现代传感技术
教材,<<新型传感器原理及应用 >>
学时,32
内容,第一章 ~第八章
重点,了解和掌握现代新型传感器的原理
及技术
课程地位,
1.信号与图像处理
2.智能仪表
3.控制原理与方法
4.传感器与检测技术
常规传感器, 温度,压力,流量等
特殊传感器,红外,超声波等
现代传感器,最新技术
第一章 综述
第一节 新型传感效应
按物理量划分,
1.光效应
2.磁效应
3.力效应
4.化学效应
5.生物效应
一、光效应
1.光电导效应
在光辐射作用下,材料的电导率变化,
特点,外加电压,应用于 光敏电阻,
光电导材料,本征型和掺杂型
光电流, Ip=SgEU=gpU (1-10)
E —光 照度 ;gp—光电导 ;Sg—光电导灵敏
度
考虑暗电流 Id,则流过光电导器件电流,
I=Ip+Id=gpU+gdU (1-2)
2.P-N结光伏效应
P-N结受到光照射,光子能量大于禁带宽
度时,产生电子 -空穴对,在内电场作用下
按一定方向运动,从而形成与内电场相反
的开路光生电压 UOC,称 光生伏特 效应,
相关公式,
正向电流,ID=I0(eqU/(KT)-1) (1-3)
负载电流,IL=IP-ID=SE[E- I0(eqU/(KT)-1)]
(1-4)
RL断开时,开路电压,
UOC≈(KT/q)ln(SEE/I0) (1-5)
RL=0时,短路电流,
ISC=IP=SEE (1-6)
应用,光敏二极管、三级管和硅光电池。
3.科顿 (Cotton)效应
在直线偏振光入射并透过时,会产生 α角
的偏转现象称为科顿效应,
旋光性物质,使左、右旋圆偏振光传输速
度不同。
φ1- φ2 πd(n1-n2)α=——— = —————
2 λ
二、磁效应
磁电、压磁和核磁共振等效应。
1.法拉第效应
即磁致旋光效应,线偏振光通过磁场下的透
明介质时,光的偏振面 (矢量振动方向 )发
生偏移,
2.霍耳效应
当电流通过半导体薄片时,垂直于电流方
的磁场 B使电子向薄片的一侧偏转,在两
侧形成霍尔电势 UH.
UH= KHIBB
三、力效应
压电、磁致伸缩、电致伸缩和压阻效应等
1.压电效应
当受到沿一定方向的外力作用而变形时,在其
某两个表面上产生极性相反的电荷,
常见的有,石英晶体等,
2.磁致伸缩效应
铁磁物体在磁场的作用下,产生机械变形,
亦称为焦尔效应,
3.饱和效应
在高分子核磁共振吸收过程中,随着射入电
磁波振幅的增加,高分子吸收电磁波能量
逐渐减少的现象称为饱和效应,
四、化学效应
1.吸附效应
在特定温度下,材料会吸附气体分子,其分
子表面和气体分子之间发生电子交换,使
得半导体材料的表面电位、功函数及电
导率发生变化，此现象为吸附效应。
如：气敏传感器。
2.半导体表面场效应
利用电压所产生的电场控制半导体表面电
流的效应,
3.中性盐效应
在化学反应系统中加入中性盐后,系统的离
子强度将发生变化,从而影响其反应速度,
这种现象称中性盐效应,
4.电泳效应
当水溶液 (如食盐 )电解时,溶液中的离子向
电极方向移动 (电泳 ),因溶液流动阻碍离
子移动而减少其迁移率的现象称为电泳
效应,
五、多普勒效应
某信号源 (频率 f0)与传感器之间以速度 u相
对运动,传感器接受的新号频率为 f将与
f0不同,且两者相对运动时,则 f>f0;两者
相向运动,则 f<f0,该现象称多普勒效应,
± u
f=f0[1-(----cosθ)] (1 -14)
C
θ 为运动夹角
第二节 新型敏感材料
指能利用物理、化学或生物反应原理做
成敏感元件的基本材料。
结晶状态,单晶、多晶、非晶和微晶 。
电子结构和化学键,金属、陶瓷和聚合物 。
物理性质,超导体、导体,半导体 等 。
形态,掺杂、微粉、薄膜、块状和纤维等 。
功能,力敏、压敏、光敏、声敏和磁敏等。
一、半导体敏感材料
常用且工艺成熟。
1.单晶硅
具有良好的机械、物理特性，功耗低。
常用于 固态传感器。 如 压力、加速度 等。
2.多晶硅
多个单晶硅的聚合物,
特点,受力应变灵敏系数低于单晶硅,但温
漂小,
常用于制造低温漂的力敏传感器,
3.非晶体硅
特点,可见光吸收系数高、淀积温度低、材
料稳定、无压阻效应。
常用于生产 光传感器、图像、高灵敏度温
度、微波功率和触觉传感器 。
4.硅蓝宝石
将硅衬底在蓝宝石上,绝缘性、机械强度和
化学稳定性优良。
常用于生产 耐环境适应性 的传感器。
5.化合物半导体材料
用于 长波红外图像传感器,
二、光导纤维
光纤在受到环境因素的影响时（压力、
温度、电磁场等），将影响在光纤中传
输的光波某些物理量 (光强、相位、频率、
偏振态）的变化，依次生产出光纤传感
器 。
纤芯,α,n1
包层,n2
保护层,n3
θ <θc
N1>n2
数值孔径,
NA=SINθ n12-n22 (1-19)
NA θ
全反射条件,n1>n2且 θ< θc
光波相位变化 2π整数被形成的驻波光线称
为“模”,
某一光纤传输模的总数 ν=2πrNA/λ(1-20)
依据式 (1-20),分单模光纤和多模光纤,
光纤芯 <6um;折射率 0.005时,只传基模光
波,Ex和 Ey.
ex=Ax(x,y)ej(ωt-βxz)
ey=Ay(x,y)ej(ωt-βyz) (1-21)
单模光纤输出光波特性,
1) βx =βy ;两种模等速传播
2) Ax =Ay;椭圆偏振光
若 |βx -βy |=mπ (m=0,1,2,… ) 线偏振光
若 |βx -βy |=(m+1/2)π (m=0,1,2,… )
圆偏振光
用于传感技术的特殊光纤 — 保 偏光纤
如,输入 Ey模的线偏振光,在干扰下会产生
Ex,功率变换比例,
η =|ex|2/|ey|2=tanh(KL/Δβm)
(1-23)
K-常数； L-长度； m-干扰常数（ 4,6,8）
为保偏振面状态不变,应 加大 Δβ,实际中大于
3000rad/m较好,
三、高分子材料
分子骨格几乎都由强化学键（ σ）构成。
特点,非晶结构；绝缘 。
可做 电导性 敏感材料：
1.压电效应
如,PVDF薄膜做人工 仿生皮肤,受外力或变
形时，极化表面产生一定 电荷 。
2.释电效应
当薄膜吸热温度升高时,使极化表面产生电
荷,在材料的两端产生电压,
此外,还可做 光电材料,
四、石英晶体
水晶（ SiO2),压电效应。
电 绝缘离子型晶体电解质材料。
X-电轴； Y-机械轴； Z-光轴
教材,<<新型传感器原理及应用 >>
学时,32
内容,第一章 ~第八章
重点,了解和掌握现代新型传感器的原理
及技术
课程地位,
1.信号与图像处理
2.智能仪表
3.控制原理与方法
4.传感器与检测技术
常规传感器, 温度,压力,流量等
特殊传感器,红外,超声波等
现代传感器,最新技术
第一章 综述
第一节 新型传感效应
按物理量划分,
1.光效应
2.磁效应
3.力效应
4.化学效应
5.生物效应
一、光效应
1.光电导效应
在光辐射作用下,材料的电导率变化,
特点,外加电压,应用于 光敏电阻,
光电导材料,本征型和掺杂型
光电流, Ip=SgEU=gpU (1-10)
E —光 照度 ;gp—光电导 ;Sg—光电导灵敏
度
考虑暗电流 Id,则流过光电导器件电流,
I=Ip+Id=gpU+gdU (1-2)
2.P-N结光伏效应
P-N结受到光照射,光子能量大于禁带宽
度时,产生电子 -空穴对,在内电场作用下
按一定方向运动,从而形成与内电场相反
的开路光生电压 UOC,称 光生伏特 效应,
相关公式,
正向电流,ID=I0(eqU/(KT)-1) (1-3)
负载电流,IL=IP-ID=SE[E- I0(eqU/(KT)-1)]
(1-4)
RL断开时,开路电压,
UOC≈(KT/q)ln(SEE/I0) (1-5)
RL=0时,短路电流,
ISC=IP=SEE (1-6)
应用,光敏二极管、三级管和硅光电池。
3.科顿 (Cotton)效应
在直线偏振光入射并透过时,会产生 α角
的偏转现象称为科顿效应,
旋光性物质,使左、右旋圆偏振光传输速
度不同。
φ1- φ2 πd(n1-n2)α=——— = —————
2 λ
二、磁效应
磁电、压磁和核磁共振等效应。
1.法拉第效应
即磁致旋光效应,线偏振光通过磁场下的透
明介质时,光的偏振面 (矢量振动方向 )发
生偏移,
2.霍耳效应
当电流通过半导体薄片时,垂直于电流方
的磁场 B使电子向薄片的一侧偏转,在两
侧形成霍尔电势 UH.
UH= KHIBB
三、力效应
压电、磁致伸缩、电致伸缩和压阻效应等
1.压电效应
当受到沿一定方向的外力作用而变形时,在其
某两个表面上产生极性相反的电荷,
常见的有,石英晶体等,
2.磁致伸缩效应
铁磁物体在磁场的作用下,产生机械变形,
亦称为焦尔效应,
3.饱和效应
在高分子核磁共振吸收过程中,随着射入电
磁波振幅的增加,高分子吸收电磁波能量
逐渐减少的现象称为饱和效应,
四、化学效应
1.吸附效应
在特定温度下,材料会吸附气体分子,其分
子表面和气体分子之间发生电子交换,使
得半导体材料的表面电位、功函数及电
导率发生变化，此现象为吸附效应。
如：气敏传感器。
2.半导体表面场效应
利用电压所产生的电场控制半导体表面电
流的效应,
3.中性盐效应
在化学反应系统中加入中性盐后,系统的离
子强度将发生变化,从而影响其反应速度,
这种现象称中性盐效应,
4.电泳效应
当水溶液 (如食盐 )电解时,溶液中的离子向
电极方向移动 (电泳 ),因溶液流动阻碍离
子移动而减少其迁移率的现象称为电泳
效应,
五、多普勒效应
某信号源 (频率 f0)与传感器之间以速度 u相
对运动,传感器接受的新号频率为 f将与
f0不同,且两者相对运动时,则 f>f0;两者
相向运动,则 f<f0,该现象称多普勒效应,
± u
f=f0[1-(----cosθ)] (1 -14)
C
θ 为运动夹角
第二节 新型敏感材料
指能利用物理、化学或生物反应原理做
成敏感元件的基本材料。
结晶状态,单晶、多晶、非晶和微晶 。
电子结构和化学键,金属、陶瓷和聚合物 。
物理性质,超导体、导体,半导体 等 。
形态,掺杂、微粉、薄膜、块状和纤维等 。
功能,力敏、压敏、光敏、声敏和磁敏等。
一、半导体敏感材料
常用且工艺成熟。
1.单晶硅
具有良好的机械、物理特性，功耗低。
常用于 固态传感器。 如 压力、加速度 等。
2.多晶硅
多个单晶硅的聚合物,
特点,受力应变灵敏系数低于单晶硅,但温
漂小,
常用于制造低温漂的力敏传感器,
3.非晶体硅
特点,可见光吸收系数高、淀积温度低、材
料稳定、无压阻效应。
常用于生产 光传感器、图像、高灵敏度温
度、微波功率和触觉传感器 。
4.硅蓝宝石
将硅衬底在蓝宝石上,绝缘性、机械强度和
化学稳定性优良。
常用于生产 耐环境适应性 的传感器。
5.化合物半导体材料
用于 长波红外图像传感器,
二、光导纤维
光纤在受到环境因素的影响时（压力、
温度、电磁场等），将影响在光纤中传
输的光波某些物理量 (光强、相位、频率、
偏振态）的变化，依次生产出光纤传感
器 。
纤芯,α,n1
包层,n2
保护层,n3
θ <θc
N1>n2
数值孔径,
NA=SINθ n12-n22 (1-19)
NA θ
全反射条件,n1>n2且 θ< θc
光波相位变化 2π整数被形成的驻波光线称
为“模”,
某一光纤传输模的总数 ν=2πrNA/λ(1-20)
依据式 (1-20),分单模光纤和多模光纤,
光纤芯 <6um;折射率 0.005时,只传基模光
波,Ex和 Ey.
ex=Ax(x,y)ej(ωt-βxz)
ey=Ay(x,y)ej(ωt-βyz) (1-21)
单模光纤输出光波特性,
1) βx =βy ;两种模等速传播
2) Ax =Ay;椭圆偏振光
若 |βx -βy |=mπ (m=0,1,2,… ) 线偏振光
若 |βx -βy |=(m+1/2)π (m=0,1,2,… )
圆偏振光
用于传感技术的特殊光纤 — 保 偏光纤
如,输入 Ey模的线偏振光,在干扰下会产生
Ex,功率变换比例,
η =|ex|2/|ey|2=tanh(KL/Δβm)
(1-23)
K-常数； L-长度； m-干扰常数（ 4,6,8）
为保偏振面状态不变,应 加大 Δβ,实际中大于
3000rad/m较好,
三、高分子材料
分子骨格几乎都由强化学键（ σ）构成。
特点,非晶结构；绝缘 。
可做 电导性 敏感材料：
1.压电效应
如,PVDF薄膜做人工 仿生皮肤,受外力或变
形时，极化表面产生一定 电荷 。
2.释电效应
当薄膜吸热温度升高时,使极化表面产生电
荷,在材料的两端产生电压,
此外,还可做 光电材料,
四、石英晶体
水晶（ SiO2),压电效应。
电 绝缘离子型晶体电解质材料。
X-电轴； Y-机械轴； Z-光轴
