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1、现代传感器一、光效应1.光电导效应光电导效应 在光辐射作用下在光辐射作用下,材料的电导率变化材料的电导率变化,并与并与光辐射强度呈稳定的对应关系光辐射强度呈稳定的对应关系.w特点特点:外加电压外加电压,应用于应用于光敏电阻光敏电阻.w光电导材料光电导材料:本征型和掺杂型本征型和掺杂型w光电流光电流:Ip=SgEU=gpU (1-1)E 光照度光照度;gp光电导光电导;Sg光电导灵敏光电导灵敏度度考虑暗电流考虑暗电流Id,则流过光电导器件电流则流过光电导器件电流:I=Ip+Id=gpU+gdU (1-2)2.P-N结光伏效应wP-N结受到光照射结受到光照射,光子能量大于禁带宽光子能量大于禁带宽度
2、时度时,产生电子产生电子-空穴对空穴对,在内电场作用下在内电场作用下按一定方向运动按一定方向运动,从而形成与内电场相反从而形成与内电场相反的开路光生电压的开路光生电压UOC,称称光生伏特光生伏特效应效应.相关公式:正向电流正向电流:ID=I0(eqU/(KT)-1)(1-3)负载电流负载电流:IL=IP-ID=SEE-I0(eqU/(KT)-1)(1-4)RL断开时断开时,开路电压开路电压:UOC(KT/q)ln(SEE/I0)(1-5)RL=0时时,短路电流短路电流:ISC=IP=SEE (1-6)应用应用:光敏二极管、三级管和硅光电池。光敏二极管、三级管和硅光电池。3.科顿(Cotton)
3、效应w在直线偏振光入射并透过时在直线偏振光入射并透过时,会产生会产生角角的偏转现象称为科顿效应的偏转现象称为科顿效应.w旋光性物质旋光性物质:使左、右旋圆偏振光传输速使左、右旋圆偏振光传输速度不同。度不同。1-2 d(n1-n2)=2 二、磁效应w磁电、磁光和压磁等效应。磁电、磁光和压磁等效应。1.法拉第效应法拉第效应即磁致旋光效应即磁致旋光效应:线偏振光通过磁场下的透线偏振光通过磁场下的透明介质时明介质时,光的偏振面光的偏振面(矢量振动方向矢量振动方向)发发生偏移生偏移.2.霍耳效应霍耳效应 当电流通过半导体薄片时当电流通过半导体薄片时,垂直于电流方垂直于电流方向的磁场向的磁场B使电子向薄片
4、的一侧偏转使电子向薄片的一侧偏转,在在两侧形成霍尔电势两侧形成霍尔电势UH.UH=KHIBB三、力效应w压电、磁致伸缩、电致伸缩和压阻效应等压电、磁致伸缩、电致伸缩和压阻效应等1.压电效应压电效应当具有压电效应的材料受到沿一定方向的外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力作用而变形时,在其某两个表面上产生极在其某两个表面上产生极性相反的电荷性相反的电荷.常见的有常见的有:石英晶体等石英晶体等.2.磁致伸缩效应磁致伸缩效应铁磁物体在磁场的作用下铁磁物体在磁场的作用下,产生机械变形产生机械变形,亦亦称为焦尔效应称为焦尔效应.3.饱和效应饱和效应在高分子核磁共振吸收过程中在高分子核磁
5、共振吸收过程中,随着入射电随着入射电磁波振幅的增加磁波振幅的增加,高分子吸收电磁波能量高分子吸收电磁波能量逐渐减少的现象称为饱和效应逐渐减少的现象称为饱和效应.四、化学效应1.吸附效应吸附效应 在特定温度下在特定温度下,材料会吸附气体分子材料会吸附气体分子,其分其分子表面和气体分子之间发生电子交换子表面和气体分子之间发生电子交换,使使得半导体材料的表面电位、功函数及电得半导体材料的表面电位、功函数及电导率发生变化，此现象为吸附效应。导率发生变化，此现象为吸附效应。如：气敏传感器。如：气敏传感器。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制半导体表面电利用电压所产生的电场控制半导
6、体表面电流的效应流的效应.3.中性盐效应在化学反应系统中加入中性盐后在化学反应系统中加入中性盐后,系统的离系统的离子强度将发生变化子强度将发生变化,从而影响其反应速度从而影响其反应速度,这种现象称中性盐效应这种现象称中性盐效应.4.电泳效应当水溶液当水溶液(如食盐如食盐)电解时电解时,溶液中的离子向溶液中的离子向电极方向移动电极方向移动(电泳电泳),),因溶液流动阻碍离因溶液流动阻碍离子移动而减少其迁移率的现象称为电泳子移动而减少其迁移率的现象称为电泳效应效应.五、多普勒效应五、多普勒效应某信号源某信号源(频率频率f0)f0)与传感器之间以速度与传感器之间以速度u u相相对运动对运动,传感器接
7、受的新号频率为传感器接受的新号频率为f f将与将与f0f0不同不同,且两者相对运动时且两者相对运动时,则则ff0;ff0;两者两者相向运动相向运动,则则ff0,ff0,该现象称多普勒效应该现象称多普勒效应.uu f=f01-(-cosf=f01-(-cos)(1-14)(1-14)C C 为运动夹角为运动夹角第二节 新型敏感材料w指能利用物理、化学或生物反应原理做成敏感元件的基本材料。结晶状态：结晶状态：单晶、多晶、非晶和微晶单晶、多晶、非晶和微晶。电子结构和电子结构和化学键化学键：金属、陶瓷和聚合物金属、陶瓷和聚合物。物理性质：物理性质：超导体、导体、超导体、导体、半导体半导体等等。形态：形
8、态：掺杂、微粉、薄膜、块状和纤维等掺杂、微粉、薄膜、块状和纤维等。功能：功能：力敏、压敏、光敏、声敏和磁敏等。力敏、压敏、光敏、声敏和磁敏等。一、半导体敏感材料w常用且工艺成熟。1.单晶硅单晶硅具有良好的机械、物理特性，功耗低。具有良好的机械、物理特性，功耗低。常用于常用于固态传感器。固态传感器。如如压力、加速度压力、加速度等。等。2.2.多晶硅多晶硅多个单晶硅的聚合物多个单晶硅的聚合物.特点特点:受力应变灵敏系数低于单晶硅受力应变灵敏系数低于单晶硅,但温漂但温漂小小.常用于制造低温漂的力敏传感器常用于制造低温漂的力敏传感器.3.非晶体硅非晶体硅特点特点:可见光吸收系数高、淀积温度低可见光吸收
9、系数高、淀积温度低,可可使用多种材料作衬底、材料性能稳定使用多种材料作衬底、材料性能稳定,随随时间变化小、无压阻效应。时间变化小、无压阻效应。常用于生产常用于生产光传感器、图像、高灵敏度温光传感器、图像、高灵敏度温度、微波功率和触觉传感器度、微波功率和触觉传感器。4.硅蓝宝石硅蓝宝石将硅衬底在蓝宝石上将硅衬底在蓝宝石上,绝缘性、机械强度和绝缘性、机械强度和化学稳定性优良。化学稳定性优良。常用于生产常用于生产耐环境适应性耐环境适应性的传感器。的传感器。5.5.化合物半导体材料化合物半导体材料用于用于长波红外图像传感器长波红外图像传感器.二、光导纤维二、光导纤维w光纤在受到环境因素的影响时（压力、
10、光纤在受到环境因素的影响时（压力、温度、电磁场等），将影响在光纤中传温度、电磁场等），将影响在光纤中传输的光波某些物理量输的光波某些物理量(光强、相位、频率、光强、相位、频率、偏振态）的变化，依次生产出光纤传感偏振态）的变化，依次生产出光纤传感器器。纤芯，纤芯，n1包层，包层，n2保护层，保护层，n3 n2n2且且 c光波相位变化光波相位变化2 整数倍形成的驻波光线称整数倍形成的驻波光线称为为“模模”.某一光纤传输模的总数某一光纤传输模的总数=2rNA/(1-20)依据式依据式(1-20),分单模光纤和多模光纤分单模光纤和多模光纤.光纤芯光纤芯6um;折射率差约折射率差约0.005时时,只传基
11、只传基模光波模光波:Ex和和Ey.ex=Ax(x,y)ej(t-xz)ey=Ay(x,y)ej(t-yz)(1-21)单模光纤输出光波特性单模光纤输出光波特性:1)x=y;两种模等速传播两种模等速传播2)Ax=Ay;椭圆偏振光椭圆偏振光 若若|x-y|=m(m=0,1,2,)线偏振光线偏振光若若|x-y|=(m+1/2)(m=0,1,2,)圆偏振光圆偏振光w用于传感技术的特殊光纤用于传感技术的特殊光纤保偏光纤保偏光纤如如:输入输入Ey模的线偏振光模的线偏振光,在干扰下会产生在干扰下会产生Ex,功率变换比例功率变换比例:=|ex|2/|ey|2=tanh(KL/m)(1-23)K-常数；常数；L
12、-长度；长度；m-干扰常数（干扰常数（4，6，8）为保偏振面状态不变为保偏振面状态不变,应应加大加大,实际中大于实际中大于3000rad/m较好较好.三、高分子材料三、高分子材料w分子骨格几乎都由强化学键（分子骨格几乎都由强化学键（）构成。）构成。特点：特点：非晶结构；绝缘非晶结构；绝缘。可做可做电导性电导性敏感材料：敏感材料：1.压电效应压电效应如如:PVDFPVDF薄膜做人工薄膜做人工仿生皮肤仿生皮肤，受外力或，受外力或变形时，极化表面产生一定变形时，极化表面产生一定电荷电荷。2.释电效应释电效应当薄膜吸热温度升高时当薄膜吸热温度升高时,使极化表面产生电使极化表面产生电荷荷,在材料的两端产生电压在材料的两端产生电压.此外此外,还可做还可做光电材料光电材料.四、石英晶体四、石英晶体w水晶（水晶（SiO2)：压电效应。压电效应。电绝缘离子型晶体电解质材料。电绝缘离子型晶体电解质材料。X-电轴；电轴；Y-机械轴；机械轴；Z-光轴光轴此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢