第二講傳感器的基礎效應優選第二講傳感器的基礎效應檢測對象類型效應輸出信號器件舉例主要材料機械量電阻式電阻應變效應電阻金屬應變片康銅、卡瑪合金壓阻效應半導體應變片Si、Ge壓電式壓電效應電壓壓電元件石英、壓電陶瓷正、逆壓電效應頻率聲表面波傳感器石英、ZnO+Si壓磁式壓磁效應感抗壓磁元件及其傳感器硅鋼片、坡莫合金磁電式霍爾效應電壓霍爾元件及其傳感器GaAs、Si、InAs光電式光電效應各種光電器件及其傳感器參見前表光彈性效應折射率壓力、振動傳感器檢測對象類型效應輸出信號器件舉例主要材料溫度熱電式塞貝克效應電壓熱電偶約瑟夫遜效應噪聲電壓絕對溫度計超導體熱釋電效應電荷駐極體溫敏元件PbTiO3，PVF2壓電式正、逆壓電效應頻率聲表面波溫度傳感器石英熱型熱磁效應電場Nernst紅外探測器熱敏鐵氧體檢測對象類型效應輸出信號器件舉例主要材料磁磁電式霍爾效應電壓霍爾元件，霍爾IC,MOS霍爾IC磁阻效應電阻磁阻元件電流磁敏晶體管約瑟夫遜效應噪聲電壓超導量子干涉器件Pb，Sn光電式磁光法拉第效應偏振光面偏轉光纖傳感器磁光克爾效應光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hνh—普朗克常數，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）根據愛因斯坦假設，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現為逸出電子的動能。外光電效應多發生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。該方程稱為愛因斯坦光電效應方程。根據能量守恒定理:式中m—電子質量；v0—電子逸出速度。一、光電效應1.外光電效應光電子能否產生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產生光電子發射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。紅限頻率為：對應的波長限為：式中：c為真空中的光速，c

≈

3×108m/s。當入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數目越多，逸出的電子數也就越多。2.內光電效應

當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發生變化，或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應，它多發生于半導體內。根據工作原理的不同，內光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類：（1）光電導效應在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，而引起材料電導率的變化，這種現象被稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻。過程：當光照射到半導體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導帶，如圖，使材料中導帶內的電子和價帶內的空穴濃度增加，從而使電導率變大。導帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg

式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。為了實現能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導材料的禁帶寬度Eg，即

材料的光導性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導材料，總存在一個照射光波長限λ0，只有波長小于λ0的光照射在光電導體上，才能產生電子能級間的躍進，從而使光電導體的電導率增加。

（2）光生伏特效應在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現象叫做光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光電池、光敏二極管、三極管。光生伏特效應有兩種：結光電效應(也稱為勢壘效應)和橫向光電效應(也稱為側向光電效應)。

結光電效應如圖，由半導體材料形成的PN結，在P區的一側，價帶中有較多的空穴，而在N區的一側，導帶中有較多的電子。由于擴散的結果，使P區帶負電、N區帶正電，它們積累在結附近，形成PN結的自建場，自建場阻止電子和空穴的繼續擴散，最終達到動態平衡，在結區形成阻止電子和空穴繼續擴散的勢壘。在入射光照射下，當光子能量hv大于光電導材料的禁帶寬度Eg時，就會在材料中激發出光生電子-空穴對，破壞結的平衡狀態。在結區的光生電子和空穴以及新擴散進結區的電子和空穴，在結電場的作用下，電子向N區移動，空穴向P區移動，從而形成光生電流。這些可移動的電子和空穴，稱為材料中的少數載流子。在探測器處于開路的情況下，少數載流子積累在PN結附近，降低勢壘高度，產生一個與平衡結內自建場相反的光生電場，也就是光生電動勢。

橫向光電效應

當半導體光電器件受光照不均勻時，光照部分吸收入射光子的能量產生電子-空穴對，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分產生光電動勢。這種現象稱為橫向光電效應，也稱為側向光電效應。基于該效應的光電器件有半導體光電位置敏感器件(PSD)。光磁電效應二、電光效應

物質的光學特性（如折射率）受外電場的影響而發生變化的現象統稱為電光效應。泡克耳斯（Pockels）效應克爾效應光彈效應電致發光效應電致變色效應

1.泡克耳斯效應1893年德國物理學家泡克耳斯首先發現，一些晶體在縱向電場（電場方向與光的傳播方向一致）作用下會改變其各向異性性質，產生附加的雙折射現象，稱為電致雙折射。泡克耳斯從實驗證實壓電晶體的兩個主折射率之差為：線性電光效應泡克耳斯效應偏振片1電致雙折射電致雙折射泡克耳斯效應透明電極透明電極壓電晶體KDP偏振片2Vt+Vt()KDP（磷酸二氫鉀）是一種無對稱中心的晶體，沿某一特定方向施加電場后，在晶體內能對某種方向的入射光產生雙折射

KDP的雙折射與外加場強成正比。系統的輸出光強，可由加在晶體電極線路上的信號電壓調制，其響應極為迅速，信號頻率可高達310Hz。除可作高速光閥門外，還可作高速電光調制器。102.克爾效應1875年英國物理學家克爾發現，光照射具有各向同性的透明物質，在與入射光垂直的方向上加以高電壓將發生雙折射現象。因兩個主折射率之差正比于電場強度的平方，故這種效應又稱作平方電光效應。克爾效應電致雙折射電致雙折射克爾效應偏振片1偏振片2在裝有平行板電容器的透明盒內，充以某種特定的液體（如硝基苯）

接入極間電壓，使兩極板間產生電場，液體變成各向異性媒質，并產生雙折射，系統末端有光輸出，其響應極快，信號頻率可高達10Hz,能用作高速“光閥門”。10Vt+Vt()3.光彈效應

某些非晶體物質（如塑料、玻璃）在機械力的作用下，彈性體的折射率發生變化，呈現雙折射性質的效應。這稱作應力致雙折射或光彈效應。光彈效應的雙折射是暫時的，應力解除后即消失。光彈性效應可用于研究機械零件、建筑構件等物體內部應力的情況。利用光彈效應可制成壓力、振動、聲響傳感器。光彈性效應偏振片2有機玻璃模型偏振片1施壓應力雙折射顯示的偏振光干涉條紋施壓方向形成光軸雙折射與應力成正比用于應力分析研究FFFF光彈性效應光彈性效應機械應力作用產生的各向異性應力雙折射應力雙折射4.電致發光效應電致發光效應：某些固態晶體如高純度鍺、硅和砷化鎵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磷化鎵、磷化銦等無需外加激發光而在外加電場作用下即可發光的現象。電致發光是將電能直接轉換為光能的過程。基于電致發光效應的器件有發光二極管、半導體激光器等。5.電致變色效應

這種在電流或電場的作用下,材料發生可逆變色的現象，稱為電致變色效應。基于致變色效應的主要器件有信息顯示器件、電致變色靈巧窗、無眩反光鏡、電色儲存器件等。三、磁光效應

置于外磁場的物體，在光和外磁場的作用下，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。法拉第效應磁光克爾效應科頓-穆頓效應塞曼效應光磁效應1.法拉第效應當線偏振光在介質中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強磁場，則光振動方向將發生偏轉，偏轉角度與外磁場強度和光穿越介質的長度的乘積成正比，即：式中：V—磁光效應常數或費爾德常數，與介質性質及光波頻率有關，可正可負；He—外磁場強度。利用法拉第效應的弛豫時間不大于10-10秒量級的特點，可制成磁光效應磁強計。磁光效應磁強計可測量脈沖強磁場、交變強磁場；利用它對溫度不敏感的特點，磁光效應磁強計可適用于較寬的溫度范圍，如等離子體中強磁場、低溫超導磁場等。磁光調制器2.磁光克爾效應平面偏振光垂直入射于拋光的強電磁鐵的磁極表面，所產生的反射光是一束橢圓偏振光，且偏振面的偏轉角度隨磁場強度而變化，這種現象叫磁光克爾效應。克爾磁光效應的最重要應用是觀察鐵磁體的磁疇。

磁疇是指磁性材料內部的一個個小區域，每個區域內部包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區域之間原子磁矩排列的方向不同。不同的磁疇有不同的自發磁化方向，引起反射光振動面的不同旋轉，通過偏振片觀察反射光時，將觀察到與各磁疇對應的明暗不同的區域。用此方法還可對磁疇變化作動態觀察。3.科頓-穆頓效應

科頓和穆頓于1907年發現光從處在橫向磁場內的液體中通過時，產生雙折射現象，稱為科頓-穆頓效應，或磁致雙折射效應。實驗證實，處在外磁場內的媒質的二主折射率之差正比于磁感應強度H的平方：式中，C’為科頓-穆頓常數，它與光波波長λ和溫度有關，與磁場強度無關。4.塞曼效應原子在磁場中能級和光譜發生分裂的現象。塞曼效應是研究原子結構的重要途徑之一。在天體物理中，塞曼效應被用來測量天體磁場及星際磁場。因變化量極小，難用于傳感器，但可用于激光穩頻，制成雙頻激光器。四、磁電效應將材質均勻的金屬或半導體通電并置于磁場中產生的各種物理變化，稱為磁電效應。它包括電流磁效應和狹義的磁電效應。電流磁效應是指磁場對通電的物體引起的電效應，如霍爾效應和磁阻效應；狹義的磁電效應是指物體由電場作用產生的磁化效應或由磁場作用產生的電極化效應，前者稱作電致磁電效應，后者稱作磁致磁電效應。1.霍爾效應

置于磁場中的載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上平行電流和磁場方向上的兩個面之間產生電動勢，這種現象稱為霍爾效應。載流子在磁場中受到洛倫茲力的作用而發生偏轉，從而形成電場E，當載流子受到的電場力與洛倫茲力達到動態平衡時，累積電荷形成穩定的電勢UH

。由得知，d越小，越大，則感生電動勢越大，故一般霍爾元件是由霍爾系數很大的N型半導體材料制作的薄片，厚度微米級。a、a’——激勵電極、控制電極，b、b’——霍爾電極霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。

霍爾元件多采用N型半導體材料（高的電阻率和載流子的遷移率）。目前最常用的霍爾元件材料有N型鍺(Ge)、N型硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導體材料。封裝——非磁性金屬、陶瓷、環氧樹脂。

當一載流半導體置于磁場中，其電阻值會隨磁場而變化的這種現象稱為磁阻效應。在磁場作用下，半導體片內電流分布是不均勻的，改變磁場的強弱就影響電流密度的分布，故表現為半導體片的電阻變化。式中：ρ0——零磁場時的電阻率；

Δρ——磁感應強度為B時電阻率的變化量；

K——比例因子；

μ——電子遷移率；

B——磁感應強度；

L，b——分別為磁敏電阻的長（沿電流方向）和寬；

f(L/b)——形狀效應系數。2.磁阻效應磁阻效應與材料性質及幾何形狀有關，一般遷移率大的材料，磁阻效應愈顯著；元件的長、寬比愈小，磁阻效應愈大。與霍爾效應的區別：霍爾電勢是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應則是沿電流方向的電阻變化。磁敏電阻常選用銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）和銻化鈮（NiSb）等半導體材料，在絕緣基片上蒸鍍薄的半導體材料，也可在半導體薄片上光刻或腐蝕成型（柵狀結構）。磁阻效應——磁敏電阻主要特性：

磁電特性：當B<0.3T時，電阻的變化率與磁場的平方成正比；當B>0.3T時，成線性關系。與磁場的正負無關；

溫度特性：溫度系數影響大；

頻率特性：工作頻率范圍大，一般為1~10MHz；磁感應的范圍比霍爾元件大。3.巨磁阻效應指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在的巨大變化的現象。巨磁阻是一種量子力學效應，它產生于層狀的磁性薄膜結構。這種結構是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大。鐵磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁場控制的，較小的外磁場也可以得到較大的電阻變化。五、熱電效應和熱釋電效應1.熱電效應熱電效應是溫差電效應的俗稱。它是溫差轉換成電的物理效應，通常指塞貝克效應，其逆效應有帕爾貼效應和湯姆遜效應。（1）塞貝克效應（2）帕爾貼效應（3）湯姆遜效應

某些晶體材料（如鐵電晶體）具有自發極化現象，自發極化的大小在溫度有稍許變化時就有很大的變化。溫度恒定時，由自發極化產生的表面電荷吸附空氣中的電荷達到平衡；材料吸收紅外光后引起溫度升高，極化強度會減小，單位面積的表面電荷相應減少，一部分吸附電荷被釋放；若與一個電阻連成回路，電路中就會有電流產生，如圖所示。這種因溫度變化引起自發極化強度變化的現象被稱為熱釋電效應。2.熱釋電效應當溫度變化ΔT在材料各處一致時，熱釋電效應可以借助熱釋電系數p表示為：ΔP=pΔT

式中P是自發極化。右圖是鈦酸鋇熱釋電系數變化規律，由圖可見，溫度越接近居里溫度點（TC），熱釋電系數越大。

熱釋電效應所產生的電荷不是永存的，由于處于器件表面，會與空氣中的各種離子復合而使器件仍呈電中性。所以一般要在器件前方加裝一個周期性遮斷被測紅外信號的機械裝置，使器件接收紅外光能而引起的溫度作周期性變化，由于熱釋電式傳感器很薄，所以比其它傳感器響應更快，且靈敏度高。因為它檢測的是溫度梯度，無需與被測物達到熱平衡。它適用于通過對被測物表面掃描實現成像，如用于紅外熱敏成像、非破壞性測試、熱點監視等。

車輛計數器、人體探測器、高溫計（在高爐、熔化玻璃或熱損失評估中使用的非接觸式溫度計）和輻射計（測量輻射源產生的功率）、紅外分析儀、火災檢測、高分辨率測溫計、醫用溫度計等。紅外熱釋電傳感器

廣泛用于各種光譜測量、輻射功率測量、非接觸溫度測量、氣體分析、入侵報警、火焰探測、自動照明等領域。六、壓電、壓阻和磁致伸縮效應1.壓電效應（1）正壓電效應（2）逆壓電效應2.電致伸縮效應電介質材料在電場作用下，都會發生與電場強度的平方（或極化強度的平方）成比例的應變現象，只是強弱不同而已。這種物理效應稱為電致伸縮效應。一些鐵電陶瓷材料具有較強的電致伸縮效應。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，但電致伸縮效應與電場方向無關，其應變大小與電場強度的平方成正比，而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。3.壓阻效應半導體材料在受到外力或應力作用時，其電阻率發生變化的現象稱為壓阻效應。4.磁致伸縮效應（1）磁致伸縮效應：某些鐵磁體、合金及鐵氧體，其磁場與機械變形相互轉換的種種現象稱為磁致伸縮效應。磁致伸縮是指一切伴隨著強磁性物質的磁化狀態變化而產生的長度和體積變化。分兩種：線性磁致伸縮、體積磁致伸縮。（2）壓磁效應——逆磁致伸縮（3）威德曼效應指給鐵磁桿同時施加縱向磁場和環形磁場（即通以縱向電流）時，桿件除長度發生變化外，還同時產生扭曲現象，稱為威德曼效應。七、約瑟夫遜效應與核磁共振1-基片；2、7-端子電極；3、6-超導錫膜；4-約瑟夫遜結；