幾種典型的傳感器敏感材料及器件-光學(xué)特性

敏感材料的物理性能與傳感特性Contents力學(xué)性能與傳感特性1光學(xué)性能與傳感特性2熱學(xué)性能與傳感特性3電學(xué)性能與傳感特性4磁學(xué)性能與傳感特性5聲學(xué)性能與傳感特性6光學(xué)性能與傳感特性光學(xué)傳感技術(shù)由于其靈敏度高、抗電磁干擾、測量速度快等諸多優(yōu)點而成為當(dāng)今一種先進(jìn)的感測技術(shù)。

光學(xué)傳感技術(shù)一般基于光學(xué)反射、折射、透射、吸收、散射以及利用各種物理效應(yīng)和敏感材料，可實現(xiàn)絕大多數(shù)物理量、化學(xué)量的檢測問題。人類眼睛可以看見的光稱為可見光，其光的波長的范圍約為0.4

0.8

m，僅占電磁波譜（10-5

105m）中的一小部分，如圖2-20所示。圖2-20電磁波譜一、材料的光學(xué)性能0、關(guān)于光速光學(xué)性能與傳感特性光在真空中的速度c≈300000km/s。當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的介質(zhì)材料時，其傳播速度會降低。光在真空中的速度c與在介質(zhì)材料中的速度之比，稱為該介質(zhì)材料的折射率，記作，

材料的折射與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于各向同性的均質(zhì)材料，只有一個折射率。當(dāng)光通過材料時，光速不因傳播方向改變而變化。當(dāng)光通過某些晶體材料時，一般會分成振動方向相互垂直、傳播速度不同的兩條折射光線，即為雙折射現(xiàn)象。這兩條折射光線中，平行于入射面光線的折射率稱為常光折射率，不隨入射角大小的變化而變化，始終為常數(shù)。另一條與之垂直的光線的折射率不遵守折射定律，隨著入射角大小而發(fā)生變化，稱為非常光折射率。圖3

1鏡面反射和漫反射情況鏡面反射i

θI漫反射

根據(jù)光的反射定律。由于粗糙表面上各點的法線方向不同，光線反射后，沿不同的方向射出，形成漫反射。大多數(shù)物體表面是粗糙的，由于漫反射的作用，我們能從各個方向看到它。1、光的反射光學(xué)性能與傳感特性

利用光學(xué)折射現(xiàn)象，可以實現(xiàn)液體濃度、成分含量的測量、氣體或者液體折射率的測量。2、光的折射光學(xué)性能與傳感特性3、光的吸收其中，C為溶液的濃度，A是只與吸收物質(zhì)的分子特性有關(guān)，而與濃度無關(guān)的常數(shù)；

任何介質(zhì)，對各種波長的電磁波能量會或多或少地吸收。完全沒有吸收的絕對透明介質(zhì)中是不存在的。光通過介質(zhì)時，其強(qiáng)度隨介質(zhì)的厚度增加而減少的現(xiàn)象，稱為介質(zhì)對光的吸收。所謂“透明”是就某些波長范圍來說的，僅有少量的吸收。吸收光輻射或光能量是物質(zhì)具有的普遍性質(zhì)。（1）一般吸收介質(zhì)對各種波長λ的光能幾乎均勻吸收，即吸收系數(shù)α與波長λ無關(guān)

（2）選擇吸收介質(zhì)對某些波長的光的吸收特別顯著。

光學(xué)性能與傳感特性一切介質(zhì)都具有一般吸收和選擇吸收兩種特性。

選擇吸收是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因。一些物體的顏色，是由于某些波長的光透入其內(nèi)一定距離后被吸收掉而引起的。例如：水能透入紅光，并逐漸吸收掉，因而水面沒有對紅光的反射，只反射藍(lán)綠光，并讓藍(lán)綠光透過相當(dāng)?shù)纳疃龋运尸F(xiàn)藍(lán)綠色。圖3

6鈉蒸氣的吸收光譜光學(xué)性能與傳感特性3、光的吸收光學(xué)性能與傳感特性4、光的色散與散射材料的折射率隨入射光的頻率(或波長)而變化的現(xiàn)象，稱為色散。

光在材料中傳播時，遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次級波與主波方向不一致，會與主波合成出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，使光偏離原來的方向的現(xiàn)象，稱為散射。諸如材料中小顆粒的透明介質(zhì)、光性能不同的晶界、氣孔等因素，都會引起一部分光束被散射，從而減弱光束強(qiáng)度。對于相分布均勻的材料，光減弱的散射規(guī)律與吸收規(guī)律具有相同的形式，即：

（s為散射系數(shù)）光學(xué)性能與傳感特性

太陽輻射通過大氣時遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點時，都要發(fā)生散射。但散射并不象吸收那樣把輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽皇歉淖冚椛浞较?，使太陽輻射以質(zhì)點為中心向四面八方傳播開來。經(jīng)過散射之后，有一部分太陽輻射就到不了地面。

4、光的色散與散射

如果太陽輻射遇到的是直徑比波長小的空氣分子，則輻射的波長愈短，被散射愈厲害。如果太陽輻射遇到直徑比波長大的質(zhì)點，雖然也被散射，但這種散射是沒有選擇性的，即輻射的各種波長都同樣被散射。如空氣中存在較多的塵?；蜢F粒，一定范圍的長短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色的?？諝鉅顩r好的晴天時，天空是藍(lán)色的原因。光學(xué)性能與傳感特性5、材料的透射性

材料的透光性用光透過率來表征。所謂光透過率是指，光線通過材料后剩余的光能占原來入射時能量的百分比。光的能量可以用光照射強(qiáng)度來表示，也有采用放在一定距離外的光電管轉(zhuǎn)換得到的電流強(qiáng)度來表示。在光路上分別測出插入厚度為L的材料前、后的光變電流強(qiáng)度I0和I。由于光既在材料的兩個表面發(fā)生折射，又在材料內(nèi)有吸收損失和散射損失，故有光透過率為：

（R為材料的反射系數(shù)）二、光學(xué)傳感特性光學(xué)性能與傳感特性

一些物質(zhì)受到光照射后，引起其本身電性發(fā)生變化，這種光致電變的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是光子與電子相互作用的結(jié)果，兩者之間作用后各有所變。對于光子，它或被吸收或改變頻率和方向；對于電子，必發(fā)生能量和狀態(tài)的變化，從束縛于局域的狀態(tài)轉(zhuǎn)變到比較自由的狀態(tài)，因而導(dǎo)致物質(zhì)電性的變化。光學(xué)性能與傳感特性1、外光電效應(yīng)

外光電效應(yīng)是指固體受到光線照射后從其表面逸出電子的現(xiàn)象。逸出的電子稱為光電子。1887年，赫茲和霍爾瓦克斯等人發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。這個效應(yīng)可用圖2-25所示的裝置來觀察。把兩個金屬電極安裝在抽成真空的玻璃泡中，在兩極間接入直流電源和靈敏檢流計。當(dāng)無光照射時，泡內(nèi)陰極K與陽極A之間的空間無載流子，故檢流計G中無電流；當(dāng)有光照射陰極K時，由于有光電子從陰極逸出，在電壓作用下，漂向陽極，于是G中便有電流。光具有波粒二象性，外光電效應(yīng)是光的粒子(光子)性的表現(xiàn)。一束頻率為

的光是一束單個粒子能量為h

的光子流，有如下愛因斯坦方程：光學(xué)性能與傳感特性1、外光電效應(yīng)h為普朗克常數(shù)；m為光電子質(zhì)量；

0為光電子的初速度；

為金屬的逸出功。

上述理論可以作如下解釋：光子是一個個能量為h

的小能包，當(dāng)它與固體的電子碰撞并為電子所吸收時，電子便獲得了光子的能量，一部分用于克服金屬的束縛，開銷于逸出功

，剩下的便成了外逸光電子的初動能了。

利用外光電效應(yīng)可制成光電倍增管(PMT)，它選用了二次電子發(fā)射率高的銻-銫合金材料作光電陰極，同時又在原陰極與陽極之間安裝了一系列連續(xù)式次陰極，形成通道式光電倍增管和微通道板式光電倍增管。它們是將弱光信號轉(zhuǎn)變成電信號不可缺少的傳感器，廣泛使用在眾多的高新探測技術(shù)中，如各種光譜儀、光子計數(shù)儀、表面分析儀等。光學(xué)性能與傳感特性1、外光電效應(yīng)光學(xué)性能與傳感特性2、內(nèi)光電效應(yīng)物體受到光線照射后無電子發(fā)射，但其電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生電動勢，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)包括光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。

光電導(dǎo)效應(yīng)是指，半導(dǎo)體受光輻射時，電導(dǎo)率增加而使材料變得易于導(dǎo)電。該效應(yīng)的機(jī)理是利用光子能量來產(chǎn)生自由載流子。利用光電導(dǎo)效應(yīng)，可以制作各種光探測器，如光敏電阻、紅外光電導(dǎo)探測器、光電導(dǎo)攝像管、高速光導(dǎo)開關(guān)、靜電復(fù)印機(jī)的有機(jī)光電導(dǎo)體等。

光生伏特效應(yīng)是