第三章传感器与基础效应.ppt

第三章传感器与基础效应 物理基本定律与传感器 物理基础效应 第一节 物理基本定律与传感器 守恒定律 守恒定律有能量守恒定律、动量守恒定律和电荷量守恒定律等，可以根据它们来分析和解释传感器的工作情况。 例1：压电效应中的能量转换关系 机电耦合系数表示压电陶瓷完成力—电转换（正压电效应）或电—应变转变（逆压电效应）时，输入能与输出能的比值关系， 按能量守恒观点，输出能应与输入能相等。 实际上输出能总是少于输入能，产生机械损耗的原因是外力作用产生应变过程中，存在晶格间内摩擦，摩擦力做功转变成热能，损耗掉一部分输入能。 例2：电荷耦合器件（CCD）生成光敏电荷的转移 CCD生成的光敏电荷要在相邻间距极小依次排列的势阱中转移电荷，转移过程应遵循电荷量守恒定律。 但经n次转移，总有部分光生电荷损失掉，要降低转移损失率。 电荷损失率 定义为每次转移中未被转移的光生电荷所占百分比。 原注入电荷为Qo，1000次转移后所剩电荷为Qn，要求损失不大于90%， 物质作用定律 物质作用定律是指在各种物理场中物质间相互作用的定律。如电磁场的电磁感应定律、动力场的运动定律以及光的干涉定律等。 物质间的作用与时间序列及空间位置有关，一般可用物理方程表示，这也就是某类传感器工作的数学模型。 物质作用定律 法拉第电磁感应定律 静电场 物质定律 物质定律是表示物质本身内在性质的规律或法则，通常用某一个物质本身所固有的常数来描述物质某一内在性质。 物质定律可分三类 热平衡规律 传输现象 统计法则 热平衡规律 热平衡现象：在无外界影响条件下，一个系统内部各部分间能量交换是以热量的形式进行的，经过一定时间后，系统的宏观性质表现为不随时间变化的热（动态）平衡，这种最后的热平衡状态与各个量的变化途径无关。 广延量：与物体质量成正比的，如体积、内能、热容量等，也称作容量型状态量； 强度量：与物体质量无关的，如压强、温度、比热等称作强度型状态量。 麦克斯韦关系式 设定一对同种类的广延量 对应的强度量 ，则它们的积为能量， ， 两者之一发生微小变化均可使系统能量发生变化，系统能量变化前后均处于热平衡状态； 设另一对同种类的广延量 对应的强度量 ，则它们的积为能量， 总能量 则由 和 引起系统的能量变化分别为： 在此基础上，再由 和 引起系统的能量变化分别为： 由于系统热平衡状态与各个量的变化途径（即各个量的微分途径）无关，则有： 同理： 由j类强度量引起i类广延量的变化等于由i类强度量引起j类广延量的变化，而且这种关系也是可逆的。 例：压电效应 沿压电元件某特定方向施加力F引起体积V变化，两者为一对同种类量构成的强度量Xi，广延量xi ，外力增量为的dF；产生压电效应后，压电元件表面产生电荷Q并形成电场强度E。为另一对另一种同种能量构成的广延量xj，与强度量Xj。dQ为电荷增量，dE为电场强度增量： ， 热平衡型一次效应：效应是可逆的 同一种类量的强度量与广延量增量之比或反之，为 或 弹性敏感元件膜片在压力 作用下产生应变ε ：刚度系数 电场电势U作用与电容器极板产生电荷 ：电容系数 温度 与产生的热量q：热容系数 。 同一种类量的强度量与广延量增量之比一般不能直接构成传感器，但可以利用它们与其它状态量的关系。如弹性元件受力产生应变ε，应变ε与应变电阻有确定函数关系，这样经过二次变换才可构成应变式测力传感器。这种转换为热平衡二次效应，是不可逆的。 一些热平衡一次效应表 状态量名称 输出广延量 位移（体积） 热（熵） 电极化作用 磁极化作用 输 入 强 度 量 力（压力） —— 应力发热 压电效应 压磁效应 温度 热膨胀 —— 热释电效应 减磁效应 电压 逆压电效应 热电效应 —— 电磁效应 磁场强度 磁滞申缩效应 磁热效应 磁介电效应 —— 传输现象 传输现象 在系统中存在强度量梯度时，相对应的广延量就随时间变化，称作广延量流动。 导体两端有电位差，导体内就有定向电流； 电容器极板上有电位差，极板间有电荷积累。 这种使广延量流动的强度量梯度称之亲和力。 一种亲和力可以产生一种流动，一种流动也可由两种以上亲和力产生。 例如：根据塞贝克热电效应，两种不同金属或半导体闭合可以构成热电偶传感器。两结点间产生热电动势，回路中有电流产生。这是由不同材料的接触电势和同种材料的温差电势两种亲和力产生一种（电）流。 根据塞贝克效应的逆效应——帕耳帖效应，热电偶处于同一个温差环境中，回路中通入电流，则结点处分别释放和吸收与电流成正比的热量。 以上两种效应是可逆的。把这种不同种类亲和力使相应广延量流动的现象称作传输现象一次效应，它是可逆的。利用传输现象一次效应可构成传感器。 同一种类的亲和力使相应广延量流动，不能直接构成传