中科大新型传感器原理及应用课件01综述

新型传感器原理及应用教材:<<新型传感器原理及应用>>学时:32内容:第一章~第八章重点:了解和掌握现代新型传感器的原理及技术课程地位:1.信号与图像处理2.智能仪表3.控制原理与方法4.传感器与检测技术

常规传感器:温度,压力,流量等特殊传感器:红外,超声波等

现代传感器:最新技术

第一章综述第一节新型传感效应按物理量划分:1.光效应

2.磁效应

3.力效应

4.化学效应

5.生物效应一、光效应1.光电导效应

在光辐射作用下,材料的电导率变化.特点:外加电压,应用于光敏电阻.光电导材料:本征型和掺杂型光电流: Ip=SgEU=gpU(1-10)E—光照度;gp—光电导;Sg—光电导灵敏度考虑暗电流Id,则流过光电导器件电流:I=Ip+Id=gpU+gdU(1-2)

2.P-N结光伏效应P-N结受到光照射,光子能量大于禁带宽度时,产生电子-空穴对,在内电场作用下按一定方向运动,从而形成与内电场相反的开路光生电压UOC,称光生伏特效应.相关公式:正向电流:ID=I0(eqU/(KT)-1)(1-3)负载电流:IL=IP-ID=SE[E-I0(eqU/(KT)-1)](1-4)RL断开时,开路电压:

UOC≈(KT/q)ln(SEE/I0)(1-5)RL=0时,短路电流:

ISC=IP=SEE(1-6)应用:光敏二极管、三级管和硅光电池。3.科顿(Cotton)效应在直线偏振光入射并透过时,会产生α角的偏转现象称为科顿效应.旋光性物质:使左、右旋圆偏振光传输速度不同。

φ1-φ2

πd(n1-n2)α=———=—————2λ二、磁效应磁电、压磁和核磁共振等效应。1.法拉第效应即磁致旋光效应:线偏振光通过磁场下的透明介质时,光的偏振面(矢量振动方向)发生偏移.2.霍耳效应当电流通过半导体薄片时,垂直于电流方的磁场 B使电子向薄片的一侧偏转,在两侧形成霍尔电势UH.UH=KHIBB三、力效应压电、磁致伸缩、电致伸缩和压阻效应等1.压电效应当受到沿一定方向的外力作用而变形时,在其某两个表面上产生极性相反的电荷.常见的有:石英晶体等.2.磁致伸缩效应铁磁物体在磁场的作用下,产生机械变形,亦称为焦尔效应.3.饱和效应在高分子核磁共振吸收过程中,随着射入电磁波振幅的增加,高分子吸收电磁波能量逐渐减少的现象称为饱和效应.四、化学效应1.吸附效应在特定温度下,材料会吸附气体分子,其分子表面和气体分子之间发生电子交换,使得半导体材料的表面电位、功函数及电导率发生变化，此现象为吸附效应。如：气敏传感器。2.半导体表面场效应利用电压所产生的电场控制半导体表面电流的效应.3.中性盐效应在化学反应系统中加入中性盐后,系统的离子强度将发生变化,从而影响其反应速度,这种现象称中性盐效应.4.电泳效应当水溶液(如食盐)电解时,溶液中的离子向电极方向移动(电泳),因溶液流动阻碍离子移动而减少其迁移率的现象称为电泳效应.五、多普勒效应某信号源(频率f0)与传感器之间以速度u相对运动,传感器接受的新号频率为f将与f0不同,且两者相对运动时,则f>f0;两者相向运动,则f<f0,该现象称多普勒效应.

±u

f=f0[1-(----cosθ)](1-14)C

θ为运动夹角第二节新型敏感材料指能利用物理、化学或生物反应原理做成敏感元件的基本材料。

结晶状态：单晶、多晶、非晶和微晶。电子结构和化学键：金属、陶瓷和聚合物。物理性质：超导体、导体、半导体等。形态：掺杂、微粉、薄膜、块状和纤维等。功能：力敏、压敏、光敏、声敏和磁敏等。一、半导体敏感材料常用且工艺成熟。1.单晶硅具有良好的机械、物理特性，功耗低。常用于固态传感器。如压力、加速度等。2.多晶硅多个单晶硅的聚合物.特点:受力应变灵敏系数低于单晶硅,但温漂小.常用于制造低温漂的力敏传感器.3.非晶体硅特点:可见光吸收系数高、淀积温度低、材料稳定、无压阻效应。常用于生产光传感器、图像、高灵敏度温度、微波功率和触觉传感器。4.硅蓝宝石将硅衬底在蓝宝石上,绝缘性、机械强度和化学稳定性优良。常用于生产耐环境适应性的传感器。5.化合物半导体材料用于长波红外图像传感器.二、光导纤维光纤在受到环境因素的影响时（压力、温度、电磁场等），将影响在光纤中传输的光波某些物理量(光强、相位、频率、偏振态）的变化，依次生产出光纤传感器。纤芯，α

，n1包层，n2保护层，n3θ<θcN1>n2数值孔径:NA=SINθn12-n22(1-19)NAθ

全反射条件:n1>n2且θ<θc光波相位变化2π

整数被形成的驻波光线称为“模”.

某一光纤传输模的总数ν=2πrNA/λ(1-20)依据式(1-20),分单模光纤和多模光纤.光纤芯<6um;折射率0.005时,只传基模光波:Ex和Ey.ex=Ax(x,y)ej(ωt-βxz)

ey=Ay(x,y)ej(ωt-βyz)(1-21)单模光纤输出光波特性:βx=βy;两种模等速传播

Ax=Ay;椭圆偏振光若|βx-βy|=mπ(m=0,1,2,…)线偏振光若|βx-βy|=(m+1/2)π(m=0,1,2,…)

圆偏振光用于传感技术的特殊光纤—保偏光纤如:输入Ey模的线偏振光,在干扰下会产生Ex,功率变换比例:

η=|ex|2/|ey|2=tanh(KL/Δβm)(1-23)K-常数；L-长度；m-干扰常数（4，6，8）为保偏振面状态不变,应加大Δβ,实际中大于3000rad/m较好.三、高分子材料分子骨格几乎都由强化学键（σ）构成。特点：非晶结构；绝缘。可做电导性敏感材料：1.压电效应如:PVDF薄膜做人工仿生皮肤，受外力或变形时，极化表面产生一定电荷。2.释电效应当薄膜吸热温度升高时,使极化表面产生电荷,在材料的两端产生电压.此外,还可做光电材料.四、石英晶体水晶（SiO2)：压电效应。电绝缘离子型晶体电解质材料。X-电轴；Y-机械轴；Z-光轴第三节新加工工艺实现新传感器技术的手段一、薄膜加工工艺主要有蒸发、溅射和化学气相淀积。1.蒸发条件：真空度1.33X10-2Pa以下，加热蒸发材料。特点：对金属，非金属和热稳定性好的化合物，制作的膜纯度极高。2.溅射条件:真空;数KV的电压。特点：1）设备复杂；成膜时间长。

2）制作高熔点材料的膜；膜与基片附着力好。方法：阴极溅射、反应溅射、射频溅射、等离子溅射、磁控溅射等。原理如下图1-13。3.化学气相淀积(CVD)

使用加热、等离子和紫外线等各种能源，使气体物质经化学反应形成固态物质淀积在衬底上的方法。常用设备：反应气体输入部分；反应激活能源供给部分和气体排出部分。特点：气体工艺。4.分子束外延(MBE)利用分子束在单晶衬底上生长单晶层的外延方法。特点：1）新工艺，边生产，边分析、控制。

2）超真空条件下，制膜超纯。

3）生长速度低，成品率高。二、光学曝光微加工工艺通过具有一定图形的掩模板在硅片上进行光学腐蚀。接触式：设备简单，造价低，分辨率高。但成品率低，目前不使用。目前使用接近式和投影式。投影曝光分两种：1.反射式等比例曝光优点:无光学像差,成像清晰.缺点:高分辨率难实现.2.透射式缩小曝光优点:图形分辨率高缺点:设备昂贵,曝光效率低三、激光精细加工直接写入，低温处理1.激光辅助气相淀积2.激光辅助固相淀积3.激光辅助液相淀积4.激光退火5.激光辅助化学掺杂以上方法目前大多用于集成电路,光电器件等生产工艺上.四、光纤制造技术包括三个制造工艺1.预制超纯石英玻璃光纤棒—化学气相沉积法. 1)管内沉积法(MCVD)直径10mm，长500~1000mm,拉125µm,长5~8km.2）外附法用高折射率的实心玻璃棒做支撑体，在玻璃棒上沉积低折射率的材料。特点：易制成大型预制棒（可拉200km)。

控制难度略大。2.光纤拉丝及一次涂覆拉成标准丝—125µm，并涂第一层