物性型传感器课件

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1、物性型传感器第第8 8章章 物性型传感器物性型传感器 物性型传感器是利用敏感材料本身的物理或化学特性随输入量的变化实现信号转换的一类传感器的统称，半导体、电介质、铁电体以及其他高分子材料是构成这一类传感器的常用敏感材料。工程技术上常用的物性型传感器包括光电传感器、光纤传感器、压电传感器、霍尔传感器以及用于气体、湿度等检测的化学传感器。本章主要介绍在工程技术上广泛应用的物性型传感器的工作原理、典型结构、参数与应用特点。物性型传感器8.1 8.1 光电式传感器光电式传感器 光电式传感器是以光电器件作为转换元件，实现光电信息转换的一种能量型传感器。不但能够适应检测可见光的需要，也能够满足对紫外光或近

2、红外光的检测需要。特点特点：响应速度快、性能稳定可靠、非接触测量、灵敏度高等 应用：应用：在生产线的产品计数、气体成分分析、光控、工业生产烟尘监测、零件的表面粗糙度测量、振动监测与分析 实用的光电传感器既有模拟式的、也有数字式（包括脉冲式）。物性型传感器8.1.18.1.1光电效应光电效应 1.1.外光电效应外光电效应 在光的照射下，物质表面具有电子逸出并向外发射光电子的现象，即光电发射效应。根据光的粒子性，光束是由大量的光子微粒所形成的粒子流所组成，每个光子微粒具有特定的能量：hv（8.1）爱因斯坦光电效应方程式：Amvhv2021（8.2）式中，是电子的静止质量；是电子逸出物质表面的初始速

3、度,A 是物质电子逸出功，取决于物质材料并受物质表面状态影响。kgm31101091.90v2.2.内光电效应内光电效应 光波照射到半导体材料时，可以激发电子空穴对，引起半导体内部载流子数量的改变，这些载流子仍然处于半导体的内部，而不像外光电效应那样向外发射光电子，所以称作内光电效应。物性型传感器8.1.28.1.2光电器件光电器件 1.1.光电管光电管 光电管是一个封装有光电阴极与阳极的玻璃器件、结构简单，具体结构形式多种多样。图8.3是一种真空光电管的外型示意图。光电管的阴极受到光线的照射作用会在极短的时间内（通常都在ns范围内）产生外光电效应，向外发射光电子。被发射的光电子在阳极加速电压

4、的作用下进行聚集与加速，在空间形成光电子流。通过电极引脚外接适当的电阻器件，即可将光电流转换为电压输出进行信号处理。U0(b)工作原理(a)光电管结构ERL阳极阴极管脚阴极涂料图8.3 光电管结构示意图光(a)(b)物性型传感器 8.1.28.1.2光电器件光电器件 2.2.光电倍增管（光电倍增管（PMTPMT）由于光电管的灵敏度难以适应微弱光的检测要求，即使在电路设计上使光电流信号能够被放大到一定程度，但是受到噪声电平的影响，检测信号的信噪比也满足不了工程应用的实际需要。技术上为克服这个缺陷，人们研制了光电倍增管即光子计数器以满足对微弱光线的检测需求。（1 1）光电倍增管的结构与工作原理）光

5、电倍增管的结构与工作原理 光电倍增管的基本组成包括光电阴极、一定数量的倍增电极、阳极与真空管外壳四部分。光电倍增管的结构如图8.4所示。(b)直接定向型结构图AK光光U1U2U3U4U5KA图8.4 光电倍增管示意图(a)(b)(a)倍增原理图 光电倍增管是利用高速电子的撞击产生二次电子发射效应进行光电流放大的内增益光电器件。阴极光电敏感材料在光照作用下产生的光电子，依次在各倍增电极电压的作用下加速撞击，倍增电极材料在高速电子的轰击下产生二次电子发射，使电子数目逐级增加，最后大量的二次发射电子与光电子一起被阳极收集形成随输入光信号变化的光电流。物性型传感器8.1.28.1.2光电器件光电器件

6、2.2.光电倍增管（光电倍增管（PMTPMT）（2 2）光电倍增管的使用）光电倍增管的使用 光电倍增管在选型与使用时，应注意以下问题：（a）光电倍增管的阴极材料按照光电发射材料的不同有单碱与多碱锑化物光电阴极、银氧铯和铋氧铯光电阴极、紫外光电阴极、IIIV族化合物光电阴极四种类型。不同的光电阴极具有不同的光谱响应范围，实际应用中应根据检测的光谱要求进行选择。（b）由于光电倍增管具有很高的灵敏度，实际使用过程中应注意过强的光线的照射，防止光电倍增管的损坏。（c）倍增极的加速电压的稳定性对光电倍增管的电流增益稳定性具有直接影响作用，应用光电倍增管进行微弱光线检测电路设计时，选择高稳定性的电源对系统

7、增益稳定性的提高具有重要作用。（d）外磁场光电倍增管的光电流具有影响作用，是一种重要的噪声来源之一，对光电倍增管进行良好的电磁屏蔽是克服外来电磁场干扰的技术措施。背景噪声的干扰可以通过光滤波片加以限制。同光电管一样，光电倍增管也存在暗电流，应考虑降温、选择合适的工作电压等技术措施防止暗电流的增长，提高信噪比。物性型传感器 8.1.28.1.2光电器件光电器件 3.3.光敏电阻光敏电阻 光敏电阻是电阻阻值随光照改变工作的电阻器件。由于具有较高的光谱灵敏度、结构紧凑小巧、工作性能稳定、价格低廉，在现代光检测、光控制领域具有广泛应用。（1 1）光敏电阻的结构与工作原理）光敏电阻的结构与工作原理 光敏

8、电阻的结构相对简单，用于制造光敏电阻的半导体材料禁带宽度往往都较高，如硫化镉CdS（禁带宽度为2.4eV）、硒化镉CdSe（禁带宽度为1.8 eV）。选用高禁带宽度的半导体材料制作光敏电阻其目的是提高光敏电阻的灵敏度。常温下，这类半导体由于热激发产生的电子、空穴的数量很少，无光线照射的条件下阻值很高，通常在 级。在光照作用下，光作用产生的电导率变化很大，阻值急剧下降，一般在100 以下，从而表现出较高的电阻灵敏度。图8.5是常用的硫化镉（CdS）光敏电阻的结构与工作原理。KK(a)光敏电阻工作原理光敏电阻IULRLEA(a)梳状电极光导体(b)图8.5 光敏电阻的结构与工作原理(b)光敏电阻结

9、构光物性型传感器8.1.28.1.2光电器件光电器件 4.4.光电二极管光电二极管光电二极管具有从紫外（200nm）到红外（1100nm）较宽的光谱响应范围，具有较高的灵敏度，光电流与入射光强具有很好的线性度。图8.7 光电二极管工作模式（a）（b）（a）光电导模式（b）光电压模式IDIRDRLIPIPIDIRDRLE 图8.7（a）是光电导模式，此时光电二极管处于反向偏置状态，输出的光电压可由式（8.5）确定：LPLRIU（8.5）式中IP为光生电流，RL负载电阻。光电压工作模式如图8.7（b）所示，光电二极管不需要外加偏置电压当光电二极管接受光照射时，光电流在大负载的两端或开路时产生相应的

10、输出光电压。物性型传感器 8.1.28.1.2光电器件光电器件 5.5.光电三极管光电三极管 光电三极管从结构上看相当于在基极与集电极之间接有PN光电二极管的普通三极管，光电三极管同普通三极管一样也具有PNP与NPN两种结构形式图8.8 光电三极管结构原理图(b)光电三极管结构图NebcNNP(a)光电三极管原理图ebcIPIp(+1)Ip=IC(a)(b)Ip=IC 光电三极管在外加工作电压的作用下，集电结处于反向偏置，此时的集电结相当于工作在光电压模式下的光电二极管。当光电三极管接受光照射时，产生的光电压形成光电流，光电流经过三极基极进入光电三极管进行电流放大，在集电极回路中形成一个放大的

11、光电流信号。物性型传感器8.1.28.1.2光电器件的特性光电器件的特性 光电器件的光电特性、光照特性、光谱特性、伏-安特性、频率特性、温度特性较全面反映了其基本性能。1 1光谱特性光谱特性 光谱特性是光电器件的响应度随入射光波波长变化的特性，工程上以光电流与入射波长的函数关系衡量。图8.9给出了光敏电阻、光电二极管等光电器件的光谱特性，可以看出每种器件都存在一个最佳响应波长，通常称作峰值响应波长 ，当光谱响应度下降到峰值一半时对应的波长称作截止波长 。mc（d）（c）（b）（a）多 种 成 分铯400锑-钾-铯20000204060801008001200相对灵敏度%（d）光 电 管（c）光

12、 电 倍 增 管（b）光 电 二 极 管（a）光 敏 电 阻入 射 光 波 长（单 位 nm）相对灵敏度%60004000100806040200锗硅02040608010010002000相对灵敏度%硫 化 铅硫 化 铊硫 化 镉相对灵敏度%30001500100806040200图 8.9 各 种 光 电 器 件 的 光 谱 特 性物性型传感器 8.1.28.1.2光电器件的特性光电器件的特性 2.2.光电特性与光照特性光电特性与光照特性 光电器件在电极工作电压与入射光谱一定的条件下，光电流与入射光的光通量 之间的关系称作光电特性；光电流与照度E之间的关系相应称作光照特性，即：)(FI或)

13、(EFI（8.7）硅光电二极管在光谱响应范围内具有良好的照度特性线性关系，适合作为光电检测元件使用。（c）光电二极管（b）光敏电阻（a）光电倍增管0.0040.012210I/mA/lx50010001050I/uAE/lxE/lxI/mA5115001000500（a）（b）（c）图8.10 光电特性与光照特性物性型传感器8.1.28.1.2光电器件的特性光电器件的特性3.3.频率特性频率特性 光电器件的频率特性是指在入射光强度不变和确定的工作电压下，入射光强度以不同的正弦交变频率进行调制，这时光电器件的光电流或灵敏度随调制频率变化的关系。（b）（a）(Hz)(Hz)020406080100

14、10010000相对灵敏度%101000氧化铯（a）光电管（b）光敏电阻硫化铊100010相对灵敏度%10000100100806040200图8.11 光电器件的频率特性物性型传感器8.1.28.1.2光电器件的特性光电器件的特性4.4.温度特性温度特性 光电器件的光敏材料在温度升高以后，由于热运动的加强将会引起光电器件的光学、电学性质的变化，从而最终影响光器件的工作性能的波动。通常将光电器件的灵敏度、暗电流或光电流与温度之间的关系称为温度特性。5.5.伏安特性伏安特性 给定的光通量或照度的前提下，光电器件中的光电流与光电器件两端电压之间的关系，即伏安特性I=F（U）。（b）硅光电三极管（a

15、）硅光电二极管104015I/mAUCE(V)I/mA0.050.0120 30反向电压(V)40101000lx800lx200lx400lx100lx00（a）（b）图8.13 伏安特性对比图8.13硅光电二极管与三极管在不同照度条件下的伏安特性可以发现，光电三极管的光电流要远高于相同管型的光电二极管。物性型传感器8.1.48.1.4新型光电传感器新型光电传感器 1.1.电荷耦合图像传感器电荷耦合图像传感器CCDCCD 图像传感器是以电荷作为信号的载体，采用电荷转移器件与光敏阵列元件一体化结构，利用集成电路工艺技术制造的具有自扫描功能的摄像传感器。2.2.光电位置传感器光电位置传感器PSD

16、PSD 光电位置传感器PSD（Position Sensitive Detector）是利用光电转换实现对位置进行检测的传感器 3.PIN3.PIN光电二极管与光电二极管与APDAPD雪崩光电二极管雪崩光电二极管 PIN-PD与APD是适应高速光电检测需要的光电传感器，其具体结构如图8.19所示。N区P区氧化层栅状电极下电极N区I区P区（b）APD管结构（a）PIN管结构（a）（b）图8.19 PIN管与APD管的结构物性型传感器8.1.48.1.4光电传感器的应用光电传感器的应用 广泛应用于实际工程如产品计数、转速测量、光控、光度学测量、气体成分分析、烟气检测、振动分析、表面粗糙度检测、光谱

17、分析、位置确定、几何尺寸测量、图像提取等方面。1.1.智能化路灯控制器的光控电路智能化路灯控制器的光控电路 该电路采用CdS光敏电阻作为光电检测传感器，以直流电桥作为测量电路，光敏电阻CdS与电阻R1、R2、R3构成电桥的四个桥臂。当白天光线较强时，光敏电阻的阻值减小，A点输出高电平，控制器不工作；当光线渐渐暗下来以后，光敏电阻的阻值增加，A点输出低电平，达到路灯开启的设定值要求。图8.20 光敏电阻在路灯智能控制器中的应用AT89C2051P3.0R4A+5V+5VLM393CdSR3R1R2物性型传感器8.1.48.1.4光电传感器的应用光电传感器的应用 2 2、光敏三极管在机电一体化电能

18、表中的应用、光敏三极管在机电一体化电能表中的应用 随着微电子技术与通信技术的发展，传统的机械式电能表由于误差大、精度低以及不能实现分时计费和智能化用电管理需要逐渐被电子式电能表所替代。&转 盘转 盘光 敏 三 极 管光 敏 三 极 管发 光 管发 光 管nnIU接 口时 钟 模 块显 示 器微处理器光电传感器机械转盘（c）（b）（a）图 8.2 1 光 电 传 感 器 在 电 能 表 中 的 应 用（a）组 成 框 图（b）光 电 传 感 器 的 安 装（c）检 测 电 路反 射 式透 射 式光 电 耦 合 器C D 4 0 9 3+5 VR3C1R2R1&物性型传感器8.4 8.4 霍尔式传

19、感器霍尔式传感器 霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行磁电转换的磁电式传感器，其应用在磁电式传感器中占有重要比重。8.4.18.4.1霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件1 1霍尔效应霍尔效应 根据物理学的研究，将一块金属或半导体薄片材料垂直放置在磁感应强度为B B的磁场中，若沿着垂直于磁场方向给其通以电流I，那么就会在薄片的另一对侧面产生电动势UH，这就是所谓的霍尔效应。UHBIdLbfEfHv图 8.48 霍 尔 效 应 原 理 图物性型传感器8.4.18.4.1霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件2 2霍尔元件霍尔元件 用于制造霍尔元件的半导体材料包括Ge、Si、InAs、InSb、

20、GaAs等。实际的霍尔元件通常被制作成长方形的薄片。（1 1）霍尔元件的结构与电路符号）霍尔元件的结构与电路符号 霍尔元件结构简单，其结构与电路符号如图8.49所示。以长方形霍尔元件薄片作为核心，在其宽度方向的两侧面安装有激励电极，长度方向的两侧面安装有霍尔电极，通过非导磁金属材料、陶瓷或环氧树脂材料进行壳体封装。为消除减小霍尔电极对输出霍尔电动势的影响，一般要求霍尔薄片的长宽比应大于2，同时霍尔电极的宽度尺寸应小于元件长度的1/10，以改善霍尔电压输出的线性与电极短路对输出霍尔电压的影响。产品序号材料类型霍尔元件代号HH Z-1H221111222211（b）(c)（a）(c)霍尔元件的型号

21、（b）霍尔元件符号（a）霍尔元件片结构霍尔电极激励电极8.49 霍尔元件的结构与电路符号物性型传感器8.4.28.4.2霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路 其输出霍尔电势一般为几mV几百mV。霍尔元件应用时必须外加偏置驱动电路和相应的霍尔电压放大电路。1 1霍尔元件的偏置电路霍尔元件的偏置电路 霍尔元件工作时，具体的偏置电路结构形式主要有基本型、恒压驱动型与恒流驱动型三种，如图8.50所示。VHVHVHR+VC+VCRBRAE（a）基本偏置电路（b）恒压偏置电路（c）恒流偏置电路（a）（c）（b）AA8.50 霍尔元件的偏置电路物性型传感器 8.4.58.4.5霍尔传感器应用举例霍尔

22、传感器应用举例 霍尔传感器是一种结构精简、体积小、灵敏度高、工作稳定性好的磁-电信号变换装置，工程上常用于检测磁场、电流、电功率以及应用于特定产品的计数、旋转机械的转速测量、流体的流量检测等。以下介绍几例应用霍尔传感器进行工作的工程实例。1 1霍尔开关在旋转机械转速测量系统中的应用霍尔开关在旋转机械转速测量系统中的应用 该电路应用集成霍尔开关元件UGN-3020作为传感器探头，通过嵌入在绕线机飞轮上的磁钢与霍尔开关相互作用，绕线模板上的线圈每绕一匝，计数装置显示器显示的数字就加1。开关型霍尔传感器UGN-3020是将霍尔元件与测量电路通过硅集成工艺制作成的一个三端器件，工作电源电压范围为4.5V25V，内部结构由霍尔元件、前置放大器、施密特整形电路与输出级组成，如图8.57（a）所示。R+VDDGND显示译码 计数 UGN-3020231GNDAH（b）（a）8.57 开关型霍尔传感器在绕线机上的应用（b）应用电路（a）UGN-3020的内部结构稳压器