1现代传感器技术基础与应用-1.

第一章传感器基础21.1物理基本定律与传感器•只有符合自然界的各种基本定律和基本法则，传感器才能准确感受被测信息、正确转换被测信号。•守恒定律。•物质作用定律。•物质定律。•统计法则。31.1.1守恒定律•守恒定律有能量守恒定律、动量守恒定律和电荷量守恒定律等，可以根据它们来分析和解释传感器的工作情况。•例1：压电效应中的能量转换关系–机电耦合系数表示压电陶瓷完成力—电转换（正压电效应）或电—应变转变（逆压电效应）时，输入能与输出能的比值关系，–按能量守恒观点，输出能应与输入能相等。–实际上输出能总是少于输入能，产生机械损耗的原因是外力作用产生应变过程中，存在晶格间内摩擦，摩擦力做功转变成热能，损耗掉一部分输入能。41.1.2物质作用定律•物质作用定律是指在各种物理场中物质间相互作用的定律。如电磁场的电磁感应定律、动力场的运动定律以及光的干涉定律等。•物质间的作用与时间序列及空间位置有关，一般可用物理方程表示，这也就是某类传感器工作的数学模型。5•法拉第电磁感应定律•静电场SCd1.1.2物质作用定律61.1.3物质定律•物质定律是表示物质本身内在性质的规律或法则，通常用某一个物质本身所固有的常数来描述物质某一内在性质。•物质定律可分三类–热平衡规律–传输现象–量子现象71.热平衡规律•热平衡现象：在无外界影响条件下，一个系统内部各部分间能量交换是以热量的形式进行的，经过一定时间后，系统的宏观性质表现为不随时间变化的热（动态）平衡，这种最后的热平衡状态与各个量的变化途径无关。•广延量：与物体质量成正比的，如体积、内能、热容量等，也称作容量型状态量；•强度量：与物体质量无关的，如压强、温度、比热等称作强度型状态量。8麦克斯韦关系式ixiXiiiUxX设定一对同种类的广延量对应的强度量，则它们的积为能量，，两者之一发生微小变化均可使系统能量发生变化，系统能量变化前后均处于热平衡状态；jxjX设另一对同种类的广延量对应的强度量，则它们的积为能量，jjjUxXiijjUxXxXixjx总能量则由和引起系统的能量变化分别为：jx9ijijdUdUXXdxdxjxix在此基础上，再由和引起系统的能量变化分别为：22jiijjjiiXXUUxxxxxx由于系统热平衡状态与各个量的变化途径（即各个量的微分途径）无关，则有：22jiijjijiXXUUxxxxxx同理：22jiijjijixxUUXXXXXX由j类强度量引起i类广延量的变化等于由i类强度量引起j类广延量的变化，而且这种关系也是可逆的。10例：压电效应沿压电元件某特定方向施加力F引起体积V变化，两者为一对同种类量构成的强度量Xi，广延量xi，外力增量为的dF；产生压电效应后，压电元件表面产生电荷Q并形成电场强度E。为另一对另一种同种能量构成的广延量xj，与强度量Xj。dQ为电荷增量，dE为电场强度增量：，热平衡型一次效应：效应是可逆的VQEFjijixxXX11iiXxiixXFkFQCQUTcqT同一种类量的强度量与广延量增量之比或反之，为或弹性敏感元件膜片在压力作用下产生应变ε：刚度系数电场电势U作用与电容器极板产生电荷：电容系数温度与产生的热量q：热容系数。同一种类量的强度量与广延量增量之比一般不能直接构成传感器，但可以利用它们与其它状态量的关系。如弹性元件受力产生应变ε，应变ε与应变电阻有确定函数关系，这样经过二次变换才可构成应变式测力传感器。这种转换为热平衡二次效应，是不可逆的。R12一些热平衡一次效应表状态量名称输出广延量位移（体积）热（熵）电极化作用磁极化作用输入强度量力（压力）——应力发热压电效应压磁效应温度热膨胀——热释电效应减磁效应电压逆压电效应热电效应——电磁效应磁场强度磁滞申缩效应磁热效应磁介电效应——132.传输现象•传输现象在系统中存在强度量梯度时，相对应的广延量就随时间变化，称作广延量流动。•导体两端有电位差，导体内就有定向电流；•电容器极板上有电位差，极板间有电荷积累。•这种使广延量流动的强度量梯度称之亲和力。•一种亲和力可以产生一种流动，一种流动也可由两种以上亲和力产生。14•例如：根据塞贝克热电效应，两种不同金属或半导体闭合可以构成热电偶传感器。两结点间产生热电动势，回路中有电流产生。这是由不同材料的接触电势和同种材料的温差电势两种亲和力产生一种（电）流。•根据塞贝克效应的逆效应——帕耳帖效应，热电偶处于同一个温差环境中，回路中通入电流，则结点处分别释放和吸收与电流成正比的热量。•以上两种效应是可逆的。把这种不同种类亲和力使相应广延量流动的现象称作传输现象一次效应，它是可逆的。利用传输现象一次效应可构成传感器。•同一种类的亲和力使相应广延量流动，不能直接构成传感器；要利用与其它状态量的关系才能构成传感器，这种现象称作传输现象的二次效应。例如电场强度与电流密度为同一种类的亲和力和相应广延量流动，一般不能直接构成传感器。153.量子现象•分子、原子、电子、光子等微观粒子遵循物理学的微观规律。如物质分子和原子能量是离散跳跃的，则称为量子现象。如核磁共振、隧道效应、核辐射等。161.1.4统计法则•统计法则是利用统计方法把微观系统和宏观系统联系起来的物理法则。•例：利用一个电阻R两端上的热噪声（微观）和其绝对温度（宏观）的关系可构成热噪声型热敏电阻。由统计物理可知，电子热运动会在电阻R两端产生电位波动——热噪声电压，而绝对温度又与热噪声电压有确定的函数关系，热噪声电压的方均值为：24nUkRfT17电压比较法•热噪声频带宽度不易准确测定224444nxrrrxrrxrrxrrUkRfTUkRfTkRfTkRfTRTRTTRTR181.2物理基础效应•物质内在性质与材料本身性能和内部结构密切相关，在一定条件下会产生某种物理效应。•以物理效应为基础构成的各类传感器，称作物性型传感器。19主要物性型传感器的基础效应2021221.2.1压阻效应•半导体材料受到外力作用时其电阻率会发生变化，这一现象称之为压阻效应。•电阻率的相对变化：LLdE231.2.2压电效应•外力沿压电材料特定晶向作用使晶体产生形变，在相应的晶面上将产生电荷，去掉外力后压电材料又重回不带电状态。这种由外力作用产生形变而不是电场作用而产生电极化的现象叫正压电效应。•正压电效应是可逆的。在压电材料特定晶向施加电场时，不仅有极化现象发生，还将产生机械形变。去掉电场，应力和形变也随之消失，这种现象称作逆压电效应。24QdF61iijjjqd25121111213141516322122232425264331323334353656qddddddqddddddqdddddd123,,qqq123,,456,,233112,,式中分别为垂直x,y,z方向的晶面上的电荷密度；为作用在x,y,z方向上的应力，规定拉应力为正，压应力为负；为剪切应力，规定为按右手螺旋定则确定，又可写成261.2.3磁致伸缩效应与压磁效应•磁致伸缩效应在外磁场作用下，磁偶极矩变化使磁畴之间的界限发生变化，晶界发生位移，从而产生机械形变。•铁磁材料在外力作用下，应力引起应变，使磁畴之间的界限发生变化，晶界发生位移，导致磁偶极矩变化，从而使材料的磁化强度发生变化。这种应力改变铁磁材料磁化强度的现象称作压磁效应。•压磁效应表现为:–受压应力时，在力作用方向上磁导率减小；垂直作用力方向上磁导率增大。–受拉应力时情况则相反，即在力作用方向上磁导率增大；垂直作用力方向上磁导率减小。–当外作用力消失后，磁导率恢复原值。271.2.4磁电效应•根据法拉第电磁感应定律，匝数为N的线圈在磁场中作切割磁力线运动，或线圈所在磁场的磁通量变化时，线圈中所产生的感应电动势e的大小取决于穿过线圈的磁通量对时间t的变化率，即：deNdt28霍尔效应•将长宽厚为lbd的导体或半导体薄片置于均匀磁场B中，沿薄片长度l方向通入控制电流I时，将在宽度b方向上产生一个强度为EH横向电场，称作霍尔电场，相应的产生的电势VH为霍尔电势，这种现象为霍尔效应。29001LEHHHHEHLEHHFevBFeEUUbEFebUFFevBebUbvBjnevIjbdnevbdIvnebdIBIBUnedned电流密度：3011(1)HHHHHHHHIBIBUnednedIBIBUnqdnqdRnqkRdIBURkIBd载流子带正电：霍尔系数：霍尔灵敏度：要使薄片具有较高的RH和KH，需要较小的n和较小的d。半导体材料具有较小的载流子浓度n，所以其霍尔效应比金属导体显著。而d小的要求决定了薄片具有更强的霍尔效应，所以霍尔元件都较薄。31磁阻效应•物质在磁场中，其电阻率发生变化的现象称作磁阻效应。•半导体磁阻效应•强磁性体磁阻效应32磁阻效应•半导体磁阻效应–物理磁阻效应通有电流的长方形半导体晶片受到与电流方向垂直的磁场作用时，会出现电流密度下降、电阻率增大的现象。–几何磁阻效应这种电阻值的增大程度与所选长方形半导体晶片的几何尺寸有着密切的关系，这种现象称作几何磁阻效应。33磁阻效应•强磁性体磁阻效应–铁磁材料（强磁性体）的电阻率变化与电流密度和磁场的相对取向有关。–当外磁场的方向平行于铁磁材料内部的磁化方向时，电阻率几乎不随外磁场变化；若外磁场的方向与内部磁化方向不一致时，则随外磁场强度的增加，电阻率减小。341.2.5光电效应•物质在光照作用下释放电子的现象称为光电效应。释放的电子叫光电子，光电子在外电场作用下所的形成电流叫光电流。•由实验发现的光电效应的规律是:–光电流大小与入射光频率有关，当入射光频率低于某一极限频率时，将不产生光电效应。–只有当入射光频率高于极限频率时，光电流的大小才与入射光强度成正比。35外光电效应•金属在光照射下光电子逸出金属表面的现象称作外光电效应。•光电子逸出金属表面需作功克服表面势垒，称作逸出功，才能逸出金属表面产生电子发射。20102cmvh0h0chc36内光电效应•物体受到光照时，其内部原子释放的电子留在物体内部的现象叫内光电效应。•光导效应光照射产生的光电子使半导体材料电导率增加的现象称为光导效应。•光伏效应也叫光生伏特效应，物体在光的照射下产生一定方向的电动势的现象。371.2.6热电效应•把两种不同金属或半导体串接成闭合回路，当两结点处温度不同时，在回路中将产生热电动势。这种由温差产生热电势的现象称作热电效应，也叫塞贝克效应。•温差产生的热电动势有由两种电势共同组成–一种是两种不同金属（或半导体）材料的接触电势，–另一种是同一种材料的温差电势。000(,)()ln()TAABABTBnkETTTTdten0()ABETT38帕耳帖效应•热电效应的逆效应，当电流流过两种不同金属或半导体串接成闭合回路时，一结点处变热（吸热），另一结点处变冷（放热）。QI为帕耳帖系数391.2.7热释电效应•在既无外电场也无外力作用时，电石、水晶等晶体材料受温度变化的影响，其晶格的原子排列发生变化，也能产生自发极化。•由于大气中浮游电荷吸附在材料表面上，热释电效应中自发极化产生的电荷会很快被大气中浮游电荷中和，要保证产生电荷的连续性，就要有周期性变化的热源。•利用热释电效应做红外敏感器件，将物体辐射的红外线做热源，采用周期性遮光调制，从红外热源持续获得交变红外线辐射，产生热释电荷，可以完成非接触式温度检测。401.2.8电光效应•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。•泡克耳斯效应（Pockels）平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时，会发生双折射现象，即电致双折射，且两