傳感器與基礎效應物性型傳感器是利用某些物質(如半導體、陶瓷、壓電晶體、強磁性體和超導體等)的物性隨外界待測量作用而發生變化的原理制成。它利用了諸多的效應(包括物理效應、化學反應和生物效應)和物理現象，如利用材料的壓阻、濕敏、熱敏、光敏、磁敏、氣敏等效應，把應變、濕度、溫度、位移、磁場、煤氣等被測量變換成電量。而新原理、新效應(如約瑟夫遜效應)的發現和利用，新型物性材料的開發和應用，使物性型傳感器得到很大的發展，并逐步成為傳感器發展的主流。因此了解傳感器所基于的各種效應，對物性型傳感器的深入理解、開發和使用是非常必要的。表l41列出了主要物性型傳感器所基于的物理效應及所使用的材料。第一節 光電效應物質在光的作用下釋放電子的現象稱為光電效應。被釋放的電子稱為光電子。光電子在外電場中運動所形成的電流稱為光電流。光電效應的實驗規律為：(1)光電流的大小與入射光的強度成正比；(2)光電子的初動能只與入射光的頻率有關，而與入射光強度無關；(3)當入射光的頻率低于某一極限頻率(稱為紅限頻率，隨金屬不同而異)時，不論光強的強弱，照射時間的長短，均無光電子產生；(4)從光照開始到光電子被釋放出來，整個過程只需10-9s以下的時間。上述光電效應的實驗規律巳由愛因斯坦的光量子理論給予了完滿的解釋。光電效應一般分為光電子發射效應、光導效應和光生伏特效應三類。一、光電子發射效應光電子發射效應又稱外光電效應。它是指金屬在光的照射下，釋放的光電子逸出金屬表面的現象，是1887年由德國人赫芝發現的。基于該效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子是具有能量hv的粒子。頻率為v的光則是以一群能量各為hv的粒子在空間傳播。當金屬中的電子吸收了入射光子的能量時，若足以克服逸出功，那么電子就會逸出金屬表面，產生光電子發射，逸出的光電子動能為：式中h普朗克常數，為6626110-34(Js)；v光的頻率(s-1)；me電子質量，me=9109510-31(kg)；v0電子逸出速度(ms-1)；超出功(J)，也稱功函數，是一個電子從金屬或半導體表面逸出時克服表面勢壘所需作的功，其值與材料有關，還與材料表面狀態有關。單位時間逸出的電子數，即發射的光電流i與光強成正比，即式中P入射光功率；外光量子效率，它與材料及表面狀態有關，是波長的函數e電子電荷量。二、光導效應物體受到光照時，其內部原子釋放的電子留在內部而使物體的導電性增加，電阻值下降的現象稱為光導效應或稱內光電效應。絕大多數的高電阻率半導體都具有光導效應。基于光導效應的光電器件有光敏電阻(亦稱光電導管)，其常用的材料有硫化鎘(CdS)、硫化鉛(PbS)、銻化銦(InSb)、非晶硅(asi：H)等。純半導體在光線照射下，其禁帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度Eg(eV)的光子的激發，由價帶越過禁帶躍遷到導帶，成為自由電子。同時，價帶也因此而形成自由空穴。致使純半導體中導帶的電子和價帶的空穴濃度增大，半導體電阻率減小。三、光生伏特效應物體(如半導體)在光的照射下能產生一定方向的電動勢的現象稱為光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光電池、光敏二極管和光敏三極管。1側向光生伏特效應當半導體光電器件的光靈敏面受光照不均勻時，由載流子濃度梯度形成載流子的擴散而產生的光電效應稱為側向光生伏特效應。基于該效應工作的光電器件有半導體位置敏感器件(簡稱PSD)，由于電子遷移率比空穴的大，致使被光照部分帶正電，未被光照部分帶負電，兩部分之間產生光電動勢。2pn結光生伏特效應光照射到距表面很近的半導體pn結時，結及附近的半導體吸收光能。若光子能大于禁帶寬度，則價帶電子躍遷到導帶成為自由電子，而價帶則相應成為空穴。這些電子空穴對在pn結內部電場的作用下，電子移向n區外側，空穴移向P區外側，結果P區帶正電，n區帶負電，形成光電動勢。基于此效應的光電器件有光電他、太陽電他、光敏二極管和三極管等。3光電磁效應(同稱PEM效應)半導體受強光照射并在光照運直方向外加磁場時，垂直于光和磁場的半導體兩端面間產生電勢的現象稱為光電磁效應。它可以看成是光擴散電流的霍爾效應。Ge、InSb、InAs、PbS、CdS等材料均有明顯的光電磁效應。4貝克勒耳(Becquerel)效應貝克勒耳效應是液體中的光生伏特效應。當光照射浸在電解液中的兩個同樣電極中的任一個電極時，在兩個電圾間將產生電勢的現象稱為貝克勒耳效應。基于該效應的有感光電池。第二節 電光效應物質的光學特性(如折射率)受外電場影響而發生變化的現象統稱為電光效應。一、泡克耳斯(Pockels)效應平面偏振光沿處在外電場內的壓電晶體的光鈾傳播時發生雙折射現象(稱為電致雙折射)，且兩個主折射率之差與外電場強度成正比，該效應稱為泡克耳斯效應(線性電光效應)。利用泡克耳斯效應可制成電光調制器或電光開關，能以25109Hz的頻率調制光束，如調制激光；可制成光纖電壓、電場傳感器，可測量高電壓、強電場。常用的具有泡克耳斯效應的壓電材料有磷酸二氫鉀(K2H2P04)，簡稱KDP等。二、電光克爾(Kerr)效應光照具有各向同性的透明物質(也可以是液體)，在與入射光垂直的方向上加以高電壓將發生雙折射現象，即一束入射光變成正常(尋常)和異常(非常)兩束出射光，稱這種現象為電光克爾效應。實驗證明兩個主折射率之差n為式中K克爾常數；E電場強度。因此電光克爾效應又稱平方電光效應。此效應發生過程極為迅速約l0-8s,可用于觀測放電現象、照相機快門、光導纖維傳感器中。三、光彈性效應當外力或振動作用于彈性體產生應變時，彈性體的折射率發生變化，呈現雙折射性質，這種現象稱為光彈性效應。利用光彈性效應可制成壓力、振動、聲響傳感器。該效應與泡克耳斯效應均為對材料折射率調制的效應。四、電致發光效應某些固態晶體如高純度Ge、si和GaAs等化合物半導體在光和外加電場作用下發出冷光(指熒光和磷光)的現象，以及某些固態晶體如GaP、InP、GaAs等無需外加激發光而在外加電場作用下即可發光的現象統稱為電致發光效應。可制成發光二極管、半導體激光器等器件。第三節磁光效應置于外磁場中的物體，在光和外磁場作用下，其光學特性(如吸光特性、折射率等)發生變化的現象稱為磁光效應。一、法拉第(Faraday)效應平面偏振光(即直線偏振光)通過帶磁性的透光物體或通過在縱向磁場(磁場方向與光傳播方向平行)作用下的非旋光性物質時。其偏振光面發生偏轉的現象稱為磁光法拉第效應。它是由于磁場的作用使直線偏振光分解成傳遞速度各異的左旋和右旋兩圓偏振光，因此從物體端面出射的合成偏振光將發生偏轉。偏振光面偏轉的角度與磁場強度H、光在物體中通過的長度l成正比，即式中Kverdet常數是磁性材料固有的，與光波波長和溫度有關，而與磁場強度H無關。二、磁光克爾(Kerr)效應平面偏振光垂直入射于拋光的強電磁鐵的磁極表面，所產生的反射光偏轉角度隨磁場強度而變化，這種現象稱為磁光克爾效應。它適用于光不能穿透所用磁光材料的場合，常用的材料有錳鉍陶瓷。三、科頓蒙頓(Cotton-mouton)效應當光線垂直于磁場的方向照射液體(如消基苯等芳香族化合物)時，液體分子在外磁場的作用下形成一定規律的排列，而呈現雙折射特性，即一束入射光變為尋常和非常兩束出射光，這種現象稱為科頓蒙頓效應。它是一種磁致雙折射效應。二主折射率之差n為式中ccottonMouton常數，它與光波波長及溫度有關，與磁場強度H無關。第四節 電(流)磁效應置于磁場中的通電金屬導體或半導體所產生的種種物理現象，統稱為電(流)磁效應。一、霍爾(Hall)效應當電流垂直于外磁場方向通過導體或半導體簿片時，在薄片垂直于電流和磁場方向的兩側表面之間產生電位差的現象，稱為霍爾效應。半導體霍耳電勢如下二、磁阻效應當通有電流的半導體或磁性金屬薄片置于與電流垂直或平行的外磁場中，由于磁場的作用力加長了載流子運動的路徑，使其電阻值隨外磁場增強而加大的現象稱為磁阻效應。第五節 熱電效應與熱釋電效應一、熱電效應是溫差轉換成電的物理效應。1塞貝克(Seebeck)效應兩種不同的金屬串接成閉合回路，當它們的兩個結點處于不同溫度時，則在回路內有電流產生，亦即兩結點間產生電動勢，這種由于溫度不同而產生電動勢的現象稱為溫差電效應成稱塞貝克效應，習慣稱作熱電效應。兩種金屬的接觸電勢是由于接觸時自由電子由密度大的金屬向小的擴散，直至動態平衡而形成。單一金屬溫差電勢是由于自由電子在高溫端具有較大的動能，向低溫端擴散而形成。2珀耳帖(Pelticr)效應它是塞貝克效應的逆效應。當電流流過兩種導體組成的閉合回路時，一結點處變熱(吸熱)，另一結點處變冷(放熱)，或當電流以不同方向通過金屬與半導體相接觸處時，其接觸處或發熱或吸熱，這種現象稱為珀耳帖效應。如果通電電流為I，則吸收或放出的熱量Q為式中b珀耳帖系數，其大小取決于材料和環境溫度。=T，其中為塞貝克系數，T為環境絕對溫度。利用珀耳帖效應可制成制冷器，用來控制半導體激光器溫度等。3湯姆遜(Thomson)效應同一種金屬組成閉合回路或一種半導體，保持回路二側或半導體兩端為一定溫度差T，并通以電流I時，回路的溫度轉折處(或半導體整體)將產生比例于IT的吸熱或發熱，這種現象稱為湯姆遜效應。二、熱釋電效應電石、水晶、酒石酸鉀鈉(羅謝耳鹽)、鈦酸鋇(BaTiO3)等晶體受熱產生溫度變化時，其原子排列將發生變化，晶體自然極化，在其兩表面產生電荷的現象稱為熱釋電效應。產生的電荷Q與溫度T的關系為式中熱釋電系數，其大小取決于晶體材料；A晶體受熱表面積。高介電常數材料，如BaTiO3、PbTio3、LiTaO3、LiNbO3等有顯者的熱釋電效應，可制成紅外探測器、溫度傳感器、熱成象器件。熱(釋)電式紅外探測器具有不需冷卻、響應光譜范圍寬、響應快(s甚至達ns)和價格低等優點，但由于產生的電荷會被空氣中的各種離子結合而消失，需采用周期性遮光體，以使紅外光能斷續加熱探測器，不斷輸出電荷。第六節 熱磁效應有些具有磁化的勻質金屬兩端由于溫度差形成熱流，在與垂直熱流方向的磁場作用下所產生的物理現象稱為熱磁效應。若熱磁效應所產生的電場與熱流方向及磁場方向相垂直，則稱為橫向能斯脫(Nernst)效應或稱電氣橫向效應，若產生的電場與熱流方向一致，稱為縱向能斯脫效應或稱電氣縱向效應。能斯脫效應所產生的電場強度與金屬溫度梯度及磁場強度成正比，比例系數則為Nernst系數，其大小由材料的物理性質所決定。若熱磁效應在垂直于熱流與磁場方向或在熱流方向產生溫度梯度，則稱為熱磁橫向效應或熱磁縱向效應。利用熱磁效應可制成Nernst紅外探測器。第七節 壓電效應一、正壓電效應當某些電介質沿一定方向受外力作用而變形時，在其一定的兩個表面上產生異號電荷，當外力去掉后，又恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。二、逆壓電效應當在電介質的極化方向施加電場，某些電介質在一定方向上將產生機械變形或機械應力。當外電場撤去后，變形或應力也隨之消失，這種物理現象稱為逆壓電效應。三、電致伸縮放應電介質在電場的作用下會由于極化的變化而引起形變，若形變與電場方向無關，這個現象就稱為電致伸縮效應。電致伸縮效應與逆壓電效應都是電能轉換成機械能的效應。但前者與電場方向無關，其應變大小與電場強度的平方成正比，而后者(逆壓電效應)則與電場方向有關，其應變與電場強度成正比，當外加電場反向時，產生的應變也同時反向。第八節 壓阻效應半導體材料(如硅、鍺、p型硅、n型硅)受到外力或應力作用時，其電阻率發生交化的現象稱為壓阻效應。第九節 壓磁效應一、磁致伸縮效應某些鐵磁體及其合金，以及某些鐵氧體在外磁場作用下產生機械變形的現象稱為磁致伸縮效應或稱焦耳效應。二、壓磁效應磁致伸縮材料在外力(或應力、應變)作用下，引起內部發生形變，產生應力，使各磁疇之間的界限發生移動，磁疇磁化強度矢量轉動，從而使材料的磁化強度和磁導率發生相應的變化。這種由于應力使磁性材料磁性質變化的現象稱為壓磁效應，也稱逆磁致伸縮放應。三、威德曼效應當給鐵磁桿通以縱向電流(即置于環狀磁場中)，并使其拉伸(或壓縮)或扭曲時，會產生縱向磁化的現象稱為逆威德曼效應。此時，若在桿的圓周方向繞上線圈，則可得到由于扭曲或縱向力所產生的輸出電壓。因此可制成扭矩或力傳感器。第十節 約瑟夫遜效應與核磁共振一、約瑟夫遜效應在兩塊超導體之間放置厚度約為l0-9m的極薄的絕緣層，組成約瑟夫遜結或稱超導隧道結，絕緣層兩側超導電子間就會發生耦合，呈現出超導電流的量子干涉現象，即約瑟夫遜效應。約瑟夫遜效應是超導體的隧道效應。在兩金屬片之間夾有極薄(約為l0-9m)的絕緣層(如氧化膜)，當兩端施加直流電壓時，回路就有電流產生，即有電流通過絕緣層，這種現象稱為隧道效應。約瑟夫遜結，在不外加電壓或磁場時，有直流電流通過絕緣層，即超導電流能無電阻地通過極薄的絕緣層，這種現象稱為直流約瑟夫遜效應。約瑟夫遜結能夠吸收和發射電磁波的現象，統稱為交流約瑟夫遜效應。1加以直流電壓輻射電磁波給約瑟夫遜結加以直流電壓時，約瑟夫遜結會產生頻率與所加電壓V成正比的高頗超導電流，并向外輻射電磁波，電磁波頻率為：。式中e電子電荷量，e=1.602l0-19C；h普朗克常數，h=6.62510-3Js。2加以直流和交流電壓輸出直流電流(壓)給約瑟夫遜結加以直流電壓，同時施加一交流射頻電壓或用一定頻率的電磁波作用于結上，則當由直流電壓引起的高頻電流頻率與外加交流射頻電壓頻率相等，或與外加電磁波頻率相等，或者是它們的整數倍時，將有直流成份的超導電流流過絕緣層。輸出直流電壓式中n整數；f 外加電壓頻率或外作用電磁波頻率。二、核磁共振核磁共振是一種磁共振現象。磁共振是指與物質磁性和磁場有關的共振現象，即磁性物質內具有磁炬的粒子在直流磁場的作用下，其能級將發生分裂，當能級間的能量差正好與外加交變磁場(其方向垂直于直流磁場)的量子值相同時，物質將強烈吸收交變磁場的能量并產生共振，達就是磁共振。它在本質上也是一種能級間躍遷的量子效應。磁共振現象與物質的磁性有密切的關系。當磁矩來源于順磁物質原子中的原子核時，則這種磁共振稱為核磁共振。第十一節 光的多普勒效應和薩古納克效應一、光的多普勒(Doppler)效應當光波源或觀察者(光接收器)相對于介質(或散射體、反射器)運動時，觀察者所接收到的光波頻率不同于光波源的頻率，兩者相接近時，接收到的頻率增大，反之，則減小，這種現象稱為光的多普勒效應。由于多普勒效應而引起的頻率變化數值稱為多普勒頻移。設觀察者、光波源與介質之間相對運動的方向在同一條直線上，光波源的頻率為fS。當觀察者以速度vS相對于介質運動而接近或遠離光波源時，則在光速為c（c v）的情況下，觀察者所接受到的光波頻率為，式中當觀察者接近光源時取“+”、反之取“-”。當觀察者靜止不動，光波源以速度相對于介質運動而接近或遠離接受器時，接受到的光波頻率為，忽略高次項，則與上面情況的表達式相同。推導方程為光速度等于波長與頻率的乘積，而其中波長不變，光在空間中的速度C不變。當觀察者和光波源相對靜止，介質（如運動散射體）運動速度為V時，若他們的位置、速度關系如下圖所示，則接受到的光波頻率為，忽略高次項，得到。則多普勒頻移為，式中光線入射方向和接受方向位于運動速度方向的法線同側時q2取“+”、異側時取“-”；運動速度在入射光方向的投影分量指向光源時Df取“+”、反之取“-”。利用多普勒效應可以進行速度、流速、流量等測量，例如光纖式血液流速測量，激光多普勒超低速、超音速測量等。二、薩古納克(Sagnac)效應同一光源同一光路，兩束對向傳播光之間的光程差或相位差與其光學系統相對于慣性空間旋轉的角速度成正比的現象，稱為薩古納克效應。 其簡化證明可用圖146所示的示意圖進行。圖中光源A發出的光由B點分為兩束，一束為順時針傳播的光束。另一束為反時針傳播的光束。當系統角速度0時，順、反光束由B點開始傳播均又回到B點，路程為L=2r，所需時間為t=Lc。其中c為光速，故兩束光之間無光程差。當系統以角速度相對慣性空間反時針旋轉時，從B點出發的反時針傳播光束到達B/所需時間與順時針傳播光束由B點到B/點所需時間之差為因光速c r，所以式中 A圓形光學系統圍成的面積。因此，順、反兩光束之間的光程差和相位差分別為式中 0真空中光的波長。可以證明，上面推導結論同樣適用于任意形狀的光路，且薩古納克效應與光的傳播媒質無關。第十二節 聲音的多普勒效應及聲電、聲光效應一、聲音的多普勒效應聲音的多普勒效應與光的多普勒效應相類似。當聲源和觀察者(或聲接收器)在連續介質中有相對運動時，觀察者接收到的聲波頻率與聲源發出的頻率不同，兩者靠近時頻率升高，遠離時頻率降低，這種現象稱為聲音的多普勒效應。二、聲電效應在半導體中，超聲(或聲子)與自由載梳子(電子或空穴)相互作用所產生的多種物理效應，如聲波的衰減或放大(聲子的吸收或發射)，大振幅超聲對半導體電壓電流特性的影響等，統稱為聲電效應。在壓電半導體中，聲電效應表現為聲子使自由載流子重新分布，從而在半導體兩端之間出現電場。它是研究半導體材料性質的重要途徑，也可用以實現超聲的直接放大和做成l09Hz量級的聲電振蕩器。主要材料有CdS、ZnO、GaAs等。某些介質在聲波作用下，其光學特性(如折射率)發生改變的現象稱為聲光效應。其中超聲波的聲光效應尤為顯著，即光通過處在超聲波作用下的透明物質時會產生衍射現象。第十三節 放射線效應一、放射線效應物質被放射線照射后，其某些特性(如折射率)發生變化的現象，統稱為放射線效應。某些物質在G射線照射下，物質中原于與G射線的光子相互作用，使原子的某一束縛電子發射出去，所發射的電子稱為光電子，這種現象稱為G射線的光電效應，也可簡稱為光電效應。G射線的光電效應截面隨光子能量增大而減小，隨吸收物質原子序數的增大而迅速增大。二、吸收效應及原子序號效應1吸收效應某些能吸收高能電子束的物質，當用高能電子束聚焦照射時，在放射出特性x射線(物質所特有的x射線或稱為螢光x射線)的同時，自身還吸收這些特性x射線，其吸收量的大小取決于同時存在的元素種類、濃度、入射電子束能量以及特性x射線的取出角度等因素，這種現象稱為吸收效應。2原子序號效應某些物質能把入射的電子束能量轉換成x射線能量并發射出去，而且這種能量轉換的比例取決于物質原子序號和電子束能量，因此稱這種物理現象為原子序號效應。 三、俄歇(Auger)效應當氣體(如惰性氣體)受到放射線(如x射線、射線)照射時，由一個氣體原子可以發射幾個電子，而且這些電子的動能與入射的射線頻率(也即能量)無關，僅與被照射氣體的原子種類有關，這種現象稱為俄歇效應。四、康普頓(Compton)效應x射線、射線等短波長的電磁輻射通過原子序數較低的元素時，被元素散射的射線波長除一部分保持原值外，還有一部分將發生改變，這種現象稱為康普頓效應，或稱康普頓散射。所改變的波長的大小與入射射線的波長無關，僅決定于散射角，即第十四節 擊波動態效應擊波(如沖擊被)通過某些物質時所引起的物理現象統稱為擊波動態效應。一、動態電學效應擊波在物質中通過時引起物質的電導率改變，或引起某些電介質的極化(即其相對面上產生電荷)，或退極化（如極化了的鐵電體放出電荷），這種現象稱為動態電學效應。二