4第四章信息傳感材料與器件pptConvertor

1、僅供個(gè)人參考2013/5/5 Sunday1第四章信息傳感材料與器件12013/5/5 Sunday21. 傳感器與傳感材料定義：傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。22013/5/5 Sunday332013/5/5 Sunday442013/5/5 Sunday552013/5/5 Sunday662013/5/5 Sunday7信息傳感材料指用于信息傳感器和探測(cè)器的一類對(duì)外界信息敏感的材料，在外界信息如力學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、化學(xué)和生物信息的影響下，這類材料的物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。力敏傳感材料熱敏傳感材料光敏傳感材料磁敏傳感材料氣敏傳感材

2、料濕敏傳感材料光纖傳感材料生物傳感材料72013/5/5 Sunday82. 力敏傳感材料力敏傳感材料指在外力作用下， 電學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯變化的材料， 分為應(yīng)變電阻材料、 壓阻材料和壓電材料。力敏傳感器主要用于測(cè)量力、加速度、扭矩、壓力、流量等物理量。2.1 電阻應(yīng)變材料電阻 -應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體的電阻在導(dǎo)體受力產(chǎn)生變形（伸長(zhǎng)或縮短）時(shí)發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力時(shí)，其長(zhǎng)度增加而橫截面變小，引起電阻增加。反之，當(dāng)它受到軸向壓力時(shí)則導(dǎo)致電阻減小。不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考電阻應(yīng)變式傳感器就是利用金屬電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變效應(yīng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力（應(yīng)變）的傳感的，金屬應(yīng)變片電阻值變化正比于應(yīng)

3、力大小。常用的金屬應(yīng)變片由金屬絲式、箔式、薄膜式等。82013/5/5 Sunday92341電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖bl應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料由敏感柵1、基底2、蓋片 3、引線 4 和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。（1） 敏感柵由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)變片的電阻值為60、 120 、200 等多種規(guī)格，以120最為常用。 應(yīng)變片柵長(zhǎng)大小關(guān)系到所測(cè)應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長(zhǎng)和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。柵長(zhǎng)柵寬92013/5/5 Sunday10對(duì)敏感柵的材料的要求：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為

4、常數(shù)；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片；電阻溫度系數(shù)要小；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于焊接，對(duì)引線材料的熱電勢(shì)小。對(duì)應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況，合理選擇。（2） 基底和蓋片基底用于保持敏感柵、 引線的幾何形狀和相對(duì)位置， 蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵?；椎娜L(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)，其寬度稱為基底寬。不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考102013/5/5 Sunday11（3） 引線是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對(duì)引線材料的性能要求：電阻率低、 電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。

5、大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。（4） 粘結(jié)劑用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。 以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。 有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、 常溫和中溫。 常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。112013/5/5 Sunday12銅鎳合金（康銅） ：靈敏系數(shù)穩(wěn)定性、耐輻射性能好，低溫性能較差。鎳鉻系合金：電阻率和抗氧化能力高、工作溫度較寬。鐵鉻鋁合金：抗氧化、耐高溫性能最好鎳鉻鐵合金：

6、電阻溫度系數(shù)小、電阻率高鉑和鉑合金：抗氧化、耐高溫性能最好前三種最常用。這些合金的靈敏系數(shù)為2 6金屬電阻應(yīng)變片材料柵長(zhǎng)度一般為 0.2 100毫米，直徑0.015 0.05 毫米的金屬絲 ，厚度0.002 0.005 毫米的金屬箔。電阻為 60 1000 歐（最常用的為 120 歐），測(cè)量范圍為幾微應(yīng)變至數(shù)萬微應(yīng)變（ ，1 微應(yīng)變 =10-6 毫米毫米）金屬應(yīng)變片的電阻變化率和引起此電阻變化的構(gòu)件表面在應(yīng)變計(jì)軸線方向的應(yīng)變 之比，稱為電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)K。122013/5/5 Sunday132.2 半導(dǎo)體壓阻材料壓阻效應(yīng) 指當(dāng)半導(dǎo)體受到機(jī)械力作用時(shí)，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率發(fā)生

7、變化的現(xiàn)象。它是 C.S史密斯在 1954 年對(duì)硅和鍺的電阻率與應(yīng)力變化特性測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的。壓阻系數(shù) 被定義為單位應(yīng)力作用下電阻率的相對(duì)變化機(jī)械力作用晶格間距變化禁帶寬度變化載流子相對(duì)能量改變電阻率變化優(yōu)點(diǎn)：靈敏度與精度高；易于小型化和集成化；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，在幾十萬次疲勞試驗(yàn)后，性能保持不變；不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考動(dòng)態(tài)特性好，其響應(yīng)頻率為103 105Hz。用來制成各種壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、速度、加速度傳感器132013/5/5 Sunday14PN 結(jié)壓阻效應(yīng)及其應(yīng)用電路半導(dǎo)體壓阻材料主要采用單晶硅材料。為了調(diào)節(jié)力敏元件的壓阻系數(shù)，電阻值和溫度特性，還要摻雜硼、磷等雜質(zhì)。半導(dǎo)體 PN

8、結(jié)受壓力后也會(huì)呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，從而改變結(jié)間電路。142013/5/5 Sunday152.3 壓電材料壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，在一定方向上受到外力作用而變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷。 當(dāng)外力去掉后， 又重新回到不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。 具有壓電效應(yīng)的電介物質(zhì)稱為壓電材料順壓電效應(yīng)：機(jī)械能電能逆壓電效應(yīng)：電能機(jī)械能壓電材料壓電晶體：石英晶體、酒石酸鉀鈉、電氣石、磷酸銨、硫酸鋰性能穩(wěn)定、不需極化處理、無熱釋電效應(yīng)壓電陶瓷：人工極化處理的鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇壓電常數(shù)大、靈敏度高、工藝成熟、價(jià)格低廉壓電半導(dǎo)體： ZnS、 ZnO、 CdS、 CdTe等壓電高分子材料：聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚

9、氯乙烯152013/5/5 Sunday16石英晶體壓電效應(yīng)示意圖將一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子的排列在垂直于晶體 Z 軸的平面內(nèi)投影，可得到等效于下圖的正六邊形排列。圖中代表Si4+,代表 2O2-162013/5/5 Sunday173. 熱敏傳感材料熱敏傳感材料：對(duì)溫度變化具有靈敏響應(yīng)的材料。接觸式測(cè)溫非接觸式測(cè)溫?zé)崤蛎浭讲坏糜糜谏虡I(yè)用途僅供個(gè)人參考熱電勢(shì)式熱電阻式PN 結(jié)型集成電路型熱釋電式光學(xué)高溫傳感器熱輻射式溫度傳感器通過測(cè)溫元件與被測(cè)物體的接觸而感知物體的溫度通過接收被測(cè)物體發(fā)出的輻射來得知物體的溫度優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟傳感器種類多測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單精度較高優(yōu)點(diǎn)：不受測(cè)溫元件耐

10、熱程度限制測(cè)溫速度快可測(cè)運(yùn)動(dòng)物體溫度172013/5/5 Sunday183.1 雙金屬溫度計(jì)（熱膨脹式）把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計(jì)，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械量變化。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固可靠防爆182013/5/5 Sunday193.2 熱電勢(shì)式溫度計(jì)(熱電偶 )熱電效應(yīng)將兩種不同材料的導(dǎo)體 A 和 B 串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電勢(shì)、熱電偶、熱電極熱端（測(cè)量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）192013/5/5 Sunday20接觸電動(dòng)勢(shì)接觸電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特

11、性和接觸點(diǎn)的溫度。兩接點(diǎn)的接觸電動(dòng)勢(shì)eAB(T)和 eAB（ T0）可表示為不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考含義：由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。k玻耳茲曼常數(shù)，q0電子電荷量，T接觸處的溫度NA， NB分別為導(dǎo)體A 和 B 的自由電子密度。202013/5/5 Sunday21同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。大小表示：溫差電動(dòng)勢(shì)機(jī)理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大， 從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多， 結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電， 低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動(dòng)勢(shì)。212013/5/5 Sunday2

12、2熱電偶回路中產(chǎn)生的總熱電勢(shì)eAB(T, T0)=eAB(T)eB(T,T0) eAB(T0) eA(T,T0)忽略溫差電動(dòng)勢(shì)，熱電偶的熱電勢(shì)可表示為：222013/5/5 Sunday23影響因素取決于材料和接點(diǎn)溫度，與形狀、尺寸等無關(guān)兩熱電極相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度 T0 恒定時(shí)， eAB(T0)=c 為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度 T 成單值函數(shù)關(guān)系，即可見：只要測(cè)出 eAB（ T,T0）的大小，就能得到被測(cè)溫度 T，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。討論232013/5/5 Sunday24熱電偶測(cè)溫基本定律1)均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均

13、質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路， 不論導(dǎo)體的橫截面積、 長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。2)中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體， 只要其兩端的溫度相等， 該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。242013/5/5 Sunday25不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考3)參考電極定律兩種導(dǎo)體 A,B 分別與參考電極C 組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，A 和B 兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得：由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。252013/5/5 Sunday26例子熱端為 100，冷端為 0時(shí)， 鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV，而考銅與

14、純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為 4.0mV，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)應(yīng)為：2.95( 4.0)=6.95(mV)262013/5/5 Sunday27272013/5/5 Sunday283.3 熱電阻式溫度傳感器熱電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。熱電阻（金屬測(cè)溫電阻）、半導(dǎo)體熱敏電阻。熱電阻廣泛用來測(cè)量 200850范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)量至 1K，高溫達(dá) 1000。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。對(duì)用于制造熱電阻材料的要求：具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率R-t 關(guān)系最好成線性物理化學(xué)性能

15、穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)性好等。目前最常用的熱電阻金屬是鉑、銅和鎳。282013/5/5 Sunday29項(xiàng)目PtNi使用溫度 /-200600-100300電阻絲直徑 /mm0.030.070.05電阻率20.09810.1060.1180.138?/( mm /m）不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考0100 電阻溫度系數(shù)3.923.986.216.34-3/( ×10 / )主要金屬測(cè)溫電阻器的性能292013/5/5 Sunday30半導(dǎo)體熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件。半導(dǎo)體熱敏電阻302013/5/5 Sunday31熱敏電阻的電阻溫度特性大多數(shù)：負(fù)溫度系數(shù)

16、。熱敏電阻在不同值時(shí)的電阻溫度特性，溫度越高，阻值越小，且有明顯的非線性。 NTC（負(fù)電阻溫度系數(shù)）熱敏電阻具有很高的負(fù)電阻溫度系數(shù)，特別適用于：100 300之間測(cè)溫。PTC（正電阻溫度系數(shù)）熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區(qū)域，當(dāng)溫度超過某一數(shù)值時(shí)，其電阻值朝正的方向快速變化。CTR（臨界溫度熱敏電阻）也具有負(fù)溫度系數(shù)，但在某個(gè)溫度范圍內(nèi)電阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡，靈敏度極高。主要用作溫度開關(guān)。線性熱敏電阻312013/5/5 Sunday32322013/5/5 Sunday33半導(dǎo)體熱敏電阻材料PTC材料BaTiO3 基熱敏材料：用于家用電器的溫度傳感器、限流

17、器等。V2O3 基熱敏材料：常溫電阻率極小，用于大電流領(lǐng)域的過流保護(hù)，金屬 -絕緣體相變。NTC材料低溫： AB2O4 尖晶石型氧化物半導(dǎo)體陶瓷常溫：AB2O4 尖晶石型的含錳氧化物不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考高溫： AO2 螢石型、 AB2O4 尖晶石型、 ABO3 鈣鈦礦型和剛玉型。CTR 材料：指在一定溫度發(fā)生半導(dǎo)體 -金屬間相變從而呈現(xiàn)負(fù)電阻突變特性的一類材料。以 VO2 為基的半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于火災(zāi)報(bào)警和溫度的報(bào)警、控制和測(cè)量場(chǎng)合。線性熱敏電阻材料：指 CdO-Sb2O3-WO3系列呈線性電阻溫度特性的陶瓷。332013/5/5 Sunday343.4 熱釋電式傳感器熱釋電效應(yīng)

18、當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，從而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和， 其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來。 當(dāng)溫度變化時(shí)， 晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位， 自發(fā)極化發(fā)生變化。具有熱釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料：?jiǎn)尉В?LiTaO3、 LiNbO3、鈮酸鍶鋇（SBN）壓電陶瓷： PZT（鋯鈦酸鉛）、 PLZT（鋯鈦酸鉛鑭）高分子薄膜：聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯342013/5/5 Sunday35熱釋電材料居里溫度介電常數(shù)熱釋/ -8×10TGS 晶體4935LaTaO 3 單

19、晶61843541.PZT 陶瓷20027038018001.LiNbO 3 陶瓷1200300.PbTiO 3470200不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考SBN 單晶115380PVDF 有機(jī)高分子1201.10常用熱釋電材料性能TGS（硫酸三甘肽） ：居里溫度低，可溶于水；PbTiO3 和 LiTaO3：具有較高實(shí)用價(jià)值。PZT：鋯鈦酸鉛SBN：鈮酸鍶鋇PVDF：聚偏二氟乙烯352013/5/5 Sunday36光敏傳感器通常是指對(duì)紫外光到紅外光敏感，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。向外發(fā)射的電子

20、稱為光電子。如光電管、光電倍增管等4. 光敏傳感材料內(nèi)光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子 -空穴對(duì) ,使其導(dǎo)電性能增強(qiáng) ,光線愈強(qiáng)， 阻值愈低， 這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象 ,稱為內(nèi)光電效應(yīng)。如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。362013/5/5 Sunday37內(nèi)光電效應(yīng)又分光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)在入射光的作用下， 電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)， 從而引起材料電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是利用半導(dǎo)體 PN 結(jié)在光的照射下產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。當(dāng)大于禁帶寬度的光子照射到 PN 結(jié)后，電子會(huì)被激發(fā)并在內(nèi)建電場(chǎng)作用下形成光電動(dòng)勢(shì)。本征光電導(dǎo)：由帶間吸收形成

21、的載流子產(chǎn)生的電導(dǎo)非本征光電導(dǎo)：由束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的電子和空穴被激發(fā)后形成自由載流子而產(chǎn)生的電導(dǎo)372013/5/5 Sunday38半導(dǎo)體光電探測(cè)器材料根據(jù)半導(dǎo)體知識(shí), 價(jià)帶中的電子吸收光子能量后, 越過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶, 才會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電作用。這就決定了半導(dǎo)體紅外探測(cè)儀響應(yīng)輻射的臨界波長(zhǎng) c : c = 1.24/ Eg ( m)其中Eg 為禁帶寬度(電子伏特 ) 。半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定了它所制成的探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍。因此大多數(shù)的半不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考導(dǎo)體紅外探測(cè)儀對(duì)光的吸收是有選擇性的;常工作于低溫, 因此需要制冷。響應(yīng)時(shí)間比其他探測(cè)儀要快的多。382013/5/5 Sunday3

22、9半導(dǎo)體光電探測(cè)器材料按使用波長(zhǎng)分為寬禁帶紫外光電探測(cè)器材料SiC：禁帶寬度高、電子飽和漂移速度高、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、較高的熱導(dǎo)率和化學(xué)穩(wěn)定性。但禁帶寬度不可調(diào)。金剛石：禁帶寬度 5.5eV，截止波長(zhǎng) 225nm ，理想的中紫外和遠(yuǎn)紫外光電探測(cè)器材料。但制備難度大、不易摻雜。GaN：禁帶寬度3.4eV，截止波長(zhǎng)365nm ?？赏ㄟ^外延生長(zhǎng)形成AlGaN 和 InGaN 三元合金，調(diào)節(jié)禁帶寬度和截止波長(zhǎng)，適于中紫外波段（200300nm ）此外，還有AlN、 InN 及其合金， ZnO、 ZnS、 ZnSe、 CdSe、 MnO 等392013/5/5 Sunday40短波紅外光電探測(cè)器材料用于光通信（

23、 1.3 1.65m）： Ge、 InGaAs、 InAs 等。用于環(huán)保測(cè)量和醫(yī)療（2 3 m） ：InAsPSb、 InGaAsSb、 AlGaAsSb。中波紅外（ 3 5 m）InSb（銻化銦）、 PtSi、 HgCdTe（碲鎘汞）長(zhǎng)波紅外（ 8 14 m）材料HgCdTe（碲鎘汞）、 VO2、 IrSi（硅化銥）化合物本征型光電導(dǎo)探測(cè)器,它是由 HgTe 和 CdTe兩種材料混在一起的固溶體,其禁帶寬度隨組分 x 呈線性變化。當(dāng) x=0.2 時(shí)響應(yīng)波長(zhǎng)為8 14 m,工作溫度77k ，用液氮致冷。402013/5/5 Sunday41光電管當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)便發(fā)射光電子，電子

24、被正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。光電探測(cè)器件發(fā)光材料：CsSb （銫銻）As OCs不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考AgBiO Cs412013/5/5 Sunday42真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管 :構(gòu)造和真空光電管基本相同，所不同的僅僅是在玻璃管內(nèi)充以少量的惰性氣體。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高缺點(diǎn)：光電流與入射光強(qiáng)度不成比例、穩(wěn)定性差、惰性大、受溫度影響大，容易老化422013/5/5 Sunday43在入射光極為微弱時(shí)，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+ 若干倍增極+ 陽極12 14 級(jí)光電倍增管432013/5/

25、5 Sunday44光電倍增管的工作原理光電陰極光電倍增極陽極倍增極上涂有 Cs-Sb或 Ag-Mg 等次級(jí)發(fā)射材料，并且電位逐級(jí)升高陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射二次電子發(fā)射系數(shù) =二次發(fā)射電子數(shù)入射電子數(shù)若倍增極有n，則倍增率為n442013/5/5 Sunday45光敏電阻（光導(dǎo)管）當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻值 (暗電阻 )很大，電路中電流很小當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值 (亮電阻 )急劇減少，電流迅速增加常用的光電材料包括 Ge、 Si、CdS、 CdSe和 PbS等。其中：CdS和 CdSe可任意比例燒結(jié)，峰值波長(zhǎng)在 520 720nm 連續(xù)變化 PbS 光譜響應(yīng)范圍在 1

26、 3 m，適于近紅外波段。452013/5/5 Sunday46光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測(cè)量元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。462013/5/5 Sunday不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考47光電池直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件光電池包括硅光電池、硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池等。當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時(shí)，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定影響性能和壽命因素：光電池的材料及制造工藝使用環(huán)境條件472013/5/5 Sunday48硅光電池

27、結(jié)構(gòu)示意圖硒光電池結(jié)構(gòu)示意圖P 區(qū)帶正電， N 區(qū)帶負(fù)電光譜范圍： 450 1100nm硒材料帶正電，鎘材料帶負(fù)電光譜范圍： 340 750nm是一個(gè)大面積的 pn 結(jié)。當(dāng)光照射到 pn 結(jié)上時(shí)，便在 pn 結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) (p 區(qū)為正， n 區(qū)為負(fù))。482013/5/5 Sunday49結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中，PN 結(jié)裝在管頂。在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的。光敏材料為Si 和 CdS等。光敏二極管光敏二極管492013/5/5 Sunday50與一般三極管很相似，具有兩個(gè)pn 結(jié)?；鶚O不接引線。把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)，又將信號(hào)電流加以放大。光敏材料為Si。光敏三

28、極管光敏三極管及其工作電路+502013/5/5 Sunday51PIN 結(jié)光電二極管PIN 結(jié)光電二極管就是在 P 區(qū)和 N 區(qū)之間加上一層很厚的高電阻率的本征層（ I 層）的光電二極管，同時(shí) P 層做的很薄。本征層的電阻很高，反偏電場(chǎng)主要集中在這一區(qū)域。高電阻使暗電流明顯減少，在這不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考里產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)將立即被電場(chǎng)分離。512013/5/5 Sunday52PIN 的工作原理示意圖I 層為高阻層，工作狀態(tài)下承受絕大部分的外加電壓，使耗盡層增厚，從而展寬光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)，提高器件靈敏度；I 層的存在提高了器件的擊穿電壓，可選用低電阻率的基體材料，減小了器件的

29、串聯(lián)電阻和時(shí)間常數(shù)，減小了漂移時(shí)間，提高了器件的響應(yīng)速度。522013/5/5 Sunday53PIN 光電檢測(cè)器的一般性能響應(yīng)度是光生電流和入射光功率的比值532013/5/5 Sunday54雪崩光電二極管avalanche photo diode ， APDAPD 在 PN 結(jié)的 P 型區(qū)外側(cè)增加一層摻雜濃度極高的P+層。當(dāng)在其上施加高反偏壓時(shí)，以 P 層為中心的兩側(cè)產(chǎn)生極強(qiáng)的內(nèi)部加速場(chǎng)（可達(dá) 105V/cm ）。在高電場(chǎng)作用下，光照產(chǎn)生的電子會(huì)高速通過P 層，并在 P 區(qū)產(chǎn)生碰撞電離，形成大量新生電子空穴對(duì)。這些新生的電子空穴對(duì)在高電場(chǎng)的作用下加速，再次激發(fā)新生電子空穴對(duì)。 當(dāng)所加反向

30、偏壓足夠大時(shí)， 不斷產(chǎn)生二次電子發(fā)射， 形成“雪崩” 樣的載流子，構(gòu)成強(qiáng)大的電流。因此， APD 的響應(yīng)時(shí)間極短、靈敏度很高。542013/5/5 Sunday55APD 光電檢測(cè)器的一般性能倍增因子g 定義為APD 輸出光電流Io 和一次光生電流IP 的比值552013/5/5 Sunday56固體攝像器件固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息（可見光、 紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)視頻信號(hào)。其視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即 CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即

31、CMOS）電荷注入器件（Charge Injenction Device ， 即 CID）目前，前兩種用得較多，我們這里只分析CCD一種。562013/5/5 Sunday不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考57電荷耦合攝像器件電荷耦合器件（CCD）特點(diǎn)以電荷作為信號(hào)。CCD的基本功能電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移。CCD工作過程信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)的過程。CCD的基本結(jié)構(gòu)包括： 信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)、 轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、 轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、 信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)結(jié)構(gòu)。構(gòu)成 CCD的基本單元是 MOS 電容。CCD的 MOS 結(jié)構(gòu)572013/5/5 Sunday58一系列彼此非常接近的MOS 電容用同一半導(dǎo)體襯底

32、制成，襯底可以是P 型或 N 型材料， 上面生長(zhǎng)均勻、 連續(xù)的氧化層， 在氧化層表面排列互相絕緣而且距離極小的金屬化電極（柵極）。582013/5/5 Sunday59（1）、電荷產(chǎn)生當(dāng)光線照射到CCD 表面的MOS 結(jié)構(gòu)單元時(shí)，光子穿過透明電極和氧化層，進(jìn)入P型硅襯底，在襯底中形成電子空穴對(duì)。在外場(chǎng)作用下，電子和空穴分別向電極兩端移動(dòng)，多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子被收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷。592013/5/5 Sunday60（2）、電荷存儲(chǔ)以襯底為P 型硅構(gòu)成的MOS 電容為例。當(dāng)在金屬電極加上一個(gè)正階梯電壓時(shí)，在 Si-SiO2界面處的電勢(shì)發(fā)生變化，附近的P 型硅中的多數(shù)載流子

33、-空穴被排斥，形成耗盡層。如果柵極電壓超過MOS 晶體管的開啟電壓，則在Si-SiO2界面處形成深度阱狀態(tài)，電子在那里勢(shì)能較低-形成了一個(gè)勢(shì)阱。如有信號(hào)電子， 將聚集在表面，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)。此時(shí)耗盡層變薄。勢(shì)阱的深淺決定存儲(chǔ)電荷能力的大小。602013/5/5 Sunday61（3）、電荷轉(zhuǎn)移CCD 的轉(zhuǎn)移電極相數(shù)有二相、三相、四相等。對(duì)于單層金屬化電極結(jié)構(gòu)，為了保證電荷的定向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。這里以三相表面溝道CCD為例。表面溝道器件， 即 SCCD（ SurfaceChannel CCD）轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件。612013/5/5 Sunday62CCD信號(hào)電荷的傳輸62不得用于商

34、業(yè)用途僅供個(gè)人參考2013/5/5 Sunday63（4）、電荷檢測(cè)（輸出）CCD輸出結(jié)構(gòu)是將CCD傳輸和處理的信號(hào)電荷變換為電流或電壓輸出。CCD最后一個(gè)柵極中的電荷包通過柵形成的“溝道”進(jìn)入到輸出二極管（反偏壓），此二極管將信號(hào)電荷收集并送入前置放大器，從而完成電荷包上的信號(hào)檢測(cè)。根據(jù)輸出先后可以判別出電荷勢(shì)從哪個(gè)光敏單元來的，并根據(jù)輸出電荷量可知光敏單元受光的強(qiáng)弱。632013/5/5 Sunday64指對(duì)磁場(chǎng)敏感并具有電磁效應(yīng)的一類傳感材料，包括半導(dǎo)體磁敏電阻、霍爾傳感器、 強(qiáng)磁性薄膜磁敏電阻和磁敏晶體管等。5. 磁敏傳感材料金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中， 當(dāng)有電流流過時(shí)， 在垂直于電流

35、和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?？捎糜谖灰?、壓力、角度等傳感。霍爾傳感器642013/5/5 Sunday65將霍爾元件置于磁場(chǎng)中，左半部磁場(chǎng)方向向上，右半部磁場(chǎng)方向向下，從a 端通人電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)VH1，右半部產(chǎn)生露爾電勢(shì)VH2，其方向相反。因此，c、d 兩端電勢(shì)為 VH1 VH2。如果霍爾元件在初始位置時(shí) VH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。652013/5/5 Sunday66磁敏二極管磁敏晶體管是 PN 結(jié)型磁電轉(zhuǎn)換元件，具有輸出信號(hào)大、靈敏度高、工作電流小、體積小等特點(diǎn)

36、。磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖高純本征半導(dǎo)體Ge 兩端形成P 型區(qū)和 N 型區(qū)，中間本征區(qū)的一個(gè)側(cè)面磨成光滑的復(fù)合表面（為 I 區(qū)），另一側(cè)面打毛，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（為r 區(qū)），電子空穴對(duì)易于在粗糙表面復(fù)合而消失。662013/5/5 Sunday67磁敏二極管工作原理示意圖PIN 結(jié)外加正偏壓：不加外磁場(chǎng)，空穴從 P 區(qū)到 N 區(qū)，電子從 N 區(qū)到 P 區(qū)形成電流加正向磁場(chǎng)，電子和空穴向 r 區(qū)偏轉(zhuǎn)，并在 r 區(qū)復(fù)合，電流減??；加反向磁場(chǎng)，電子和空穴向I 區(qū)偏轉(zhuǎn)，復(fù)合減小，電流變大。67不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考2013/5/5 Sunday68磁敏三極管結(jié)構(gòu)示意圖磁敏三極管在弱 P 型或弱 N 型

37、本征半導(dǎo)體上形成發(fā)射極、基極和集電極。其最大特點(diǎn)是基區(qū)較長(zhǎng)，也有高復(fù)合速率的 r 區(qū)和本征 I 區(qū)。682013/5/5 Sunday69磁敏三極管工作原理示意圖基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度不加外磁場(chǎng)，大部分載流子通過e 極 I 區(qū) b 極形成基極電流，少數(shù)載流子輸入到c 極?；鶚O電流大于集電極電流；加正向磁場(chǎng)，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結(jié)的一側(cè)，導(dǎo)致集電極電流明顯下降；加反向磁場(chǎng)，洛侖茲力使載流子偏向集電結(jié)的一側(cè)，導(dǎo)致集電極電流明顯增大。用于測(cè)量弱磁場(chǎng)、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。692013/5/5 Sunday70氣體與人類日常生活密切相關(guān)， 對(duì)氣體的檢測(cè)已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住環(huán)境不可缺

38、少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達(dá)0.8 1.15 ml/L 時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟?。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測(cè)。煙霧報(bào)警器酒精傳感器二氧化碳傳感器6. 氣敏傳感材料702013/5/5 Sunday71指對(duì)氣體敏感，材料電阻值會(huì)隨外界氣體種類和含量而發(fā)生變化的一類敏感材料。項(xiàng)主要物理類型氣敏材料目特性電表面控SnO 、ZnO 等的燒結(jié)體、2阻制型薄膜、厚膜工作溫度/室溫 45不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考式電阻體控制型LaSr CoO 、 -FeO 、300 450 以1-xx323TiO 燒結(jié)體、 MgO 、SnO700 以上22非二極

39、管整表面控Pt-CdS、 Pt-TiO 2（金屬半電流特性制型導(dǎo)體結(jié)型二極管）阻晶體管特表面控Pb-MOSFET式性制型半導(dǎo)體氣敏材料分類：712013/5/5 Sunday72半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。 當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去其運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力(氣體的吸附和滲透特性)時(shí)，吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。例如氧氣等具有負(fù)離子

40、吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、 CO、碳?xì)浠衔锖痛碱悾鼈儽环Q為還原型氣體或電子供給性氣體。722013/5/5 Sunday73當(dāng)氧化型氣體吸附到N 型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P 型半導(dǎo)體上時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N 型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P 型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對(duì)固定。 若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)

41、這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。半導(dǎo)體氣敏時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間 )一般不超過1min 。N 型材料有SnO2、 ZnO、TiO2 等P 型材料有MoO2 、 CrO3 等。73室溫 20150不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考2013/5/5 Sunday74N 型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖742013/5/5 Sunday757. 濕敏傳感材料濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表示方法。絕對(duì)濕度是指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3 ，一般用符號(hào) AH 表示。相對(duì)濕度是指氣體的絕對(duì)濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕

42、對(duì)濕度之比，一般用符號(hào) %RH表示。相對(duì)濕度給出大氣的潮濕程度，它是一個(gè)無量綱的量，在實(shí)際使用中多使用相對(duì)濕度這一概念。濕敏傳感材料指電阻值隨環(huán)境濕度的增加而顯著增大或減小的一類材料，包括半導(dǎo)體陶瓷濕敏材料、高分子濕敏材料等。752013/5/5 Sunday76濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化， 并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化， 將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號(hào)的器件。濕度檢測(cè)較之其它物理量的檢測(cè)顯得困難。首先是因?yàn)榭諝庵兴魵夂恳瓤諝馍俚枚?；其次，液態(tài)水會(huì)使一些高分子材料和電解質(zhì)材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質(zhì)結(jié)合成酸或堿， 使?jié)衩舨牧喜煌潭鹊厥艿礁g和老化， 從而喪失其

43、原有的性質(zhì)；再次，濕信息的傳遞必須靠水對(duì)濕敏器件直接接觸來完成， 因此濕敏器件只能直接暴露于待測(cè)環(huán)境中，不能密封。通常，對(duì)濕敏器件有下列要求： 在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好， 響應(yīng)時(shí)間短， 壽命長(zhǎng)，有互換性，耐污染和受溫度影響小等。微型化、集成化及廉價(jià)是濕敏器件的發(fā)展方向。762013/5/5 Sunday77通常，用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷。 這些材料有 ZnO-LiO2-V2O5 系、 Si-Na2O-V2O5 系、 TiO2-MgO-Cr2O3 系、 Fe3O4 等，前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增加而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。幾種半導(dǎo)體陶瓷濕敏負(fù)特性772013/5/5 Sunday78半導(dǎo)體濕敏陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng)， 當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時(shí)， 就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子， 使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。 如果該半導(dǎo)瓷是型半導(dǎo)體， 則由于水分子吸附使表面電勢(shì)下降，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面。于是，其表面層的電阻下降。若該半導(dǎo)不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考瓷為型， 則由于水分子的附著使表面