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1、中原工学院中原工学院新型传感器新型传感器新型传感器新型传感器型传感器综述第一章第一章 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、（2）光弹效应）光弹效应光的多普勒效应光的多普勒效应 1. 光电导效应光电导效应 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，而这发生变化，而这种变化与光辐射强度呈种变化与光辐射强度呈稳定的对应关系。称为稳定的对应关系。称为光电导效应。光电导效应。典型器件：光敏电阻（典型器件：光敏电阻（GeAs）5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。 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时才激发一个电子空时才激发一个电子空穴对，在外
3、电场作用下形成光电流。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。6光电导效应光电导效应 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。光电导
4、效应光电导效应12-13学年第二学期新型传感器 典型器件光敏电阻（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
5、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，及光生电压场方向相反的光生电场，及光生电压Uoc，这就是，这就是所谓的光生伏特效应。所谓的光生伏特效应。P-N结光伏效应结光伏效应SE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。为光子的能量。 1012-13学年第二学期新型传感器P-NP-N结光伏效应结光伏效应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
6、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12-13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，光生电压）时，光生电压接近于零，流过器件的电流叫做短路电流接近于零，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-NP-N结结又恢复到平衡状态，费米能级
7、被拉平而势垒高又恢复到平衡状态，费米能级被拉平而势垒高度恢复到无光照时的水平，短路电流与光照度度恢复到无光照时的水平，短路电流与光照度E E成正比。成正比。P-NP-N结光伏效应结光伏效应结光伏效应结光伏效应10-11学年第二学期新型传感器P-NP-N结光伏效应结光伏效应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
8、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。 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 角的偏角的偏转，这种现象称为科顿效应。转，这种现象称为科顿效应。3. 3. 科顿效应科顿效应科顿效应科顿效应1410-11学年第二学期新型传感器科顿效应科顿效应科顿效应科顿效
9、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，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。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转，所以左右旋偏振光透过厚度为d的旋光性的旋光性物质后，旋转的角度分别为：物质后，旋转的角度分别为：科顿效应科顿效应科顿效应科顿效应10-11学年第二学期新型传感器其中其中 为入射光波长，为入射光波长， 分别为左、右旋分别为左、右
10、旋偏振光在媒质中的折射率。透过的合成直线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偏振光偏转的角度 则为：则为：科顿效应科顿效应科顿效应科顿效应 磁效应磁效应10-11学年第二学期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。当线偏法拉第效应又称为磁致旋光效应。当
11、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）常数，其数值与光波波长和温度有关。关。 霍尔效应霍尔效应10-11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薄片时，垂
12、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电子向薄片的一侧偏转，从而使薄片的两侧产生电位差位差 。所产生的电位差称为霍尔电势，霍尔电。所产生的电位差称为霍尔电势，霍尔电势与激励电流势与激励电流 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，霍尔元件存在温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。霍尔元件的温度和不等位电势的补偿问题。 力效应力效应10-11学年第二学期新型传感器1.压电效应：压电效应：当具有
13、压电效应的材料受到沿一定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（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二），此外还有高分子压电薄膜如聚偏二氟乙烯（氟乙烯（PVDF）、压电半导体（）、压电半导体（ZnO）等。）
14、等。 力效应力效应10-11学年第二学期新型传感器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
15、长度发生 量级的变化。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 力效应力效应10-11学年第二学期新型传感器式中，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 力效应力效应10-11学年第二学期新型传感器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1
16、0-11学年第二学期新型传感器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，材料会吸附气体料接触气体时，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换，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、功函数及电导率发生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。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
17、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10-11学年第二学期新型传感器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制：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。半导体表面电流的效应称为半导体表面场效应。是绝缘栅场效应晶体管（如是绝缘栅场效应晶体管（如MOS场效应管）基本场效应管）基本的工作原理。这种控制作用随环境气体、溶液离的工作原理。这种控制作用随环境气体、溶液离子浓度等化学物质而变化，则可构成气敏、离子子浓度等化学物质而变
18、化，则可构成气敏、离子敏、生物敏等半导体场效应化学传感器。敏、生物敏等半导体场效应化学传感器。例如离例如离子敏场效应管子敏场效应管，在绝缘栅上制作一层敏感膜来代，在绝缘栅上制作一层敏感膜来代替栅极，利用敏感膜与化学物质的电化学作用产替栅极，利用敏感膜与化学物质的电化学作用产生的电位来控制场效应管的电流输出。生的电位来控制场效应管的电流输出。 化学效应化学效应10-11学年第二学期新型传感器3.中性盐效应中性盐效应：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，系统的离子强度发生变化，从而影响其反应速度，系统的离子强度发生变化，从而影响其反应速度，这种现象称为中性盐效应。这种现象
19、称为中性盐效应。4.电泳效应电泳效应：当水溶液电解时，溶液中的离子向电：当水溶液电解时，溶液中的离子向电极方向移动（电泳），因水溶液流动阻碍离子移极方向移动（电泳），因水溶液流动阻碍离子移动而减小其迁移率的现象称为电泳效应。动而减小其迁移率的现象称为电泳效应。 多普勒效应多普勒效应10-11学年第二学期新型传感器 具有一定频率具有一定频率f0的信号源（如光源）与传感器之的信号源（如光源）与传感器之间以速度间以速度v v相对运动，传感器所接受的信号频率相对运动，传感器所接受的信号频率f f将与信号源自身频率将与信号源自身频率f0不相同，并且，若两者相对不相同，并且，若两者相对运动，则运动，则 ，
20、若两者相向运动，则，若两者相向运动，则 ，这种现象称为多普勒效应。这种现象称为多普勒效应。 多普勒效应多普勒效应10-11学年第二学期新型传感器 如光波，设光波与传感器之间相对运动的方向在如光波，设光波与传感器之间相对运动的方向在同一直线上，光波源的频率为同一直线上，光波源的频率为f0，当两者以速度当两者以速度v相相对于光源运动，在光速为对于光源运动，在光速为c的情况下，传感器所接受的情况下，传感器所接受到的光波信号频率为到的光波信号频率为f，则，则式中，式中， 表示传感器与光源之间相对运动的方向表示传感器与光源之间相对运动的方向 ， 为光源与传感器两者相对运动方向之间的夹角。为光源与传感器两
21、者相对运动方向之间的夹角。 二、二、新型敏感材料新型敏感材料10-11学年第二学期新型传感器 传感器的敏感材料指能利用物理效应或化学、传感器的敏感材料指能利用物理效应或化学、生物反应原理做成敏感元件的基本材料。生物反应原理做成敏感元件的基本材料。按结晶状态可分为单晶、多晶、非晶和微晶等，按结晶状态可分为单晶、多晶、非晶和微晶等，按电子结构和化学键可分为金属、陶瓷和聚合物按电子结构和化学键可分为金属、陶瓷和聚合物等；等；按物理性质可分为超导体、导体、半导体、介电按物理性质可分为超导体、导体、半导体、介电体、压电体、铁磁体、铁弹体、磁弹体等；体、压电体、铁磁体、铁弹体、磁弹体等； 二、二、新型敏感
22、材料新型敏感材料10-11学年第二学期新型传感器 按形态分有掺杂、微粉、薄膜、块状、纤维等；按形态分有掺杂、微粉、薄膜、块状、纤维等；按功能可分为力敏、压敏、光敏、色敏、声敏、按功能可分为力敏、压敏、光敏、色敏、声敏、磁敏、气敏、湿敏等。磁敏、气敏、湿敏等。 半导体半导体敏感材料敏感材料10-11学年第二学期新型传感器 半导体敏感材料可以将多种非电量转换为电半导体敏感材料可以将多种非电量转换为电量，无论是光、声、热、磁、气、湿等都可以量，无论是光、声、热、磁、气、湿等都可以利用相应的半导体材料进行传感。利用相应的半导体材料进行传感。 半导体半导体敏感材料敏感材料10-11学年第二学期新型传感器
23、材料类型材料类型典型材料典型材料可测物理量可测物理量备注备注单晶单晶Si、Ge力、光、磁力、光、磁多晶多晶Si光、压、热光、压、热可制成薄可制成薄膜膜非晶态非晶态a-Si：H热、应变、光热、应变、光制作成薄制作成薄膜膜异质结外异质结外延延Si加速度、压力、酶加速度、压力、酶在蓝宝石在蓝宝石上定向外上定向外延的单晶延的单晶膜膜化合物化合物GaAs、InSd、ZnS、CdS、TeCdHg、PbS力、磁、光、紫外、力、磁、光、紫外、红外、超声红外、超声 光导纤维光导纤维10-11学年第二学期新型传感器 光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早光纤作为远距离传输光波信号的媒质，最早用于光通信技术。用于光
24、通信技术。 光光纤传感器的基本原理是将光源入射的光束感器的基本原理是将光源入射的光束经由光由光纤送入送入调制区，在制区，在调制区内，外界被制区内，外界被测参数与参数与进入入调制区的制区的光相互作用，使光的光学性光相互作用，使光的光学性质如光的如光的强度、波度、波长（颜色）、色）、频率、相位、偏振率、相位、偏振态等等发生生变化成化成为被被调制制过的信号光，的信号光，再再经由光由光纤送入光敏器件、送入光敏器件、调制器而制器而获得被得被测参数。参数。光光纤传纤传感器感器 数值孔径：数值孔径： 表示向光纤入射信号光波难易程度的参数。临界入射角大小由表示向光纤入射信号光波难易程度的参数。临界入射角大小由
25、光纤本身的性质所决定；光纤的数值孔径越大，表明它可以在光纤本身的性质所决定；光纤的数值孔径越大，表明它可以在较大的入射角范围内输入全反射光，并保证此光波沿纤芯传输。较大的入射角范围内输入全反射光，并保证此光波沿纤芯传输。 二、光导纤维及其传光原理二、光导纤维及其传光原理光光纤传纤传感器感器 二、光导纤维及其传光原理二、光导纤维及其传光原理 归一化频率：归一化频率： 能够传输较大能够传输较大v v值的光纤（即能够传输较多的模）叫多模光纤；仅值的光纤（即能够传输较多的模）叫多模光纤；仅能传输能传输v v值小于值小于2.412.41的光纤叫单模光纤。单模和多模光纤是最常用的，通的光纤叫单模光纤。单模
26、和多模光纤是最常用的，通称为普通光导纤维。称为普通光导纤维。 特殊光导纤维，典型的有保偏光导纤维。特殊光导纤维，典型的有保偏光导纤维。 沿纤芯传输的光可以分解为沿轴向和沿径向两部分平面波成分。沿纤芯传输的光可以分解为沿轴向和沿径向两部分平面波成分。沿径向的平面波在纤芯与包层的界面处全反射，每一往复传输的相位变化沿径向的平面波在纤芯与包层的界面处全反射，每一往复传输的相位变化是是 的整数倍时，就可以对径向形成驻波，称为的整数倍时，就可以对径向形成驻波，称为“模模”。光纤内只能。光纤内只能存在特定数目的存在特定数目的“模模”传输光波。传输光波。“模模”的总数用归一化频率的总数用归一化频率 表示，表
27、示，在在 之间。之间。 高分子材料高分子材料10-11学年第二学期新型传感器 有机分子的分子骨骼几乎都是由强化学键构有机分子的分子骨骼几乎都是由强化学键构成，高分子集合体固体的特征是非晶结构，在成，高分子集合体固体的特征是非晶结构，在电气特性上表现为绝缘性。作为敏感材料主要电气特性上表现为绝缘性。作为敏感材料主要可以用在压电、热释电、光电材料等。可以用在压电、热释电、光电材料等。 石英晶体石英晶体10-11学年第二学期新型传感器 俗称水晶，其化学成分为俗称水晶，其化学成分为SiO2,理想形状为理想形状为六角锥体。在电轴和机械轴方向具有压电效应，六角锥体。在电轴和机械轴方向具有压电效应，而在光轴
28、方向具有双折射效应。石英晶体是电而在光轴方向具有双折射效应。石英晶体是电绝缘的离子型晶体电解质材料。绝缘的离子型晶体电解质材料。 三、新加工工艺三、新加工工艺10-11学年第二学期新型传感器 1.薄膜加工薄膜加工 （蒸发、溅射、化学气相沉积（蒸发、溅射、化学气相沉积（CVD）、）、） 三、新加工工艺三、新加工工艺10-11学年第二学期新型传感器 1.薄膜加工薄膜加工 （蒸发、溅射、化学气相淀积（蒸发、溅射、化学气相淀积（CVD）、分子束外延（）、分子束外延（MBE）化学气相淀积（化学气相淀积（CVD）:使用加热、等离子体和使用加热、等离子体和紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应形紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应形成固态物质淀积在衬底上的方法。成固态物质淀积在衬底上的方法。 三、新加工工艺三、新加工工艺10-11学年第二学期新型传感器2.2.光学曝光微加工工艺光学曝光微加工工艺3.3.激光微细加工激光微细加工4.4.光纤制造技术光纤制造技术中原工学院中原工学院型传感器综述
