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)定的被測量并按一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。,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器的一類對外界信息敏感的材料，在外界信息如力學、熱學、磁學、電學、化學和生物信息的影響下，這類材料的物理性質或化學性質會發(fā)生相應的變化。,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，電學性質會發(fā)生明顯變化的材料，分為應變電阻材料、壓阻材料和壓電材料。力敏傳感器主要用于測量力、加速度、扭矩、壓力、流量等物理量。,2.1 電阻應變材料,電阻-應變效應是指金屬導體的電阻在導體受力產生變形（伸長或縮短）時發(fā)生變化的物理現象。當金屬電阻絲受到軸向拉力時，其長度增加而橫截面變小，引起電阻增加。反之，當它受到軸向壓力時則導致電阻減小。 電阻應變式傳感器就是利用金屬電阻應變片的電阻應變效應實現應力（應變）的傳感的，金屬應變片電阻值變化正比于應力大小。 常用的金屬應變片由金屬絲式、箔式、薄膜式等。,2020/10/11,9,

3、2,3,4,1,電阻應變片結構示意圖,b,l,應變片的結構與材料 由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應變片的性能。因此，應根據使用條件和要求合理地加以選擇。,（1） 敏感柵 由金屬細絲繞成柵形。電阻應變片的電阻值為60、120、200等多種規(guī)格，以120最為常用。應變片柵長大小關系到所測應變的準確度，應變片測得的應變大小是應變片柵長和柵寬所在面積內的平均軸向應變量。,柵長,柵寬,2020/10/11,10,對敏感柵的材料的要求： 應變靈敏系數大，并在所測應變范圍內保持為常數； 電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應變片； 電阻溫度系數要??； 抗氧化能

4、力高，耐腐蝕性能強； 在工作溫度范圍內能保持足夠的抗拉強度； 加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材； 易于焊接，對引線材料的熱電勢小。 對應變片要求必須根據實際使用情況，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位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵?；椎娜L稱為基底長，其寬度稱為基底寬。,2020/10/11,11,（3） 引線 是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數敏感柵材料都可制作引線。,（4） 粘結劑 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、用金屬應變片時，也需用粘結劑將應變片基底粘貼在構件表面某個方向和位置上。以便將構件受力后的表面應變傳遞給應變計的基底和敏感柵。 常用的粘結劑分為有機和無機兩大類。有機粘結劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結劑用于高溫，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為26,金屬電

6、阻應變片材料,柵長度一般為 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），測量范圍為幾微應變至數萬微應變（，1微應變=10-6毫米毫米）,金屬應變片的電阻變化率和引起此電阻變化的構件表面在應變計軸線方向的應變之比，稱為電阻應變計的靈敏系數K。,2020/10/11,13,2.2 半導體壓阻材料,壓阻效應 指當半導體受到機械力作用時，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率發(fā)生變化的現象。它是C.S史密斯在1954年對硅和鍺的電阻率與應力變化特性測試中發(fā)現的。 壓阻系數被定義為單位應力作用下電阻率的相對變

7、化,機械力作用晶格間距變化禁帶寬度變化載流子相對能量改變電阻率變化,優(yōu)點：靈敏度與精度高；易于小型化和集成化；結構簡單、工作可靠，在幾十萬次疲勞試驗后，性能保持不變；動態(tài)特性好，其響應頻率為103105Hz。 用來制成各種壓力、應力、應變、速度、加速度傳感器,2020/10/11,14,PN結壓阻效應及其應用電路,半導體壓阻材料 主要采用單晶硅材料。為了調節(jié)力敏元件的壓阻系數，電阻值和溫度特性，還要摻雜硼、磷等雜質。 半導體PN結受壓力后也會呈現壓阻效應，從而改變結間電路。,2020/10/11,15,2.3 壓電材料,壓電效應 某些電介質，在一定方向上受到外力作用而變形時，內部會產生極化現象

8、，同時在其表面上會產生電荷。當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)的現象。具有壓電效應的電介物質稱為壓電材料 順壓電效應：機械能 電 能 逆壓電效應：電 能 機械能,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 壓電陶瓷：人工極化處理的鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇 壓電常數大、靈敏度高、工藝成熟、價格低廉 壓電半導體：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,石英晶體壓電效應示意圖,將一個結構單元中構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：對溫度變化具有靈敏響應的材料。,接觸式測溫,非接觸式測溫,熱膨脹式,熱電勢式,熱電阻式,PN結型,集成電路型,熱釋電式,光學高溫傳感器,熱輻射式溫度傳感器,通過測溫元件與被測物體的接觸而感知物體的溫度,通過接收被測物體發(fā)出的輻射來得知物體的溫度,優(yōu)點： 技術成熟 傳感器種類多 測量系統(tǒng)簡單 精度較高,優(yōu)點： 不受測溫元件耐熱程度限制 測溫速度快 可測運動物體溫度,2020/10/11,18,3.1 雙金屬溫度計 （熱膨脹式）,把兩種膨脹系數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，可將溫度變化轉換成機械量變化。,優(yōu)點： 結構簡單 牢固 可靠 防爆,2020/10/11,19,3.2 熱電勢式溫度計(熱電偶),熱電效應,將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現象稱為熱電效應。,熱電勢、熱電偶、熱電極 熱端（測量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）,2020/10/11,20,接觸電動勢,接觸電動勢的數值取決于兩種不同導體的材料特性和接觸點的溫度。 兩接點的接觸電動勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為,含義：由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。,k玻耳茲曼常數， q0電子電荷

11、量， T接觸處的溫度 NA，NB分別為導體A和B的自由電子密度。,2020/10/11,21,同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。,大小表示：,溫差電動勢,機理：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比從低溫端跑到高溫端的要多，結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電，在導體兩端便形成溫差電動勢。,2020/10/11,22,熱電偶回路中產生的總熱電勢,eAB(T, T0)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0),忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為：,2020/10/11,23,影響因素取決于材料和接點溫度，與形

12、狀、尺寸等無關 兩熱電極相同時，總電動勢為0 兩接點溫度相同時，總電動勢為0 對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c為常數，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即,可見：只要測出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。,討論,2020/10/11,24,熱電偶測溫基本定律,1)均質導體定律 由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。,2)中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。,2020/10/11,25,3

13、)參考電極定律 兩種導體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：,由于鉑的物理化學性質穩(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，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為4.0mV，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產生的熱電動勢應為： 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體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。 熱電

14、阻（金屬測溫電阻）、半導體熱敏電阻。 熱電阻廣泛用來測量200850范圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復現國際溫標的標準儀器。,對用于制造熱電阻材料的要求： 具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數和電阻率 R-t關系最好成線性 物理化學性能穩(wěn)定 復現性好等。 目前最常用的熱電阻金屬是鉑、銅和鎳。 ,2020/10/11,29,主要金屬測溫電阻器的性能,2020/10/11,30,半導體熱敏電阻是利用半導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。,半導體熱敏電阻,2020/10/11,31,熱敏電阻的電阻溫度特性,大多數：負溫度系數

15、。熱敏電阻在不同值時的電阻溫度特性，溫度越高，阻值越小，且有明顯的非線性。NTC（負電阻溫度系數）熱敏電阻具有很高的負電阻溫度系數，特別適用于：100300之間測溫。 PTC（正電阻溫度系數）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，當溫度超過某一數值時，其電阻值朝正的方向快速變化。 CTR（臨界溫度熱敏電阻）也具有負溫度系數，但在某個溫度范圍內電阻值急劇下降，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。 線性熱敏電阻,2020/10/11,32,2020/10/11,33,半導體熱敏電阻材料,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，用于大電流領域的過流保護。 NTC材料 低溫：AB2O4尖晶石型氧化物半導體陶瓷 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)生半導體-金屬間相變從而呈現負電阻突變特性的一類材料。以VO2為基的半導體材料，廣泛應用于火災報警和溫度的報警、控制和測量場合。 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 當一些晶體受熱時，在晶體兩端會產生數量相等而符號相反的電荷，從而產生電極化的現象

17、。,通常，晶體自發(fā)極化所產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)極化電矩不能表現出來。當溫度變化時，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變化。,具有熱釋電效應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：具有較高實用價值。 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紫外光到紅外光敏感，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質的光電效應。,外光電效應,在光的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現象。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,內光電效應,半導體材料受到光照時會產生電子-空穴對,使其導電性能增強,光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現象,稱為內光電效應。如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。,2020/10/11,37,內光電效應又分光電導效應和光生伏特效應,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)，從而引起材料電導率變化的現象，稱

19、為光電導效應。,光生伏特效應是利用半導體PN結在光的照射下產生光電動勢的現象。當大于禁帶寬度的光子照射到PN結后，電子會被激發(fā)并在內建電場作用下形成光電動勢。,本征光電導：由帶間吸收形成的載流子產生的電導,非本征光電導：由束縛在雜質能級上的電子和空穴被激發(fā)后形成自由載流子而產生的電導,2020/10/11,38,半導體光電探測器材料 根據半導體知識, 價帶中的電子吸收光子能量后, 越過禁帶進入導帶, 才會產生導電作用。這就決定了半導體紅外探測儀響應輻射的臨界波長c : c = 1.24/ Eg (m) 其中 Eg 為禁帶寬度 (電子伏特) 。 半導體材料的禁帶寬度決定了它所制成的探測器的響應波

20、長范圍。因此大多數的半導體紅外探測儀 對光的吸收是有選擇性的; 常工作于低溫, 因此需要制冷。 響應時間比其他探測儀要快的多。,2020/10/11,39,半導體光電探測器材料 按使用波長分為 寬禁帶紫外光電探測器材料 SiC：禁帶寬度高、電子飽和漂移速度高、擊穿場強、較高的熱導率和化學穩(wěn)定性。但禁帶寬度不可調。 金剛石：禁帶寬度5.5eV，截止波長225nm，理想的中紫外和遠紫外光電探測器材料。但制備難度大、不易摻雜。 GaN：禁帶寬度3.4eV，截止波長365nm?？赏ㄟ^外延生長形成AlGaN和InGaN三元合金，調節(jié)禁帶寬度和截止波長，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,短波紅外光電探測器材料 用于光通信（1.31.65m）：Ge、InGaAs、InAs等。 用于環(huán)保測量和醫(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探測器,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x=0.2時響應波長為814m,工作溫度77k，用液氮致冷。

22、,2020/10/11,41,光電管,當陰極受到適當波長的光線照射時便發(fā)射光電子， 電子被正電位的陽極所吸引，在光電管內就有電子流，在外電路中便產生了電流。,光電探測器件,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: 構造和真空光電管基本相同，所不同的僅僅是在玻璃管內充以少量的惰性氣體。 優(yōu)點：靈敏度高 缺點：光電流與入射光強度不成比例、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，光電管能產生的光電流就很小， 光電倍增管：放大光電流 組成：光電陰極

23、+ 若干倍增極 + 陽極 1214級,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極 倍增極上涂有Cs-Sb或Ag-Mg等次級發(fā)射材料，并且電位逐級升高 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 =二次發(fā)射電子數入射電子數 若倍增極有n，則倍增率為n,2020/10/11,45,光敏電阻（光導管）,當無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小 當有光照時，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，峰值波長在520720n

24、m 連續(xù)變化PbS光譜響應范圍在13m，適于近紅外波段。,2020/10/11,46,光敏電阻的光電流與光強之間的關系,由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件， 一般在自動控制系統(tǒng)中常用作開關式光電信號傳感元件。,2020/10/11,47,光電池,直接將光能轉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。,當光電池密封良好、電極引線可靠、應用合理時，光電池的性能是相當穩(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,硅光電池結構

25、示意圖,硒光電池結構示意圖,P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電 光譜范圍：4501100nm,硒材料帶正電，鎘材料帶負電 光譜范圍：340750nm,是一個大面積的pn結。當光照射到pn結上時，便在pn結的兩端產生電動勢(p區(qū)為正，n區(qū)為負) 。,2020/10/11,49,結構與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中，PN結裝在管頂。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pn結?；鶚O不接引線。把光信號轉換為電信號同時，又將信號電流加以放大。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結光電二極管,PIN結光電二極管就是在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P層做的很薄。,本征層的電阻很高，反偏電場主要集中在這一區(qū)域。高電阻使暗電流明顯減少，在這里產生的光生電子-空穴對將立即被電場分離。,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，減小了器件的串聯電阻和時間常數，減小了漂移時間，提高了器件的響應速度。,2020/10/11,53,PIN光電檢

27、測器的一般性能,響應度 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結的P型區(qū)外側增加一層摻雜濃度極高的P+層。當在 其上施加高反偏壓時，以P層為中心的兩側產生極強的內部加 速場（可達105V/cm）。,在高電場作用下，光照產生的電子會高速通過P層，并在P區(qū)產生碰撞電離，形成大量新生電子空穴對。這些新生的電子空穴對在高電場的作用下加速，再次激發(fā)新生電子空穴對。當所加反向偏壓足夠大時，不斷產生二次電子發(fā)射，形成“雪崩”樣的載流子，構成強大的電流。因此，APD的響應時間極短、靈敏度很高。,2020/1

28、0/11,55,APD光電檢測器的一般性能,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信息（可見光、紅外輻射等），轉換為按時序串行輸出的電信號 視頻信號。其視頻信號能再現入射的光輻射圖像。,固體攝像器件主要有三大類： 電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互補金屬氧化物半導體圖像傳感器（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）特點以電荷作為信號。 CCD的基本功能電荷存儲和電荷轉移。 CCD工作過程信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測的過程。 CCD的基本結構包括：信號輸入結構、轉移電極結構、轉移溝道結構、信號輸出結構、信號檢測結構。構成CCD的基本單元是MOS電容。,CCD的MOS結構,2020/10/11,58,一系列彼此非常接近的MOS電容用同一半導體襯底制成，襯底可以是P型或N型材料，上面生長均勻、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）、電荷產生,當光線照射到CCD表面的MOS結構單元時，光

30、子穿過透明電極和氧化層，進入P型硅襯底，在襯底中形成電子空穴對。在外場作用下，電子和空穴分別向電極兩端移動，多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子被收集在勢阱中形成信號電荷。,2020/10/11,60,（2）、電荷存儲,以襯底為P型硅構成的MOS電容為例。,當在金屬電極加上一個正階梯電壓時，在Si-SiO2界面處的電勢發(fā)生變化，附近的P型硅中的多數載流子-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)，電子在那里勢能較低-形成了一個勢阱。如有信號電子，將聚集在表面，實現電荷的存儲。此時耗盡層變薄。勢阱的深淺決定存儲電荷能力的大小。,20

31、20/10/11,61,（3）、電荷轉移,CCD的轉移電極相數有二相、三相、四相等。對于單層金屬化電極結構，為了保證電荷的定向轉移，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）轉移溝道在界面的CCD器件。,2020/10/11,62,CCD信號電荷的傳輸,2020/10/11,63,（4）、電荷檢測 （輸出）,CCD輸出結構是將CCD傳輸和處理的信號電荷變換為電流或電壓輸出。 CCD最后一個柵極中的電荷包通過柵形成的“溝道”進入到輸出二極管（反偏壓），此二極管將信號電荷收集并送入前置放大器，從而完成電荷包上的信號檢測。根據輸

32、出先后可以判別出電荷勢從哪個光敏單元來的，并根據輸出電荷量可知光敏單元受光的強弱。,2020/10/11,64,指對磁場敏感并具有電磁效應的一類傳感材料，包括半導體磁敏電阻、霍爾傳感器、強磁性薄膜磁敏電阻和磁敏晶體管等。,5. 磁敏傳感材料,金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應?？捎糜谖灰?、壓力、角度等傳感。,霍爾傳感器,2020/10/11,65,將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下，從 a端通人電流I，根據霍爾效應，左半部產生霍爾電勢VH1，右半部產生露爾電勢VH2，其方向相反。因此，c、d兩端

33、電勢為VH1VH2。如果霍爾元件在初始位置時VH1=VH2，則輸出為零；當改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，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結型磁電轉換元件，具有輸出信號大、靈敏度高、工作電流小、體積小等特點。,磁敏二極管結構示意圖,高純本征半導體Ge兩端形成P型區(qū)和N型區(qū)，中間本征區(qū)的一個側面磨成光滑的復合表面（為I區(qū)），另一側面打毛，設置成高復合區(qū)（為r區(qū)），電子空穴對易于在粗糙表面復合而消失。,2020/10/11,67,磁敏二極管工作原理示意圖,PIN結外加正偏壓： 不加外磁場，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，電子和空穴向r區(qū)偏轉，并在r區(qū)復合，電流減 小； 加反向磁場，電子和空穴向I區(qū)偏轉，復合減小，電流變大。,2020/10/11,68,磁敏三極管結構示意圖,磁敏三極管,在弱P型或弱N型本征半導體上形成發(fā)射極、基極和集電極。其最大特點是基區(qū)較長，也有高復合速率的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散長度 不加外磁場，大部分載流子通過e極I區(qū)b極形成基極電流，少數載流子輸入到c極。基極電流大于集電極電流； 加正向磁場，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結的一側，導致集電極電流明顯下降； 加反向磁場，洛侖茲力使載流子偏向集電結的一側，導

35、致集電極電流明顯增大。 用于測量弱磁場、電流、轉速、位移等物理量。,2020/10/11,70,氣體與人類日常生活密切相關，對氣體的檢測已經是保護和改善生態(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0.81.15 ml/L時，就會出現呼吸急促，脈搏加快，甚至暈厥。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。,煙霧報警器,酒精傳感器,二氧化碳傳感器,6. 氣敏傳感材料,2020/10/11,71,指對氣體敏感，材料電阻值會隨外界氣體種類和含量而發(fā)生變化的一類敏感材料。,半導體氣敏材料分類：,2020/10/11,72,半導體氣敏傳感器的機理 半導體氣敏傳感器是利用氣

36、體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散，失去其運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產生熱分解而固定在吸附處（化學吸附）。 當半導體的功函數小于吸附分子的親和力(氣體的吸附和滲透特性)時， 吸附分子將從器件奪得電子而變成負離子吸附， 半導體表面呈現電荷層。例如氧氣等具有負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。 如果半導體的功函數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、碳氫化合物和醇類，它們被

37、稱為還原型氣體或電子供給性氣體。,2020/10/11,73,當氧化型氣體吸附到N型半導體上，還原型氣體吸附到P型半導體上時，將使半導體載流子減少，而使電阻值增大。 當還原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導體上時，則載流子增多，使半導體電阻值下降。 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，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。半導體氣敏時間(響應時間)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型半導體

38、吸附氣體時器件阻值變化圖,2020/10/11,75,7. 濕敏傳感材料,濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對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量，單位為g/m3，一般用符號AH表示。相對濕度是指氣體的絕對濕度與同一溫度下達到飽和狀態(tài)的絕對濕度之比，一般用符號%RH表示。相對濕度給出大氣的潮濕程度，它是一個無量綱的量，在實際使用中多使用相對濕度這一概念。 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性質變化，將濕度轉化成有用信號的器件。濕度檢測較之其它物理量的檢測顯得困難。 首先是因為空氣中水蒸氣含量要比空氣少得多； 其次，液態(tài)水會使一些高分子材料和電解質材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質結合成酸或堿，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； 再次，濕信息的傳遞必須靠水對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環(huán)境中，不能密封。 通常，對濕敏器件有下列要求：在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好，響應時間短，壽命長，有互換性，耐污染和受溫度影響小等。微型化、集成化及廉價是濕敏器件的發(fā)展方向。,2020/10/11,77,半導體陶瓷濕敏材料 通常，用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結而成為多孔陶瓷。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