第四章常用傳感器原理及應(yīng)用

1、 本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1 1、了解傳感器的分類、了解傳感器的分類 2 2、掌握常用傳感器測量原理、掌握常用傳感器測量原理3 3、了解傳感器測量電路、了解傳感器測量電路第四章第四章 常用傳感器原理及應(yīng)用常用傳感器原理及應(yīng)用 1 1、傳感器定義、傳感器定義 傳感器是借助檢測元件將一種形式的傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息信息轉(zhuǎn)換成另轉(zhuǎn)換成另一種一種信息信息的裝置。的裝置。 引引 言言 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號多為電信號，故從狹義目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號多為電信號，故從狹義上講，上講，傳感器傳感器是把外界輸入非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝是把外界輸入非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置置.2 2、傳感器

2、的構(gòu)成、傳感器的構(gòu)成 由由敏感器件敏感器件與與輔助器件輔助器件組成。敏感器件用于感受被測組成。敏感器件用于感受被測物理量，并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件對敏感器件物理量，并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件對敏感器件輸出電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入輸出電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入. .V3 3、傳感器的分類、傳感器的分類(1)(1)按被測物理量分類按被測物理量分類 常見的被測物理量常見的被測物理量 機(jī)械量機(jī)械量: :長度、厚度、位移、速度、加速度、旋轉(zhuǎn)長度、厚度、位移、速度、加速度、旋轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)數(shù)、質(zhì)量、重量、力、壓力、真空度、力矩、角、轉(zhuǎn)數(shù)、質(zhì)量、重量、力、壓力、真空

3、度、力矩、風(fēng)速、流速、流量。風(fēng)速、流速、流量。 聲：聲：聲壓、噪聲。聲壓、噪聲。 磁：磁：磁通、磁場。磁通、磁場。 溫度：溫度：溫度、熱量、比熱。溫度、熱量、比熱。 光：光：亮度、色彩。亮度、色彩。(2)(2)按工作的物理基礎(chǔ)分類按工作的物理基礎(chǔ)分類機(jī)械式機(jī)械式，電氣式電氣式( (電阻應(yīng)變式，電感式，電容式，壓電電阻應(yīng)變式，電感式，電容式，壓電式等式等), ), 光學(xué)式光學(xué)式等。等。 (3)(3)按被測量和工作原理聯(lián)合分類按被測量和工作原理聯(lián)合分類電阻應(yīng)變式力傳感器、電感式位移傳感器、壓電式加速電阻應(yīng)變式力傳感器、電感式位移傳感器、壓電式加速度傳感器等。度傳感器等。物性型：物性型：依靠依靠敏感

4、元件敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換，如水銀溫度計。信號變換，如水銀溫度計。結(jié)構(gòu)型：結(jié)構(gòu)型：依靠傳感器依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變，如的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變，如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .(4)(4)按信號變換特征按信號變換特征 能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型。能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型。 能量轉(zhuǎn)換型：能量轉(zhuǎn)換型：直接由被測對象輸入能量使其工作，例直接由被測對象輸入能量使其工作，例如，熱電偶溫度計如，熱電偶溫度計, ,壓電式加速度計。壓電式加速度計。 能量控制型：能量控制型：從外部供給能量并由被測量控制外部從外部供給能量并由被測量

5、控制外部 供給能量的變化，例如，電阻應(yīng)變片。供給能量的變化，例如，電阻應(yīng)變片。(5)(5)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系4 4、傳感器技術(shù)的發(fā)展、傳感器技術(shù)的發(fā)展第一節(jié)第一節(jié) 電阻式傳感器電阻式傳感器1 1、變阻器式傳感器、變阻器式傳感器EE111LxRLEx L E ExRE VRmEE1RxR-RxmxmxmxmxxRRRRRRRRRREE1 考慮負(fù)載效應(yīng)，有考慮負(fù)載效應(yīng)，有)1 (1LxRRxLEEmRx/Rm 按測量類型按測量類型: : 按制作方式按制作方式: : 案例：案例：重量的自動檢測重量的自動檢測-配料設(shè)備配料設(shè)備 比較比較重量設(shè)定重量設(shè)定

6、原材料原材料原理：原理：彈簧彈簧力力位移位移電位器電位器電阻電阻 案例：案例：煤氣包儲量檢測煤氣包儲量檢測煤氣包煤氣包鋼絲鋼絲原理：原理：鋼絲鋼絲收線圈數(shù)收線圈數(shù)電位器電位器電阻電阻第二節(jié)第二節(jié) 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片工作原理是基于電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即外即外力力金屬導(dǎo)體機(jī)械變形金屬導(dǎo)體機(jī)械變形( (伸長或縮短伸長或縮短) )電阻值變化。電阻值變化。 KRdRdrdrLdLRdR2dRdR)21 (21RdRLdLRdRK=常數(shù)常數(shù)dRdRK)21 (令令0靈敏度一般在靈敏度一般在1.73.6左右。金屬應(yīng)左右。金屬應(yīng)變片的靈敏度較低

7、，但溫度穩(wěn)定性好，變片的靈敏度較低，但溫度穩(wěn)定性好，用于測量精度要求較高的場合用于測量精度要求較高的場合. 二、半導(dǎo)體應(yīng)變片二、半導(dǎo)體應(yīng)變片 壓阻效應(yīng)：壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體單晶材料在沿某一方向受到外半導(dǎo)體單晶材料在沿某一方向受到外力作用時，力作用時，電阻率電阻率會發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象。會發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象。 壓阻效應(yīng)的產(chǎn)生原因：壓阻效應(yīng)的產(chǎn)生原因：半導(dǎo)體單晶在外力作用下半導(dǎo)體單晶在外力作用下，原子點陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率和載，原子點陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率和載流子濃度變化，從而導(dǎo)致流子濃度變化，從而導(dǎo)致電阻率電阻率的變化。的變化。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理就是基于半導(dǎo)體應(yīng)變片

8、的工作原理就是基于壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。 制作程序制作程序：由單晶硅、鍺一類半導(dǎo)體材料經(jīng)切型由單晶硅、鍺一類半導(dǎo)體材料經(jīng)切型、切條、光刻腐蝕成形，然后粘貼而成。、切條、光刻腐蝕成形，然后粘貼而成。 優(yōu)點：優(yōu)點：靈敏度高，比金屬應(yīng)變片高靈敏度高，比金屬應(yīng)變片高505070倍，體積小倍，體積小。 缺點：缺點：溫度穩(wěn)定性和線性不如金屬應(yīng)變片溫度穩(wěn)定性和線性不如金屬應(yīng)變片。對于半導(dǎo)體應(yīng)變片，對于半導(dǎo)體應(yīng)變片，該項很小，可忽略該項很小，可忽略EdRdRdRdR)21 ( 半導(dǎo)體應(yīng)變片受力后的電阻相對變化也可表示為：半導(dǎo)體應(yīng)變片受力后的電阻相對變化也可表示為：靈敏度為：靈敏度為： ERdRK彈性彈性模量模量正

9、應(yīng)力正應(yīng)力壓阻壓阻系數(shù)系數(shù)VER1R2R3R4 電橋電路電橋電路 三、轉(zhuǎn)換電路三、轉(zhuǎn)換電路力力 應(yīng)變應(yīng)變 電阻變化電阻變化 電流或電壓電流或電壓？ 四四、電阻應(yīng)變片的應(yīng)用電阻應(yīng)變片的應(yīng)用 案例：案例：橋梁固有頻率測量橋梁固有頻率測量 案例：案例：電子稱電子稱原理：原理：將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電結(jié)構(gòu)變形，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。量輸出。案例：案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測 案例：案例：機(jī)器人握力測量機(jī)器人握力測量案例：案例：振動式地音入侵探測器振動式地音入侵探測器適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破

10、適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。電感式傳感器分類電感式傳感器分類第三節(jié)第三節(jié) 電感式傳感器電感式傳感器 優(yōu)點：優(yōu)點：靈敏度高（能測靈敏度高（能測0.1mm的位移）、線性較好的位移）、線性較好(非非線性誤差線性誤差0.1%)、輸出功率大等。、輸出功率大等。 缺點：缺點：頻率響應(yīng)較低；測量范圍越大，分辨率越低。頻率響應(yīng)較低；測量范圍越大，分辨率越低。自感式自感式互感式互感式可變磁阻式可變磁阻式渦流式渦流式 由于由于很小，可認(rèn)為氣隙磁場是均勻的很小，可認(rèn)為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路的鐵損，則總磁阻為：若忽略磁路的鐵損，則總磁阻為：變氣

11、隙式自感傳感器由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成。線圈繞在變氣隙式自感傳感器由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成。線圈繞在鐵心上鐵心上,銜鐵和鐵心間有一氣隙銜鐵和鐵心間有一氣隙 。線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵 線圈線圈自感量自感量L為：為：線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵這種傳感器適用于較小位移這種傳感器適用于較小位移的 測 量 ， 測 量 范 圍 約 在的 測 量 ， 測 量 范 圍 約 在0.0011mm左右。左右。002AAlRm002ARm由于鐵心磁阻與氣隙相比要小得多，可以忽略由于鐵心磁阻與氣隙相比要小得多，可以忽略2002ANL dANdL20022 傳感器傳感器靈敏度：靈敏度：20022ANK 2 2、變

12、面積式、變面積式 3、螺管式、螺管式 特點：特點：靈敏度比變氣隙型的低，但其靈敏靈敏度比變氣隙型的低，但其靈敏度為一常數(shù)，因而線性度較好，量程范圍可度為一常數(shù)，因而線性度較好，量程范圍可取大些，自由行程可按需要安排，制造裝配取大些，自由行程可按需要安排，制造裝配也較方便，因而應(yīng)用較為廣泛。也較方便，因而應(yīng)用較為廣泛。鐵芯鐵芯線圈線圈銜鐵銜鐵 原理：原理：氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對而言覆蓋面積隨被測量的變化而改，導(dǎo)致對而言覆蓋面積隨被測量的變化而改，導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化。線圈的電感量發(fā)生變化。鐵芯鐵芯線圈線圈 原理：原理：銜鐵隨被測對象移動，線圈銜鐵隨被測

13、對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。電感量也因此而變化。 特點：特點：靈敏度更低，但測量范圍大靈敏度更低，但測量范圍大，線性也較好，同時自由行程可任意，線性也較好，同時自由行程可任意安排，制造裝配方便，應(yīng)用較廣泛。安排，制造裝配方便，應(yīng)用較廣泛。 以上三類以上三類自感式自感式傳感器在實際應(yīng)用時，一般由傳感器在實際應(yīng)用時，一般由兩單一兩單一結(jié)構(gòu)對稱組合，構(gòu)成差動式自感傳感器結(jié)構(gòu)對稱組合，構(gòu)成差動式自感傳感器。采用差動式結(jié)。采用差動式結(jié)構(gòu)可改善非線性，提高靈敏度，對電源電壓及溫度變化構(gòu)可改善非線性，提高靈敏度，對電源電壓及溫度變化等外界

14、影響也有補(bǔ)償作用，從而提高傳感器的穩(wěn)定性。等外界影響也有補(bǔ)償作用，從而提高傳感器的穩(wěn)定性。 差動式電感傳感器差動式電感傳感器 (a) 變間隙型變間隙型 (b) 變面積型變面積型 (c) 螺管型螺管型 1線圈線圈 2 鐵芯鐵芯 3 銜鐵銜鐵 4 到桿到桿(a)(b)(c)差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器是把被測量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)是把被測量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)M的變的變化化。傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器。因為它是基于互感變。因為它是基于互感變化的原理，故也稱為化的原理，故也稱為互感式互感式傳感器。傳感器。輸出電壓輸出電壓Eout=EW1-EW2，當(dāng)鐵，當(dāng)

15、鐵芯在中央位置時，芯在中央位置時，EW1=EW2 。雙螺管線圈差動型傳感器測量電路雙螺管線圈差動型傳感器測量電路 案例：案例：板的厚度測量板的厚度測量 案例：案例：張力測量張力測量三、電渦流式傳感器三、電渦流式傳感器原理：原理：將金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中，導(dǎo)將金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電，這種電流的流線在體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電，這種電流的流線在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，稱為電渦流效應(yīng)。導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，稱為電渦流效應(yīng)。 原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：),(ZZ 線圈與金屬線圈與金屬板的距離板的距離金屬板的金屬板的電阻率電阻率金屬板的金屬板的磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率線圈激勵線圈激勵角頻

16、率角頻率 產(chǎn)品：產(chǎn)品： 案例：連續(xù)油管的橢圓度測量案例：連續(xù)油管的橢圓度測量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle 案例：案例：無損探傷無損探傷原理：原理：裂紋檢測，缺陷造裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。成渦流變化?；疖囕啓z測火車輪檢測油管油管檢測檢測第四節(jié)第四節(jié) 電容式傳感器電容式傳感器 原理：原理：將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。兩平行極板組成的電容器兩平行極板組成的電容器, ,它它的電容量為：的電容量為：AC 極距變化型極距變化型 面積變化型面積變化型 介電常數(shù)變化型介電常數(shù)變化型 電容式傳感器的三種類型：電容式傳感器的

17、三種類型：1 1、極距變化、極距變化型型21AddCK 靈敏度：靈敏度： 駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經(jīng)特它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點是體積小、聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。性能優(yōu)越、使用方便。 最大的最大的應(yīng)小于極板間距應(yīng)小于極板間距的的1/51/10。因此極距變化。因此極距變化型電容傳感器的量程范圍在型電容傳感器的量程范圍在0.01m數(shù)百數(shù)百 m m。為了

18、提為了提高靈敏度和改善非線性，在實際應(yīng)用中常常采用差動的高靈敏度和改善非線性，在實際應(yīng)用中常常采用差動的形式。靈敏度可提高一倍。形式。靈敏度可提高一倍。 2 2、面積變化型、面積變化型在面積變化型傳感器中，常用的有直線位移型和角位移在面積變化型傳感器中，常用的有直線位移型和角位移型兩種。圖為直線位移型。當(dāng)動極板沿型兩種。圖為直線位移型。當(dāng)動極板沿x方向移動時，方向移動時，動、靜極板覆蓋面積發(fā)生變化，電容量隨之變化。動、靜極板覆蓋面積發(fā)生變化，電容量隨之變化。Cbx 其電容量為：其電容量為：bdxdCK靈敏度靈敏度= =常數(shù)，輸入與輸出成線性關(guān)系常數(shù)，輸入與輸出成線性關(guān)系. . 角位移型：角位移

19、型：r2222rrA覆蓋面積覆蓋面積電容量電容量22rC 面積變化型面積變化型線性度好，但靈敏度低，故適用于較大位線性度好，但靈敏度低，故適用于較大位移的測量。移的測量。靈敏度靈敏度 22rddCK= =常數(shù)常數(shù)柱面線位移型柱面線位移型3 3、介電常數(shù)變化型、介電常數(shù)變化型 此類傳感器可用來測量液體的液位和材料的厚度等。此類傳感器可用來測量液體的液位和材料的厚度等。兩圓筒間的電容為：兩圓筒間的電容為：)ln(21rRLC如果電極的一部分被非導(dǎo)電性液如果電極的一部分被非導(dǎo)電性液體所浸沒時，則會有電容量的增體所浸沒時，則會有電容量的增量量C產(chǎn)生：產(chǎn)生：)ln()(212rRlC外電極外電極內(nèi)半徑內(nèi)

20、半徑內(nèi)電極內(nèi)電極內(nèi)半徑內(nèi)半徑電極電極長度長度空氣的介空氣的介電常數(shù)電常數(shù)空氣的介空氣的介電常數(shù)電常數(shù)液體浸液體浸沒長度沒長度液位測量示意圖液位測量示意圖如果被測介質(zhì)為導(dǎo)電性液體，內(nèi)電極要用絕緣物（如聚乙烯）如果被測介質(zhì)為導(dǎo)電性液體，內(nèi)電極要用絕緣物（如聚乙烯）覆蓋作為中間介質(zhì)，而液體和外圓筒一起作為外電極。此時覆蓋作為中間介質(zhì)，而液體和外圓筒一起作為外電極。此時兩極間的電容量為：兩極間的電容量為：)ln(23rRlC中間介質(zhì)的介電常數(shù)中間介質(zhì)的介電常數(shù)絕緣覆蓋層外半徑絕緣覆蓋層外半徑液體浸沒長度，即電極長度液體浸沒長度，即電極長度電容傳感器的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好等。電容傳感器的

21、優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好等。 產(chǎn)品：產(chǎn)品：電容式液位傳感器（液位計電容式液位傳感器（液位計/ /料位計）料位計） 電容式接近開關(guān)：電容式接近開關(guān)： 測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一測量頭構(gòu)成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開個極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生關(guān)時，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化隨之發(fā)生變化. .接近開關(guān)的檢測物體，并接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體?；蚍蹱钗矬w。第五節(jié)

22、第五節(jié) 壓電式傳感器壓電式傳感器 一一、壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些材料（如石英），當(dāng)沿著一定方向受到外力作用某些材料（如石英），當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時，不僅產(chǎn)生機(jī)械變形，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生時，不僅產(chǎn)生機(jī)械變形，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。壓力壓力 壓電材料壓電材料 產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷 相反，在這些材料的某些方向上施加電場，它會產(chǎn)生相反，在這些材料的某些方向上施加電場，它會產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場后，變形隨之消失，這種現(xiàn)機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場后，變形隨之消失，

23、這種現(xiàn)象稱為象稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)或或電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)。 二、二、 壓電材料及其特性壓電材料及其特性 常用的壓電材料大致有三類：常用的壓電材料大致有三類：壓電單晶壓電單晶、壓電陶瓷壓電陶瓷和和新型壓電材料新型壓電材料。光光軸軸電電軸軸機(jī)械機(jī)械軸軸zxyFxFx+-zxyFyFy + -zxyFyFy - + 由縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量由縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量q為：為：Fdq11作用力作用力縱向壓電常數(shù)縱向壓電常數(shù) 石英晶體：石英晶體：壓電常數(shù)比較低，壓電常數(shù)比較低，d11=2.3110-12C/N；良；良好的機(jī)械強(qiáng)度和時間及溫度穩(wěn)定性。適用于精確度和穩(wěn)好的機(jī)械強(qiáng)度和時間及溫度穩(wěn)定

24、性。適用于精確度和穩(wěn)定度要求特別高的場合。定度要求特別高的場合。 鈮酸鋰晶體：鈮酸鋰晶體：是人工拉制晶體。居里點高是人工拉制晶體。居里點高( (12000C) )，適于高溫傳感器；適于高溫傳感器；缺點：缺點：質(zhì)地脆質(zhì)地脆, ,抗沖擊性差抗沖擊性差, ,價格較貴價格較貴 2、壓電陶瓷、壓電陶瓷壓電陶瓷壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶體。如是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶體。如鈦鈦酸鋇酸鋇、鋯鈦酸鋇鋯鈦酸鋇。壓電陶瓷特點：壓電陶瓷特點：壓電系數(shù)大，靈敏度壓電系數(shù)大，靈敏度高，價格低廉，居里點較低。高，價格低廉，居里點較低。居里點或居里溫度：居里點或居里溫度：指材料可以在指材料可以在鐵磁體鐵磁體和和

25、順磁體順磁體之間之間改變的溫度。低于居里點溫度時該物質(zhì)成為鐵磁體，此改變的溫度。低于居里點溫度時該物質(zhì)成為鐵磁體，此時和材料有關(guān)的磁場很難改變。當(dāng)高于居里點溫度，該時和材料有關(guān)的磁場很難改變。當(dāng)高于居里點溫度，該物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。這時的磁敏感度約為而改變。這時的磁敏感度約為10-6。3 3、新型新型壓電材料壓電材料有些材料，如硫化鋅有些材料，如硫化鋅(ZnS)、氧化鋅、氧化鋅(ZnO)、硫化鈣、硫化鈣(CaS)、砷化鎵、砷化鎵(GaAs)等，等，既具有半導(dǎo)體特性，又有壓既具有半導(dǎo)體特性，又有壓電特性電特性。因

26、此，既可利用壓電性能制作敏感器件，又可。因此，既可利用壓電性能制作敏感器件，又可利用半導(dǎo)體特性制成電路器件，研制成新型集成壓電傳利用半導(dǎo)體特性制成電路器件，研制成新型集成壓電傳感器。感器。蒸鍍金屬蒸鍍金屬形成電極形成電極晶片兩表面相當(dāng)于電晶片兩表面相當(dāng)于電容器的兩個極板容器的兩個極板F + + + + + + + + - - - - - - - 兩極板之間的壓電材兩極板之間的壓電材料等效于電介質(zhì)料等效于電介質(zhì)壓電晶片相當(dāng)于一只平行極板電容器，其電容量為：壓電晶片相當(dāng)于一只平行極板電容器，其電容量為：壓電元件可等效為一個具有壓電元件可等效為一個具有一定電容的電荷源。電容器一定電容的電荷源。電容器

27、上的開路電壓上的開路電壓U0為：為：當(dāng)壓電式傳感器接入測量電路，連接電纜的寄生電容當(dāng)壓電式傳感器接入測量電路，連接電纜的寄生電容形成傳感器的并聯(lián)寄生電容形成傳感器的并聯(lián)寄生電容Cc，傳感器中的漏電阻和后，傳感器中的漏電阻和后繼電路的輸入阻抗形成泄漏電阻繼電路的輸入阻抗形成泄漏電阻R0，等效電路為：，等效電路為：R0CcqCa 由于后繼電路的輸入阻抗不可能為無窮大，而且壓由于后繼電路的輸入阻抗不可能為無窮大，而且壓電元件本身也存在漏電阻，極板上的電荷由于放電而無電元件本身也存在漏電阻，極板上的電荷由于放電而無法保持不變，從而造成測量誤差。因此，法保持不變，從而造成測量誤差。因此，不宜利用壓電不宜

28、利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)信號，而適宜做動態(tài)測量式傳感器測量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)信號，而適宜做動態(tài)測量。+并聯(lián)：并聯(lián)：適于測緩變信號和以電荷為適于測緩變信號和以電荷為輸出量的場合輸出量的場合+串聯(lián)：串聯(lián)：適于測高頻信號和以電壓適于測高頻信號和以電壓為輸出量的場合為輸出量的場合 壓電晶片有方形、圓形、圓環(huán)形等各種，而且往往壓電晶片有方形、圓形、圓環(huán)形等各種，而且往往是兩片或多片進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)。是兩片或多片進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)。四、測量電路四、測量電路 輸出電荷量很小，輸出電荷量很小，且壓電元件本身且壓電元件本身的內(nèi)阻很大的內(nèi)阻很大壓電式壓電式傳感器傳感器高輸入阻抗高輸入阻抗前置前置放大器放大器輸出電壓輸

29、出電壓或電荷或電荷電壓電壓放大器放大器電荷電荷放大器放大器可采用比例放大器。電可采用比例放大器。電路簡單，但輸出受到連路簡單，但輸出受到連接電纜對地電容的影響接電纜對地電容的影響目前常用目前常用U Uy yU Ui i傳感器電容傳感器電容電纜電纜電容電容放大器輸入放大器輸入電容電容電荷放大器：電荷放大器：高增益帶高增益帶電容反饋的運算放大器電容反饋的運算放大器若電荷放大器的開環(huán)增益足夠大，放大器輸出電壓：若電荷放大器的開環(huán)增益足夠大，放大器輸出電壓：yfUq C可見，在一定條件下，輸出電壓與傳感器的電荷量成正可見，在一定條件下，輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，且與電纜電容無關(guān)。比，且與電纜電容

30、無關(guān)。壓電式傳感器動態(tài)特性好、體積小、重量輕，常用來測壓電式傳感器動態(tài)特性好、體積小、重量輕，常用來測量動態(tài)力、壓力，特別是測量振動加速度的慣性拾振器量動態(tài)力、壓力，特別是測量振動加速度的慣性拾振器大多采用壓電式傳感器。大多采用壓電式傳感器。加速度計加速度計 產(chǎn)品：產(chǎn)品：壓力變送器壓力變送器力傳感器力傳感器 第六節(jié)第六節(jié) 磁敏傳感器磁敏傳感器一、霍爾元件一、霍爾元件 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)將導(dǎo)電體薄片置于將導(dǎo)電體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的的磁場中，磁場中，如果如果在在a、b端通以電流端通以電流I，則在，則在c、d端就會出現(xiàn)電位差。端就會出現(xiàn)電位差?；魻栃?yīng)原理：霍爾效應(yīng)原理：在磁感強(qiáng)度為在

31、磁感強(qiáng)度為B的磁場中，電荷為的磁場中，電荷為q、運動速度為、運動速度為v的帶電粒子，所受的磁場力的帶電粒子，所受的磁場力洛侖茲力洛侖茲力，為，為 霍爾電勢霍爾電勢UH為：為：sinIBKUHH 霍爾元件一般由鍺霍爾元件一般由鍺(Ge)、銻化銦、銻化銦(InSb)等半導(dǎo)體材料制成。等半導(dǎo)體材料制成?；艋魻栐栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成。將霍爾片、穩(wěn)壓電源、由霍爾片、四根引線和殼體組成。將霍爾片、穩(wěn)壓電源、溫度補(bǔ)償電路和信號處理電路集成在同一個芯片上，即構(gòu)成線性溫度補(bǔ)償電路和信號處理電路集成在同一個芯片上，即構(gòu)成線性霍爾傳感器?；魻杺鞲衅?。 霍爾傳感器有單端輸出和雙端輸出霍爾傳感器有單端輸

32、出和雙端輸出( (差動輸出差動輸出) )兩種電路。兩種電路。 開關(guān)型開關(guān)型霍爾傳感器：由霍爾傳感器：由霍爾元件、放大器、霍爾元件、放大器、施密特施密特整形電路整形電路和集電極開路輸出等部分組成。和集電極開路輸出等部分組成。 施密特觸發(fā)器的工作特點：施密特觸發(fā)器的工作特點： 施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)器件，適用于緩慢變化的信號，施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)器件，適用于緩慢變化的信號，當(dāng)輸入信號達(dá)到某一定電壓值時，輸出電壓會發(fā)生突變。當(dāng)輸入信號達(dá)到某一定電壓值時，輸出電壓會發(fā)生突變。 電路有兩個閾值電壓。電路有兩個閾值電壓。 輸入信號增加和減少時，電路的閾輸入信號增加和減少時，電路的閾值電壓不同，電路具

33、有如下圖所示的傳輸特性值電壓不同，電路具有如下圖所示的傳輸特性 。 o vI vO VOH VOL (a) VT+VT_ o vI vO1 VOH VOL (b) VT+VT_ 1 vovI 1 vovI關(guān)于施密特觸發(fā)器關(guān)于施密特觸發(fā)器 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1門電路組成的施密特觸發(fā)器門電路組成的施密特觸發(fā)器 霍爾傳感器應(yīng)用霍爾傳感器應(yīng)用（1）直流無刷電機(jī)的位置傳感器，檢測轉(zhuǎn)子位置，以直流無刷電機(jī)的位置傳感器，檢測轉(zhuǎn)子位置，以 實現(xiàn)換向?qū)崿F(xiàn)換向霍 爾 元 件霍 爾 元 件H2面向轉(zhuǎn)面向轉(zhuǎn)子子N極方向極方向H2導(dǎo)導(dǎo)通 為通 為低 電低 電平平功率功率管管VT2導(dǎo)

34、通導(dǎo)通繞組繞組W2通通過電流過電流IW2S轉(zhuǎn)子順時轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)針旋轉(zhuǎn)（2 2）測轉(zhuǎn)角）測轉(zhuǎn)角（3 3）電流傳感器）電流傳感器/ /鉗形表鉗形表 當(dāng)電流流過導(dǎo)線，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與電流大小當(dāng)電流流過導(dǎo)線，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與電流大小成正比，該磁場可通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件檢測。成正比，該磁場可通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件檢測。 （4）葉片和齒輪位置傳感器）葉片和齒輪位置傳感器（5 5）汽車速度測量）汽車速度測量1 1一軸一軸 2 2一外殼一外殼 33電路電路 4 4一定子一定子55線圈線圈 6 6一霍爾元件一霍爾元件 7 7一永磁轉(zhuǎn)子一永磁轉(zhuǎn)子（6 6）電

35、動自行車）電動自行車/ /霍爾電機(jī)霍爾電機(jī)（7）鐵磁材料裂紋檢測鐵磁材料裂紋檢測 NS 案例：案例：輸油管檢測用管道豬輸油管檢測用管道豬(Pigging)(Pigging) 霍爾元件霍爾元件可用來測量磁場強(qiáng)度、位移、力、速度、角度等。其可用來測量磁場強(qiáng)度、位移、力、速度、角度等。其特點是體積小、使用間便、無接觸測量，但受溫度影響較大，在特點是體積小、使用間便、無接觸測量，但受溫度影響較大，在做精密測量時應(yīng)作溫度補(bǔ)償。做精密測量時應(yīng)作溫度補(bǔ)償。 二、磁敏電阻二、磁敏電阻 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場中時，其電當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場中時，其電阻會隨磁場變化。磁敏電阻就是基于磁阻效應(yīng)工作的。阻

36、會隨磁場變化。磁敏電阻就是基于磁阻效應(yīng)工作的。 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)是伴隨是伴隨霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)同時發(fā)生的一種物理現(xiàn)同時發(fā)生的一種物理現(xiàn)象。運動電荷在磁場中受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)象。運動電荷在磁場中受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，其從一個電極到另一個電極所經(jīng)過的途徑，要比無后，其從一個電極到另一個電極所經(jīng)過的途徑，要比無磁場作用時所經(jīng)過的途徑長些，因此增加了電阻率。磁場作用時所經(jīng)過的途徑長些，因此增加了電阻率。 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)與半導(dǎo)體材料的遷移率、幾何形狀有關(guān)。與半導(dǎo)體材料的遷移率、幾何形狀有關(guān)。一般遷移率愈高，元件長寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大一般遷移率愈高，元件長寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大. .

37、 制造磁敏電阻的材料：制造磁敏電阻的材料：銻化銦銻化銦( (InSb),),砷化銦砷化銦( (InAs) )等。等。 磁電阻測量實驗磁電阻測量實驗外接電阻外接電阻磁阻器磁阻器R12VNS 處于磁場中的磁阻器件和一個外接電阻串聯(lián)，接在恒流源的分處于磁場中的磁阻器件和一個外接電阻串聯(lián)，接在恒流源的分壓電路中，通過對壓電路中，通過對R的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)磁阻器件中電流的大小，電的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)磁阻器件中電流的大小，電壓表聯(lián)接壓表聯(lián)接1或或2可以分別監(jiān)測外接電阻的電壓和磁阻器件的電壓?？梢苑謩e監(jiān)測外接電阻的電壓和磁阻器件的電壓。 實用的磁敏電阻在無磁場時的初始電阻值實用的磁敏電阻在無磁場時的初始電阻值R0可達(dá)

38、幾百歐姆，可達(dá)幾百歐姆，在磁感應(yīng)強(qiáng)度在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.0T時，阻值時，阻值RB與與R0的比值可達(dá)的比值可達(dá)12左右。左右。 磁敏電阻是兩端器件，使用方便，但受溫度影響磁敏電阻是兩端器件，使用方便，但受溫度影響很大，制很大，制作工藝難度大，應(yīng)用受到限制。作工藝難度大，應(yīng)用受到限制。 三、磁敏管三、磁敏管 1 1、磁敏二極管、磁敏二極管 （1 1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)）磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 有有硅硅磁敏二級管和磁敏二級管和鍺鍺磁敏二級管兩種。磁敏二級管兩種。+（b） （2 2）磁敏二極管的工作原理）磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理PNPNPNH=0H+H-電流電流電流電流電流

39、電流（a）（b）（c）I II II I電子電子空穴空穴復(fù)合區(qū)復(fù)合區(qū) 當(dāng)磁敏二極管外加正向當(dāng)磁敏二極管外加正向偏偏壓，即壓，即P區(qū)接電源正極，將有大區(qū)接電源正極，將有大量空穴從量空穴從P區(qū)注入到區(qū)注入到I區(qū)。若將區(qū)。若將其放入磁場中，則注入的空穴其放入磁場中，則注入的空穴和電子受洛侖茲力作用而發(fā)生和電子受洛侖茲力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)磁場方向使空穴，電偏轉(zhuǎn)。當(dāng)磁場方向使空穴，電子向子向r面面偏轉(zhuǎn)時，它們將大量復(fù)偏轉(zhuǎn)時，它們將大量復(fù)合，因而電流很??；當(dāng)合，因而電流很??；當(dāng)磁場方磁場方向使空穴，電子向向使空穴，電子向光滑面光滑面偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)時，復(fù)合率變小，電流就大。時，復(fù)合率變小，電流就大。故故可根據(jù)某一

40、偏壓下的電流值可根據(jù)某一偏壓下的電流值來確定磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和磁來確定磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和磁場方向。場方向。 當(dāng)磁敏二極管反向偏置時，在當(dāng)磁敏二極管反向偏置時，在r區(qū)區(qū)僅流過微小電流，幾乎與磁場僅流過微小電流，幾乎與磁場無關(guān)。因而二極管兩端電壓不會因受到磁場作用而有任何改變。無關(guān)。因而二極管兩端電壓不會因受到磁場作用而有任何改變。 磁敏二極管優(yōu)點：磁敏二極管優(yōu)點：1 1）靈敏度高，約為霍爾元件的數(shù)百甚至上）靈敏度高，約為霍爾元件的數(shù)百甚至上千倍；千倍；2 2）可識別磁場方向，且線路簡單，功耗小。）可識別磁場方向，且線路簡單，功耗小。 缺點：缺點：靈敏度與磁場關(guān)系呈線性的范圍比較窄，且受溫度影靈敏

41、度與磁場關(guān)系呈線性的范圍比較窄，且受溫度影 響大。響大。 2 2、磁敏三極管、磁敏三極管 （1 1）磁敏三極管的結(jié)構(gòu)）磁敏三極管的結(jié)構(gòu) 在弱在弱P型或弱型或弱N型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極、型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極、基極和集電極，基區(qū)較長?；鶇^(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，有高復(fù)基極和集電極，基區(qū)較長?；鶇^(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，有高復(fù)合率的合率的r區(qū)區(qū)和本征和本征I區(qū)區(qū)。長基區(qū)分為運輸基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。長基區(qū)分為運輸基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。cN+eH-H+bIrN+P+(a) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)bce(b) 符號符號 末受磁場作用時末受磁場作用時，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散，由于基區(qū)寬度大于載

42、流子有效擴(kuò)散長度，大部分載流子通過長度，大部分載流子通過e-I-b形成基極電流，少數(shù)載流形成基極電流，少數(shù)載流子輸入到子輸入到c極。因而形成基極電流大于集電極電流的情極。因而形成基極電流大于集電極電流的情況，使況，使l。 （1 1）磁敏三極管工作原理）磁敏三極管工作原理 由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場作用下，其集電極電流由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來測量弱磁場、電流、出現(xiàn)明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來測量弱磁場、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。轉(zhuǎn)速、位移等物理量。 當(dāng)受到正向磁場當(dāng)受到正向磁場(H+)作用時作用時，由于磁場的作

43、用，洛侖茲力使載，由于磁場的作用，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結(jié)的一側(cè)，流子偏向發(fā)射結(jié)的一側(cè)，導(dǎo)致集電極電流顯著下降導(dǎo)致集電極電流顯著下降，當(dāng)反向磁場，當(dāng)反向磁場(H-)作用時，在作用時，在H H- -的作用下，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，的作用下，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電使集電汲電流增大汲電流增大。光電效應(yīng)光電效應(yīng) 第七節(jié)第七節(jié) 光電式傳感器光電式傳感器光光光電傳感器光電傳感器電量電量外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光的在光的照射下，金屬中的自由照射下，金屬中的自由電子吸收光能而逸出金電子吸收光能而逸出金屬表面的現(xiàn)象。如光電屬表面的現(xiàn)象。如光電管和光電倍增管等。管和光電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)半導(dǎo)

44、體材料受光的半導(dǎo)體材料受光的照射后，其電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象照射后，其電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為稱為光導(dǎo)效應(yīng)光導(dǎo)效應(yīng)，如，如光敏電阻；光敏電阻；而受而受光后產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象稱為光后產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象稱為光生伏特光生伏特效應(yīng)，效應(yīng)，如光電池和光敏晶體管等。如光電池和光敏晶體管等。 一、光敏電阻（又稱光導(dǎo)管）一、光敏電阻（又稱光導(dǎo)管） 原理：原理：光光半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料材料電子電子空穴對空穴對導(dǎo)電性導(dǎo)電性能變化能變化 愛因斯坦是現(xiàn)代物理學(xué)的開愛因斯坦是現(xiàn)代物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人。創(chuàng)者和奠基人。18791879年年3 3月月1414日生于德國，日生于德國，19551955年年4 4月月1818日日卒于美國的普林

45、斯頓。卒于美國的普林斯頓。19001900年年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)，學(xué)，19051905年獲蘇黎世大學(xué)博士年獲蘇黎世大學(xué)博士學(xué)位。他在物理學(xué)的許多領(lǐng)域?qū)W位。他在物理學(xué)的許多領(lǐng)域都有貢獻(xiàn)，比如研究毛細(xì)現(xiàn)都有貢獻(xiàn)，比如研究毛細(xì)現(xiàn)象、闡明布朗運動、建立狹義象、闡明布朗運動、建立狹義相對論并推廣為廣義相對論、相對論并推廣為廣義相對論、提出光的量子概念，并以量子提出光的量子概念，并以量子理論完滿地解釋光電效應(yīng)、輻理論完滿地解釋光電效應(yīng)、輻射過程、固體比熱，發(fā)展了量射過程、固體比熱，發(fā)展了量子統(tǒng)計。子統(tǒng)計。19211921年獲諾貝爾物理年獲諾貝爾物理學(xué)獎學(xué)獎( (解釋光電

46、發(fā)射效應(yīng)解釋光電發(fā)射效應(yīng)) )。 暗電阻：暗電阻：無光照時無光照時的阻值，一般為兆歐量的阻值，一般為兆歐量級。級。亮電阻：亮電阻：受光照時受光照時的阻值，一般為千歐以的阻值，一般為千歐以下。下。 光敏電阻響應(yīng)時間光敏電阻響應(yīng)時間一般為一般為250ms 光譜特性：光譜特性：可見光可見光硫化鎘硫化鎘(CdS)，硒化鎘，硒化鎘(CdSe)；紫外；紫外光光氧化鋅氧化鋅(ZnO)，硫化鋅，硫化鋅(ZnS)；紅外光；紅外光硫化鉛硫化鉛(PbS)，硒化鉛硒化鉛(PbSe)。 非線性光照特性：非線性光照特性： 不適宜做檢測光通量不適宜做檢測光通量變化的元件，常用作開變化的元件，常用作開關(guān)式光電傳感器。關(guān)式光電

47、傳感器。 二、光電池（二、光電池（基于光生伏特效應(yīng)的光電元）基于光生伏特效應(yīng)的光電元） PNPN結(jié)的形成：結(jié)的形成：在本征半在本征半導(dǎo)體中，摻以不同的雜質(zhì)，導(dǎo)體中，摻以不同的雜質(zhì)，使其一邊成為使其一邊成為型型，另一邊，另一邊成為成為型型，在，在區(qū)區(qū)和和區(qū)區(qū)的的交界面處就形成一個交界面處就形成一個結(jié)。結(jié)。 擴(kuò)散運動：擴(kuò)散運動：由于載流子濃度差，由于載流子濃度差，型型區(qū)的區(qū)的空穴空穴( (多子多子) )向向型型區(qū)擴(kuò)散，與區(qū)擴(kuò)散，與N區(qū)區(qū)的自由電子復(fù)合；的自由電子復(fù)合；型型區(qū)的區(qū)的電子電子( (多子多子) )向向型型區(qū)擴(kuò)散，與區(qū)擴(kuò)散，與P區(qū)區(qū)的空穴復(fù)合。擴(kuò)的空穴復(fù)合。擴(kuò)散運動使散運動使區(qū)區(qū)失去空穴，

48、留下負(fù)離子，失去空穴，留下負(fù)離子，區(qū)區(qū)失去電子，留下正離子，形成一個失去電子，留下正離子，形成一個很薄的空間電荷區(qū)很薄的空間電荷區(qū)( (結(jié)結(jié)) )。在這個區(qū)域內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴(kuò)散到對方，或。在這個區(qū)域內(nèi)，多數(shù)載流子或已擴(kuò)散到對方，或被對方擴(kuò)散來的多數(shù)載流子被對方擴(kuò)散來的多數(shù)載流子( (到了本區(qū)域后即成為少數(shù)載流子了到了本區(qū)域后即成為少數(shù)載流子了) )復(fù)合掉，即多復(fù)合掉，即多數(shù)載流子被消耗盡了，故又稱此區(qū)域為耗盡層，其電阻率很高，為高電阻區(qū)。數(shù)載流子被消耗盡了，故又稱此區(qū)域為耗盡層，其電阻率很高，為高電阻區(qū)。 漂移運動漂移運動：耗盡層形成的內(nèi)電場將使：耗盡層形成的內(nèi)電場將使N N區(qū)的少數(shù)載流子

49、區(qū)的少數(shù)載流子( (空穴空穴) )向向P區(qū)區(qū)漂移，漂移，使使P區(qū)區(qū)的少數(shù)載流子的少數(shù)載流子( (電子電子) )向向N區(qū)區(qū)漂移，漂移運動的方向正好與擴(kuò)散運動的方漂移，漂移運動的方向正好與擴(kuò)散運動的方向相反。擴(kuò)散運動和漂移運動相互聯(lián)系又相互矛盾，二者達(dá)到動平衡時，向相反。擴(kuò)散運動和漂移運動相互聯(lián)系又相互矛盾，二者達(dá)到動平衡時，PN結(jié)結(jié)保持一定寬度和一定的接觸電位差。保持一定寬度和一定的接觸電位差。 光電池原理：光電池原理：在在N型型襯底上制造一薄層襯底上制造一薄層P型型層作為光照敏感層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時，面，就構(gòu)成最簡單的光電池。當(dāng)入射光子的能量足夠大時

50、，P型型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子電子- -空穴對空穴對，光生，光生電子電子- -空穴空穴對對的擴(kuò)散運動使電子通過漂移運動被拉到的擴(kuò)散運動使電子通過漂移運動被拉到N型型區(qū)，空穴留在區(qū)，空穴留在P區(qū)區(qū)，所以所以N區(qū)區(qū)帶負(fù)電，帶負(fù)電，P區(qū)區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時間，間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢光生電動勢輸出。輸出。 +-PN 用于光電池的半導(dǎo)體材料：用于光電池的半導(dǎo)體材料：硅，硅，硒，鍺，硫化鎘等。硒，鍺，硫化鎘等。 目前硅光電池應(yīng)用最廣泛目前硅光電池應(yīng)用最廣泛，性能，性能穩(wěn)定，光

51、譜范圍寬穩(wěn)定，光譜范圍寬(0.41.1um)，頻，頻率特性好，靈敏度率特性好，靈敏度68nA/(mm2lx)，響應(yīng)時間為響應(yīng)時間為s至數(shù)十至數(shù)十s。 硅光電池硅光電池可做成檢測元件，用于測量光線的強(qiáng)弱；也可制成可做成檢測元件，用于測量光線的強(qiáng)弱；也可制成電源使用，如太陽能硅光電池。電源使用，如太陽能硅光電池。 光電池應(yīng)用：光電池應(yīng)用： （1 1）用作光電檢測）用作光電檢測，可應(yīng)用于紅外探測、光電讀出、，可應(yīng)用于紅外探測、光電讀出、光電耦合、特性識別、光電自動控制、光電測量等。光電耦合、特性識別、光電自動控制、光電測量等。 （2 2）用作能源）用作能源，可組合成電池組，可將太陽能轉(zhuǎn)換為，可組合成

52、電池組，可將太陽能轉(zhuǎn)換為電能與鎳鎘電池配套使用，可作為人造衛(wèi)星、宇宙飛船、電能與鎳鎘電池配套使用，可作為人造衛(wèi)星、宇宙飛船、野外燈塔、無人氣象站等的永久性電源。野外燈塔、無人氣象站等的永久性電源。 光敏晶體管是一種利用光敏晶體管是一種利用受光照受光照時載流子增加時載流子增加的半導(dǎo)體光電元件，的半導(dǎo)體光電元件，具有一個具有一個P-N結(jié)結(jié)的稱為光敏二極的稱為光敏二極管，具有兩個管，具有兩個P-N結(jié)結(jié)的稱為光敏的稱為光敏三極管。三極管。 三、光敏晶體管三、光敏晶體管 1 1、光敏二極管、光敏二極管光光 透鏡透鏡 光敏二極管光敏二極管P-NP-N結(jié)結(jié) 光生載流子光生載流子 光電流光電流 與光敏電阻相比

53、，光敏二極管具有暗電流小，靈敏度與光敏電阻相比，光敏二極管具有暗電流小，靈敏度高等優(yōu)點。一般在可見光作光源時，采用硅管；探測紅高等優(yōu)點。一般在可見光作光源時，采用硅管；探測紅外線時，采用鍺管。外線時，采用鍺管。光敏二極管陣列：光敏二極管陣列：包含包含1024個個InGaAs(砷化銦鎵砷化銦鎵)元件的元件的線性光電二極管陣列，可用線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。于分光鏡。 光敏二極管外形：光敏二極管外形： 案例：案例：光電鼠標(biāo)光電鼠標(biāo)就是利用就是利用LED與光敏晶體管組合來測與光敏晶體管組合來測量位移。量位移。 2 2、光敏三極管、光敏三極管 光敏三極管有兩個光敏三極管有兩個PN結(jié)結(jié)。與普通三

54、極管相似，有電。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線極沒有引出線，只有正負(fù)，只有正負(fù)（c、e）兩個引腳，所以其外兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。 四、固體圖像傳感器四、固體圖像傳感器 固體圖像傳感器的核心器件多是固體圖像傳感器的核心器件多是CCD(Charge Coupled Device) CCD以電荷作為信號以電荷作為信號，而不同，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號。為信號。CCD的基本功能是的基本

55、功能是電荷的電荷的存儲和電荷轉(zhuǎn)移存儲和電荷轉(zhuǎn)移。它存儲由光或電。它存儲由光或電激勵產(chǎn)生的信號電荷，當(dāng)對它施加激勵產(chǎn)生的信號電荷，當(dāng)對它施加特定時序的脈沖時，其存儲的信號特定時序的脈沖時，其存儲的信號電荷便能在電荷便能在CCDCCD內(nèi)作定向傳輸。內(nèi)作定向傳輸。構(gòu)成構(gòu)成CCD的基本單元是的基本單元是MOS (Metal-Oxide-Semiconductor)金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體半導(dǎo)體) )結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 1 1、CCDCCD的基本原理的基本原理CCDCCD基本單元的結(jié)構(gòu)基本單元的結(jié)構(gòu) 電荷存儲：電荷存儲：在在柵極柵極G施加正偏壓之前，施加正偏壓之前，P型型半導(dǎo)體中空穴半導(dǎo)體中空穴

56、( (多數(shù)載流子多數(shù)載流子) )分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正偏壓分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正偏壓Ug( (此時此時Ug小于小于P型型半導(dǎo)體的閾值電壓半導(dǎo)體的閾值電壓Uth) )后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖圖(b)所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸。當(dāng)當(dāng)UgUth時時, ,半導(dǎo)體與絕緣體截面上的電勢半導(dǎo)體與絕緣體截面上的電勢( (常稱為表面勢常稱為表面勢, ,用用s表表示示) )變得如此之高，以至于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子變得如此之高，以至于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子( (少數(shù)載流子少數(shù)載流子) )吸引吸引到表面，形成一

57、層極薄的到表面，形成一層極薄的( (約約102m) )但電荷濃度很高的反型層但電荷濃度很高的反型層, ,如如圖圖(c)。反型層電荷的存在表明了反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。 電荷的注入電荷的注入：CCD的電荷注入的方法有很多，歸的電荷注入的方法有很多，歸納起來可分為納起來可分為光注入光注入和和電注入電注入兩類。兩類。CIPTAneoqQ 1)1)光注入光注入：當(dāng)光照射到：當(dāng)光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的硅片上時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子電子- -空穴對空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷攝像器件的光敏單元為光注入方式。光注入電荷QIP為：為： 2)2)電注入：電注入：電注入是通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流電注入是通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流進(jìn)行電壓流進(jìn)行采樣，然后將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信進(jìn)行電壓流進(jìn)行采樣，然后將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。號電荷。材料的量材料的量子效率子效率電子電子