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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 热平衡型一次效应：效应是可逆的 一些热平衡一次效应表 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，不能直接构成传感器；要利用与其它状态量的关系才能构成传感器，这种现象称作传输现象的二次效应。例如电场强度与电流密度为同一种类的亲和力和相应广延量流动，一般不能直接构成传感器。 统计法则 统计法则是利用统计方法把微观系统和宏观系统联系起来的物理法则。 例：利用一个电阻R两端上的热噪声（微观）和其绝对温度（宏观）的关系可构成热噪声型热敏电阻。由统计物理可知，电子热运动会在电阻R两端产生电位波动——热噪声电压，而绝对温度又与热噪声电压有确定的函数关系，热噪声电压的方均值为： 电压比较法 热噪声频带宽度不易准确测定 复习题 利用能量守恒定律讨论压电效应中的能量转换关系。 利用能量守恒定律讨论电荷耦合器件（CCD）中光敏电荷的转移过程。转移损失率如何计算？ 什么是物质作用定律？根据物质作用定律，利用结构尺寸的变化和对时间的变化设计的传感器称作什么类型的传感器？ 什么是物质定律？一般用什么方法来描述它？根据物质定律设计的传感器称作什么类型的传感器？ 什么是热平衡现象？什么是广延量？什么是强度量？ 推导热平衡麦克斯韦关系式，并以压电效应为例说明它的物理意义。 什么是热平衡一次效应? 什么是热平衡二次效应?例出几种已知的热平衡一次效应。 什么是传输现象？举例说明之。 什么是统计法则？说明基于热噪声的比较法温度测量原理。为何要采用比较法？比较法有何优点？ 第二节 物理基础效应 物质内在性质与材料本身性能和内部结构密切相关，在一定条件下会产生某种物理效应。 以物理效应为基础构成的各类传感器，称作物性型传感器。 主要物性型传感器的基础效应 压阻效应 半导体材料受到外力作用时其电阻率会发生变化，这一现象称之为压阻效应。 电阻率的相对变化： 压电效应 外力沿压电材料特定晶向作用使晶体产生形变，在相应的晶