幾種典型的傳感器敏感材料及器件-光學特性

1、Contents力學性能與傳感特性1光學性能與傳感特性2熱學性能與傳感特性3電學性能與傳感特性4磁學性能與傳感特性5聲學性能與傳感特性6光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性 光學傳感技術由于其靈敏度高、抗電磁干擾、測量速度快等諸多優(yōu)點而成為當今一種先進的感測技術。 光學傳感技術一般基于光學反射、折射、透射、吸收、散射以及利用各種物理效應和敏感材料，可實現(xiàn)絕大多數(shù)物理量、化學量的檢測問題。 人類眼睛可以看見的光稱為可見光，其光的波長的范圍約為0.40.8m，僅占電磁波譜（10-5105 m）中的一小部分，如圖2-20所示。圖2-20 電磁波譜一、材料的光學性能一、材料的光學性能0、關于光速、關于

2、光速光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性材料n光在真空中的速度c300000km/s。當光從真空進入較致密的介質材料時，其傳播速度會降低。光在真空中的速度c與在介質材料中的速度之比，稱為該介質材料的折射率，記作，材料cn 材料的折射與其結構有關。對于各向同性的均質材料，只有一個折射率。當光通過材料時，光速不因傳播方向改變而變化。當光通過某些晶體材料時，一般會分成振動方向相互垂直、傳播速度不同的兩條折射光線，即為雙折射現(xiàn)象。這兩條折射光線中，平行于入射面光線的折射率稱為常光折射率 ，不隨入射角大小的變化而變化，始終為常數(shù)。另一條與之垂直的光線的折射率不遵守折射定律，隨著入射角大小而發(fā)生變化，稱為

3、非常光折射率 。 0nen圖31鏡面反射和漫反射情況鏡面反射iI漫反射 根據光的反射定律。由于粗糙表面上各點的法線方向不同，光線反射后，沿不同的方向射出，形成漫反射。大多數(shù)物體表面是粗糙的，由于漫反射的作用，我們能從各個方向看到它。 1、光的反射、光的反射光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性 利用光學折射現(xiàn)象，可以實現(xiàn)液體濃度、成分含量的測量、氣體或者液體折射率的測量。2、光的折射、光的折射光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性3 3、光的吸收、光的吸收0AC LIIe 其中， C為溶液的濃度，A是只與吸收物質的分子特性有關，而與濃度無關的常數(shù)； 任何介質，對各種波長的電磁波能量會或多或少地吸收

4、。完全沒有吸收的絕對透明介質中是不存在的。光通過介質時，其強度隨介質的厚度增加而減少的現(xiàn)象，稱為介質對光的吸收。所謂“透明”是就某些波長范圍來說的，僅有少量的吸收。吸收光輻射或光能量是物質具有的普遍性質。 （1）一般吸收）一般吸收介質對各種波長的光能幾乎均勻吸收，即吸收系數(shù)與波長無關 （2）選擇吸收）選擇吸收介質對某些波長的光的吸收特別顯著。 光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性一切介質都具有一般吸收和選擇吸收兩種特性。一切介質都具有一般吸收和選擇吸收兩種特性。 選擇吸收是物體呈現(xiàn)顏色的主要原因。一些物體的顏色，是由于某些波長的光透入其內一定距離后被吸收掉而引起的。例如：水能透入紅光，并逐漸吸

5、收掉，因而水面沒有對紅光的反射，只反射藍綠光，并讓藍綠光透過相當?shù)纳疃?，所以水呈現(xiàn)藍綠色。圖36 鈉蒸氣的吸收光譜光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性3 3、光的吸收、光的吸收光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性4 4、光的色散與散射、光的色散與散射 材料的折射率隨入射光的頻率(或波長)而變化的現(xiàn)象，稱為色散。 材料cn 光在材料中傳播時，遇到不均勻結構產生的次級波與主波方向不一致，會與主波合成出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，使光偏離原來的方向的現(xiàn)象，稱為散射。諸如材料中小顆粒的透明介質、光性能不同的晶界、氣孔等因素，都會引起一部分光束被散射，從而減弱光束強度。 對于相分布均勻的材料，光減弱的散射規(guī)律與吸收規(guī)律

6、具有相同的形式，即：0s LII e （s為散射系數(shù)）光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性 太陽輻射通過大氣時遇到空氣分子、塵粒、云滴等質點時，都要發(fā)生散射。但散射并不象吸收那樣把輻射能轉變?yōu)闊崮?，而只是改變輻射方向，使太陽輻射以質點為中心向四面八方傳播開來。經過散射之后，有一部分太陽輻射就到不了地面。 4 4、光的色散與散射、光的色散與散射 如果太陽輻射遇到的是直徑比波長小的空氣分子，則輻射的波長愈短，被散射愈厲害。 如果太陽輻射遇到直徑比波長大的質點，雖然也被散射，但這種散射是沒有選擇性的，即輻射的各種波長都同樣被散射。如空氣中存在較多的塵?；蜢F粒，一定范圍的長短波都被同樣的散射，使天空呈

7、灰白色的?？諝鉅顩r好的晴天時，天空是藍色的原因。光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性5 5、材料的透射性、材料的透射性 材料的透光性用光透過率來表征。所謂光透過率是指，光線通過材料后剩余的光能占原來入射時能量的百分比。光的能量可以用光照射強度來表示，也有采用放在一定距離外的光電管轉換得到的電流強度來表示。 x 在光路上分別測出插入厚度為L的材料前、后的光變電流強度I0和I。 由于光既在材料的兩個表面發(fā)生折射，又在材料內有吸收損失和散射損失，故有光透過率為：2()0(1)s LIReI （R為材料的反射系數(shù)）二、光學傳感特性二、光學傳感特性光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性 一些物質受到光照射

8、后，引起其本身電性發(fā)生變化，這種光致電變的現(xiàn)象稱為光電效應。光電效應是光子與電子相互作用的結果，兩者之間作用后各有所變。對于光子，它或被吸收或改變頻率和方向；對于電子，必發(fā)生能量和狀態(tài)的變化，從束縛于局域的狀態(tài)轉變到比較自由的狀態(tài)，因而導致物質電性的變化。 光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性1 1、外光電效應、外光電效應 外光電效應是指固體受到光線照射后從其表面逸出電子的現(xiàn)象。逸出的電子稱為光電子。1887年，赫茲和霍爾瓦克斯等人發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。這個效應可用圖2-25所示的裝置來觀察。把兩個金屬電極安裝在抽成真空的玻璃泡中，在兩極間接入直流電源和靈敏檢流計。當無光照射時，泡內陰極K與陽極A之

9、間的空間無載流子，故檢流計G中無電流；當有光照射陰極K時，由于有光電子從陰極逸出，在電壓作用下，漂向陽極，于是G中便有電流。 光具有波粒二象性，外光電效應是光的粒子(光子)性的表現(xiàn)。一束頻率為 的光是一束單個粒子能量為h 的光子流，有如下愛因斯坦方程： 光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性1 1、外光電效應、外光電效應2021mvhh 為普朗克常數(shù)；m為光電子質量； 0為光電子的初速度； 為金屬的逸出功。 上述理論可以作如下解釋：光子是一個個能量為h 的小能包，當它與固體的電子碰撞并為電子所吸收時，電子便獲得了光子的能量，一部分用于克服金屬的束縛，開銷于逸出功，剩下的便成了外逸光電子的初動能了

10、 。 2021mv 利用外光電效應可制成光電倍增管(PMT)，它選用了二次電子發(fā)射率高的銻-銫合金材料作光電陰極，同時又在原陰極與陽極之間安裝了一系列連續(xù)式次陰極，形成通道式光電倍增管和微通道板式光電倍增管。它們是將弱光信號轉變成電信號不可缺少的傳感器，廣泛使用在眾多的高新探測技術中，如各種光譜儀、光子計數(shù)儀、表面分析儀等。光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性1 1、外光電效應、外光電效應光學性能與傳感特性光學性能與傳感特性2 2、內光電效應、內光電效應 物體受到光線照射后無電子發(fā)射，但其電導率發(fā)生變化或產生電動勢，稱為內光電效應。內光電效應包括光電導效應和光生伏特效應。 光電導效應是指，半導體受光輻射時，電導率增加而使材料變得易于導電。該效應的機理是利用光子能量來產生自由載流子。利用光電導效應，可以制作各種光探測器，如光敏電阻、紅外光電導探測器、光電導攝像管、高速光導開關、靜電復印機的有機光電導體等。 光生