第5章微传感器和微执行器第1部分.pptVIP

当入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功时，就有光电子发射，称为外光电效应。 利用这种效应制成的传感器有真空光电管、光电倍增管等。 当物体受光照射后，其内部原子释放出电子，但这些电子并不逸出物体表面仍留在内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电导效应。前者称为光电导效应，后者称为伏打效应。 利用半导体光电导效应可制成光敏电阻 其基本原理是辐射时半导体材料中的电荷载流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率发生变化。 光中的光子和固体中吸收光的电子的相互作用原理在量子物理学中已经比较完善。 微光学传感器已经可以测量出光的强度。具有强光电效应的固态材料可用作这种传感材料。 如图所示，当透光性较强的半导体基体A接受光子能量后，两光敏电阻的连接处可产生电势。产生的电势可以通过电桥电路中电阻的改变测量出来。 一种特殊的材料，当有光照时其自身电阻会发生变化。 图中的光电二极管由p型和n型掺杂的半导体层组成 图中的光电子管由p－、n－和p－掺杂层组成。入射的光子能量可以被转换成从这些器件中输出的电流。 热电偶是测量热的最常用的传感器 工作原理：依靠两个不同金属线的末端产生的电动势，此电动势在两个导线的交节点（称为节点）被加热的情况下产生。 热电偶传感器 微传感器的实例(3)——热学 热电偶 热电偶原理微温度传感器的一个严重缺点：输出信号随着线和节点的尺寸的减小而降低。 微热电堆是小型化热传感更理想的解决方案。 Choi和Wise在1986年研制的微热电堆 热双层片传感器 对于传感和执行而言，热双金属片效应是很常用的方法。这种效应可将微结构的温度变化转变为机械梁的横向位移。 图 热双金属片弯曲（ ） 微型磁强计 定义：利用MEMS技术制作的，把磁场强度和方向信号转换为电信号输出的器件。 微型磁强计按工作原理主要可分为两大类：电磁效应式和机械式。 微传感器的实例(4)——电磁 微传感器是构成任何生物MEMS产品最基本的组元。在生物医学中，常用的两类传感器是： (1)生物医学传感器 (2)生物传感器 微传感器的实例(5)——生物医学 生物医学传感器用来检测生物学物质，生物传感器可以被更广地定义为任何含有生物成分的测量设备。这些传感器通常涉及生物分子，例如生物抗体和生物酶，它们与被测分析物互相作用。 生物医学传感器可以分成用来测量生物学物质的生物医学仪器和用以医学诊断为目的的仪器。它们通常只需要小量的样本，因而可以大大加快分析速度而且几乎没有死区。 生物医学传感器实例 血样中的葡萄糖和聚乙烯酒精溶液中的氧之间将发生下列的化学反应： 葡萄糖＋O2 葡萄糖酸内酯酶+H2O2 反应中产生的H2O2可以被加在铂电极上的电压电解，产生带正电的氢离子，并被此电极吸引。于是，血样中葡萄糖的量就可以通过测量两个电极间电流的方法得到。 生物传感器 生物传感器的工作原理基于待检测分析物与生物学方法产生的生物分子的相互作用，这些分子包括某种形式的酶、抗体和其它形式的蛋白。这些生物分子附着在传感元单元上，当它们和被分析物相互作用时可以改变传感器的输出信号。 化学传感器用来检测特定的化合物。 工作原理：很多物质对化学作用都很敏感。比如，很多金属长时间暴露在空气中都有被氧化的危险。金属表面显著的氧化层能改变材料的性能，例如金属的电阻。这些自然现象就是设计和发展微化学传感器所依据的原理。 微传感器的实例(6)——化学 材料对特定化学物质的敏感性是很多化学传感器的基本原理。 有机聚合物和嵌入的金属植入物一起使用。当这些聚合物暴露在某种气体下时，可以使金属的电导发生变化。例如，一种特殊的聚合物苯二甲蓝和铜一起来检测氨和二氧化氮气体。 化学电阻传感器 某些聚合物可以用作电容的电介质材料。当它们暴露在某种气体中时，可以使材料的介电常数发生变化，从而改变金属电极间的电容。比如用多乙炔PPA来检测如CO, CO2, N2 。 化学电容传感器 (4)压电敏感原理 压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相反的电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状态。 逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。 压电材料的特性常常用电荷灵敏度系数来表示 电荷灵敏度系数：沿i轴在材料表面产生的电荷与沿j轴所加的力F的关系 得出两金属板间的电压差 (5)谐振式敏感原理 当加速度计连接的外壳的振动频率接近器件的固有频率时，共振就会发生；也就是β＝ω/ωn→1.0。检测质量在这个频率下振幅达到峰值。对微加速度