几种典型的传感器敏感材料及器件-光学特性..

图2-20 电磁波谱
光学性能与传感特性
0、关于光速
光在真空中的速度c≈300000km/s。当光从真空进入较致密的介质 材料时，其传播速度会降低。光在真空中的速度c与在介质材料 中的速度 材料之比，称为该介质材料的折射率，记作 n ，
n c
材料
材料的折射与其结构有关。对于各向同性的均质材料，只有一个 折射率。当光通过材料时，光速不因传播方向改变而变化。当光通过 某些晶体材料时，一般会分成振动方向相互垂直、传播速度不同的两 条折射光线，即为双折射现象。这两条折射光线中，平行于入射面光 线的折射率称为常光折射率 n0 ，不随入射角大小的变化而变化，始终 为常数。另一条与之垂直的光线的折射率不遵守折射定律，随着入射 角大小而发生变化，称为非常光折射率 ne 。
光学性能与传感特性
3、光的吸收
I I 0 e ACL
其中， C为溶液的浓度， A是只与吸收物质的分子特性 有关，而与浓度无关的常数； 任何介质，对各种波长的电磁波能量会或多或少地吸收。完全没有吸收 的绝对透明介质中是不存在的。光通过介质时，其强度随介质的厚度增 加而减少的现象，称为介质对光的吸收。所谓“透明”是就某些波长范 围来说的，仅有少量的吸收。吸收光辐射或光能量是物质具有的普遍性 质。 （1）一般吸收 介质对各种波长λ的光能几乎均匀吸收，即吸收系数α与波长λ无关 （2）选择吸收 介质对某些波长的光的吸收特别显著。
光学性能与传感特性
1、外光电效应
外光电效应是指固体受到光线照射后从 其表面逸出电子的现象。逸出的电子称为光 电子。1887年，赫兹和霍尔瓦克斯等人发现 了这一现象。这个效应可用图2-25所示的装 置来观察。把两个金属电极安装在抽成真空 的玻璃泡中，在两极间接入直流电源和灵敏 检流计。当无光照射时，泡内阴极K与阳极 A之间的空间无载流子，故检流计G中无电 流；当有光照射阴极K时，由于有光电子从 阴极逸出，在电压作用下，漂向阳极，于是 G中便有电流。
2
光学性能与传感特性
1、外光电效应
利用外光电效应可制成光电倍增管(PMT)，它选用了二次电子发射 率高的锑-铯合金材料作光电阴极，同时又在原阴极与阳极之间安装了一 系列连续式次阴极，形成通道式光电倍增管和微通道板式光电倍增管。 它们是将弱光信号转变成电信号不可缺少的传感器，广泛使用在众多的 高新探测技术中，如各种光谱仪、光子计数仪、表面分析仪等。
光学性能与传感特性
3、光的吸收
一切介质都具有一般吸收和选择吸收两种特性。 选择吸收是物体呈现颜色的主要原因。一些物体的颜色，是由 于某些波长的光透入其内一定距离后被吸收掉而引起的。例如：水 能透入红光，并逐渐吸收掉，因而水面没有对红光的反射，只反射 蓝绿光，并让蓝绿光透过相当的深度，所以水呈现蓝绿色。
光学性能与传感特性
2、内光电效应
光生伏特效应是指半导体受光照射时产生电动势(或电位差)的现象。 Ge、InAs、PbS、CdS等许多半导体材料都可呈现较明显的光生伏特效 应，利用它们可以制作半导体红外探测器。此外，包括光电池、各种光 敏二极管、三极管等,也都是基于光生伏特效应原理工作的。
硅光电池照片
光学性能与传感特性
2、内光电效应
物体受到光线照射后无电子发射，但其电导率发生变化或产生电动 势，称为内光电效应。内光电效应包括光电导效应和光生伏特效应。
光电导效应是指，半导体受光辐射时，电导率增加而使材料变得易 于导电。该效应的机理是利用光子能量来产生自由载流子。利用光电导 效应，可以制作各种光探测器，如光敏电阻、红外光电导探测器、光电 导摄像管、高速光导开关、静电复印机的有机光电导体等。
Contents
1 2 力学性能与传感特性 光学性能与传感特性 热学性能与传感特性 电学性能与传感特性 磁学性能与传感特性
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4 5
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声学性能与传感特性
光学性能与传感特性
一、材料的光学性能
光学传感技术由于其灵敏度高、抗电磁干扰、测量速度快等诸 多优点而成为当今一种先进的感测技术。 光学传感技术一般基于光学反射、折 射、透射、吸收、散射以及利用各种物理 效应和敏感材料，可实现绝大多数物理量、 化学量的检测问题。 人类眼睛可以看见的光称为可见光， 其光的波长的范围约为0.40.8m，仅占 电磁波谱（10-5105 m）中的一小部分， 如图2-20所示。
光学性能与传感特性
4、光的色散与散射
太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都 要发生散射。但散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能，而只是 改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。经 过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。 如果太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气分子，则辐射的 波长愈短，被散射愈厉害。
图36 钠蒸气的吸收光谱
光学性能与传感特性
4、光的色散与散射
材料的折射率随入射光的频率(或波长)而变化的现象，称为色散。
n c
材料
光在材料中传播时，遇到不均匀结构产生的次级波与主波方向 不一致，会与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向的现象， 称为散射。诸如材料中小颗粒的透明介质、光性能不同的晶界、气 孔等因素，都会引起一部分光束被散射，从而减弱光束强度。 对于相分布均匀的材料，光减弱的散射规律与吸收规律具有相 同的形式，即： I I0e sL （s为散射系数）
空气状况好的晴天时，天空是蓝色的原因。
如果太阳辐射遇到直径比波长大的质点，虽然也被散射，但这 种散射是没有选择性的，即辐射的各种波长都同样被散射。如空气 中存在较多的尘埃或雾粒，一定范围的长短波都被同样的散射，使 天空呈灰白色的。
光学性能与传感特性
5、材料的透射性
材料的透光性用光透过率来表征。所谓光透过率是指，光线通过 材料后剩余的光能占原来入射时能量的百分比。光的能量可以用光照 x 射强度来表示，也有采用放在一定距离外的光电管转换得到的电流强 度来表示。 在光路上分别测出插入厚度为L的材料前、后的光变电流强度I0和I。 由于光既在材料的两个表面发生折射，又在材料内有吸收损失和散 射损失，故有光透过率为：
光学性能与传感特性
1、外光电效应
光具有波粒二象性，外光电效应是光的粒子(光子)性的表现。 一束频率为 的光是一束单个粒子能量为h 的光子流，有如下爱因 斯坦方程：
h 1 2 mv0 2
h 为普朗克常数；m为光电子质量； 0为光电子的初速度； 为金属的逸出功。
上述理论可以作如下解释：光子是一个个能量为h 的小能包，当它 与固体的电子碰撞并为电子所吸收时，电子便获得了光子的能量，一部 分用于克服金属的束缚，开销于逸出功，剩下的便成了外逸光电子的初 1 2 动能了 m v0 。
光学性能与传感特性
1、光的反射
I
i
根据光的反射定律。由于粗
θ
糙表面上各点的法线方向不同，
镜面反射 漫反射
图31镜面反射和漫反射情况ຫໍສະໝຸດ Baidu
光线反射后，沿不同的方向射出，
形成漫反射。大多数物体表面是
粗糙的，由于漫反射的作用，我 们能从各个方向看到它。
光学性能与传感特性
2、光的折射
利用光学折射现象，可以实现液体浓度、成分含量的测量、 气体或者液体折射率的测量。
I (1 R) 2 e ( s ) L （R为材料的反射系数） I0
光学性能与传感特性
二、光学传感特性
一些物质受到光照射后，引起其本身电性发生变化，这种光致 电变的现象称为光电效应。光电效应是光子与电子相互作用的结果， 两者之间作用后各有所变。对于光子，它或被吸收或改变频率和方 向；对于电子，必发生能量和状态的变化，从束缚于局域的状态转 变到比较自由的状态，因而导致物质电性的变化。