2023/9/211第四章信息傳感材料2023/9/2121.傳感器與傳感材料定義：傳感器是能夠感受規定的被測量并按一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。2023/9/2132023/9/2142023/9/2152023/9/2162023/9/217信息傳感材料指用于信息傳感器和探測器的一類對外界信息敏感的材料，在外界信息如力學、熱學、磁學、電學、化學和生物信息的影響下，這類材料的物理性質或化學性質會發生相應的變化。力敏傳感材料熱敏傳感材料光敏傳感材料磁敏傳感材料氣敏傳感材料濕敏傳感材料光纖傳感材料生物傳感材料2023/9/2182.力敏傳感材料力敏傳感材料指在外力作用下，電學性質會發生明顯變化的材料，分為應變電阻材料、壓阻材料和壓電材料。2.1電阻應變材料電阻-應變效應是指金屬導體的電阻在導體受力產生變形（伸長或縮短）時發生變化的物理現象。當金屬電阻絲受到軸向拉力時，其長度增加而橫截面變小，引起電阻增加。反之，當它受到軸向壓力時則導致電阻減小。

電阻應變式傳感器就是利用金屬電阻應變片的電阻應變效應實現應力（應變）的傳感的，金屬應變片電阻值變化正比于應力大小。常用的金屬應變片由金屬絲式、箔式、薄膜式等。2023/9/2192341電阻應變片結構示意圖bl應變片的結構與材料

由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應變片的性能。因此，應根據使用條件和要求合理地加以選擇。（1）

敏感柵由金屬細絲繞成柵形。電阻應變片的電阻值為60Ω、120Ω、200Ω等多種規格，以120Ω最為常用。應變片柵長大小關系到所測應變的準確度，應變片測得的應變大小是應變片柵長和柵寬所在面積內的平均軸向應變量。柵長柵寬2023/9/2110對敏感柵的材料的要求：①應變靈敏系數大，并在所測應變范圍內保持為常數；②電阻率高而穩定，以便于制造小柵長的應變片；③電阻溫度系數要小；④抗氧化能力高，耐腐蝕性能強；⑤在工作溫度范圍內能保持足夠的抗拉強度；⑥加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材；⑦易于焊接，對引線材料的熱電勢小。對應變片要求必須根據實際使用情況，合理選擇。（2）

基底和蓋片基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵。基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬。2023/9/2111（3）

引線

是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數敏感柵材料都可制作引線。（4）

粘結劑

用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應變片時，也需用粘結劑將應變片基底粘貼在構件表面某個方向和位置上。以便將構件受力后的表面應變傳遞給應變計的基底和敏感柵。常用的粘結劑分為有機和無機兩大類。有機粘結劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。2023/9/2112銅鎳合金（康銅）：靈敏系數穩定性、耐輻射性能好，低溫性能較差。鎳鉻系合金：電阻率和抗氧化能力高、工作溫度較寬。鐵鉻鋁合金：抗氧化、耐高溫性能最好鎳鉻鐵合金：電阻溫度系數小、電阻率高鉑和鉑合金：抗氧化、耐高溫性能最好前三種最常用。這些合金的靈敏系數為2～6

金屬電阻應變片材料柵長度一般為0.2～100毫米，直徑0.015～0.05毫米的金屬絲，厚度0.002～0.005毫米的金屬箔。電阻為60～1000歐（最常用的為120歐），測量范圍為幾微應變至數萬微應變（με，1微應變=10-6毫米／毫米）金屬應變片的電阻變化率和引起此電阻變化的構件表面在應變計軸線方向的應變ε之比，稱為電阻應變計的靈敏系數K。2023/9/21132.2半導體壓阻材料壓阻效應指當半導體受到機械力作用時，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率發生變化的現象。它是C.S史密斯在1954年對硅和鍺的電阻率與應力變化特性測試中發現的。壓阻系數π被定義為單位應力作用下電阻率的相對變化機械力作用——晶格間距變化——禁帶寬度變化——載流子相對能量改變——電阻率變化優點：

①靈敏度與精度高；

②易于小型化和集成化；

③結構簡單、工作可靠，在幾十萬次疲勞試驗后，性能保持不變；

④動態特性好，其響應頻率為103～105Hz。用來制成各種壓力、應力、應變、速度、加速度傳感器2023/9/2114PN結壓阻效應及其應用電路半導體壓阻材料主要采用單晶硅材料。為了調節力敏元件的壓阻系數，電阻值和溫度特性，還要摻雜硼、磷等雜質。

半導體PN結受壓力后也會呈現壓阻效應，從而改變結間電流。2023/9/21152.3壓電材料壓電效應某些電介質，在一定方向上受到外力作用而變形時，內部會產生極化現象，同時在其表面上會產生電荷。當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態的現象。具有壓電效應的電介物質稱為壓電材料順壓電效應：機械能電能逆壓電效應：電能機械能壓電材料壓電晶體：石英晶體、酒石酸鉀鈉、電氣石、磷酸銨、硫酸鋰性能穩定、不需極化處理、無熱釋電效應壓電陶瓷：人工極化處理的鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇壓電常數大、靈敏度高、工藝成熟、價格低廉壓電半導體：ZnS、ZnO、CdS、CdTe等壓電高分子材料：聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯2023/9/2116石英晶體壓電效應示意圖將一個結構單元中構成石英晶體的硅離子和氧離子的排列在垂直于晶體Z軸的平面內投影，可得到等效于下圖的正六邊形排列。圖中⊕代表Si4+,代表2O2-2023/9/21173.熱敏傳感材料熱敏傳感材料：對溫度變化具有靈敏響應的材料。接觸式測溫非接觸式測溫熱膨脹式熱電勢式熱電阻式PN結型集成電路型熱釋電式光學高溫傳感器熱輻射式溫度傳感器通過測溫元件與被測物體的接觸而感知物體的溫度通過接收被測物體發出的輻射來得知物體的溫度優點：技術成熟傳感器種類多測量系統簡單精度較高優點：不受測溫元件耐熱程度限制測溫速度快可測運動物體溫度2023/9/21183.1雙金屬溫度計（熱膨脹式）

把兩種膨脹系數不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計，可將溫度變化轉換成機械量變化。優點：結構簡單牢固可靠防爆

2023/9/21193.2熱電勢式溫度計(熱電偶)

熱電效應

將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路，當兩個接點溫度不同時，在回路中就會產生熱電勢，形成電流，此現象稱為熱電效應。熱電勢、熱電偶、熱電極熱端（測量端或工作端）、冷端（參考端或自由端）2023/9/2120接觸電動勢

接觸電動勢的數值取決于兩種不同導體的材料特性和接觸點的溫度。兩接點的接觸電動勢eAB(T)和eAB（T0）可表示為含義：由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。k——玻耳茲曼常數，q0——電子電荷量，T——接觸處的溫度NA，NB——分別為導體A和B的自由電子密度。2023/9/2121

同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。大小表示：

溫差電動勢機理：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多，結果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負電，在導體兩端便形成溫差電動勢。2023/9/2122熱電偶回路中產生的總熱電勢

eAB(T,T0)=eAB(T)＋eB(T,T0)－eAB(T0)－eA(T,T0) 忽略溫差電動勢，熱電偶的熱電勢可表示為：

2023/9/2123影響因素取決于材料和接點溫度，與形狀、尺寸等無關兩熱電極相同時，總電動勢為0兩接點溫度相同時，總電動勢為0對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，eAB(T0)=c為常數，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即

可見：只要測出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。討論2023/9/2124熱電偶測溫基本定律1)均質導體定律由一種均質導體組成的閉合回路，不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產生熱電動勢。TT02)中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的導體，只要其兩端的溫度相等，該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。TT0V2023/9/21253)參考電極定律兩種導體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產生的熱電動勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得：ABTT0=ACTT0—CBTT0由于鉑的物理化學性質穩定、人們多采用鉑作為參考電極。2023/9/2126例子熱端為100℃，冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為－4.0mV，則鎳鉻和考銅組成的熱電偶所產生的熱電動勢應為：2.95－(－4.0)=6.95(mV)2023/9/21272023/9/21283.3熱電阻式溫度傳感器熱電阻式溫度傳感器是利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。熱電阻（金屬測溫電阻）、半導體熱敏電阻。熱電阻廣泛用來測量－200～850℃范圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復現國際溫標的標準儀器。對用于制造熱電阻材料的要求：具有盡可能大和穩定的電阻溫度系數和電阻率

R-t關系最好成線性物理化學性能穩定復現性好等。

目前最常用的熱電阻金屬是鉑、銅和鎳。2023/9/2129項目PtNiCu使用溫度/℃-200~600-100～300-50～150電阻絲直徑/mm0.03~0.070.050.1電阻率/(Ω?mm2/m）0.0981~0.1060.118～0.1380.0170～100℃電阻溫度系數/(×10-3/℃)3.92～3.986.21～6.344.25～4.28主要金屬測溫電阻器的性能2023/9/2130半導體熱敏電阻是利用半導體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件。半導體熱敏電阻RT2023/9/2131熱敏電阻的電阻－溫度特性大多數：負溫度系數。熱敏電阻在不同值時的電阻－溫度特性，溫度越高，阻值越小，且有明顯的非線性。NTC（負電阻溫度系數）熱敏電阻具有很高的負電阻溫度系數，特別適用于：－100～＋300℃之間測溫。PTC（正電阻溫度系數）熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，且有斜率最大的區域，當溫度超過某一數值時，其電阻值朝正的方向快速變化。CTR（臨界溫度熱敏電阻）也具有負溫度系數，但在某個溫度范圍內電阻值急劇下降，曲線斜率在此區段特別陡，靈敏度極高。主要用作溫度開關。線性熱敏電阻2023/9/21322023/9/2133半導體熱敏電阻材料PTC材料

BaTiO3基熱敏材料：用于家用電器的溫度傳感器、限流器等。

V2O3基熱敏材料：常溫電阻率極小，用于大電流領域的過流保護。NTC材料低溫：AB2O4尖晶石型氧化物半導體陶瓷常溫：AB2O4尖晶石型的含錳氧化物高溫：AO2螢石型、AB2O4尖晶石型、ABO3鈣鈦礦型和剛玉型。CTR材料：指在一定溫度發生半導體-金屬間相變從而呈現負電阻突變特性的一類材料。以VO2為基的半導體材料，廣泛應用于火災報警和溫度的報警、控制和測量場合。

線性熱敏電阻材料：指CdO-Sb2O3-WO3系列呈線性電阻溫度特性的陶瓷。2023/9/21343.4熱釋電式傳感器熱釋電效應當一些晶體受熱時，在晶體兩端會產生數量相等而符號相反的電荷，從而產生電極化的現象。通常，晶體自發極化所產生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發極化電矩不能表現出來。當溫度變化時，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發極化發生變化。熱釋電效應大小與晶格結構隨溫度的變化密切相關。

具有熱釋電效應的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料：單晶：LiTaO3、LiNbO3、鈮酸鍶鋇（SBN）熱釋電陶瓷：PZT（鋯鈦酸鉛）、PLZT（鋯鈦酸鉛鑭）高分子薄膜：聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯2023/9/2135熱釋電材料居里溫度/℃介電常數熱釋電系數/×10-8C/(cm2?K)TGS晶體49354.0LaTaO3單晶61843~541.8~2.3PZT陶瓷200~270380~18001.8~2.0LiNbO3陶瓷1200300.4~0.5PbTiO34702006.0SBN單晶1153806.5PVDF有機高分子1201.10.24常用熱釋電材料性能TGS（硫酸三甘肽）：居里溫度低，可溶于水；PbTiO3和LiTaO3：具有較高實用價值。PZT：鋯鈦酸鉛SBN：鈮酸鍶鋇PVDF：聚偏二氟乙烯2023/9/2136光敏傳感器通常是指對紫外光到紅外光敏感，并能將光能轉化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質的光電效應。外光電效應

在光的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象。向外發射的電子稱為光電子。如光電管、光電倍增管等4.光敏傳感材料內光電效應

半導體材料受到光照時會產生電子-空穴對,使其導電性能增強,光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發生變化的現象,稱為內光電效應。如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。2023/9/2137內光電效應又分光電導效應和光生伏特效應

在入射光的作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態過渡到自由狀態，從而引起材料電導率變化的現象，稱為光電導效應。光生伏特效應是利用半導體PN結在光的照射下產生光電動勢的現象。當大于禁帶寬度的光子照射到PN結后，電子會被激發并在內建電場作用下形成光電動勢。本征光電導：由帶間吸收形成的載流子產生的電導非本征光電導：由束縛在雜質能級上的電子和空穴被激發后形成自由載流子而產生的電導2023/9/2138半導體光電探測器材料根據半導體知識,價帶中的電子吸收光子能量后,越過禁帶進入導帶,才會產生導電作用。這就決定了半導體紅外探測儀響應輻射的臨界波長λc:λc=1.24/Eg(μm)

其中Eg為禁帶寬度(電子伏特)。

半導體材料的禁帶寬度決定了它所制成的探測器的響應波長范圍。因此大多數的半導體紅外探測儀對光的吸收是有選擇性的;

中、遠紅外探測儀常工作于低溫,因此需要制冷。響應時間比其他探測儀要快的多。2023/9/2139半導體光電探測器材料按使用波長分為寬禁帶紫外光電探測器材料SiC：禁帶寬度高、電子飽和漂移速度高、擊穿場強、較高的熱導率和化學穩定性。但禁帶寬度不可調，截止波長430nm。金剛石：禁帶寬度5.5eV，截止波長225nm，理想的中紫外和遠紫外光電探測器材料。但制備難度大、不易摻雜。GaN：禁帶寬度3.4eV，截止波長365nm。可通過外延生長形成AlGaN和InGaN三元合金，調節禁帶寬度和截止波長，適于中紫外波段（200～300nm）此外，還有AlN、InN及其合金，ZnO、ZnS、ZnSe、CdSe、MnO等2023/9/2140短波紅外光電探測器材料用于光通信（1.3～1.65μm）：Ge、InGaAs、InAs等。用于環保測量和醫療（2～3μm）：

InAsPSb、InGaAsSb、AlGaAsSb。中波紅外（3～5μm）InSb（銻化銦）、PtSi、HgCdTe（碲鎘汞）長波紅外（8～14μm）材料

HgCdTe（碲鎘汞）、VO2、IrSi（硅化銥）化合物本征型光電導探測器,它是由HgTe和CdTe兩種材料混在一起的固溶體,其禁帶寬度隨組分x呈線性變化。當x=0.2時響應波長為8～14μm，工作溫度77k，用液氮致冷。2023/9/2141光電管當陰極受到適當波長的光線照射時便發射光電子，電子被正電位的陽極所吸引，在光電管內就有電子流，在外電路中便產生了電流。光電探測器件發光材料：

Cs－Sb（銫－銻）As－O－CsAg－Bi－O－Cs2023/9/2142

真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管:構造和真空光電管基本相同，所不同的僅僅是在玻璃管內充以少量的惰性氣體。優點：靈敏度高缺點：光電流與入射光強度不成比例、穩定性差、惰性大、受溫度影響大，容易老化2023/9/2143

在入射光極為微弱時，光電管能產生的光電流就很小，光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+若干倍增極+陽極

12～14級光電倍增管2023/9/2144光電倍增管的工作原理光電陰極光電倍增極陽極 倍增極上涂有Cs-Sb或Ag-Mg等次級發射材料，并且電位逐級升高 陰極發射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發射 二次電子發射系數σ=二次發射電子數／入射電子數 若倍增極有n，則倍增率為σn2023/9/2145光敏電阻（光導管）當無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小當有光照時，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加常用的光電材料包括Ge、Si、CdS、CdSe和PbS等。其中：CdS和CdSe可任意比例燒結，峰值波長在520～720nm連續變化PbS光譜響應范圍在1～3μm，適于近紅外波段。2023/9/2146光敏電阻的光電流與光強之間的關系由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動控制系統中常用作開關式光電信號傳感元件。2023/9/2147光電池直接將光能轉換為電能的光電器件光電池包括硅光電池、硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池等。當光電池密封良好、電極引線可靠、應用合理時，光電池的性能是相當穩定的 硅光電池的性能比硒光電池更穩定影響性能和壽命因素： 光電池的材料及制造工藝 使用環境條件

2023/9/2148硅光電池結構示意圖硒光電池結構示意圖P區帶正電，N區帶負電光譜范圍：450～1100nm硒材料帶正電，鎘材料帶負電光譜范圍：340～750nm是一個大面積的pn結。當光照射到pn結上時，便在pn結的兩端產生電動勢(p區為正，n區為負)。2023/9/2149結構與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼內，PN結裝在管頂。 在電路中一般是處于反向工作狀態的。光敏材料為Si和CdS等。光敏二極管光敏二極管2023/9/2150與一般三極管很相似，具有兩個pn結。發射極做得很大，以擴大光的照射面積。基極不接引線。把光信號轉換為電信號同時，又將信號電流加以放大。光敏材料為Si。光敏三極管光敏三極管及其工作電路+2023/9/2151PIN結光電二極管PIN結光電二極管就是在P區和N區之間加上一層很厚的高電阻率的本征層（I層）的光電二極管，同時P層做的很薄。

本征層的電阻很高，反偏電場主要集中在這一區域。高電阻使暗電流明顯減少，在這里產生的光生電子-空穴對將立即被電場分離。2023/9/2152PIN的工作原理示意圖P+W光IN+能量I層為高阻層，工作狀態下承受絕大部分的外加電壓，使耗盡層增厚，從而展寬光電轉換的有效工作區，提高器件靈敏度；I層的存在提高了器件的擊穿電壓，可選用低電阻率的基體材料，減小了器件的串聯電阻和時間常數，減小了漂移時間，提高了器件的響應速度。2023/9/2153PIN光電檢測器的一般性能

Si-PINInGaAs-PIN波長響應0.4～1.01～1．6響應度0.4(0.85μm)

0.5（1.31μm）暗電流0.1～12～5響應時間2～100.2～1結電容0.5～11～2工作電壓/V－5～－15－5～－15響應度——是光生電流和入射光功率的比值2023/9/2154雪崩光電二極管avalanchephotodiode，APDAPD在PN結的P型區外側增加一層摻雜濃度極高的P+層。當在其上施加高反偏壓時，以P層為中心的兩側產生極強的內部加速場（可達105V/cm）。

在高電場作用下，光照產生的電子會高速通過P層，并在P區產生碰撞電離，形成大量新生電子－空穴對。這些新生的電子－空穴對在高電場的作用下加速，再次激發新生電子－空穴對。當所加反向偏壓足夠大時，不斷產生二次電子發射，形成“雪崩”樣的載流子，構成強大的電流。因此，APD的響應時間極短、靈敏度很高。2023/9/2155APD光電檢測器的一般性能

Si-APDInGaAs-APD波長響應0.4～1.01～1．65響應度0.5

0.5～0.7暗電流0.1～110～20響應時間0.2～0.50.1～0.3結電容1～2

＜0.5工作電壓50～10040～60倍增因子30～10020～30附加噪聲指數0.3～0.50.5～0.7倍增因子g——定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值2023/9/2156固體攝像器件固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息（可見光、紅外輻射等），轉換為按時序串行輸出的電信號——視頻信號。其視頻信號能再現入射的光輻射圖像。

固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互補金屬氧化物半導體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（ChargeInjenctionDevice，即CID）

目前，前兩種用得較多，我們這里只分析CCD一種。2023/9/2157電荷耦合攝像器件

電荷耦合器件（CCD）特點——以電荷作為信號。

CCD的基本功能——電荷存儲和電荷轉移。

CCD工作過程——信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測的過程。

CCD的基本結構包括：信號輸入結構、轉移電極結構、轉移溝道結構、信號輸出結構、信號檢測結構。構成CCD的基本單元是MOS電容。CCD的MOS結構2023/9/2158

一系列彼此非常接近的MOS電容用同一半導體襯底制成，襯底可以是P型或N型材料，上面生長均勻、連續的氧化層，在氧化層表面排列互相絕緣而且距離極小的金屬化電極（柵極）。2023/9/2159（1）、電荷產生

當光線照射到CCD表面的MOS結構單元時，光子穿過透明電極和氧化層，進入P型硅襯底，在襯底中形成電子－空穴對。在外場作用下，電子和空穴分別向電極兩端移動，多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子被收集在勢阱中形成信號電荷。2023/9/2160（2）、電荷存儲

以襯底為P型硅構成的MOS電容為例。

當在金屬電極加上一個正階梯電壓時，在Si-SiO2