新型传感器教学幻灯片.ppt

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1、新型传感器教学第1页，共29页，编辑于2022年，星期六-利用各种物理现象、化学反应、利用各种物理现象、化学反应、生物效应等，是传感器的基本原理。生物效应等，是传感器的基本原理。1.1 新型传感效应新型传感效应第2页，共29页，编辑于2022年，星期六（一）光电效应（一）光电效应 是指物体吸收了是指物体吸收了光能光能后，转换为该物体中某些后，转换为该物体中某些电子电子的能量而产生的能量而产生的的电效应电效应。分为：分为：外外光电效应光电效应内内光电效应光电效应如：阴极管等如：阴极管等光电导效应光电导效应光伏效应光伏效应原理：原理：第3页，共29页，编辑于2022年，星期六1、光电导效应、光电导

2、效应光敏电阻光敏电阻hIpV电极电极电极电极-半导体在光半导体在光辐射辐射作用下，会产生作用下，会产生电子电子-空穴对空穴对，使材，使材料的料的电导率电导率发生变化；发生变化；光线越强，阻值越低光线越强，阻值越低，这种光照射，这种光照射后电导率发生变化的现象称后电导率发生变化的现象称应用：原理：第4页，共29页，编辑于2022年，星期六光电导材料：本征型：h=Eg掺杂型:h =E第5页，共29页，编辑于2022年，星期六典型器件结构：第6页，共29页，编辑于2022年，星期六主要参数主要参数：）暗电阻暗电阻 光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流此

3、时流过的电流称为暗电流。称为暗电流。）亮电阻亮电阻 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电此时流过的电流称为亮电流。流称为亮电流。）光电流光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。第7页，共29页，编辑于2022年，星期六一定光照，一定光照，R一定，一定，I正比于正比于U。基本特性基本特性：1）伏安特性伏安特性：在一定照度下在一定照度下,流过光敏电阻的流过光敏电阻的电流电流与光敏电与光敏电阻两端的阻两端的电压电压的关系的关系第8页，共29页，编辑于2022年，星期六2)光照特性（光照特性（IE）光敏电阻的光照特性为非线性

4、，不宜作检测元件，主要光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。用于自动控制中。一定电压，一定电压，I随着光照随着光照E增强而增大。增强而增大。ERI。1）光敏电阻的光电流与入射光通量之间存在着一定的关系，若两端施加电压）光敏电阻的光电流与入射光通量之间存在着一定的关系，若两端施加电压U，电阻的光电流，电阻的光电流Ip为：为：2）若考虑暗电导）若考虑暗电导gd产生的暗电流产生的暗电流Id，则流过光敏电阻的电流，则流过光敏电阻的电流I为：为：其中，其中，E为入射光的光照度，为入射光的光照度，gp称为光敏电阻的光电导。称为光敏电阻的光电导。Ip=SgUE=gpUI=Ip+Id

5、=gpU+gdUSg称为光电导灵敏度。称为光电导灵敏度。第9页，共29页，编辑于2022年，星期六光光敏敏电电阻阻的的相相对对光光敏敏灵灵敏敏度度与与入入射射波波长长的的关关系系称称为为光光谱谱特特性性。亦亦称为光谱响应。称为光谱响应。不同材料，其峰值波长不同。不同材料，其峰值波长不同。同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。到较高得相对灵敏度。3）光谱特性（光谱特性（Kr%）

6、第10页，共29页，编辑于2022年，星期六应用电路：v1.光照度计光照度计v 农作物日照时数测定。农作物日照时数测定。v 输出接单片机的输出接单片机的I/O口，口，每每2分钟对此口查询分钟对此口查询1次，次，为高电平，计数一次，为为高电平，计数一次，为低电平，不计数。低电平，不计数。1天查天查询询720次。次。v 无光照无光照V0=VL 。v 有光照有光照V0=VH。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。第11页，共29页，编辑于2022年，星期六节电开关第12页，共29页，编辑于2022年，星期六2、PN结光伏效应：结光伏效应：PNhIpI lIDRP

7、N结结-PN结光伏效应这种由光的照射，使结光伏效应这种由光的照射，使 pn 结产生电结产生电动势的现象，叫做光生伏特效应动势的现象，叫做光生伏特效应.应用应用原理第13页，共29页，编辑于2022年，星期六光敏二极管的基本特性光敏二极管的基本特性v1）光谱特性）光谱特性v 在入射度一定时，在入射度一定时，输出的输出的光电流光电流（或相或相对灵敏度）对灵敏度）随光波随光波波波长长的变化而变化。的变化而变化。v一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感，这就是它的光谱特性。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感，这就是它的光谱特性。第14页，共29页，编辑于2022年，星期六2）伏安特性）伏安特性第1

8、5页，共29页，编辑于2022年，星期六2、PN结光伏效应：结光伏效应：国家体育馆顶部国家体育馆顶部太阳能太阳能第16页，共29页，编辑于2022年，星期六展开太阳能电池帆板的国际空间站 新增的车顶太阳能电池板技术，是这次普锐斯的最大技术亮点之一，在动力储备电能的同时，电池帆板将最大程度的将太阳能转化为电能，配合新增的1.8L动力引擎和至少发挥50千瓦的电力马达，综合路段行驶百公里油耗3L以内绝对不在话下。第17页，共29页，编辑于2022年，星期六3、科顿旋光效应、科顿旋光效应 线偏振光入射并透过线偏振光入射并透过旋光性物质旋光性物质时，产生偏转的现象。时，产生偏转的现象。旋光性物质又称为光

9、学活性物质。当由左、右旋圆偏振光合成的直线偏振光进入旋光性物质（如芳香族化合物）时，由于旋光性物质能使左旋与右旋圆偏振光的传输速度改变，形成不同折射率，故此左、右旋偏振光透过厚度为d的旋光性物质后形成偏转角偏转角,它可表达为：=（1r）/2 1=2d/1=2dn1/r=2d/r=2dnr/式中：1、r左、右旋偏振光透过旋光性物质时的旋转角度；n1 、nr左、右旋偏振光在旋光性物质中的折射率；入射光的波长。第18页，共29页，编辑于2022年，星期六（二）磁效应（二）磁效应1、法拉第效应、法拉第效应P1光光敏敏器器件件+-通通电电的的旋旋光光物物质质P2P1、P2偏偏振振片片S光光源源表明：在磁

10、场作用下，偏振光的光矢量将发生旋转表明：在磁场作用下，偏振光的光矢量将发生旋转=VdLB应用第19页，共29页，编辑于2022年，星期六2 2、霍尔效应、霍尔效应IB-+FEFLVBUH实质：基于洛伦磁力实质：基于洛伦磁力第20页，共29页，编辑于2022年，星期六（三）、力效应（三）、力效应（四）、生化效应（四）、生化效应3、中性盐效应、中性盐效应4、电泳效应、电泳效应（五）、多普勒效应（五）、多普勒效应1、压电效应压电效应2、磁致伸缩效应、磁致伸缩效应3、饱和效应（核磁共振效应）、饱和效应（核磁共振效应）1、吸附效应、吸附效应2、半导体表面场效应、半导体表面场效应第21页，共29页，编辑于

11、2022年，星期六1。3新型敏感材料新型敏感材料u半导体敏感材料半导体敏感材料 u光导纤维光导纤维u高分子材料高分子材料u石英晶体石英晶体-传感器技术的重要物质基础 本节和下一节可作为本节和下一节可作为阅读自学材料阅读自学材料部分部分,内容在后面章节介绍内容在后面章节介绍第22页，共29页，编辑于2022年，星期六1。4新加工工艺新加工工艺-新材料的应用引入了新工艺新材料的应用引入了新工艺u薄膜加工工艺薄膜加工工艺2、化学气相淀积、化学气相淀积(CVD)1、溅射、溅射第23页，共29页，编辑于2022年，星期六 u光学曝光微加工工艺光学曝光微加工工艺u激光微细加工激光微细加工u光纤制造技术光纤

12、制造技术第24页，共29页，编辑于2022年，星期六第一章第一章 思考题思考题本章结束本章结束 1.什么是什么是光电导效应、光伏效应？两者有什么光电导效应、光伏效应？两者有什么区别？区别？2、什么法拉第效应、什么法拉第效应?利用该效应可测哪利用该效应可测哪 些参数？些参数？第25页，共29页，编辑于2022年，星期六锗晶体中的正常键锗晶体中的正常键本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体1 1 本征半导体：纯净的无杂质的半导体本征半导体：纯净的无杂质的半导体导带导带禁带禁带满带满带空穴空穴电子电子电子被激发，晶体中出现空穴电子被激发，晶体中出现空穴第26页，共29页，编辑于2022年，星期

13、六2 杂质半导体杂质半导体 电子型（简称电子型（简称 n 型）半导体型）半导体价价带带导导带带施主能级施主能级施主能级施主能级五价原子砷掺入四价硅中，多余的五价原子砷掺入四价硅中，多余的价电子环绕离子运动价电子环绕离子运动第27页，共29页，编辑于2022年，星期六 空穴型（简称空穴型（简称 p 型）半导体型）半导体空穴空穴 三价原子硼掺入四价锗晶三价原子硼掺入四价锗晶 体中，空穴环绕体中，空穴环绕 离子运动离子运动价价带带导导带带受主能级受主能级受主能级受主能级第28页，共29页，编辑于2022年，星期六v天顶照明、烟感器及喷淋灭火系统v其它建筑智能化工程其它建筑智能化工程 第29页，共29页，编辑于2022年，星期六