3传感器与基础效应.doc

传感器与基础效应物性型传感器是利用某些物质(如半导体、陶瓷、压电晶体、强磁性体和超导体等)的物性随外界待测量作用而发生变化的原理制成它利用了诸多的效应(包括物理效应、化学反应和生物效应)和物理现象，如利用材料的压阻、湿敏、热敏、光敏、磁敏、气敏等效应，把应变、湿度、温度、位移、磁场、煤气等被测量变换成电量而新原理、新效应(如约瑟夫逊效应)的发现和利用，新型物性材料的开发和应用，使物性型传感器得到很大的发展，并逐步成为传感器发展的主流因此了解传感器所基于的各种效应，对物性型传感器的深入理解、开发和使用是非常必要的表l—4—1列出了主要物性型传感器所基于的物理效应及所使用的材料第一节 光电效应物质在光的作用下释放电子的现象称为光电效应被释放的电子称为光电子光电子在外电场中运动所形成的电流称为光电流光电效应的实验规律为：(1)光电流的大小与入射光的强度成正比；(2)光电子的初动能只与入射光的频率有关，而与入射光强度无关；(3)当入射光的频率低于某一极限频率(称为红限频率，随金属不同而异)时，不论光强的强弱，照射时间的长短，均无光电子产生；(4)从光照开始到光电子被释放出来，整个过程只需10-9s以下的时间。

上述光电效应的实验规律巳由爱因斯坦的光量子理论给予了完满的解释光电效应一般分为光电子发射效应、光导效应和光生伏特效应三类一、光电子发射效应光电子发射效应又称外光电效应它是指金属在光的照射下，释放的光电子逸出金属表面的现象，是1887年由德国人赫芝发现的基于该效应的光电器件有光电管、光电倍增管等光子是具有能量hv的粒子频率为v的光则是以一群能量各为hv的粒子在空间传播当金属中的电子吸收了入射光子的能量时，若足以克服逸出功φ，那么电子就会逸出金属表面，产生光电子发射，逸出的光电子动能为：式中h——普朗克常数，为6．6261×10-34(J·s)；v——光的频率(s-1)；me——电子质量，me=9．1095×10-31(kg)；v0——电子逸出速度(m·s-1)；φ——超出功(J)，也称功函数，是一个电子从金属或半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功，其值与材料有关，还与材料表面状态有关单位时间逸出的电子数，即发射的光电流i与光强成正比，即式中P——入射光功率；η——外光量子效率，它与材料及表面状态有关，是波长λ的函数e——电子电荷量二、光导效应物体受到光照时，其内部原子释放的电子留在内部而使物体的导电性增加，电阻值下降的现象称为光导效应或称内光电效应。

绝大多数的高电阻率半导体都具有光导效应基于光导效应的光电器件有光敏电阻(亦称光电导管)，其常用的材料有硫化镉(CdS)、硫化铅(PbS)、锑化铟(InSb)、非晶硅(a—si：H)等纯半导体在光线照射下，其禁带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度Eg(eV)的光子的激发，由价带越过禁带跃迁到导带，成为自由电子同时，价带也因此而形成自由空穴致使纯半导体中导带的电子和价带的空穴浓度增大，半导体电阻率减小三、光生伏特效应物体(如半导体)在光的照射下能产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管和光敏三极管1．侧向光生伏特效应当半导体光电器件的光灵敏面受光照不均匀时，由载流子浓度梯度形成载流子的扩散而产生的光电效应称为侧向光生伏特效应基于该效应工作的光电器件有半导体位置敏感器件(简称PSD)，由于电子迁移率比空穴的大，致使被光照部分带正电，未被光照部分带负电，两部分之间产生光电动势2．pn结光生伏特效应光照射到距表面很近的半导体pn结时，结及附近的半导体吸收光能若光子能大于禁带宽度，则价带电子跃迁到导带成为自由电子，而价带则相应成为空穴这些电子空穴对在pn结内部电场的作用下，电子移向n区外侧，空穴移向P区外侧，结果P区带正电，n区带负电，形成光电动势。

基于此效应的光电器件有光电他、太阳电他、光敏二极管和三极管等3．光电磁效应(同称PEM效应)半导体受强光照射并在光照运直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端面间产生电势的现象称为光电磁效应它可以看成是光扩散电流的霍尔效应Ge、InSb、InAs、PbS、CdS等材料均有明显的光电磁效应4．贝克勒耳(Becquerel)效应贝克勒耳效应是液体中的光生伏特效应当光照射浸在电解液中的两个同样电极中的任一个电极时，在两个电圾间将产生电势的现象称为贝克勒耳效应基于该效应的有感光电池第二节 电光效应物质的光学特性(如折射率)受外电场影响而发生变化的现象统称为电光效应一、泡克耳斯(Pockels)效应平面偏振光沿处在外电场内的压电晶体的光铀传播时发生双折射现象(称为电致双折射)，且两个主折射率之差与外电场强度成正比，该效应称为泡克耳斯效应(线性电光效应)利用泡克耳斯效应可制成电光调制器或电光开关，能以25×109Hz的频率调制光束，如调制激光；可制成光纤电压、电场传感器，可测量高电压、强电场常用的具有泡克耳斯效应的压电材料有磷酸二氢钾(K2H2P04)，简称KDP等二、电光克尔(Kerr)效应光照具有各向同性的透明物质(也可以是液体)，在与入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现象，即一束入射光变成正常(寻常)和异常(非常)两束出射光，称这种现象为电光克尔效应。

实验证明两个主折射率之差Δn为式中K——克尔常数；E——电场强度因此电光克尔效应又称平方电光效应此效应发生过程极为迅速约l0-8s,可用于观测放电现象、照相机快门、光导纤维传感器中三、光弹性效应当外力或振动作用于弹性体产生应变时，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质，这种现象称为光弹性效应利用光弹性效应可制成压力、振动、声响传感器该效应与泡克耳斯效应均为对材料折射率调制的效应四、电致发光效应某些固态晶体如高纯度Ge、si和GaAs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GaP、InP、GaAs等无需外加激发光而在外加电场作用下即可发光的现象统称为电致发光效应可制成发光二极管、半导体激光器等器件第三节磁光效应置于外磁场中的物体，在光和外磁场作用下，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一、法拉第(Faraday)效应平面偏振光(即直线偏振光)通过带磁性的透光物体或通过在纵向磁场(磁场方向与光传播方向平行)作用下的非旋光性物质时其偏振光面发生偏转的现象称为磁光法拉第效应它是由于磁场的作用使直线偏振光分解成传递速度各异的左旋和右旋两圆偏振光，因此从物体端面出射的合成偏振光将发生偏转。

偏振光面偏转的角度θ与磁场强度H、光在物体中通过的长度l成正比，即式中K——verdet常数是磁性材料固有的，与光波波长和温度有关，而与磁场强度H无关二、磁光克尔(Kerr)效应平面偏振光垂直入射于抛光的强电磁铁的磁极表面，所产生的反射光偏转角度随磁场强度而变化，这种现象称为磁光克尔效应它适用于光不能穿透所用磁光材料的场合，常用的材料有锰铋陶瓷三、科顿—蒙顿(Cotton--mouton)效应当光线垂直于磁场的方向照射液体(如消基苯等芳香族化合物)时，液体分子在外磁场的作用下形成一定规律的排列，而呈现双折射特性，即一束入射光变为寻常和非常两束出射光，这种现象称为科顿—蒙顿效应它是一种磁致双折射效应二主折射率之差Δn为式中c¢——cotton—Mouton常数，它与光波波长λ及温度有关，与磁场强度H无关第四节 电(流)磁效应置于磁场中的通电金属导体或半导体所产生的种种物理现象，统称为电(流)磁效应一、霍尔(Hall)效应当电流垂直于外磁场方向通过导体或半导体簿片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间产生电位差的现象，称为霍尔效应半导体霍耳电势如下二、磁阻效应当通有电流的半导体或磁性金属薄片置于与电流垂直或平行的外磁场中，由于磁场的作用力加长了载流子运动的路径，使其电阻值随外磁场增强而加大的现象称为磁阻效应。

第五节 热电效应与热释电效应一、热电效应是温差转换成电的物理效应1．塞贝克(Seebeck)效应两种不同的金属串接成闭合回路，当它们的两个结点处于不同温度时，则在回路内有电流产生，亦即两结点间产生电动势，这种由于温度不同而产生电动势的现象称为温差电效应成称塞贝克效应，习惯称作热电效应两种金属的接触电势是由于接触时自由电子由密度大的金属向小的扩散，直至动态平衡而形成单一金属温差电势是由于自由电子在高温端具有较大的动能，向低温端扩散而形成2．珀耳帖(Pelticr)效应它是塞贝克效应的逆效应当电流流过两种导体组成的闭合回路时，一结点处变热(吸热)，另一结点处变冷(放热)，或当电流以不同方向通过金属与半导体相接触处时，其接触处或发热或吸热，这种现象称为珀耳帖效应如果通电电流为I，则吸收或放出的热量Q为式中b——珀耳帖系数，其大小取决于材料和环境温度β=αT，其中α为塞贝克系数，T为环境绝对温度利用珀耳帖效应可制成制冷器，用来控制半导体激光器温度等3．汤姆逊(Thomson)效应同一种金属组成闭合回路或一种半导体，保持回路二侧或半导体两端为一定温度差ΔT，并通以电流I时，回路的温度转折处(或半导体整体)将产生比例于IΔT的吸热或发热，这种现象称为汤姆逊效应。

二、热释电效应电石、水晶、酒石酸钾钠(罗谢耳盐)、钛酸钡(BaTiO3)等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应产生的电荷ΔQ与温度ΔT的关系为式中λ——热释电系数，其大小取决于晶体材料；A——晶体受热表面积高介电常数材料，如BaTiO3、PbTio3、LiTaO3、LiNbO3等有显者的热释电效应，可制成红外探测器、温度传感器、热成象器件热(释)电式红外探测器具有不需冷却、响应光谱范围宽、响应快(μs甚至达ns)和价格低等优点，但由于产生的电荷会被空气中的各种离子结合而消失，需采用周期性遮光体，以使红外光能断续加热探测器，不断输出电荷第六节 热磁效应有些具有磁化的匀质金属两端由于温度差形成热流，在与垂直热流方向的磁场作用下所产生的物理现象称为热磁效应若热磁效应所产生的电场与热流方向及磁场方向相垂直，则称为横向能斯脱(Nernst)效应或称电气横向效应，若产生的电场与热流方向一致，称为纵向能斯脱效应或称电气纵向效应能斯脱效应所产生的电场强度与金属温度梯度及磁场强度成正比，比例系数则为Nernst系数，其大小由材料的物理性质所决定。

若热磁效应在垂直于热流与磁场方向或在热流方向产生温度梯度，则称为热磁横向效应或热磁纵向效应利用热磁效应可制成Nernst红外探测器第七节 压电效应一、正压电效应当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应二、逆压电效应当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应三、电致伸缩放应电介质在电场的作用下会由于极化的变化而引起形变，若形变与电场方向无关，这个现象就称为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前者与电场方向无关，其应变大小与电场强度的平方成正比，而后者(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第八节 压阻效应半导。