传感器工程传感器技术基础精.ppt

传感器工程传感器技术基础第1页，本讲稿共105页一、光电效应一、光电效应二、电光效应二、电光效应三、磁光效应三、磁光效应四、磁电效应四、磁电效应五、热电效应五、热电效应六、热磁效应六、热磁效应七、压电效应七、压电效应八、压阻效应八、压阻效应九、压磁效应九、压磁效应十、约瑟夫逊效应十、约瑟夫逊效应十一、光相关效应十一、光相关效应十二、声波相关效应十二、声波相关效应十三、射线相关效应十三、射线相关效应十四、击波动态效应十四、击波动态效应十五、半导体面效应十五、半导体面效应十六、化学相关效应十六、化学相关效应主要传感器基于的物理效应及使用的材料主要传感器基于的物理效应及使用的材料第2页，本讲稿共105页检测对象类型所 利 用的效应输出信号传感器或敏感元件举例主要材料光量子型光电导效应电阻光敏电阻可 见 光：CdS，CdSe红外：PbS，InSb光生伏特效应电 流、电压光敏二极管、光敏三极管、光电池Si，Ge，lnSb(红外)肖特基光敏二极管Pt-Si光电子发射效应电流光电管、光电倍增管Ag-O-Cs，Cs-Sb约瑟夫逊效应电压红外传感器超导体热型热释电效应电荷红外传感器、红外摄像管BaTiO3主要传感器基于的物理效应及使用的材料。主要传感器基于的物理效应及使用的材料。第3页，本讲稿共105页机械量电阻式电阻应变效应电阻金属应变片康铜，卡玛合金压阻效应硅杯式扩散型压力传感器、半导体应变片Si，Ge，Gap，InSb压电式压电效应电压压电元件石英，压电陶瓷，PVDF正、逆压电效应频率声表面波传感器石英，ZnO十Si压 磁式压磁效应感抗压磁元件；力、扭矩、转矩传感器硅钢片，铁氧体，坡莫合金磁 电式霍耳效应电压霍耳元件；力、压力、位移传感器Si，Ge，GaAs，InAs光电式光电效应各种光电器件；位移、振动、转速传感器(参见光传感器)光弹性效应折射率压力、振动传感器件第4页，本讲稿共105页温度热电式热电效应电压热电偶Pt-PtRhl0 NiCrNiCuFe-NiCu约瑟夫逊效应噪 声电压绝对温度计超导体热释电效应电荷驻极体温敏元件PbTi03，PVF2TGS，LiTaO压电式正、逆压电效应频率声表面波温度传感器石英热型 热磁效应电场Nernst红外探测器热敏铁氧体，磁钢第5页，本讲稿共105页磁磁 电式霍耳效应电压霍耳元件Si，Ge，GaAs，InAs霍耳IC、MOS霍耳Si磁阻效应电阻磁阻元件NiCo合 金，InSbInAs电流pin二极管、磁敏晶体管Ge约瑟夫逊效应电流超导量子干涉器件(SQUID)Pb，Sn，NbTi光 电式磁光法拉第效应偏振光面偏转光纤传感器YIG，EuO，MnB磁光克尔效应MnBi放射线光 电式放射线效应光强光纤射线传感器加钛石英量 子型PN结光生伏特效应电脉冲射线敏二极管，pin二极管Si，Ge，渗 Li的 Ge，Si肖特基效应电流肖特基二极管AuSi第6页，本讲稿共105页一、光电效应photoelectriceffect可制作各种光电器件，位移，振动，转速传感器物质在光的作用下释放电子的现象称为光电效应。被释放的电子称为光电子，光电子在外电场中运动电流称为光电流。第7页，本讲稿共105页外光电效应externalphotoelectriceffect可制作光电管、光电倍增管传感器外光电效应是指在光的照射下，物体内的光电子逸出金属表面的现象。1887年由德国人赫兹发现。光电流光强光电流光频1122AB强光弱光第8页，本讲稿共105页面效应surfaceeffect指物质在光的作用下释放光电子，光电子在金属表面形成。体效应bulkeffect指物质在光的作用下释放光电子，光电子在金属表面较深处形成。第9页，本讲稿共105页内光电效应internalphotoelectriceffect受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的效应叫内光电效应。第10页，本讲稿共105页光（电）导效应photo-conductiveeffect可制作光敏电阻（光电导管）传感器物体受到光照时，其内部原子释放的电子留在内部而使物体的导电性增加、电阻值下降的现象称为光电导效应。绝大多数高电阻率半导体都具有光电导效应。禁带价带导带真空能级能量第11页，本讲稿共105页光生伏特效应photoproductionvoltaeffect可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器物体（如半导体）在光的照射下能产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。殿巴效应光电磁效应Pn结效应贝克勒效应第12页，本讲稿共105页侧向光生伏特效应（殿巴效应）laterogenephotoproductionvoltaeffect（Dembereffect）可制作半导体位置敏感器件（反转光敏二极管）当半导体光电器件的光灵敏面受光照不均匀时，由载流子浓度梯度而产生的光电效应称为侧向光生伏特效应。光照半导体光光V第13页，本讲稿共105页光电磁效应（PME效应）opticmagnetoelectriceffect（PMEeffect）半导体受强光照射并在光照垂直方向外加磁场时，垂直于光和磁场的半导体两端面间产生电势的现象称为光电磁效应。光照半导体B光BFF光VB第14页，本讲稿共105页PN结光生伏特效应PNjunctionphotoproductionvoltaeffect可制作光电池、光敏二极管和光敏三极管传感器光照射到距表面很近的半导体PN结时，PN结及附近半导体吸收光能。若光子能量大于禁带宽度，则价带电子跃迁到导带成为自由电子，价带成为自由空穴。电子空穴对在PN结内部电场作用下，电子移向N区外侧，空穴移向P区外侧，结果P区带正电，N区带负电，形成光电动势。PN结光生电流与入射光照度成正比，光生伏特与照度对数成正比。第15页，本讲稿共105页贝克勒效应Becquereleffect可制作感光电池传感器当光照射浸在电解液中的两个相同电极中的任一个电极时，在两个电极间将产生电势的现象称为贝克勒Becquerel效应。它是液体中的光生伏特效应。电极V电解液光第16页，本讲稿共105页二、电光效应electro-opticaleffect可制作光导纤维传感器物质的光学特性（如折射率）受外电场影响而发生变化的现象统称为电光效应。第17页，本讲稿共105页线性电光效应（泡克尔斯效应）linearelectro-opticeffect（Pockelseffect）可制作电光调制器、电光开关、光纤电压、电场传感器入射光异常光正常光V压电晶体电极平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时，发生双折射现象（称为电致双折射），且两个主折射率之差与外电场强度成正比，这种电光效应称为线性电光效应，也称泡克耳斯效应。它属于对材料折射率进行调制的效应。第18页，本讲稿共105页平方电光效应（电光克尔效应）quadraticelectro-opticeffect（electro-opticKerreffect）可制作光导纤维传感器光照射具有各向同性的透明物质（也可以是液体），在与入射光垂直的方向上加以高电压将发生双折射现象，即一束入射光变成正常（寻常）和异常（非常）两束出射光，称这种现象为电光克尔效应，亦称平方电光效应。两个主折射率之差与电场强度的平方成正比。入射光异常光正常光V各向同性物质电极第19页，本讲稿共105页光弹性效应photoelasticeffect可制作压力传感器、振动传感器、声传感器当外力或振动作用于弹性体产生应变时，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质，这种现象称为光弹性效应。属于对材料折射率进行调制的效应。第20页，本讲稿共105页电致发光效应electroluminescenceeffect可制作发光二极管、半导体激光器传感器某些固态晶体如高纯度Ge、Si等化合物半导体在光和外加电场作用下发出冷光（指荧光和磷光）的现象，以及某些固态晶体如GaP、InP、GaAs等无需外加激发光而在外加电场作用下即可发光的现象统称为电致发光效应。古亭鲍鲁(GuddenPonl)效应底歇(Dechene)效应底斯特里奥(Destriau)效应第21页，本讲稿共105页古亭鲍鲁(GuddenPonl)效应及底歇(Dechene)效应固态晶体在光线照射下的受激时间内可发出荧光，并且，其荧光强度受如图所示的外加电场影响颇大。当闭合开关s将电压v加在晶体两侧时，在电场作用下荧光被加强或被削弱，这种现象称为电致发光现象。1920年古亭鲍鲁氏首先发现这一现象，故以其名命之。电光致发冷光有荧光及磷光两种。荧光是在外部激发光存在时间内发出的光，磷光是外部激发光消失之后仍继续发出的荧光。磷光发光机理比较复杂，它是在某种积蓄激发能量作用之下发光的现象。受电场影响荧光强度加强时称古亭鲍鲁效应，减弱时称底歇效应。电光致发光的机理是半导体内电子与空穴复合而释放能量的过程。常见的电光致发光材料有纯度极高的Ge、Si及GaAs等化合物半导体等。s荧光激发光v第22页，本讲稿共105页底斯特里奥底斯特里奥(Destriau)效应效应 1936年底斯特里奥氏发现：硫化锌粉末被铜激活之后，只要年底斯特里奥氏发现：硫化锌粉末被铜激活之后，只要加强外加电场强度而无需外加照射激发光，材料即可发光。这种加强外加电场强度而无需外加照射激发光，材料即可发光。这种现象称为底斯特里奥效应现象称为底斯特里奥效应 显然，底斯特里奥效应已属电致发光。该效应的特点是发光显然，底斯特里奥效应已属电致发光。该效应的特点是发光母体材料内必须掺加某种少量杂质。此杂质起激活作用，故称为母体材料内必须掺加某种少量杂质。此杂质起激活作用，故称为激活剂。本例中的铜即为发光母体材料硫化锌的激活剂。激活剂。本例中的铜即为发光母体材料硫化锌的激活剂。底斯特里奥效应以及其后的罗捷夫底斯特里奥效应以及其后的罗捷夫(Lossev)效应的共同特点是效应的共同特点是不需外加激发光，只需将电场加于固态晶体即可发光，因此统称不需外加激发光，只需将电场加于固态晶体即可发光，因此统称它们为电它们为电(场场)致发光现象或电致发光效应，简称为致发光现象或电致发光效应，简称为EL效应。用效应。用罗捷夫效应的原理已制成发光二极管和半导体激光器。与罗捷夫罗捷夫效应的原理已制成发光二极管和半导体激光器。与罗捷夫效应相比，底斯特里奥效应不需注入载流子效应相比，底斯特里奥效应不需注入载流子即可发光，因此，更确切地说，应称底斯即可发光，因此，更确切地说，应称底斯特里奥效应的发光为本征发光。所以，一特里奥效应的发光为本征发光。所以，一般称般称El效应时，如不特殊说明，应是指底效应时，如不特殊说明，应是指底斯特里奥效应。斯特里奥效应。金属电极玻璃片透明导电膜ZnS-Cu发光第23页，本讲稿共105页三、磁光效应三、磁光效应 magneto-optic effect 可制作光纤传感器可制作光纤传感器 置于外磁场中的物体，在光和外磁场作用置于外磁场中的物体，在光和外磁场作用下，其光学特性（如吸光特性，折射率等）下，其光学特性（如吸光特性，折射率等）发生变化的现象称为磁光效应。发生变化的现象称为磁光效应。第24页，本讲稿共105页磁光法拉第效应Faradayeffect可制作光纤传感器平面偏振光（即直线偏振光）通过带磁性的透光物体或通过在纵向磁场（磁场方向与光传播方向平行）作用下的非旋光性物质时，其偏振光面发生偏转的现象称为磁光法拉第效应。它是由于磁场作用使直线偏振光分解成传播速度各异的左旋和右旋两圆偏振光，因此从物体端面出射的合成偏振光将发生偏转。其中，偏振光面偏转的角度与磁场强度、光在物体中通过的长度成正比。=VeL H第25页，本讲稿共105页磁光克尔效应magneto-opticKerreffect可制作光纤传感器平面偏振光垂直入射于抛光的强电磁铁的磁极表面，所产生的反射光是一束椭圆偏振光，且偏振面偏转角度随磁场强度而变化，这种现象称为磁光克尔效应。入射光ISN出射光IXXY第26页，本讲稿共105页科顿科顿-蒙顿效应蒙顿效应Cotton-mouton effect 当光线垂直于磁场的方向照射液体（如硝基当光线垂直于磁场的方向照射液体（如硝基苯等芳香族化合物）时，液体分子在外磁场的作苯等芳香族化合物）时，液体分子在外磁场的作用下形成一定规律的排列，而呈现双折射特性，用下形成一定规律的排列，而呈现双折射特性，即一束入射光变为寻常和非常两束出射光，这种即一束入射光变为寻常和非常两束出射光，这种现象称为科顿现象称为科顿-蒙顿效应。蒙顿效应。它属于磁致双折它属于磁致双折射效应。其中，两主射效应。其中，两主折射率之差与光波波折射率之差与光波波长与磁场强度的平方长与磁场强度的平方的积成正比。的积成正比。入射光异常光正常光硝基苯物质NS第27页，本讲稿共105页四、磁电效应magnetoelectriceffect将材质均匀的金属或半导体通电并置于磁场中产生各种物理变化，这些变化统称为磁电效应。第28页，本讲稿共105页霍尔效应Halleffect可制作霍尔元件，接近开关，位置位移传感器，转速传感器等传感器当电流垂直于外磁场方向通过导体或半导体薄当电流垂直于外磁场方向通过导体或半导体薄片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间产生电位差的现象，称为霍耳效应。所产生的电间产生电位差的现象，称为霍耳效应。所产生的电位差称为霍尔电势，它是由于运动载流子受到洛仑位差称为霍尔电势，它是由于运动载流子受到洛仑兹力而在薄片两侧形成电子、正电荷的积累所致。兹力而在薄片两侧形成电子、正电荷的积累所致。VH=KH I B Cos第29页，本讲稿共105页磁阻效应magnetoresistanceeffect可制作磁阻传感器，磁编码器，角度传感器当通电流的半导体或金属薄片置于与电流垂直或平行的外磁场中，其电阻随外加磁场变化而变化的现象称为磁阻效应。物理磁阻效应physicalmagneto-resistanceeffect与半导体自身材料性质有关的磁阻效应称为物理磁阻效应。形状磁阻效应强制磁阻效应定向磁阻效应第30页，本讲稿共105页形状磁阻效应shape-relatedmagneto-resistanceeffect与半导体形状结构有关的磁阻效应称为形状磁阻效应。强制磁阻效应enforcedmagneto-resistanceeffect在强磁场中，强磁性金属的电阻率随磁场增强而减小的物理现象称为强制磁阻效应。第31页，本讲稿共105页定向磁阻效应directionalmagneto-resistanceeffect在弱磁场中，当磁场强度大于某一值时，强磁性金属的电阻率与磁场强度的大小无关，只与磁场的方向和电流方向之间的夹角有关，即磁阻具有各向异性，称为定向磁阻效应。/=0.273 Sin2(H B)2第32页，本讲稿共105页耶秦古豪森效应Ettinghauseneffect如图，金属片通以通以电流I，在与其相垂直的方向上加以磁场H，这时，与I、H成直角的方向上将产生T T/y的温度梯度。这种现象称为耶秦古豪森效应。HIT/y IHxyzT/y=p H I第33页，本讲稿共105页五、热电效应thermoelectriceffect可制作热电偶传感器是指温差信号与电量信号之间相互转换的各种物理效应的统称。一般情况下，热电效应通常指塞贝克Seebeck效应或温差电效应。第34页，本讲稿共105页珀尔帖效应Peltiereffect可制作用于控制半导体激光器温度的制冷器传感器当电流流过两种导体组成的闭合回路时，一结点处变热（吸热），另一结点处变冷（放热），或当电流以不同方向通过金属与半导体相接触处时，其接触处或发热或吸热，这种现象叫珀尔帖效应。第35页，本讲稿共105页汤姆逊效应Thomsoneffect同一种金属组成闭合回路，保持回路两侧为一定温度差，并通以电流时，回路的温度转折处将产生比例于温度与电流之积的吸热或发热，这种现象称为汤姆逊效应。第36页，本讲稿共105页塞贝克效应（温差电效应）Seebeckeffect(thermoelectriceffect)可制作热电偶传感器两种不同的金属串接成闭合电路，当它们的两个结点处于不同温度时，则在回路内有电流产生，亦即两结点间产生电动势，这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克Seebeck效应（温差电效应），一般习惯上也称为热电效应。第37页，本讲稿共105页热释电效应pyroelectriceffect可制作红外探测器、温度传感器、热成像器件传感器电石、酒石酸钾钠（罗谢耳盐）、钛酸钡等高介电常数晶体材料受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自发极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。产生的电荷量与晶体受热表面积和温度成正比。第38页，本讲稿共105页六、热磁效应thermomagneticeffect均匀材质的金属两端存在温度差时，其间必然有热量的流动（热流），若在与热流方向相垂直的方向上加以磁场则会产生出种种物理现象。统称热与磁间的诸现象为热磁效应。第39页，本讲稿共105页横向能斯脱效应transverseNeresteffect若在x轴方向存在某热流，并在太阳能传感器轴方向加以磁场，则在y轴方向会有电场产生。因电场方向与热流方向相垂直，故称此现象为横向能斯脱效应。电场强度大小等于横向能斯脱系数乘磁场强度乘金属温度梯度（即热流），方向相反。第40页，本讲稿共105页纵向能斯脱效应（电气纵向效应）longitudinalNeresteffect（longitudinalelectricaleffect）若在x轴方向上存在某一热流，并在太阳能传感器轴方向加以磁场，则与热流相同方向上将产生电场，因为电场与热充方向一致，故称其为纵向能斯脱效应或称电气纵向效应。电场强度大小等于纵向能斯脱系数乘磁场强度乘金属温度梯度（即热流），方向相反。第41页，本讲稿共105页热磁横向效应（里纪热磁横向效应（里纪-勒杜克效应）勒杜克效应）transverse thermomagnetic effect（Righi-Leduc effect)若在若在x 轴方向上存在某一热流，并在太阳能传感器轴轴方向上存在某一热流，并在太阳能传感器轴方向上加磁场，则方向上加磁场，则y 轴方向上将有温度梯度（即热流）发轴方向上将有温度梯度（即热流）发生，此现象即为热磁横向效应，也称里纪生，此现象即为热磁横向效应，也称里纪勒杜克效应。勒杜克效应。Y 方向上温度梯度的大小等于里纪方向上温度梯度的大小等于里纪-勒杜克系数乘勒杜克系数乘磁场强度乘磁场强度乘X 方向上金属温度梯度（即热流），方向相方向上金属温度梯度（即热流），方向相同。同。第42页，本讲稿共105页热磁纵向效应longitudinalthermomagneticeffect若在若在x 轴方向上存在某一热流，并在太阳能轴方向上存在某一热流，并在太阳能传感器轴方向上加以磁场，如果在原有热流方传感器轴方向上加以磁场，如果在原有热流方向产生新的热流向产生新的热流温度梯度，现象称为热磁纵温度梯度，现象称为热磁纵向效应。它表明，与热流方向相垂直的外磁场向效应。它表明，与热流方向相垂直的外磁场可以改变热流大小。其中新产生的温度梯度可以改变热流大小。其中新产生的温度梯度（热流）等于热磁纵向效应系数乘磁场强度乘（热流）等于热磁纵向效应系数乘磁场强度乘X 方向上金属温度梯度，方向相同。方向上金属温度梯度，方向相同。第43页，本讲稿共105页七、压电效应piezoelectriceffect可制作力、压力、振动、加速度传感器，超声波探头、声表面波（SAW）传感器、陀螺传感器它是指某些介质在施加外力造成本体变形而产生带电状态或施加电场而产生变形的双向物理现象，是正压电效应和逆压电效应的总称，一般习惯上压电效应指正压电效应。第44页，本讲稿共105页正压电效应positivepiezodielectriceffect可制作压电式力、压力、振动、加速度传感器，压电超声波探头，压电声表面波SAW传感器，压电陀螺传感器当某些电介质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生异号电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。其中电荷大小与外力大小成正比，极性取决于变形是压缩还是伸长，比例系数为压电常数，它与形变方向有关，固定材料的确定方向上为常量。它属于将机械能转化为电能的一种效应。第45页，本讲稿共105页纵向压电效应longitudinalpiezoelectriceffect正压电效应中，如果所生成的电位差方向与压力或拉力方向一致，即为纵向压电效应。第46页，本讲稿共105页横向压电效应transversepiezoelectriceffect正压电效应中，如所生成的电位差方向与压力或拉力方向垂直时，即为横向压电效应。第47页，本讲稿共105页切向压电效应tangentialpiezoelectriceffect在正压电效应中，如果在一定的方向上施加的是切应力，而在某方向上会生成电位差，则称为切向压电效应。第48页，本讲稿共105页逆压电效应reversepiezodielectriceffect可制作超声波发生器，声发射传感器，压电扬声器，晶振传感器当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应，其应变的大小与电场强度的大小成正比，方向随电场方向变化而变化。它属于将电能转化为机械能的一种效应。第49页，本讲稿共105页八、压阻效应piezoresistiveeffect可制作压阻式压力、加速度、重量、应变、拉力、流量、真空度传感器半导体材料受到外力或应力作用时，其电阻率发生变化的现象称为压阻效应。其中，电阻（或电阻率）的相对变化率等于沿某晶向的压阻系数与沿该晶向应力的积，即等于压阻系数乘应变乘材料的弹性模量。所以压阻效应与材料类型，晶体取向，掺杂浓度及温度直接相关。第50页，本讲稿共105页电致伸缩效应electrostrictioneffect电介质在电场的作用下会由于极化的变化而引起形变，若形变与电场方向无关，这个现象就称为电致效应，其应变的大小与电场强度的平方成正比，方向与电场方向无关。这种效应属于将电量转化为机械量的一种效应。第51页，本讲稿共105页磁致伸缩效应magnetostrictioneffect可制作可制成电声器件、超声波发生器、光纤式传感器是指某些铁磁体、合金及铁氧体，其磁场与机械变形相互转换的种种现象称为磁致伸缩效应。一般说磁致伸缩效应即指正向的磁致伸缩效应。第52页，本讲稿共105页正磁致伸缩效应（焦耳效应）positivemagnetostriction(Jouleeffect)可制作电声器件、超声波发生器、光纤式传感器（调制单模光纤长度）传感器某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体在外磁场作用下产生机械变形的现象称为磁致伸缩效应，即正向磁致伸缩效应，也称焦耳效应，一般长度的变化发生在与外磁场相同的方向上，变化量不大。第53页，本讲稿共105页九、压磁效应（逆磁致伸缩效应）piezo-magneticeffect（reversemagnetostrictioneffect）可制作压磁式力、压力、力矩、重量传感器磁致伸缩材料在外力（或应力、应变）作用下，引起内部发生形变，产生应力，使各磁畴之间的界限发生移动，磁畴磁化强度矢量转动，从而使材料的磁化强度和磁导率发生相应的变化。这种由于应力使磁性材料性质变化的现象称为压磁效应，也称逆磁致伸缩效应。第54页，本讲稿共105页威德曼效应Wiedemaneffect可制作扭矩传感器、力传感器给铁磁杆同时施加纵向磁场和环形磁场（即通以纵向电流时），杆件除长度发生变化外，还同时产生扭曲现象称为威德曼效应。它是磁致伸缩疚的一个特例。当给铁磁杆通以纵向电流时（置于环状磁场中），并使杆件拉伸、压缩或扭曲，则会产生纵向磁化现象，在杆的圆周方向上的线圈内会有电流产生，此种由于杆件扭曲或受到纵向力而产生输出电压的现象称为逆威德曼效应。第55页，本讲稿共105页逆威德曼效应reverseWiedemaneffect可制作扭矩、力传感器当给铁磁杆通以纵向电流（即置于环状磁场中），并使其拉伸（或压缩）或扭曲时，会产生纵向磁化的现象称为逆威德曼效应。第56页，本讲稿共105页隧道效应tunneleffect是指在两金属片之间夹有极度薄（约为10毫微米）的绝缘层（如氧化膜），当两端施加直流电压时，回路就有电流产生，即有电流通过绝缘层，这种现象称为隧道效应。十、约瑟夫逊效应第57页，本讲稿共105页超导体隧道效应（约瑟夫逊效应）superconductertunneleffect（Josephsoneffect）可制作红外传感器，绝对温度计，超导量子干涉器件SQUID传感器约瑟夫效应是超导体的一种量子干涉效应。在两块超导体之间放置厚度极薄的绝缘层（10毫微米），组成约瑟夫结或称超导隧道结。由于绝缘层厚度远比超导电子相干长度（可达10微米)小得多，所以绝缘层两侧超导电子间就会发生耦合，呈现出超导电流的量子干涉现象，即约瑟夫逊效应。第58页，本讲稿共105页直流约瑟夫逊效应DCJosephsoneffect可制作超导量子干涉器件SQUID、测量如人体心脏和脑活动所产生的微小磁场变化传感器约瑟夫逊结在不外加电压或磁场时，有直流电流通过绝缘层，即超导电流能无阻地通过极度薄的绝缘层，这种现象称为直流约瑟夫逊效应。第59页，本讲稿共105页交流约瑟夫逊效应ACJosephsoneffect约瑟夫逊结能够吸收和发射电磁波的现象，统称为交流约瑟夫逊效应。加直流电压辐射电磁波DCvoltageappliedandelectromagneticwaveoutput-(可制作VF变换器传感器）给约瑟夫逊结加直流电压时，约瑟夫逊结会产生频率与所加电压成正比的高频超导电流（比例系数为2倍电子电荷量/普朗克常数），并向外辐射电磁波。第60页，本讲稿共105页加交/直流电压输出直流信号AC/DCvoltageappliedandDCsignaloutput-(可制作量子型高精度高灵敏度（10E-19V）电压传感器、远红外高速高灵敏光传感器、温度传感器）给约瑟夫逊结加直流电压，并施加交流射频电压或用一定频率的电磁波作用于结上，则当由直流电压引起的高频电波频率与外加交流射频电压频率相等，或与外加电磁波频率相等，或是其整数倍时，有直流成分超导电流流过绝缘层，输出直流电压。直流电压与外加电压频率或外作用电磁波频率成正比，比例系数为普朗克常数除电子电荷的商的n/2倍。第61页，本讲稿共105页核磁共振nuclearmagneticresonance可制作磁传感器，超精密温度传感器是一种与物质磁性和磁场有关的共振现象。磁性物质内具有磁矩的粒子在直流磁场的作用下，其能级将发生裂变，当能级间的能量差正好与外加交变磁场（垂直于直流磁场）的量子值相同时，物质将强烈吸收交变磁场的能量并产生共振，即磁共振，其本质也是一种能级间跃迁的量子效应。磁共振与物质磁性有密切关系，当磁矩来源于顺磁物质原子中的原子核时，则称这种磁共振为核磁共振。第62页，本讲稿共105页十一、光相关效应opticsrelatedeffect由光的各种特性变化引起的物理现象统称为光相关效应。第63页，本讲稿共105页光多普勒效应opticalDopplereffect可制作速度、流速、流量传感器，如光纤式血液流速传感器、激光多普勒超低速（1cm/h）传感器、超音测量传感器当光波源和观察者（光接收器）有相对运动时，观察者所接收到的光波频率不同于光波源的频率，两者相接近时，接收到的频率增大，反之，则减小，这种现象称为光的多普勒效应。由于多普勒效应而引起的频率变化数值称为多普勒频移。其中，反射光频率变化与运动物体的速度及入射光与物体运动方向的夹角的余弦值成正比，与媒质中光波长成反比，比例系数为2。第64页，本讲稿共105页萨古纳克效应Sagnaceffect可制作环形激光陀螺、光纤陀螺传感器同一光源同一光路，两束对向传播光之间的光程差或相位差与其光学系统相对于惯性空间旋转的角速度成正比的现象，称为萨古纳克效应。这种效应与光的媒质无关。第65页，本讲稿共105页喇曼效应Ramaneffect若用非干涉的单色平行光源照射某些气体、液体或固体时，可以观察到原来光源所不包含的光谱，这一现象称为喇曼效应。新生的光谱线为喇曼线。它是非干涉入射光源与光学量子相结合的产物。第66页，本讲稿共105页派生喇曼效应derivedRamaneffect用干涉性强激光光源照射硝基苯等喇曼活性物质时，能够产生出多种偏离原来入射光波长的激光，这种现象称为派生喇曼效应。第67页，本讲稿共105页布里渊效应Brillouineffect用非干涉光（自然光）照射某些物质时，从该物质上散射出与入射光波偏离极小的非干涉光，这一现象称为布里渊效应。第68页，本讲稿共105页派生布里渊效应derivedBrillouineffect用大功率激光照射丙酮、四氯化碳等物质时，将会从这些物质散射出与入射激光波长偏离极小的激光，这种现象称为派生布里渊效应。第69页，本讲稿共105页十二、声波相关效应acousticwaverelatedeffect这里将由声波的各种特性变化引起的物理现象统称为声波相关效应第70页，本讲稿共105页声多普勒效应acousticDopplereffect可制作超声流速计传感器当声源和观察者（或声接收器）在连续介质中有相对运动时，观察者接收到的声波频率与声源发生的频率不同，两者靠近时频率升高，远离时频率降低，这种现象称为声音的多普勒效应。第71页，本讲稿共105页声电效应acousto-electriceffect可制作超声信号放大器、声电振荡器传感器在半导体中，超声（或声子）与自由载流子（电子或空穴）相互作用所产生的多种物理效应，如声波的衰减或放大（声子的吸收或发射），大振幅超声对半导体电压电流特性的影响等，统称为声电效应。第72页，本讲稿共105页声光效应acousto-opticeffect可制作声光偏转器、光调制器、声光Q开关、光纤式声传感器某些介质在声波作用下，其光学特性（如折射率）发生改变的现象称为声光效应。其中超声波的声光效应尤为显著，当光通过处在超声波作用下的透明物质时会产生衍射现象，光束发生偏转、频移和强度变化。当超声波频率较低时时，会产生多级衍射光谱，即喇曼-纳斯（Raman-Nath）衍射。外加超声波频率较高时，会产生强的一级衍射光。第73页，本讲稿共105页声磁效应（磁声效应）acousto-magneticeffect（magneto-acousticeffect）当存在外磁时，金属对于超声波的吸收系数大幅度增加，这种现象称为声磁效应或磁声效应。第74页，本讲稿共105页德.哈斯-板.阿尔芬效应DeHaass-VanAlpheneffect在外磁场作用下，金属吸收电磁波，由于磁场作用下的电子密度将被束缚而量子化，故其在费米能级上的数量将因磁场强度的不同而产生周而复始的增减。为此，金属对于超声波的吸收系数必然表现出周期性变化的规律，这种现象称为德.哈斯-板.阿尔芬效应第75页，本讲稿共105页碰撞-阻尼效应impact-dampingeffect当超声波在金属内通过的时候，金属内的电子能量状态不再是晶格静止时的费米分布状态，而是电子随时都力图偏离该时刻的离子速度的费米分布，这种现象称为碰撞-阻尼效应。碰撞-阻尼效应是金属吸收超声波时呈现的效应之一，金属的电导率越高，吸收声波的能力越强，效果越好。第76页，本讲稿共105页E效应Eeffect将强磁体置于磁场中，当磁畴壁产生移动时，其杨氏模量较磁畴壁不发生移动时减少，这种现象称为E效应。第77页，本讲稿共105页遮掩效应blanketingeffect当同时存在强度相异的两种声响时，弱音被强音所遮掩的现象称为遮掩效应，其原因是杂音减低人耳灵敏度所致。实验表明，被遮掩信号频率越接近遮掩信号频率，则遮掩效应越明显。同时低于遮掩信号频率的被测信号易于产生遮掩效应。第78页，本讲稿共105页衍射效应diffractioneffect当有压力敏元器件置于具有特定声压的声场时，声压会因这些物体的存在而改变，这种现象为声音的衍射效应。改变后的声压正比于衍射系数和原声压的积。其中衍射系数与敏感器件的形状、大小、声波方向有关。第79页，本讲稿共105页十三、射线相关效应rayrelatedeffect可制作光纤放射线传感器物质被放射线照射后，其某些特性（如折射率）发生变化的现象，统称为放射线效应。第80页，本讲稿共105页俄歇效应Augereffect当气体（如惰性气体）受到放射线（如X射线、射线）照射时，由一个气体原子可以发射几个电子，而且这些电子的动能与入射的射线频率（也即能量）无关，仅与被照射气体的原子种类有关，这种现象称为俄歇效应。俄歇效应所发射的电子称为俄歇电子。第81页，本讲稿共105页吸收效应Absorptioneffect某些能吸收高能电子束的物质，当用高能电子束聚集照射时，在放射出特性X射线（物质所特有的X射线或称为荧光X射线）的同时，自身还吸收这些特性X射线，其吸收量的大小取决于同时存在的元素种类、浓度、入射电子束能量以及特性X射线的射出角度等因素，这种现象称为吸收效应。第82页，本讲稿共105页原子序号效应atomicnumbereffect某些物质能把入射的电子束能量转换成X射线能量并发射出去，而且这种能量转换的比例取决于物质原子序号和电子束能量，这种物理现象称为原子序号效应。第83页，本讲稿共105页强化效应由于放射线照射而产生某些物质严重晶格缺陷的现象称为强化效应。强化效应对于核反应堆结构材料、核燃料以及被覆材料有较大的破坏性影响，故应尽量避免和设法减弱它。第84页，本讲稿共105页纬度效应latitudeeffect宇宙线强度因纬度不同而有所变化，且距赤道越近其强度越低。称此现象为宇宙线纬度效应。此效应为1927年荷人古列依氏发现。第85页，本讲稿共105页射线光电效应-rayphotoelectriceffect某些物质在射线照射下，物质中原子与射线的光子相互作用，使原子的某一束缚电子被发射出去，所发射的电子称为光电子，这种现象称为射线的光电效应。这种效应截面随光子能量增大而减小，随吸收物质原子序数增大而迅速增大。第86页，本讲稿共105页康普顿效应ComptoneffectX射线、射线等短波长的电磁辐射通过原子序数较低的元素时，被元素散射的射线波长除一部分保持原值外，还有一部分将发生改变，这种现象称为康普顿效应，或称康普顿散射。原子序数小于10的各种元素以及重元素用高能量光子入射时康普顿效应明显。其中，所改变的波长的大小与入射射线的波长无关，只取决于入射角。第87页，本讲稿共105页十四、击波动态效应attackwavedymaticeffect击波（如冲击波）通过某些物质时所引起的物理现象统称为击波动态效应。第88页，本讲稿共105页动态电学效应dynamicelectricseffect可制作瞬态压力传感器击波在物质中通过时引起物质的电导率改变，或引起某些电介质的极化（即相对面上产生电荷），或退极化（如极化了的铁电体放出电荷），这种现象称为动态电学效应。第89页，本讲稿共105页动态光学效应dynamicopticeffect击波通过介质时所引起的介质光学特性（如光谱吸收、折射率、双折射、透明度等）变化的现象称为动态光学效应。产生这种现像的原因包括：击波会使介质密度增加，或使吸收光谱改变，或引起化学反应产生透明物，或在介质中产生高温导致光发射等。第90页，本讲稿共105页动态磁学效应dynamicmagneticeffect击波通过介质时，使其居里点改变的现象称为动态磁学效应。因为击波会使介质产生高温高压，而居里点与温度和高压直接相关。第91页，本讲稿共105页十五、半导体表面效应semiconductorsurfaceeffect指半导体在某些外部条件下，其表