3 第三章 信息傳感材料.ppt

1、2020/10/11,1,第三章 信息傳感材料,2020/10/11,2,1. 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。,2020/10/11,3,2020/10/11,4,2020/10/11,5,2020/10/11,6,2020/10/11,7,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,氣敏傳感材料,濕敏傳感材料,光纖傳感材料,生物傳感材料,2020

2、/10/11,8,2. 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。 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)力大小。 常用的金屬應(yīng)變片由金屬絲式、箔式、薄膜式等。,2020/10/11,9,

3、2,3,4,1,電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖,b,l,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,2020/10/11,10,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?。?抗氧化能

4、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。,2020/10/11,11,（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。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

5、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(wú)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(wú)機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。,2020/10/11,12,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：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26,金屬電

6、阻應(yīng)變片材料,柵長(zhǎng)度一般為 0.2100毫米，直徑 0.0150.05毫米的金屬絲 ，厚度 0.0020.005毫米的金屬箔。 電阻為601000歐（最常用的為120歐），測(cè)量范圍為幾微應(yīng)變至數(shù)萬(wàn)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。,2020/10/11,13,2.2 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

7、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(wàn)次疲勞試驗(yàn)后，性能保持不變；動(dòng)態(tài)特性好，其響應(yīng)頻率為103105Hz。 用來(lái)制成各種壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、速度、加速度傳感器,2020/10/11,14,PN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。,2020/10/11,15,2.3 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

8、，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(wú)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、聚氯乙烯,2020/10/11,16,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

9、六邊形排列。 圖中代表Si4+, 代表2O2-,2020/10/11,17,3. 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,熱膨脹式,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(lái)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)溫元件耐熱程度限制 測(cè)溫速度快 可測(cè)運(yùn)動(dòng)物體溫度,2020/10/11,18,3.1 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

10、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,2020/10/11,19,3.2 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）,2020/10/11,20,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,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

11、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。,2020/10/11,21,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)。,2020/10/11,22,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：,2020/10/11,23,影響因素取決于材料和接點(diǎn)溫度，與形

12、狀、尺寸等無(wú)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,2020/10/11,24,熱電偶測(cè)溫基本定律,1)均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(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)。,2020/10/11,25,3

13、)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。,2020/10/11,26,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),2020/10/11,27,2020/10/11,28,3.3 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

14、阻（金屬測(cè)溫電阻）、半導(dǎo)體熱敏電阻。 熱電阻廣泛用來(lái)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。 ,2020/10/11,29,主要金屬測(cè)溫電阻器的性能,2020/10/11,30,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,2020/10/11,31,熱敏電阻的電阻溫度特性,大多數(shù)：負(fù)溫度系數(shù)

15、。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：100300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,2020/10/11,32,2020/10/11,33,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、限流器等。 V2O

16、3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)。 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 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。,2020/10/11,34,3.4 熱釋電式傳感器,熱釋電效應(yīng) 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

17、。,通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)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(lái)。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： 單晶：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,2020/10/11,35,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,2020/

18、10/11,36,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。,2020/10/11,37,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

19、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),2020/10/11,38,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

20、長(zhǎng)范圍。因此大多數(shù)的半導(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。,2020/10/11,39,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。可通過外延生長(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

21、、InN及其合金，ZnO、ZnS、ZnSe、CdSe、MnO等,2020/10/11,40,短波紅外光電探測(cè)器材料 用于光通信（1.31.65m）：Ge、InGaAs、InAs等。 用于環(huán)保測(cè)量和醫(yī)療（23 m） ： InAsPSb、InGaAsSb、AlGaAsSb。 中波紅外（35 m） InSb（銻化銦）、PtSi、HgCdTe（碲鎘汞） 長(zhǎng)波紅外（814 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814m,工作溫度77k，用液氮致冷。

22、,2020/10/11,41,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， 電子被正電位的陽(yáng)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） AsOCs AgBiOCs,2020/10/11,42,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,2020/10/11,43,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

23、+ 若干倍增極 + 陽(yáng)極 1214級(jí),光電倍增管,2020/10/11,44,光電倍增管的工作原理,光電陰極光電倍增極陽(yáng)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n,2020/10/11,45,光敏電阻（光導(dǎo)管）,當(dāng)無(wú)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520720n

24、m 連續(xù)變化PbS光譜響應(yīng)范圍在13m，適于近紅外波段。,2020/10/11,46,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。,2020/10/11,47,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,2020/10/11,48,硅光電池結(jié)構(gòu)

25、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：4501100nm,硒材料帶正電，鎘材料帶負(fù)電 光譜范圍：340750nm,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)) 。,2020/10/11,49,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,2020/10/11,50,與一般三極管很相似，具有兩個(gè)pn結(jié)。基極不接引線。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。,光敏三極管,光敏三極管及其工作電路,+,2020

26、/10/11,51,PIN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，在這里產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)將立即被電場(chǎng)分離。,2020/10/11,52,PIN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。,2020/10/11,53,PIN光電檢

27、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,2020/10/11,54,雪崩光電二極管 avalanche photo diode，APD,APD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。,2020/1

28、0/11,55,APD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,2020/10/11,56,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。,2020/10/

29、11,57,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),2020/10/11,58,一系列彼此非常接近的MOS電容用同一半導(dǎo)體襯底制成，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）。,2020/10/11,59,（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

30、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。,2020/10/11,60,（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-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。,20

31、20/10/11,61,（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（Surface Channel CCD）轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件。,2020/10/11,62,CCD信號(hào)電荷的傳輸,2020/10/11,63,（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

32、出先后可以判別出電荷勢(shì)從哪個(gè)光敏單元來(lái)的，并根據(jù)輸出電荷量可知光敏單元受光的強(qiáng)弱。,2020/10/11,64,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)?？捎糜谖灰啤毫?、角度等傳感。,霍爾傳感器,2020/10/11,65,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

33、電勢(shì)為VH1VH2。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。,2020/10/11,66,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)。,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。,2020/10/11,67,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

34、 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。,2020/10/11,68,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)。,2020/10/11,69,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)

35、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。,2020/10/11,70,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)0.81.15 ml/L時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟省＿€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,2020/10/11,71,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。,半導(dǎo)體氣敏材料分類：,2020/10/11,72,半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理 半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣

36、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?，它們?/p>

37、稱為還原型氣體或電子供給性氣體。,2020/10/11,73,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)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。,2020/10/11,74,N型半導(dǎo)體

38、吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖,2020/10/11,75,7. 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(wú)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。,2020/10/11,76,濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，

39、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瓤諝馍俚枚啵?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(lái)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。,2020/10/11,77,半導(dǎo)體陶瓷濕敏材料 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