N结光伏效应结光伏效应 结型光电器件用作探测器时，有两种工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。或零偏置的光伏工作模式。当负载电阻当负载电阻RL断开（断开（IL=0）时，）时，P-NP-N结两结两端的电压称为开路电压，用端的电压称为开路电压，用UOCOC表示，则表示，则00ln(1)ln()PEOCIS EkTkTqIqIU12-13学年第二学期新型传感器 当负载电阻短路当负载电阻短路（即（即RL=0）时，光生电）时，光生电压接近于零，流过器件的电流叫做短
7、路电流压接近于零，流过器件的电流叫做短路电流ISCSC，这时光生载流子不再积累于，这时光生载流子不再积累于P-NP-N结两侧，结两侧，P-P-N N结又恢复到平衡状态，费米能级被拉平而势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，短路电流与光垒高度恢复到无光照时的水平，短路电流与光照度照度E E成正比。成正比。SCPEIIS EP-N结光伏效应结光伏效应新型传感器P-N结光伏效应结光伏效应 基于光伏效应的基于光伏效应的P-N结光电器件有三种：结光电器件有三种：硅光电池硅光电池 光敏光敏二极管二极管 光敏光敏三极管三极管 光敏二极管和硅光电池的伏安特性一致，光敏二极管和硅光
8、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。曲线中的基极电流为光生电流。新型传感器 能使左、右旋能使左、右旋圆偏振光圆偏振光传输速度相异的旋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），在直线偏振光入射并透过时，会产生 角角的偏转，这种现象称为科顿效应。的偏转，
9、这种现象称为科顿效应。3.科顿效应科顿效应新型传感器科顿效应科顿效应新型传感器 直线偏振光是由左、右旋圆偏振光的合成直线偏振光是由左、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，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。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旋转，所以左右旋偏振光透过厚度为d的旋光的旋光性物质后，旋转的角度分别为：性物质后，旋转的角度分别为：科顿效应科顿效应111=2/2/ddnr=2/2/rrddn新型传感器其中其中 为入射
10、光波长，为入射光波长，分别为左、右分别为左、右旋偏振光在媒质中的折射率。透过的合成直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线偏振光偏转的角度 则为：则为：科顿效应科顿效应1rnn、11()=2rrd nn 磁效应磁效应新型传感器磁光效应：磁光效应：（1）法拉第效应法拉第效应（2）克尔效应）克尔效应磁电效应：磁电效应：（1）霍尔（）霍尔（Hall）效应）效应（2）磁阻效应）磁阻效应压磁效应：压磁效应：（1）磁致伸缩效应）磁致伸缩效应（2）威德曼效应）威德曼效应 约瑟夫效应约瑟夫效应 核磁共振核磁共振 法拉第效应法拉第效应KBL新型传感器 法拉第效应又称为磁致旋光效应。当线偏法拉
11、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，其偏转振面（光矢量振动方向）将发生偏转，其偏转角角 与磁感应强度与磁感应强度B以及介质的长度以及介质的长度L成如下比成如下比例关系：例关系：式中，式中，K是物质的特性常数，及维尔德（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。）常数，其数值与光波波长和温度有关。霍尔效应霍尔效应HU新型传感器 霍尔效应实际是基于洛伦兹力的效应。当电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流通过半导体
12、薄片时，垂直于电流方向的磁场B使使电子向薄片的一侧偏转，从而使薄片的两侧产生电子向薄片的一侧偏转，从而使薄片的两侧产生电位差电位差 。所产生的电位差称为霍尔电势，霍。所产生的电位差称为霍尔电势，霍尔电势与激励电流尔电势与激励电流 的关系为：的关系为：式中，式中，为霍尔常数。为霍尔常数。由于材料及制作工艺的原因，霍尔元件存在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。考虑霍尔元件的温度和不等位电势的补偿问题。BIHH BUK I BHK 力效应力效应新型传感器1.压电效应：压电
13、效应：当具有压电效应的材料受到沿一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（英晶体（水晶）、铌酸锂（LiNbO3）、镓酸锂）、镓酸锂（LiGaO3）锗酸铋（）锗酸铋（Bi12GeO3）等单晶体和经）等单晶体和经过极化处理的多晶体如钛酸钡、锆钛酸压电陶过极化处理的多晶体如钛酸钡、锆钛酸压电陶瓷（瓷（PZT），此外还有高分子压电薄膜如聚偏），此外还有高分子压电薄膜如聚偏二氟乙烯（二氟乙烯（PVDF）、压电半导体（）、压电半导体（Z
14、nO）等。）等。力效应力效应新型传感器2.磁致伸缩效应：磁致伸缩效应：某些铁磁体及其合金以及某些铁氧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）。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。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的长度发生 量级
15、的变化。从宏观角度理解量级的变化。从宏观角度理解为材料在磁场下产生了自由应变为材料在磁场下产生了自由应变5610100 力效应力效应新型传感器式中，常数式中，常数C的确定：磁性材料在饱和场强的确定：磁性材料在饱和场强 下，测得的饱和下，测得的饱和磁致伸缩系数磁致伸缩系数 此时此时1/20CH200(179.5775/)SHOe OeA m630 10,S1/261/22.1 10(1/)SSCHOe 力效应力效应新型传感器3.饱和效应饱和效应：在高分子核磁共振吸收过程中，随入：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射电磁波振幅的增加，高分子吸收电磁波能量逐
16、渐减少，这种现象称为饱和效应。减少，这种现象称为饱和效应。化学效应化学效应新型传感器1.吸附效应吸附效应：利用吸附效应可制成气敏传感器。：利用吸附效应可制成气敏传感器。诸如诸如SnO2、ZnO等金属氧化物的半导体陶瓷材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。率发生变化，这种现象称为吸附效应。氧化型气体吸附到氧化型气体吸附到N型半导体上，或还原型气型半导体上，或还原型气体吸附到体吸附到P型半导体上，将使其载流子减少，电阻型半导体上，将使其载流子减少，电阻增大。反之，其载流子增多，电阻减小。增大。反之，其载流子增多，电阻减小。化学效应化学效应新型传感器2.半导体表面场效应半导体表面场效应：利用电压所产生的电场控：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制半导体表面电流的效应称为半导体表面场效应。是绝
