传感器与检测技术 教学课件 赵勇 第3章 传感器敏感材料及器件3.1 3.4.pdf

LOGO 第3章 传感器的敏感材料及 第3章 传感器的敏感材料及 敏感元件 敏感元件 传感器的敏感材料及敏感元件 1 3.1 半导体敏感材料及元件 2 3.2 陶瓷敏感材料 3 3.3 高分子敏感材料 4 3.4 电流变敏感材料 3 敏感材料及元件 传感器中的敏感材料是指能直接感受被测量的部分，是 传感器研究领域中最核心和关键的研究内容。 敏感元件定义：如果被检测或被控制的量不是电信号, 那么把各种各样的物理量变成电信号来测量的元件, 就 是所谓敏感元件。 根据被测参数的功能类型来划分敏感材料。例如温度敏 感材料、压力敏感材料、应变敏感材料、光照度敏感材 料等。 按照材料的结构类型进行分类。该分类方法包括半导体 敏感材料、陶瓷敏感材料、金属敏感材料、有机高分子 敏感材料、光纤敏感材料、磁性敏感词材料等等。 3.1 半导体敏感材料及元件 传感器对半导体敏感材料最基本要求是换能效率高，即可 将其他形式能量转换为电能，且易制成器件。 传感器用的半导体敏感材料种类主要有：元素半导体及化 合物；金属氧化物以及几种金属氧化物经高温烧结而成的 半导体陶瓷、多元化合物等，此外还有新开发的有机半导 体材料，如酞蔷金属化合物等。 在仪器仪表中所用的敏感元件是多种多样的。而半导体在 光、电、热、磁等因素作用下会产生光电、热电、霍尔、 磁阻、压电、场和隧道等效应，利用这些效应可以制做各 种具有独特性能的敏感元件，其特点是：灵敏度高、重量 轻、响应快、工作电压低等。 3.1.1半导体光敏材料及元件 光敏半导体材料是将光能转换为电信号的半导体材料，按 其换能原理可分为以下两种： 1.光导效应半导体材料： 半导体材料接受光子的能量，使 载流子由束缚态激发到自由态，从而电导率增大。 2.光电效应半导体材料： 入射光在两种半导体的结合处激 发起电子-空穴对，电子与空穴分别被结电场拉开，向相反 方向运动，从而产生感应电动势。用这类材料可制成光电二 极管、光电三极管及雪崩光二极管等器件，广泛用于自动控 制。 3.1.2 半导体磁敏材料及元件 磁敏半导体材料是将磁场强度转换成电信号的材料。按应 用原理可分为以下两类。 1.霍耳效应材料： 当有均匀电流流过的半导体材料受到一 垂直于电流方向的磁场作用时，因洛伦兹力作用，产生一横 向的电场。霍耳电压的大小与磁场强度成正比，依此可将磁 场强度线性地转换为电压信号。要求材料具有高迁移率及薄 层结构。 当半导体中有均匀电流流过，并受垂 2.磁电阻效应材料： 直于电场方向的外界磁场作用时，因霍耳效应，电流偏离电 场方向一个角度，使电流所经的路程变长。在电流方向，材 料两端设置金属元件，电阻就增大。常用InSb、InAs制作 磁敏电阻，同样要求材料具有高迁移率及薄层结构。 3.1.3 其他半导体敏感材料及元件 压力敏感半导体材料是将压力转换为电信号的半导体材料。 按其换能效应原理，可分为以下两种。 1.压阻半导体材料： 这类材料受外力作用时，产生晶格形变。 晶格的距离改变，导致禁带宽度及载流子在电场下的运动状 态发生变化，促使电阻率改变。 2.压电半导体材料： 这类材料的作用机理都基于压电效应。 当外力作用到不具有对称中心的晶体上时，引起晶体中荷电 质点位移，偏离平衡位置，使材料的正负电重心不重合而极 化，晶体表面荷电。