第二講傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng)

第二講傳感器的基礎(chǔ)效應(yīng)第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一檢測(cè)對(duì)象類型效應(yīng)輸出信號(hào)器件舉例主要材料光量子型光電導(dǎo)效應(yīng)電阻光敏電阻可見光：CdS；CdSe紅外:PbS;InSb光生伏特效應(yīng)電流、電壓光敏二極管、三極管、光電池Si,Ge,InSb肖特基光敏二極管Pt-Si光電子發(fā)射效應(yīng)電流光電管、光電倍增管Ag-O-Cs,Cs-Sb約瑟夫遜效應(yīng)電壓紅外傳感器超導(dǎo)體熱型熱釋電效應(yīng)電荷紅外傳感器、紅外攝像管BaTiO3第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一檢測(cè)對(duì)象類型效應(yīng)輸出信號(hào)器件舉例主要材料機(jī)械量電阻式電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻金屬應(yīng)變片康銅、卡瑪合金壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體應(yīng)變片Si、Ge壓電式壓電效應(yīng)電壓壓電元件石英、壓電陶瓷正、逆壓電效應(yīng)頻率聲表面波傳感器石英、ZnO+Si壓磁式壓磁效應(yīng)感抗壓磁元件及其傳感器硅鋼片、坡莫合金磁電式霍爾效應(yīng)電壓霍爾元件及其傳感器GaAs、Si、InAs光電式光電效應(yīng)各種光電器件及其傳感器參見前表光彈性效應(yīng)折射率壓力、振動(dòng)傳感器第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一檢測(cè)對(duì)象類型效應(yīng)輸出信號(hào)器件舉例主要材料溫度熱電式塞貝克效應(yīng)電壓熱電偶約瑟夫遜效應(yīng)噪聲電壓絕對(duì)溫度計(jì)超導(dǎo)體熱釋電效應(yīng)電荷駐極體溫敏元件PbTiO3，PVF2壓電式正、逆壓電效應(yīng)頻率聲表面波溫度傳感器石英熱型熱磁效應(yīng)電場(chǎng)Nernst紅外探測(cè)器熱敏鐵氧體第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一檢測(cè)對(duì)象類型效應(yīng)輸出信號(hào)器件舉例主要材料磁磁電式霍爾效應(yīng)電壓霍爾元件，霍爾IC,MOS霍爾IC磁阻效應(yīng)電阻磁阻元件電流磁敏晶體管約瑟夫遜效應(yīng)噪聲電壓超導(dǎo)量子干涉器件Pb，Sn光電式磁光法拉第效應(yīng)偏振光面偏轉(zhuǎn)光纖傳感器磁光克爾效應(yīng)第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間不超過10-9s。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。根據(jù)能量守恒定理:式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。一、光電效應(yīng)1.外光電效應(yīng)第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長(zhǎng)限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。紅限頻率為：對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)限為：式中：c為真空中的光速，c

≈

3×108m/s。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.內(nèi)光電效應(yīng)

當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：

（1）光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg

式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一

材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長(zhǎng)限λ0，只有波長(zhǎng)小于λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級(jí)間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。

（2）光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。基于該效應(yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、三極管。光生伏特效應(yīng)有兩種：結(jié)光電效應(yīng)(也稱為勢(shì)壘效應(yīng))和橫向光電效應(yīng)(也稱為側(cè)向光電效應(yīng))。第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一

結(jié)光電效應(yīng)如圖，由半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)，在P區(qū)的一側(cè)，價(jià)帶中有較多的空穴，而在N區(qū)的一側(cè)，導(dǎo)帶中有較多的電子。由于擴(kuò)散的結(jié)果，使P區(qū)帶負(fù)電、N區(qū)帶正電，它們積累在結(jié)附近，形成PN結(jié)的自建場(chǎng)，自建場(chǎng)阻止電子和空穴的繼續(xù)擴(kuò)散，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，在結(jié)區(qū)形成阻止電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散的勢(shì)壘。在入射光照射下，當(dāng)光子能量hv大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg時(shí)，就會(huì)在材料中激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)，破壞結(jié)的平衡狀態(tài)。在結(jié)區(qū)的光生電子和空穴以及新擴(kuò)散進(jìn)結(jié)區(qū)的電子和空穴，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，電子向N區(qū)移動(dòng)，空穴向P區(qū)移動(dòng)，從而形成光生電流。這些可移動(dòng)的電子和空穴，稱為材料中的少數(shù)載流子。在探測(cè)器處于開路的情況下，少數(shù)載流子積累在PN結(jié)附近，降低勢(shì)壘高度，產(chǎn)生一個(gè)與平衡結(jié)內(nèi)自建場(chǎng)相反的光生電場(chǎng)，也就是光生電動(dòng)勢(shì)。第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一

橫向光電效應(yīng)

當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱為橫向光電效應(yīng)，也稱為側(cè)向光電效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有半導(dǎo)體光電位置敏感器件(PSD)。光磁電效應(yīng)第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一二、電光效應(yīng)

物質(zhì)的光學(xué)特性（如折射率）受外電場(chǎng)的影響而發(fā)生變化的現(xiàn)象統(tǒng)稱為電光效應(yīng)。泡克耳斯（Pockels）效應(yīng)克爾效應(yīng)光彈效應(yīng)電致發(fā)光效應(yīng)電致變色效應(yīng)

第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一1.泡克耳斯效應(yīng)1893年德國(guó)物理學(xué)家泡克耳斯首先發(fā)現(xiàn)，一些晶體在縱向電場(chǎng)（電場(chǎng)方向與光的傳播方向一致）作用下會(huì)改變其各向異性性質(zhì)，產(chǎn)生附加的雙折射現(xiàn)象，稱為電致雙折射。泡克耳斯從實(shí)驗(yàn)證實(shí)壓電晶體的兩個(gè)主折射率之差為：線性電光效應(yīng)第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一泡克耳斯效應(yīng)偏振片1電致雙折射電致雙折射泡克耳斯效應(yīng)透明電極透明電極壓電晶體KDP偏振片2Vt+Vt()

KDP（磷酸二氫鉀）是一種無對(duì)稱中心的晶體，沿某一特定方向施加電場(chǎng)后，在晶體內(nèi)能對(duì)某種方向的入射光產(chǎn)生雙折射

KDP的雙折射與外加場(chǎng)強(qiáng)成正比。系統(tǒng)的輸出光強(qiáng)，可由加在晶體電極線路上的信號(hào)電壓調(diào)制，其響應(yīng)極為迅速，信號(hào)頻率可高達(dá)310Hz。除可作高速光閥門外，還可作高速電光調(diào)制器。10第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.克爾效應(yīng)1875年英國(guó)物理學(xué)家克爾發(fā)現(xiàn)，光照射具有各向同性的透明物質(zhì)，在與入射光垂直的方向上加以高電壓將發(fā)生雙折射現(xiàn)象。因兩個(gè)主折射率之差正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方，故這種效應(yīng)又稱作平方電光效應(yīng)。第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一克爾效應(yīng)電致雙折射電致雙折射克爾效應(yīng)偏振片1偏振片2在裝有平行板電容器的透明盒內(nèi)，充以某種特定的液體（如硝基苯）

接入極間電壓，使兩極板間產(chǎn)生電場(chǎng)，液體變成各向異性媒質(zhì)，并產(chǎn)生雙折射，系統(tǒng)末端有光輸出，其響應(yīng)極快，信號(hào)頻率可高達(dá)10Hz,能用作高速“光閥門”。10Vt+Vt()第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一3.光彈效應(yīng)

某些非晶體物質(zhì)（如塑料、玻璃）在機(jī)械力的作用下，彈性體的折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射性質(zhì)的效應(yīng)。這稱作應(yīng)力致雙折射或光彈效應(yīng)。光彈效應(yīng)的雙折射是暫時(shí)的，應(yīng)力解除后即消失。光彈性效應(yīng)可用于研究機(jī)械零件、建筑構(gòu)件等物體內(nèi)部應(yīng)力的情況。利用光彈效應(yīng)可制成壓力、振動(dòng)、聲響傳感器。第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一光彈性效應(yīng)偏振片2有機(jī)玻璃模型偏振片1施壓應(yīng)力雙折射顯示的偏振光干涉條紋施壓方向形成光軸雙折射與應(yīng)力成正比用于應(yīng)力分析研究FFFF光彈性效應(yīng)光彈性效應(yīng)機(jī)械應(yīng)力作用產(chǎn)生的各向異性應(yīng)力雙折射應(yīng)力雙折射第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一4.電致發(fā)光效應(yīng)電致發(fā)光效應(yīng)：某些固態(tài)晶體如高純度鍺、硅和砷化鎵等化合物半導(dǎo)體在光和外加電場(chǎng)作用下發(fā)出冷光（指熒光和磷光）的現(xiàn)象，以及某些固態(tài)晶體如磷化鎵、磷化銦等無需外加激發(fā)光而在外加電場(chǎng)作用下即可發(fā)光的現(xiàn)象。電致發(fā)光是將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的過程。基于電致發(fā)光效應(yīng)的器件有發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等。第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一5.電致變色效應(yīng)

這種在電流或電場(chǎng)的作用下,材料發(fā)生可逆變色的現(xiàn)象，稱為電致變色效應(yīng)。基于致變色效應(yīng)的主要器件有信息顯示器件、電致變色靈巧窗、無眩反光鏡、電色儲(chǔ)存器件等。第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一三、磁光效應(yīng)

置于外磁場(chǎng)的物體，在光和外磁場(chǎng)的作用下，其光學(xué)特性（如吸光特性、折射率等）發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。法拉第效應(yīng)磁光克爾效應(yīng)科頓-穆頓效應(yīng)塞曼效應(yīng)光磁效應(yīng)第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一1.法拉第效應(yīng)當(dāng)線偏振光在介質(zhì)中傳播時(shí)，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場(chǎng)，則光振動(dòng)方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度與外磁場(chǎng)強(qiáng)度和光穿越介質(zhì)的長(zhǎng)度的乘積成正比，即：式中：V—磁光效應(yīng)常數(shù)或費(fèi)爾德常數(shù)，與介質(zhì)性質(zhì)及光波頻率有關(guān)，可正可負(fù)；He—外磁場(chǎng)強(qiáng)度。第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一利用法拉第效應(yīng)的弛豫時(shí)間不大于10-10秒量級(jí)的特點(diǎn)，可制成磁光效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)。磁光效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)可測(cè)量脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)、交變強(qiáng)磁場(chǎng)；利用它對(duì)溫度不敏感的特點(diǎn)，磁光效應(yīng)磁強(qiáng)計(jì)可適用于較寬的溫度范圍，如等離子體中強(qiáng)磁場(chǎng)、低溫超導(dǎo)磁場(chǎng)等。磁光調(diào)制器第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.磁光克爾效應(yīng)平面偏振光垂直入射于拋光的強(qiáng)電磁鐵的磁極表面，所產(chǎn)生的反射光是一束橢圓偏振光，且偏振面的偏轉(zhuǎn)角度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度而變化，這種現(xiàn)象叫磁光克爾效應(yīng)?？藸柎殴庑?yīng)的最重要應(yīng)用是觀察鐵磁體的磁疇。

第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一磁疇是指磁性材料內(nèi)部的一個(gè)個(gè)小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個(gè)個(gè)小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同。不同的磁疇有不同的自發(fā)磁化方向，引起反射光振動(dòng)面的不同旋轉(zhuǎn)，通過偏振片觀察反射光時(shí)，將觀察到與各磁疇對(duì)應(yīng)的明暗不同的區(qū)域。用此方法還可對(duì)磁疇變化作動(dòng)態(tài)觀察。第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一3.科頓-穆頓效應(yīng)

科頓和穆頓于1907年發(fā)現(xiàn)光從處在橫向磁場(chǎng)內(nèi)的液體中通過時(shí)，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，稱為科頓-穆頓效應(yīng)，或磁致雙折射效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，處在外磁場(chǎng)內(nèi)的媒質(zhì)的二主折射率之差正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度H的平方：式中，C’為科頓-穆頓常數(shù)，它與光波波長(zhǎng)λ和溫度有關(guān)，與磁場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)。第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一4.塞曼效應(yīng)原子在磁場(chǎng)中能級(jí)和光譜發(fā)生分裂的現(xiàn)象。塞曼效應(yīng)是研究原子結(jié)構(gòu)的重要途徑之一。在天體物理中，塞曼效應(yīng)被用來測(cè)量天體磁場(chǎng)及星際磁場(chǎng)。因變化量極小，難用于傳感器，但可用于激光穩(wěn)頻，制成雙頻激光器。第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一四、磁電效應(yīng)將材質(zhì)均勻的金屬或半導(dǎo)體通電并置于磁場(chǎng)中產(chǎn)生的各種物理變化，稱為磁電效應(yīng)。它包括電流磁效應(yīng)和狹義的磁電效應(yīng)。電流磁效應(yīng)是指磁場(chǎng)對(duì)通電的物體引起的電效應(yīng)，如霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)；狹義的磁電效應(yīng)是指物體由電場(chǎng)作用產(chǎn)生的磁化效應(yīng)或由磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的電極化效應(yīng)，前者稱作電致磁電效應(yīng)，后者稱作磁致磁電效應(yīng)。第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一1.霍爾效應(yīng)

置于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形成電場(chǎng)E，當(dāng)載流子受到的電場(chǎng)力與洛倫茲力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，累積電荷形成穩(wěn)定的電勢(shì)UH

。第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一由得知，d越小，越大，則感生電動(dòng)勢(shì)越大，故一般霍爾元件是由霍爾系數(shù)很大的N型半導(dǎo)體材料制作的薄片，厚度微米級(jí)。a、a’——激勵(lì)電極、控制電極，b、b’——霍爾電極第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。

霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料（高的電阻率和載流子的遷移率）。目前最常用的霍爾元件材料有N型鍺(Ge)、N型硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。封裝——非磁性金屬、陶瓷、環(huán)氧樹脂。第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)一載流半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻值會(huì)隨磁場(chǎng)而變化的這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。在磁場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體片內(nèi)電流分布是不均勻的，改變磁場(chǎng)的強(qiáng)弱就影響電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻變化。式中：ρ0——零磁場(chǎng)時(shí)的電阻率；

Δρ——磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)電阻率的變化量；

K——比例因子；

μ——電子遷移率；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

L，b——分別為磁敏電阻的長(zhǎng)（沿電流方向）和寬；

f(L/b)——形狀效應(yīng)系數(shù)。2.磁阻效應(yīng)第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，一般遷移率大的材料，磁阻效應(yīng)愈顯著；元件的長(zhǎng)、寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。與霍爾效應(yīng)的區(qū)別：霍爾電勢(shì)是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化。第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一磁敏電阻常選用銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）和銻化鈮（NiSb）等半導(dǎo)體材料，在絕緣基片上蒸鍍薄的半導(dǎo)體材料，也可在半導(dǎo)體薄片上光刻或腐蝕成型（柵狀結(jié)構(gòu)）。磁阻效應(yīng)——磁敏電阻第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一主要特性：

磁電特性：當(dāng)B<0.3T時(shí)，電阻的變化率與磁場(chǎng)的平方成正比；當(dāng)B>0.3T時(shí)，成線性關(guān)系。與磁場(chǎng)的正負(fù)無關(guān)；

溫度特性：溫度系數(shù)影響大；

頻率特性：工作頻率范圍大，一般為1~10MHz；磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一3.巨磁阻效應(yīng)指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無外磁場(chǎng)作用時(shí)存在的巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大。鐵磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁場(chǎng)控制的，較小的外磁場(chǎng)也可以得到較大的電阻變化。第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一五、熱電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)1.熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)是溫差電效應(yīng)的俗稱。它是溫差轉(zhuǎn)換成電的物理效應(yīng)，通常指塞貝克效應(yīng)，其逆效應(yīng)有帕爾貼效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)。（1）塞貝克效應(yīng)（2）帕爾貼效應(yīng)（3）湯姆遜效應(yīng)第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一

某些晶體材料（如鐵電晶體）具有自發(fā)極化現(xiàn)象，自發(fā)極化的大小在溫度有稍許變化時(shí)就有很大的變化。溫度恒定時(shí)，由自發(fā)極化產(chǎn)生的表面電荷吸附空氣中的電荷達(dá)到平衡；材料吸收紅外光后引起溫度升高，極化強(qiáng)度會(huì)減小，單位面積的表面電荷相應(yīng)減少，一部分吸附電荷被釋放；若與一個(gè)電阻連成回路，電路中就會(huì)有電流產(chǎn)生，如圖所示。這種因溫度變化引起自發(fā)極化強(qiáng)度變化的現(xiàn)象被稱為熱釋電效應(yīng)。2.熱釋電效應(yīng)第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)溫度變化ΔT在材料各處一致時(shí)，熱釋電效應(yīng)可以借助熱釋電系數(shù)p表示為：ΔP=pΔT

式中P是自發(fā)極化。右圖是鈦酸鋇熱釋電系數(shù)變化規(guī)律，由圖可見，溫度越接近居里溫度點(diǎn)（TC），熱釋電系數(shù)越大。第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一

熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不是永存的，由于處于器件表面，會(huì)與空氣中的各種離子復(fù)合而使器件仍呈電中性。所以一般要在器件前方加裝一個(gè)周期性遮斷被測(cè)紅外信號(hào)的機(jī)械裝置，使器件接收紅外光能而引起的溫度作周期性變化，由于熱釋電式傳感器很薄，所以比其它傳感器響應(yīng)更快，且靈敏度高。因?yàn)樗鼨z測(cè)的是溫度梯度，無需與被測(cè)物達(dá)到熱平衡。它適用于通過對(duì)被測(cè)物表面掃描實(shí)現(xiàn)成像，如用于紅外熱敏成像、非破壞性測(cè)試、熱點(diǎn)監(jiān)視等。

車輛計(jì)數(shù)器、人體探測(cè)器、高溫計(jì)（在高爐、熔化玻璃或熱損失評(píng)估中使用的非接觸式溫度計(jì)）和輻射計(jì)（測(cè)量輻射源產(chǎn)生的功率）、紅外分析儀、火災(zāi)檢測(cè)、高分辨率測(cè)溫計(jì)、醫(yī)用溫度計(jì)等。第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一紅外熱釋電傳感器

廣泛用于各種光譜測(cè)量、輻射功率測(cè)量、非接觸溫度測(cè)量、氣體分析、入侵報(bào)警、火焰探測(cè)、自動(dòng)照明等領(lǐng)域。第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一六、壓電、壓阻和磁致伸縮效應(yīng)1.壓電效應(yīng)（1）正壓電效應(yīng)（2）逆壓電效應(yīng)第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.電致伸縮效應(yīng)電介質(zhì)材料在電場(chǎng)作用下，都會(huì)發(fā)生與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方（或極化強(qiáng)度的平方）成比例的應(yīng)變現(xiàn)象，只是強(qiáng)弱不同而已。這種物理效應(yīng)稱為電致伸縮效應(yīng)。一些鐵電陶瓷材料具有較強(qiáng)的電致伸縮效應(yīng)。電致伸縮效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)都是電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的效應(yīng)，但電致伸縮效應(yīng)與電場(chǎng)方向無關(guān)，其應(yīng)變大小與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，而逆壓電效應(yīng)則與電場(chǎng)方向有關(guān)，其應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，當(dāng)外加電場(chǎng)反向時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)變也同時(shí)反向。第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一3.壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料在受到外力或應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。4.磁致伸縮效應(yīng)（1）磁致伸縮效應(yīng)：某些鐵磁體、合金及鐵氧體，其磁場(chǎng)與機(jī)械變形相互轉(zhuǎn)換的種種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮是指一切伴隨著強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)變化而產(chǎn)生的長(zhǎng)度和體積變化。分兩種：線性磁致伸縮、體積磁致伸縮。第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一（2）壓磁效應(yīng)——逆磁致伸縮（3）威德曼效應(yīng)指給鐵磁桿同時(shí)施加縱向磁場(chǎng)和環(huán)形磁場(chǎng)（即通以縱向電流）時(shí)，桿件除長(zhǎng)度發(fā)生變化外，還同時(shí)產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象，稱為威德曼效應(yīng)。第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一七、約瑟夫遜效應(yīng)與核磁共振1-基片；2、7-端子電極；3、6-超導(dǎo)錫膜；4-約瑟夫遜結(jié)；5-絕緣物；8-氧化物約瑟夫遜效應(yīng)是超導(dǎo)體的一種量子干涉效應(yīng)。在兩塊超導(dǎo)體之間放置厚度約為10-9m的極薄的絕緣層，組成約瑟夫結(jié)或稱超導(dǎo)隧道結(jié)。由于絕緣層厚度遠(yuǎn)比超導(dǎo)電子相干長(zhǎng)度（可達(dá)10-6m）小得多，所以絕緣層兩側(cè)超導(dǎo)電子間就會(huì)發(fā)生耦合，呈現(xiàn)出超導(dǎo)電流的量子干涉現(xiàn)象，即約瑟夫遜效應(yīng)。第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一1.隧道效應(yīng)：

在兩金屬片之間夾有極薄(約為10-9m)的絕緣層(如氧化膜)，當(dāng)兩端施加直流電壓時(shí)，回路就有電流產(chǎn)生，即有電流通過絕緣層