現(xiàn)代傳感器資料

現(xiàn)代傳感器一、光效應(yīng)1.光電導(dǎo)效應(yīng)

在光輻射作用下,材料的電導(dǎo)率變化,并與光輻射強(qiáng)度呈穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系.特點(diǎn):外加電壓,應(yīng)用于光敏電阻.光電導(dǎo)材料:本征型和摻雜型光電流: Ip=SgEU=gpU(1-1)E—光照度;gp—光電導(dǎo);Sg—光電導(dǎo)靈敏度考慮暗電流Id,則流過光電導(dǎo)器件電流:I=Ip+Id=gpU+gdU(1-2)

2.P-N結(jié)光伏效應(yīng)P-N結(jié)受到光照射,光子能量大于禁帶寬度時(shí),產(chǎn)生電子-空穴對(duì),在內(nèi)電場(chǎng)作用下按一定方向運(yùn)動(dòng),從而形成與內(nèi)電場(chǎng)相反的開路光生電壓UOC,稱光生伏特效應(yīng).相關(guān)公式:正向電流:ID=I0(eqU/(KT)-1)(1-3)負(fù)載電流:IL=IP-ID=SE[E-I0(eqU/(KT)-1)](1-4)RL斷開時(shí),開路電壓:UOC≈(KT/q)ln(SEE/I0)(1-5)RL=0時(shí),短路電流:ISC=IP=SEE(1-6)應(yīng)用:光敏二極管、三級(jí)管和硅光電池。3.科頓(Cotton)效應(yīng)在直線偏振光入射并透過時(shí),會(huì)產(chǎn)生α角的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象稱為科頓效應(yīng).旋光性物質(zhì):使左、右旋圓偏振光傳輸速度不同。

φ1-φ2

πd(n1-n2)α=———=—————2λ二、磁效應(yīng)磁電、磁光和壓磁等效應(yīng)。1.法拉第效應(yīng)即磁致旋光效應(yīng):線偏振光通過磁場(chǎng)下的透明介質(zhì)時(shí),光的偏振面(矢量振動(dòng)方向)發(fā)生偏移.2.霍耳效應(yīng)當(dāng)電流通過半導(dǎo)體薄片時(shí),垂直于電流方向的磁場(chǎng)B使電子向薄片的一側(cè)偏轉(zhuǎn),在兩側(cè)形成霍爾電勢(shì)UH.UH=KHIBB三、力效應(yīng)壓電、磁致伸縮、電致伸縮和壓阻效應(yīng)等1.壓電效應(yīng)當(dāng)具有壓電效應(yīng)的材料受到沿一定方向的外力作用而變形時(shí),在其某兩個(gè)表面上產(chǎn)生極性相反的電荷.常見的有:石英晶體等.2.磁致伸縮效應(yīng)鐵磁物體在磁場(chǎng)的作用下,產(chǎn)生機(jī)械變形,亦稱為焦?fàn)栃?yīng).3.飽和效應(yīng)在高分子核磁共振吸收過程中,隨著入射電磁波振幅的增加,高分子吸收電磁波能量逐漸減少的現(xiàn)象稱為飽和效應(yīng).四、化學(xué)效應(yīng)1.吸附效應(yīng)在特定溫度下,材料會(huì)吸附氣體分子,其分子表面和氣體分子之間發(fā)生電子交換,使得半導(dǎo)體材料的表面電位、功函數(shù)及電導(dǎo)率發(fā)生變化，此現(xiàn)象為吸附效應(yīng)。如：氣敏傳感器。2.半導(dǎo)體表面場(chǎng)效應(yīng)利用電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)控制半導(dǎo)體表面電流的效應(yīng).3.中性鹽效應(yīng)在化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中加入中性鹽后,系統(tǒng)的離子強(qiáng)度將發(fā)生變化,從而影響其反應(yīng)速度,這種現(xiàn)象稱中性鹽效應(yīng).4.電泳效應(yīng)當(dāng)水溶液(如食鹽)電解時(shí),溶液中的離子向電極方向移動(dòng)(電泳),因溶液流動(dòng)阻礙離子移動(dòng)而減少其遷移率的現(xiàn)象稱為電泳效應(yīng).五、多普勒效應(yīng)某信號(hào)源(頻率f0)與傳感器之間以速度u相對(duì)運(yùn)動(dòng),傳感器接受的新號(hào)頻率為f將與f0不同,且兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),則f>f0;兩者相向運(yùn)動(dòng),則f<f0,該現(xiàn)象稱多普勒效應(yīng).

±u

f=f0[1-(----cosθ)](1-14)C

θ為運(yùn)動(dòng)夾角第二節(jié)新型敏感材料指能利用物理、化學(xué)或生物反應(yīng)原理做成敏感元件的基本材料。

結(jié)晶狀態(tài)：?jiǎn)尉?、多晶、非晶和微晶。電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵：金屬、陶瓷和聚合物。物理性質(zhì)：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體等。形態(tài)：摻雜、微粉、薄膜、塊狀和纖維等。功能：力敏、壓敏、光敏、聲敏和磁敏等。一、半導(dǎo)體敏感材料常用且工藝成熟。1.單晶硅具有良好的機(jī)械、物理特性，功耗低。常用于固態(tài)傳感器。如壓力、加速度等。2.多晶硅多個(gè)單晶硅的聚合物.特點(diǎn):受力應(yīng)變靈敏系數(shù)低于單晶硅,但溫漂小.常用于制造低溫漂的力敏傳感器.3.非晶體硅特點(diǎn):可見光吸收系數(shù)高、淀積溫度低,可使用多種材料作襯底、材料性能穩(wěn)定,隨時(shí)間變化小、無壓阻效應(yīng)。常用于生產(chǎn)光傳感器、圖像、高靈敏度溫度、微波功率和觸覺傳感器。4.硅藍(lán)寶石將硅襯底在藍(lán)寶石上,絕緣性、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良。常用于生產(chǎn)耐環(huán)境適應(yīng)性的傳感器。5.化合物半導(dǎo)體材料用于長(zhǎng)波紅外圖像傳感器.二、光導(dǎo)纖維光纖在受到環(huán)境因素的影響時(shí)（壓力、溫度、電磁場(chǎng)等），將影響在光纖中傳輸?shù)墓獠承┪锢砹?光強(qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)）的變化，依次生產(chǎn)出光纖傳感器。纖芯，α，n1包層，n2保護(hù)層，n3θ<θcn1>n2<n3數(shù)值孔徑:NA=SINθn12-n22(1-19)NAθ全反射條件:n1>n2且θ<θc光波相位變化2π

整數(shù)倍形成的駐波光線稱為“?！?

某一光纖傳輸模的總數(shù)ν=2πrNA/λ(1-20)

依據(jù)式(1-20),分單模光纖和多模光纖.光纖芯<6um;折射率差約0.005時(shí),只傳基模光波:Ex和Ey.ex=Ax(x,y)ej(ωt-βxz)

ey=Ay(x,y)ej(ωt-βyz)(1-21)單模光纖輸出光波特性:βx=βy;兩種模等速傳播

Ax=Ay;橢圓偏振光若|βx-βy|=mπ(m=0,1,2,…)線偏振光若|βx-βy|=(m+1/2)π(m=0,1,2,…)

圓偏振光用于傳感技術(shù)的特殊光纖—保偏光纖如:輸入Ey模的線偏振光,在干擾下會(huì)產(chǎn)生Ex,功率變換比例:η=|ex|2/|ey|2=tanh(KL/Δβm)(1-23)K-常數(shù)；L-長(zhǎng)度；m-干擾常數(shù)（4，6，8）為保偏振面狀態(tài)不變,應(yīng)加大Δβ,實(shí)際中大于3000rad/m較好.三、高分子材料分子骨格幾乎都由強(qiáng)化學(xué)鍵（σ）構(gòu)成。特點(diǎn)：非晶結(jié)構(gòu)；絕緣。可做電導(dǎo)性敏感材料：1.壓電效應(yīng)如:PVDF薄膜做人工仿生皮膚，受外力或變形時(shí)，極化表面產(chǎn)生一定電荷。2