《型传感器综述》PPT课件

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1、靳莹瑞新型传感器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）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

2、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。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。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。2.P-N结光伏效应12-13学年第二学期

3、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。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。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

4、的电压称为开路电压，用UOC表示，则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

5、，只不过其曲线中的基极电流为光生电流。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α10-11学年第二学期新型传感器科顿效应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

6、、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。霍尔效应1

7、0-11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。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

8、（LiGaO3）锗酸铋（Bi12GeO3）等单晶体和