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光电传感技术第一章
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光电材料与器件
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3秒自动关闭窗口《传感器敏感材料及器件》(赵勇，王琦)【摘要_书评_试读】- 蔚蓝网
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《普通高等教育“十二五”规划教材：传感器敏感材料及器件》从材料的基本结构出发，较详细地介绍作为敏感材料的特殊的电学、磁学、力学、热学、光学、声学及其他化学和生物功能特性，并根据相关的特性分别介绍热敏、光敏、光导纤维、磁敏、气敏、湿敏、力敏、离子选择和生物传感器的材料选择、换能（传感）特性以及主要的应用。　　《普通高等教育“十二五”规划教材：传感器敏感材料及器件》系统性强，技术内容先进，可作为精密仪器、传感器技术、测控技术及仪器、检测技术、敏感材料等专业学生的教材，也可作为相关专业工程技术人员的参考资料。
前言第1章 绪论1.1 引言1.2 敏感材料的定义与类别1.2.1 敏感材料的定义1.2.2 敏感材料的类别1.3 传感器敏感材料与信息感测1.3.1 信息传感与能量转换1.3.2 敏感材料的信息感测1.4 传感器的定义与分类1.4.1 传感器的定义1.4.2 传感器的构成1.4.3 传感器的分类参考文献第2章 温度敏感材料与器件2.1 温度敏感材料的分类及热学性能与换能特性2.2 电阻式温度传感器2.2.1 金属电阻式温度传感器的工作原理2.2.2 铂电阻温度计2.2.3 铜电阻温度计2.2.4 镍、铟、锰、碳等热电阻2.2.5 热敏电阻2.2.6 热电阻的测量电路2.2.7 电阻式温度传感器的典型应用2.3 半导体热敏传感器2.3.1 热敏二极管2.3.2 热敏晶体管2.3.3 集成温度传感器2.4 红外温度传感器2.4.1 红外探测器2.4.2 红外探测器的主要性能参数2.4.3 红外探测器使用中应注意的问题2.4.4 红外测温原理及测温仪2.5 热电敏感材料及传感器2.5.1 热电偶的工作原理2.5.2 热电极材料及常用热电偶2.5.3 热电偶的结构2.5.4 热电偶的连接及温度补偿2.5.5 热电偶的应用举例2.6 双金属片式温度传感器2.7 压力式温度传感器2.8 示温涂料温度传感器2.9 石英热敏传感器小结参考文献第3章 湿度敏感材料与器件3.1 湿度敏感材料的换能特性与分类3.1.1 湿度的定义3.1.2 传感器感湿特性参数3.1.3 湿度测定原理3.1.4 叉指换能器3.1.5 湿敏材料的分类3.2 电解质湿敏传感器3.2.1 电解质感湿机理3.2.2 氯化锂电解质3.2.3 氯化锂电解质湿敏传感器3.2.4 电解质湿敏传感器的典型应用3.3 金属氧化物陶瓷湿敏传感器3.3.1 氧化铁湿敏传感器3.3.2 氧化锡和氧化钛湿敏传感器3.3.3 多孔氧化物薄膜和陶瓷湿敏传感器3.3.4 金属氧化物陶瓷湿敏传感器的典型应用3.4 有机高分子湿敏传感器3.4.1 电容式湿敏传感器3.4.2 电阻式湿敏传感器3.4.3 有机高分子湿敏传感器举例3.5 压电湿敏传感器3.6 光纤湿敏传感器3.6.1 法布里-珀罗腔湿敏传感器3.6.2 渐逝波光纤耦合器湿敏传感器3.6.3 长周期光纤光栅湿敏传感器3.6.4 光纤布喇格光栅湿敏传感器小结参考文献第4章 力（声）敏材料与器件4.1 力（声）学性能与换能特性4.1.1 力学性能4.1.2 换能特性4.1.3 声学性能与换能特性4.1.4 力（声）敏传感器分类4.2 压力、应变传感器4.2.1 压力的定义4.2.2 应变片式力敏传感器4.2.3 电容式力敏传感器4.2.4 压电式力敏传感器4.2.5 霍尔式力敏传感器4.3 运动量力敏传感器4.3.1 流量传感器4.3.2 加速度传感器4.3.3 位置、位移传感器4.4 普通声敏传感器4.4.1 炭粒送话器4.4.2 动圈式送话器4.4.3 电容式送话器4.4.4 压电陶瓷送话器4.4.5 压电陶瓷受话器4.5 次声传感器和水声换能器4.5.1 次声传感器4.5.2 水声换能器4.6 超声传感器小结参考文献第5章 生物敏感材料与器件5.1 生物化学敏感材料的换能特性与分类5.1.1 生物敏感材料的换能特性及其分类5.1.2 化学敏感材料的换能特性及其分类5.2 酶敏感材料及传感器5.2.1 酶电极传感器的工作原理及分类5.2.2 酶传感器的典型应用5.3 免疫敏感材料及传感器5.3.1 免疫传感器的结构与分类5.3.2 免疫传感器的典型应用5.3.3 免疫传感器的发展趋势5.4 微生物和细胞组织传感器5.4.1 微生物传感器5.4.2 细胞传感器5.4.3 组织传感器5.4.4 基因传感器5.4.5 光导管生物传感器和生物电子学传感器5.4.6 微生物和细胞组织传感器的典型应用5.5 离子选择电化学敏感材料及传感器5.5.1 电极反应与电极电位5.5.2 离子选择电化学敏感材料的分类5.5.3 原电极5.5.4 敏化电极5.5.5 离子敏感性场效应晶体管小结参考文献第6章 磁场敏感材料与器件6.1 磁场敏感材料的换能特性与分类6.1.1 磁场敏感材料的换能特性6.1.2 磁场敏感材料的分类6.2 霍尔敏感材料及传感器6.2.1 霍尔效应6.2.2 半导体霍尔敏感材料与器件6.2.3 霍尔器件的主要参数6.2.4 霍尔敏感材料传感器6.3 半导体磁阻材料及传感器6.3.1 半导体的磁阻效应6.3.2 半导体磁阻材料与器件6.3.3 半导体磁阻器件的基本特性与性能参数6.3.4 半导体磁阻器件传感器6.4 铁磁性金属薄膜磁阻材料及传感器6.4.1 铁磁性金属薄膜材料的各向异性磁阻效应6.4.2 铁磁性金属薄膜材料及磁阻器件制造工艺6.4.3 铁磁性金属薄膜磁阻器件的结构与工作原理6.4.4 铁磁性金属薄膜磁阻器件的技术参数及特点6.4.5 铁磁性金属薄膜磁阻器件传感器6.5 巨磁阻材料及传感器6.5.1 巨磁阻效应及相关材料6.5.2 巨磁阻效应器件传感器6.6 磁敏二极管和磁敏晶体管6.6.1 磁敏二极管6.6.2 磁敏晶体管6.6.3 磁敏晶体管传感器6.7 磁致伸缩材料及传感器6.7.1 磁致伸缩效应6.7.2 磁致伸缩材料6.7.3 磁致伸缩材料传感器6.8 其他磁敏器件6.8.1 韦根德磁敏器件6.8.2 磁敏Z元件6.8.3 超导量子干涉器件6.8.4 磁通门磁敏传感器小结参考文献第7章 光学敏感材料与器件7.1 光学敏感材料的换能特性与分类7.1.1 光学敏感材料的换能特性7.1.2 光学敏感材料的分类7.2 Ⅳ族光敏材料7.2.1 锗光敏材料7.2.2 硅光敏材料7.3 Ⅲ?Ⅴ族化合物光敏材料7.3.1 Ⅲ?Ⅴ族化合物的结构与性质7.3.2 砷化镓光敏材料7.4 Ⅱ?Ⅵ族化合物光敏材料7.4.1 硫化锌光敏材料7.4.2 硫化镉光敏材料7.5 Ⅳ?Ⅵ族化合物光敏材料7.5.1 铅的硫属化合物7.5.2 铅锡硫属化合物合金7.6 有机光折变材料7.6.1 光折变材料的分类7.6.2 有机光折变材料的分类及特点7.7 结型光敏器件7.7.1 结型光敏器件的工作原理7.7.2 硅光电池7.7.3 硅光敏二极管和硅光敏晶体管7.7.4 结型光敏器件的放大电路7.7.5 特殊结型光敏二极管7.7.6 结型光敏器件的典型应用——光耦合器件7.8 光电导器件7.8.1 光敏电阻的工作原理7.8.2 光敏电阻的主要特性参数7.8.3 光敏电阻的偏置电路和噪声7.8.4 光敏电阻的特点和典型应用7.9 真空光敏器件7.9.1 光电阴极7.9.2 光电管与光电倍增管7.9.3 光电倍增管的主要特性参数7.9.4 光电倍增管的供电和信号输出电路7.9.5 光电倍增管的典型应用小结参考文献第8章 气体敏感材料与器件8.1 气体敏感材料的换能特性与分类8.2 半导体气敏材料、器件及典型应用8.2.1 半导体气敏材料的敏感机理8.2.2 半导体气敏材料的合成方法8.2.3 半导体气敏材料的表征技术8.2.4 提高半导体气敏器件检测能力的有效途径8.2.5 半导体气敏器件的测量方法8.2.6 半导体气敏器件应用中的关键问题8.2.7 半导体气敏材料在气敏传感器中的典型应用8.2.8 半导体气敏材料的研究趋势8.3 电解质气敏材料、器件及典型应用8.3.1 定电位电解式气敏传感器8.3.2 伽伐尼电池式传感器8.3.3 固体电解质气敏传感器8.4 压电材料、器件及典型应用8.4.1 压电石英晶体的传感特性8.4.2 化学涂层物质的选择8.4.3 外界干扰的影响及消除方法8.4.4 压电材料在气敏传感器中的典型应用8.4.5 压电式气敏传感器的研究趋势8.5 碳纳米管气敏材料、器件及典型应用8.5.1 碳纳米管的结构8.5.2 吸附原理8.5.3 单壁碳纳米管气敏传感器8.5.4 多壁碳纳米管气敏传感器8.5.5 碳纳米管气敏传感器的功能化修饰8.5.6 碳纳米管在气敏传感器中的典型应用8.6 其他气敏器件8.6.1 红外线气敏器件8.6.2 电阻式气敏器件8.6.3 接触燃烧式气敏器件8.6.4 热导率变化式气敏器件8.6.5 MOS场效应晶体管气敏器件小结参考文献第9章 几种新型的敏感材料与器件9.1 引言9.2 光纤及传感器9.2.1 光纤9.2.2 光纤传感器9.2.3 光纤光栅传感器9.2.4 光纤传感器的典型应用9.3 光子晶体及传感器9.3.1 光子晶体及其特性9.3.2 光子晶体传感器9.3.3 光子晶体传感器的典型应用9.4 光子晶体光纤及传感器9.4.1 光子晶体光纤9.4.2 光子晶体光纤传感器9.4.3 光子晶体光纤传感器的典型应用9.5 聚合物光纤及传感器9.5.1 聚合物光纤9.5.2 聚合物光纤传感器9.5.3 聚合物光纤传感器的典型应用9.6 磁流体及传感器9.6.1 磁流体的特性9.6.2 磁流体传感器9.6.3 磁流体传感器的典型应用9.7 液晶及传感器9.7.1 液晶9.7.2 液晶传感器9.7.3 液晶传感器的典型应用小结参考文献第10章 传感器敏感材料发展展望10.1 敏感材料发展概述10.2 敏感材料发展展望10.3 基于敏感材料的器件发展展望参考文献
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光电材料是指用于制造各种光电设备（主要包括各种主、被动光信息处理和及光通信等）的材料，主要包括红外材料、、光纤材料、等。下面主要介绍一下红外材料、激光材料及其在领域的应用。
光电材料红外材料
红外材料主要有两类：红外探测材料和红外透波材料。
光电材料红外探测材料
包括硫化铅、、锗掺杂（金、汞）、、碲镉汞、硫酸三甘酞、、锗酸铅、等一系列材料，锑化铟和碲镉汞是目前军用红外光电系统采用的主要红外探测材料，特别是碲镉汞（Hg-Cd-Te）材料，是当前较成熟也是各国侧重研究发展的主要红外材料。它可应用于从、、到远红外很宽的波长范围，还具有以、光伏特及光磁电等多种工作方式工作的优点，但该材料也存在差、难于制成大尺寸单晶、大面积均匀性差等缺点，Hg-Cd-Te现已进入研制和应用阶段，为了克服该材料上述的缺点，国际上探索了新的技术途径：
（1）用各种薄膜外延技术制备大尺寸晶片，这些技术包括（MBE）、（LPE）和气相淀积（）等。特别是用MOCVD可以制出大面积、组分均匀、好的Hg-Cd-Te薄膜，用于制备大面积阵列。国外用MOCVD法已制成面积大于5cm2、均匀性良好、Δx=0.2±0.005、工艺重复性好的碲镉汞单晶薄膜，64×64焦平面器件已用于型号系统、512×512已有样品。
（2）寻找高性能新红外材料取代Hg-Cd-Te，主要包括：①Hg-Mn-Te和Hg-Zn-Te，美国和乌克兰等国从80年代中就开展了这方面的研究，研究表明，Hg1-xZnxTe和Hg1-x CdxZnyTe的光学特性和碲镉汞很相似，但较容易获得大尺寸、低缺陷的单晶，化学稳定性也更高。Hg1-xMnxTe是磁性半导体材料，在磁场中的光伏特性与碲镉汞几乎相同，但它克服了Hg-Te弱键引起的问题。②，现处于研究开发阶段，已有开发成功的产品。 ③Ⅲ-V量子阱化合物材料，可用于8～14μm远红外探测器，如：InAs/GaSb（应变层超晶格）、/AlGaAs（量子阱结构）等。 ④SiGe材料，由于SiGe材料具有许多独特的物理性质和重要的应用价值，又与Si相容，因此引起了微电子及的高度重视。SiGe材料通过控制层厚、组分、应变等，可自由调节材料的光电性能，开辟了硅材料人工设计和的新纪元，形成国际性研究热潮。Si/GeSi异质结构应用于有如下优点：可在3～30μm较大范围内调节，能保证截止波长有利于优化响应和探测器的冷却要求。Si/GeSi材料的缺点在于很低，目前利用多个SiGe层来解决这一问题。
（3）1996年领域计划将开发先进的工作重点确定为：研制在各种情况下应用（包括监视和夜间/不利气象条件下使用的红外焦平面阵列）的红外探测器材料，其中包括以如下三种材料为基础的薄膜和结构：具有芯片上处理能力的GgCdTe单片薄膜、InAs/GaSb和SiGe（器件）。这三种材料也正是当前红外探测材料发展和研究的热点。
光电材料红外透波材料
主要用作和飞行器中的窗口、头罩或等，它的最新进展和发展方向如下：
（1）目前，在波段采用的红外透过材料有锗盐玻璃、人工、（）、人工蓝宝石和氮酸铝等，特别是多晶氟化镁，被认为是综合性能比较好的材料。远红外材料是红外透过材料当前研究发展的重点方向之一，8～14μm红外透过材料有：（）、（ZnSe）、（CaLa2S4）、（）、（GaP）和锗（Ge）等。ZnS被认为是一种较好的远红外透过材料，在3～12μm范围，厚2mm时，平均大于70%，无吸收峰，采取特殊措施，最大红外透过率达95.8%。国外已采用ZnS作为和头罩材料，像美国的LANTRIRN红外吊舱窗口，Learjel飞机窗口等。美国Norton国际公司先进材料部每年生产上千个ZnS头罩。ZnS的制备方法主要有两种：热压法与法（CVD），CVD法制备的材料性能较好。
（2）红外透过材料发展的另一个重要方向是：耐高温红外透过材料的研究。高速飞行器在飞行过程中会对和罩材产生高温、高压、强烈的风砂雨水的冲刷和浸蚀，影响红外透过材料的性能，因此需要一系列新型的耐高温、具有综合光学、物理、机械、化学性能的新材料。这些条件下使用的理想材料从室温到1000℃应具有下列特性：在使用波段内具有高透过，低热辐射、散射及，高强度，高，低热，抗风砂雨水的冲击和浸蚀，耐超声波辐射等。最近研究较多的耐高温红外透过材料有镁铝、、、镧增强氧化钇和氮化物ALON等。镁铝尖晶石是近年来研究最多的最优秀的红外光学材料之一，它能在高温、高湿、高压、雨水、风砂冲击及太阳暴晒下仍保持其性质，因而是优先选用的耐高温红外透过材料，它可透过200nm到6μm的紫外、及。单晶监宝石也是一种耐高温红外材料，它可透过从远紫外0.17μm到6.5μm的红外光，用新研制的法晶体生长过程可以制造直径达25cm的大尺寸蓝宝石。和镧增强氧化钇的透过波长为8μm，在氧化钇中掺入，材料强度提高30%，光学特性不变。由于高温下具有很高的硬度，所以它具有很好的抗冲击、抗浸蚀性能。严格的说到目前还没有一种理想的材料能完全满足上述要求。但包括上述材料在内的不少材料具有较理想的综合性质。
（3）红外透过的第三个发展方向是：红外/双模材料，这是为适应红外/毫米波双模复合材料技术的需要。目前，还没有一种材料能满足红外/毫米波双模材料既要有高的远红外又有小的和的要求，高性能的红外/毫米波双模材料尚待进一步研究发展。红外材料的应用：包括各种导弹的制导、红外预警（包括探测、识别和跟踪、、、各种侦察机等）、观察瞄准（高能束拦截武器等）。
光电材料激光材料
目前正寻求在可见和近范围波长可调，为此而发现的可调谐激光晶体已有30多种，其中，Cr3 离子掺杂新晶体具有较高截面和低饱和，它们的波长范围是：Cr3 :LiCaAlF3为0.72～0.84μm、Cr3 :LiSrAlF6为0.78～1.01μm，特别是Cr:LiSAF，它的饱和能量密度为5J/cm2，在激光调谐范围，、激光效率、等方面具有良好的性能。
光电材料军事应用
军用光电材料研究的目的是将研究成果应用于新一代高技术光电子装备系统，提高电子进攻和防卫综合电子战的能力。军用光电材料是军用光电子技术的重要基础，对军用光电子装备系统有重要的赋能和倍增作用。以红外材料为基础的能增强坦克、、飞机、军舰及步兵的夜战能力，为航空、卫星侦察、预警提供重要手段，成像技术可大大提高导弹的命中率和抗干扰能力。以新型固体为基础的、和火控制系统等使作战能力大大加强。可调谐激光晶体为从到红外波段可调谐激光系统提供工作物质可提高、空中传感和水下探测等军用激光系统的领域监视、侦察能力。利用光纤材料、宽带、抗电磁和强干扰、保密、体积小、环境适应性强和抗等优点，可实现地面武器系统无人远距离传感阵和有人控制站之间的GB/s级信息传输；舰船指挥可以通过光纤为远距离舰队发送信号，进行指挥；飞机将能发射光纤携绳的机载无人加强飞机或靶机；以往的武器将被光纤制导所取代；军用运载体的将被所取代；发射的也将启用光纤网络等等。总之，军用光纤系统的应用，将远远超越话音和低速率的范围，而进入传感、海上或空中武器平台及各种高速率传输系统。
光电材料光电转换
光电材料工作原理
光电材料的定义
通过光生伏打效应将太阳能转换为电能的材料。主要用于制作太阳能电池。太阳是一个巨大的能源库?地球上一年中接收到的太阳能高达1.8×1018千瓦时。研究和发展的目的是为了利用太阳能。 光电转换材料的工作原理是将相同的材料或两种不同的半导体材料做成电池结构，当太阳光照射到PN结电池结构材料表面时形成新的-电子对在p-n结电场的作用下空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区?接通电路后就形成电流。这就是光电材料的工作原理。[1]
目前运用最广的是太阳能电池
其发电系统主要由
太阳能电池板太阳能电池板是中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能或送往蓄电池中存储起来或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。[1]
太阳能控制器
太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态并对蓄电池起到保护、保护的作用。在温差较大的地方合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。 蓄电池一般为，一般有12V和24V这两种小微型系统中也可用、或锂电池。其作用是在有光照时将所发出的电能储存起来到需要的时候再释放出来。在很多场合都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为能向AC220V的电器提供电能，需要将所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合需要使用多种电压的负载时也要用到变换器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能。[1]
光电材料发电方式
太阳能发电有两种方式：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。
1.光—热—电转换方式通过利用产生的热能发电。一般是由将所吸收的热能转换成工质的蒸气再驱动发电。前一个过程是光—热转换过程，后一个过程是热—电转换过程与普通的火力发电一样。的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。一座1000MW的需要投资20~25亿美元，平均1kW的投资为美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合。而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。[1]
2.光—电直接转换方式该方式是利用将直接转换成电能光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于而将太阳光能直接转化为电能的器件是一个当太阳光照到上时光电二极管就会把太阳的光能变成电能?产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源?具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长?只要太阳存在?太阳能电池就可以一次投资而长期使用?与火力发电、核能发电相比?太阳能电池不会引起环境污染?太阳能电池可以大中小并举?大到百万千瓦的中型电站小到只供一户用的太阳能电池组?这是其它电源无法比拟的。
太阳能电池的应用领域 [1]
1.用户太阳能电源小型电源不等用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电如照明、电视、收录机等家庭屋顶并网发电系统。解决无电地区的深水井饮用、灌溉。
2. 交通领域 如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路亭、无人值守道班供电等。
3. 通讯/通信领域 太阳能无人值守微波、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统 农村、小型通信机、士兵GPS供电等。
4. 石油、海洋、气象领域 石油管道
和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。
5.家庭灯具电源 如、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、、割胶灯、节能灯等。
6.10KW-50MW独立光伏电站、各种大型停车厂充电站等。
7.将太阳能发电与建筑材料相结合,使得未来的大型建筑实现电力自给是未来一大发展方向。
8.其他领域包括[1]
1.与汽车配套/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等
2.加燃料电池的再生发电系统
3.水淡化设备供电
4卫星、航天器、空间太阳能电站等。 可见?以太阳能电池为代表的光电转化材料已经运用到生活的方方面面, 随着科技的发展,我们还将看到更多新的的出现。[1]
．百度文库[引用日期]