《固态传感器》PPT课件.ppt

第八章固态传感器 以半导体 电解质 铁电体等为敏感材料 在力 磁 热 射线 气体 湿度等因素作用下引起材料物理特性变化 通过检测其物理特性变化 来反映被测参数值 建立在这一原理基础上的传感器称为固态传感器 固态传感器主要包括 磁敏传感器 光敏传感器 电荷耦合器件 气体传感器 湿度传感器等等 8 1霍尔磁敏传感器 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器 已发展成一个品种多样的磁传感器产品族 并已得到广泛的应用 用它们可以检测磁场及其变化 可在各种与磁场有关的场合中使用 霍尔器件以霍尔效应为其工作基础 霍尔器件具有许多优点 它们的结构牢固 体积小 重量轻 寿命长 安装方便 功耗小 频率高 可达1MHZ 耐震动 不怕灰尘 油污 水汽及烟雾等的污染或腐蚀 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为 直接应用和间接应用 前者是直接检测出被检测对象本身的磁场或磁特性 后者是检测被检对象上人为设置的磁场 用这个磁场作为被检测的信息的载体 通过它 将许多非电 非磁的物理量例如力 力矩 压力 应力 位置 位移 速度 加速度 角度 角速度 转数 转速以及工作状态发生变化的时间等 转换成电量来进行检测和控制 一 霍尔效应 通电的导体或半导体 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象 在两端截面之间建立的电场称为霍尔电场EH 相应的电势称为霍尔电势UH 设霍尔片的长度为L 宽度为b 厚度为d 又设电子以均匀的速度v运动 则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下 它受到洛仑兹力e 电子电量 1 62 10 19C v 电于运动速度 同时 作用于电子的电场力 二 霍尔磁敏传感器工作原理 当达到动态平衡 fE fL 0 时 霍尔电势UH与I B的乘积成正比 而与d成反比 于是可改写成 电流密度j nev n N型半导体中的电子浓度 N型半导体 P型半导体 霍尔系数 由载流材料物理性质决定 材料电阻率 p P型半导体中的空穴浓度 载流子迁移率 v E 即单位电场强度作用下载流子的平均速度 设KH RH d RH 霍尔系数 KH称为霍尔器件的灵敏度 它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关 表示在单位磁感应强度和单位控制电流作用下 霍尔电势的大小 对于金属而言 由于金属电子浓度很高 所以它的霍尔系数或灵敏度都很小 因此不适合制作霍尔元件 元件的厚度d越小 灵敏度越高 因而制作霍尔元件时可采取减小d的方法来增加灵敏度 但是不能认为d越小越好 因为这样会导致元件的输入和输出电阻增加 若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为 时 霍尔电势应为 UH KHIBcos 注意 当控制电流的方向或磁场方向换向时 输出霍尔电势的方向也改变 但当磁场与电流同时换向时 霍尔电势并不改变方向 霍尔片一般采用N型锗 Ge 锑化铟 InSb 和砷化铟 InAs 等半导体材料制成 采用砷化铟材料作霍尔元件的比较多 霍尔元件的结构比较简单 它由霍尔片 引线和壳体组成 如右图所示 在短边的两个端面上焊出两根控制电流端引线 图中的1 1 在长边中点以点焊形式焊出两根霍尔电势输出端引线 图中的2 2 焊点要求接触电阻小 即欧姆接触 霍尔片一般用非磁性金属 陶瓷或环氧树脂封装 三 材料及结构特点 在电路中 霍尔元件常用下图所示的符号表示 霍尔元件的命名法 霍尔元件的基本测量电路如下图所示 控制电流由电源E供电 R为调整电阻 以保证元件中得到所需要的控制电流 霍尔输出端接负载RL RL可以是一般电阻 也可是放大器输入电阻或表头内阻等 四 测量电路 1 UH I特性当磁场恒定时 在一定温度下测定控制电流I与霍尔电势UH 可得到良好的线性关系 如下图所示 五 电磁特性 其直线的斜率称为控制电流灵敏度 以符号KI表示 据霍尔元件的计算公式 可得 可见 灵敏度KH大的元件 其控制电流灵敏度一般也很大 2 UH B特性当控制电流保持不变时 元件的开路霍尔输出随磁场强度的增加不完全呈线性关系 而有非线性偏离 如下图所示 六 误差分析及其补偿方法 1 元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响在霍尔电势的表达式中 是将霍尔片的长度L看作无穷大来考虑的 实际上 霍尔片只有一定的长宽比L b 存在着霍尔电场被控制电流极短路的影响 因此应在霍尔电势的表达式中 增加一项与元件几何尺寸有关的系数 这样 8 10 式可写成如下形式 形状系数fH L b 与长宽比L b之间的关系如右图所示 由图可知 当L b 2时 形状系数接近1 因此为了提高元件的灵敏度 可适当增大L b值 但是实际设计时取L b 2已经足够了 因为L b过大反而使输入功耗增加了 以致降低元件的效率 2 不等位电势U0及其补偿不等位电势是产生零位误差的主要因素 由于制做霍尔元件时 不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上 如图所示 因此当控制电流I流过元件时 即使磁感应强度等于零 在霍尔电势极上仍有电势存在 该电势称为不等位电势U0 在分析不等位电势时 可把霍尔元件等效为一个电桥 如上图所示 电桥的四个桥臂电阻分别为r1 r2 r3和r4 若两个霍尔电势极在同一等位面上 此时r1 r2 r3 r4 则电桥平衡 输出电压U0等于零 当霍尔电极不在同一等位面上时 因r3增大而r4减小 则电桥的平衡被破坏 输出电压U0不等于零 恢复电桥平衡的办法是减小r2或r3 如果经测试确知霍尔电极偏离等电位平面的方向 则可以采用机械修磨或用化学腐蚀的方法来减小不等位电势 以达到补偿的目的 一般情况下 采用补偿网络来进行补偿 3 寄生直流电势由于霍尔元件的电极不可能做到完全的欧姆接触 在控制电流极和霍尔电势极上都可能出现整流效应 因此 当元件在不加磁场的情况下通入交流控制电流时 它的输出除了交流不等电势外 还有一直流分量 这个直流分量称为 寄生直流电势 其大小与工作电流有关 随着工作电流的减小 直流电势将迅速减小 产生寄生直流电势的原因 除上面所说的因控制电流极和霍尔电势极的欧姆接触不良 霍尔电势极的焊点大小不同 导致两焊点的热容量不同而产生温差效应 也是形成直流附加电势的一个原因 寄生直流电势很容易使输出产生漂移 为了减少其影响 在元件的制作和安装时 应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件 欧姆接触 欧姆接触是指金属与半导体的接触 而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻 使得组件操作时 大部分的电压降在于活动区 Activeregion 而不在接触面 欲形成好的欧姆接触 有二个先决条件 1 金属与半导体间有低的界面能障 BarrierHeight 2 半导体有高浓度的杂质掺入 N 10EXP12cm 3 前者可使界面电流中热激发部分 ThermionicEmission 增加 后者则使界面空乏区变窄 电子有更多的机会直接穿透 Tunneling 而同使Rc阻值降低 若半导体不是硅晶 而是其它能量间隙 EnergyCap 较大的半导体 如GaAs 则较难形成欧姆接触 无适当的金属可用 必须于半导体表面掺杂高浓度杂质 形成Metal n norMetal p p等结构 4 感应电势霍尔元件在交变磁场中工作时 即使不加控制电流 由于霍尔电势的引线布局不合理 在输出回路中也会产生附加感应电势 其大小不仅正比于磁场的变化频率和磁感应强度的幅值 并与霍尔电势极引线所构成的感应面积成正比 如下图所示 为了减小感应电势 除合理布线外 如下图所示 还可以在磁路中安置另一辅助霍尔元件 如果两个元件的特性相同 可以起到显著的补偿效果 5 温度误差及其补偿霍尔元件与一般半导体器件一样 对温度变化十分敏感 这是由于半导体材料的电阻率 迁移率 载流子浓度等随温度变化的缘故 因此 霍尔元件的性能参数 如内阻 霍尔电势等都将随温度变化 为了减小霍尔元件的温度误差 除选用温度系数小的元件 如砷化铟 或采用恒温措施外 还可采用恒流源供电 这样可以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化 但采用恒流源供电不能完全解决霍尔电势的稳定问题 因此还应采用其它补偿方法 如采用下图的补偿线路 在控制电流极并联 个适当的补偿电阻r0 当温度升高时 霍尔元件的内阻迅速增加 使通过元件的电流减小 而通过r0的电流增加 利用元件内阻的温度特性和补偿电阻 可自动调节霍尔元件的电流大小 从而起到补偿作用 补偿电阻r0的选择 设在某一基准温度T0时 有 I 恒流源输出电流 IH0 温度为T0时 霍尔元件的控制电流 I0 温度为T0时 r0上通过的电流 R0 温度为T0时 霍尔元件的内阻 r0 温度为T0时 补偿电阻值 当温度上升为T时 可得 式中R 温度为T时 霍尔元件的内阻 R R0 1 t 是霍尔元件的温度系数 t T T0r 温度为T时 补偿电阻值 r r0 1 t 是补偿电阻的温度系数 七 霍尔传感器的应用 据前面讲解 霍尔元件的输出电势与控制电流 磁感应强度的乘积成正比 保持控制电流 或磁感应强度 恒定不变 位移 压力等被测量通过一定装置转换 来改变磁感应强度 或控制电流 引起霍尔电势的变化 从而实现对被测参量的测量 以微位移检测为基础 可以构成压力 应力 应变 机械振动 加速度 重量 称重等霍尔传感器 霍尔式位移传感器 霍尔元件与被测物体相连接 当被测物移动 产生一定位移时 穿过霍尔元件的磁场变化 引起霍尔电势发生变化 可反映被测位移的大小 保持霍尔元件的控制电流保持不变 则输出的霍尔电动势为 k 位移传感器的灵敏度 测量 0 5mm的小位移 适用于微位移 机械 振动的测量 作为压力敏感元件的弹簧管 其一端固定 另一端安装霍尔元件 当输入压力增加时 弹簧管伸长 使处于恒定磁场中的霍尔元件产生相应位移 霍尔元件的输出即可反映被测压力的大小 霍尔式压力传感器 8 2光敏传感器 光电传感器是利用光敏元件将光信号转换成电信号的传感器件 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件 它是把光信号 红外 可见及紫外光辐射 转变成为电信号的器件 敏感波长在可见光波长附近 包括红外线波长和紫外线波长 光传感器是目前产量最多 应用最广的传感器之一 一 光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量 从而产生的电效应 光敏传感器的工作原理基于光电效应 光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类 1 外光电效应在光线的作用下 物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应 向外发射的电子叫做光电子 外光电效应多发生于金属和金属氧化物 从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10 9s 基于外光电效应的光电器件有光电管 光电倍增管等 光子是具有能量的粒子 每个光子的能量 根据爱因斯坦假设 一个电子只能接受一个光子的能量 所以要使一个电子从物体表面逸出 必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功A0 超过部分的能量表现为逸出电子的动能 根据能量守恒定理 E h h 普朗克常数 6 626 10 34J s 光的频率 s 1 式中m 电子质量 v0 电子逸出速度 爱因斯坦光电效应方程 逸出功与材料的性质有关 当材料选定后 要使物体表面电子逸出 入射光的频率 有一最低限度 当h 小于A0时 即使光强很大 也不可能有电子逸出 这个最低限度的频率称为红限频率 相应的波长称为红限波长 在h 大于A0 入射光频率超过红限频率 的情况下 光强越大 逸出的电子数目也越多 电路中光电流也越大 当光照射在物体上 使物体的电阻率 发生变化 或产生光生电动势的现象叫做内光电效应 多发生于半导体内 根据工作原理的不同 内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类 1 光电导效应在光线作用下 电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态 而引起材料电导率的变化 这种现象被称为光电导效应 基于这种效应的光电器件有光敏电阻 2 内光电效应 过程 当光照射到半导体材料上时 价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击 并使其由价带越过禁带跃入导带 如图 使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加 从而使电导率变大 导带 价带 禁带 自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带 Eg 材料的光导性能决定于禁带宽度 对于一种光电导材料 总存在一个照射光波上限 0 临界波长 只有波长小于 0的光照射在光电导体上 才能产生电子能级间的跃进 从而使光电导体的电导率增加 式中 分别为入射光的频率和波长 为了实现能级的跃迁 入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg 即 2 光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管 三极管 利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件 常见的有光敏电阻 光电池和光敏晶体管等 本节重点介绍内光电效应器件 二 光敏电阻光敏电阻又称光导管 为纯电阻元件 常用的光敏电阻由硫化镉 CdS 等材料制成 其工作原理是基于光电导效应 其阻值随光照增强而减小 优点 灵敏度高 光谱响应范围宽 体积小 重量轻 机械强度高 耐冲击 耐振动 抗过载能力强和寿命长等 不足 需要外部电源 有电流时会发热 光敏电阻的工作原理和结构 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应 在无光照时 光敏电阻具有很高的阻值 在有光照时 当光子的能量大于材料禁带宽度 价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带 激发出可以导电的电子 空穴对 导电性能增强 使电阻降低 光线愈强 激发出的电子 空穴对越多 电阻值越低 光照停止后 自由电子与空穴复合 导电性能下降 电阻恢复原值 因此 可将光信号转换为电信号 光敏电阻工作示意图 导带上的电子和价带的空穴在外加电场的作用下 经半导体和外部电路形成电流 直至无光照 光敏电阻的结构如图所示 管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体 光导体吸收光子而产生的光电效应 只限于光照的表面薄层 虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去 但扩散深度有 限 因此光电导体一般都做成薄层 为了获得高的灵敏度 光敏电阻的电极一般采用梳状图案 结构见下图 1 光导层 2 玻璃窗口 3 金属外壳 4 电极 5 陶瓷基座 6 黑色绝缘玻璃 7 电阻引线 RG 1 2 3 4 5 6 7 a 结构 b 电极 c 符号 它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的 这种梳状电极 由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积 所以提高了光敏电阻的灵敏度 图 c 是光敏电阻的代表符号 CdS光敏电阻的结构和符号 光敏电阻的主要参数 1 暗电阻 暗电流若将光敏电阻置于无光照的黑暗条件下 测得光敏电阻的阻值称为暗电阻 暗电阻 这时在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流值称为暗电流 2 亮电阻 光电流光敏电阻在光照下 测得的光敏电阻的阻值称为亮电阻 一般为几百欧姆 这时在工作电压下测得的电流值称为亮电流 亮电流与暗电流之差称光敏电阻的光电流 暗电阻越大 亮电阻越小 光敏电阻的灵敏度越高 3 时间常数当光敏电阻受到光照时 光电流要经过一定时间才能达到稳定值 同样 光照停止后 光电流也要经过一定时间才能恢复到暗电流 光敏电阻的光电流随光强度变化的惯性 通常用时间常数表示 时间常数反映了光敏电阻对光照响应的快慢程度 光敏电阻的主要参数 光敏电阻的基本特性 1 光照特性 I L用于描述光电流与光照强度之间的关系 非线性 故其不宜作线性测量元件 多用作光电式开关元件 2 光谱特性 灵敏度 对于不同的波长 光敏电阻的灵敏度不同硫化镉 峰值在可见光域硫化铅 峰值在红外区域可根据光源的波长来选择光敏元件 获得最佳灵敏度 光照特性光谱特性 光照特性 CdS光敏电阻的光照特性光谱特性 1 2 3分别代表硫化镉 硒化镉 硫化铅三种光敏电阻的光谱特性 光敏电阻的基本特性 3 伏安特性 I U用于描述在一定光照下 光敏电阻两端电压与光电流之间的关系 与普通电阻相似 电压 电流 无饱和现象 但要注意不能超过额定值 4 频率特性 I f Hz 由于时间常数的存在 光敏电阻的阻值要经过一定的时间才能达到相应的数值 越小 能够反映的光信号的频率越高 大多数光敏电阻的 大 频率特性差 伏安特性 曲线1 2分别代表照度为零几位某一值时的伏安特性 频率特性 曲线1 2分别代表硫化镉和硫化铅的光敏电阻的频率特性 伏安特性频率特性 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响 因此要将光电导体严密封装在玻璃壳体中 如果把光敏电阻连接到外电路中 在外加电压的作用下 用光照射就能改变电路中电流的大小 其连线电路如图所示 光敏电阻具有很高的灵敏度 很好的光谱特性 光谱响应可从紫外区到红外区范围内 而且体积小 重量轻 性能稳定 价格便宜 因此应用比较广泛 RG RL E I 三 光电池 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件 由于它可把太阳能直接变电能 因此又称为太阳能电池 它是基于光生伏特效应制成的 是发电式有源元件 它有较大面积的PN结 当光照射在PN结上时 在结的两端出现电动势 应用人造卫星 宇宙飞船 星际站 太空实验室 航标灯 边远山区的永久性电源 收音机 电视机 计算机 铁路信号灯 电动车辆等方面 分类 命名方式 把光电池的半导体材料的名称冠于光电池 或太阳能电池 之前 如 硒光电池 砷化镓光电池 硅光电池等 目前 应用最广 最有发展前途的是硅光电池 硅光电池价格便宜 转换效率高 寿命长 适于接受红外光 硒光电池光电转换效率低 0 02 寿命短 适于接收可见光 响应峰值波长0 56 m 其光谱峰值位于人眼的视觉范围 所以很多分析仪器 测量仪表也常用到它 最适宜制造照度计 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高 光谱响应特性则与太阳光谱最吻合 且工作温度最高 更耐受宇宙射线的辐射 因此 它在宇宙飞船 卫星 太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的 光电池的结构和工作原理 硅光电池的工作原理基于光生伏特效应 它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成的一个大面积PN结 当光照射P区表面时 若光子能量大于硅的禁带宽度 则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子 空穴对 P区表面吸收的光子越多 激发的电子空穴越多 越向内部越少 这种浓度差便形成从表面向体内扩散的自然趋势 由于PN结内电场的方向是由N区指向P区的 它使扩散到PN结附近的电子 空穴对分离 光生电子被推向N区 光生空穴被留在P区 从而使N区带负电 P区带正电 形成光生电动势 光电池的示意图 光 P N SiO2 RL a 光电池的结构图 I 光 P N 若用导线连接P区和N区 电路中就有光电流流过 电流的方向由P区流经外电路至N区 若将外电路断开 就可测出光生电动势 光电池的表示符号 基本电路如图所示 I U RL a b 图4 3 17光电池符号和基本工作电路 光电池的光谱特性 不同的光电池 光谱峰值的位置不同 硅光电池 峰值 0 85 m光谱范围 0 4 1 1 m硒光电池 峰值 0 54 m光谱范围 0 34 0 75 m可利用光源性质选择光电池 也可根据光电池特性来选择光源 光电池的光谱特性 适用于可见光 应用范围广 一 烟尘浊度监测仪防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一 为了消除工业烟尘污染 首先要知道烟尘排放量 因此必须对烟尘源进行监测 自动显示和超标报警 烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的 如果烟道浊度增加 光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加 到达光检测器的光减少 因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化 光电传感器的应用举例 平行光源 光电探测 放大 显示 刻度校正 报警器 吸收式烟尘浊度检测系统原理图 烟道 二 光电转速传感器 下图是光电数字式转速表的工作原理图 图 a 是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘 在调置盘一边由白炽灯产生恒定光 透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上 转换成相应的电脉冲信号 经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号 转速由该脉冲频率决定 在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘 它们具有不同的反射率 当转轴转动时 反光与不反光交替出现 光电敏感器件间断地接收光的反射信号 转换为电脉冲信号 三 光电池应用光电池主要有两大类型的应用 将光电池作光伏器件使用 利用光伏作用直接将大阳能转换成电能 即太阳能电池 这是全世界范围内人们所追求 探索新能源的一个重要研究课题 太阳能电池已在宇宙开发 航空 通信设施 太阳电池地面发电站 日常生活和交通事业中得到广泛应用 目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争 但是随着太阳电池技术不断发展 成本会逐渐下降 太阳电池定将获得更广泛的应用 将光电池作光电转换器件应用 需要光电池具有灵敏度高 响应时间短等特性 但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率 这一类光电池需要特殊的制造工艺 主要用于光电检测和自动控制系统中 光电池应用举例如下 1 太阳电池电源太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵 蓄电池组 调节控制和阻塞二极管组成 如果还需要向交流负载供电 则加一个直流 交流变换器 太阳电池电源系统框图如图 调节控制器 逆变器 交流负载 太阳电池方阵 直流负载 太阳能电池电源系统 阻塞二极管 2 光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池作为光电探测使用时 其基本原理与光敏二极管相同 但它们的基本结构和制造工艺不完全相同 由于光电池工作时不需要外加电压 光电转换效率高 光谱范围宽 频率特性好 噪声低等 它已广泛地用于光电读出 光电耦合 光栅测距 激光准直 电影还音 紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等 a 光电追踪电路 12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 图 a 为光电池构成的光电跟踪电路 用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件 当入射光通量相同时 执行机构按预定的方式工作或进行跟踪 当系统略有偏差时 电路输出差动信号带动执行机构进行纠正 以此达到跟踪的目的 光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路 V0 BG2 BG1 12V C J R1 R2 b 光电开关 图 b 所示电路为光电开关 多用于自动控制系统中 无光照时 系统处于某一工作状态 如通态或断态 当光电池受光照射时 产生较高的电动势 只要光强大于某一设定的阈值 系统就改变工作状态 达到开关目的 c 光电池触发电路 R1 R2 R3 R4 R5 R6 BG1 BG2 BG3 BG4 C1 C2 C3 12V W 图 c 为光电池触发电路 当光电池受光照射时 使单稳态或双稳态电路的状态翻转 改变其工作状态或触发器件 如可控硅 导通 12V 5G23 d 光电池放大电路 C3 12V W R1 R2 R3 R4 R5 C1 C2 1 8 7 6 5 4 3 2 图 d 为光电池放大电路 在测量溶液浓度 物体色度 纸张的灰度等场合 可用该电路作前置级 把微弱光电信号进行线性放大 然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录 在实际应用中 主要利用光电池的光照特性 光谱特性 频率特性和温度特性等 通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的 220V C1 路灯 CJD 10 8V 200 F 200 F C2 C3 100 F R1 R3 R5 R7 R4 R6 R7 R2 J 470k 200k 10k 4 3k BG1 280k 25k 57k 10k BG2 BG3 BG4 2CR 如图所示 在白天 硅光电池输出电压使BG1导通 BG2截止 继电器不吸合 天黑时 硅光电池输出电压渐小 使得BG1截止 BG2导通 继电器吸合 照明灯亮 电路中BG2 BG3组成施密特触发器 用来避免照明灯产生忽明忽暗的抖动现象 也可在较宽范围内选择点亮照明灯的照度 即天黑到什么程度亮灯 电容C起延时作用 约5s 以避免闪电引起瞬间灭灯现象 路灯自动控制电路 8 4气敏传感器 气敏传感器是用来感知 检测气体类别 浓度和成分的传感器 为了保护人类赖以生存的自然环境 防止不幸事故的发生 需要对各种有害 可燃性气体 在环境中存在的情况进行有效地监控 由于气体种类繁多 性质各不相同 不可能用一种传感器检测所有类别的气体 因此 能实现气 电转换的传感器种类很多 按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类 目前实际使用最多的是半导体气敏传感器 对气敏元件的要求 能长期稳定工作 重复性好 响应速度快 共存物质产生的影响小 应用 用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上的天然气 煤气 石油化工等部门的易燃 易爆 有毒等有害气体的监测 预报和自动控制 一 接触燃烧式气体传感器1 检测原理可燃性气体 H2 CO CH4等 与空气中的氧接触 发生氧化反应 产生反应热 无焰接触燃烧热 使得作为敏感材料的铂丝温度升高 电阻值相应增大 一般情况下 空气中可燃性气体的浓度都不太高 低于10 可燃性气体可以完全燃烧 其发热量与可燃性气体的浓度有关 空气中可燃性气体浓度愈大 氧化反应 燃烧 产生的反应热量 燃烧热 愈多 铂丝的温度变化 增高 愈大 其电阻值增加的就越多 因此 只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值 R 就可检测空气中可燃性气体的浓度 接触燃烧式气敏元件的感应特性 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 50 100 150 输出电压 mV 丙烷 乙醇 异丁烷 丙酮 环己烷 气体浓度 XLEL 但是 使用单纯的铂丝线圈作为检测元件 其寿命较短 所以 实际应用的检测元件 都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒 这样既可以延长其使用寿命 又可以提高检测元件的响应特性 若与相应的电路配合 就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时 自动发出报警信号 其感应特性曲线如图 触媒 Al2O3载体 Pt丝 元件 0 8 2 mm b 敏感元件外形图 接触燃烧式气敏元件结构示意图 a 元件的内部示意图 2 接触燃烧式气敏元件的结构 接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图 图中F1是检测元件 F2是补偿元件 其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度 电源电压变化等因素所引起的偏差 工作时 要求在F1和F2上保持100mA 200mA的电流通过 以供可燃性气体在检测元件F1上发生氧化反应 接触燃烧 所需要的热量 当检测元件F1与可燃性气体接触时 由于剧烈的氧化作用 燃烧 释放出热量 使得检测元件的温度上升 电阻值相应增大 桥式电路不再平衡 在A B间产生电位差E A F2 F1 M R1 R2 C B D W2 W1 E0 半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的 按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部 可分为表面控制型和体控制型 前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受 结果使半导体的电导率等物理性质发生变化 但内部化学组成不变 后者半导体与气体的反应 使半导体内部组成发生变化 而使电导率变化 二 半导体气体传感器 按照半导体变化的物理特性 又可分为电阻型和非电阻型 电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时 其阻值变化来检测气体的成分或浓度 非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数 如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的 1 半导体气敏元件的特性参数 1 气敏元件的电阻值将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值 称为气敏元件 电阻型 的固有电阻值 表示为 一般其固有电阻值在 103 105 范围 测定固有电阻值 时 要求必须在洁净空气环境中进行 由于经济地理环境的差异 各地区空气中含有的气体成分差别较大 即使对于同一气敏元件 在温度相同的条件下 在不同地区进行测定 其固有电阻值也都将出现差别 因此 必须在洁净的空气环境中进行测量 2 气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标 它表示气体敏感元件的电参量 如电阻型气敏元件的电阻值 与被测气体浓度之间的依从关系 表示方法有三种 a 电阻比灵敏度K b 气体分离度RC1 气敏元件在浓度为C1的被测气体中的阻值 R 2 气敏元件在浓度为C2的被测气体中的阻值 通常 C1 C2 c 输出电压比灵敏度KVVa 气敏元件在洁净空气中工作时 负载电阻上的电压输出 Vg 气敏元件在规定浓度被测气体中工作时 负载电阻的电压输出 Ra 气敏元件在洁净空气中的电阻值 Rg 气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值 4 气敏元件的响应时间表示在工作温度下 气敏元件对被测气体的响应速度 一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时 直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63 时为止 所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间 通常用符号tr表示 3 气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别 选择 以及对干扰气体的抑制能力 气敏元件分辨率S表示为 Va 气敏元件在洁净空气中工作时 负载电阻上的输出电压 Vg 气敏元件在规定浓度被测气体中工作时 负载电阻上的电压Vgi 气敏元件在i种气体浓度为规定值中工作时 负载电阻的电压 5 气敏元件的加热电阻和加热功率气敏元件一般工作在200 以上高温 为气敏元件提供必要工作温度的加热电路的电阻 指加热器的电阻值 称为加热电阻 用RH表示 直热式的加热电阻值一般小于5 旁热式的加热电阻大于20 气敏元件正常工作所需的加热电路功率 称为加热功率 用 表示 一般在 0 5 2 0 W范围 6 气敏元件的恢复时间表示在工作温度下 被测气体由该元件上解吸的速度 一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时 直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63 时所需时间 7 初期稳定时间长期在非工作状态下存放的气敏元件 因表面吸附空气中的水分或者其他气体 导致其表面状态的变化 在加上电负荷后 随着元件温度的升高 发生解吸现象 因此 使气敏元件恢复正常工作状态 需要一定的时间 称为气敏元件的初期稳定时间 一般电阻型气敏元件 在刚通电的瞬间 其电阻值将下降 然后再上升 最后达到稳定 由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间 称为初期稳定时间 初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数 存放时间越长 其初期稳定时间也越长 在一般条件下 气敏元件存放两周以后 其初期稳定时间即可达最大值 下表给出了半导体气敏器件的分类 从表中看出 目前研究和使用的半导体气敏器件大体上可分为电阻式和非电阻式两大类 电阻式又可分成表面电阻控制型和体电阻控制型 非电阻式又可分为利用表面电位的 二极管整流特性的和晶体管特性的三种 2 半导体气敏传感器的种类及工作机理 半导体气敏器件的分类 半导体电阻型气敏器件适宜制作半导体气敏传感器的材料主要是氧化物 由于半导体材料的特殊性质 气体在半导体材料颗粒表面的吸附可导致材料载流子浓度发生相应的变化 从而改变半导体元件的电导率 由氧化物半导体粉末制成的气敏元件 具有很好的疏松性 有利于气体的吸附 因此其响应速度和灵敏度都较好 通常所指的氧化物半导体气敏传感器 就是由粉末状氧化物经烧结或沉积而制成的 1 表面电阻控制型气敏器件用金属氧化物半导体SnO2 ZnO等材料制作的表面电阻控制型气体传感器 为了加快气体分子在表面上的吸附作用 将器件加热到150 C以上的温度下工作 下图给出了几种表面电阻控制型气体传感器的结构 图8 48给出了氧化锡气敏传感器阻值与被测气体浓度的关系 图8 47表面电阻控制型气体传感器的结构 a 烧结型 b 薄膜型 c 厚膜型 d 多层结构型 图8 47表面电阻控制型气体传感器的结构 a 烧结型 b 薄膜型 c 厚膜型 d 多层结构型 由于加热方式一般有直热式和旁热式两种 因而形成了直热式和旁热式气敏元件 直热式气敏器件的结构及符号如图所示 直热式气敏器件的结构及符号 a 结构 b 符号 旁热式气敏器件的结构及符号如图所示 旁热式气敏器件的结构及符号 a 旁热式结构 b 符号 图8 48氧化锡气敏传感器阻值与被测气体浓度的关系 2 体电阻控制型气敏器件除了表面电阻控制型半导体气敏器件之外 目前还有体电阻控制型半导体气敏器件 体电阻控制型半导体气敏器件与被检测气体接触时 引起器件体电阻改变的原因比较多 对热敏型气敏器件而言 在600 900 下 在半导体表面吸附可燃性气体时 由于这类器件的工作温度比较高 被吸附气体燃烧使器件的温度进一步升高 因此 半导体的体电阻发生变化 另外 很多氧化物半导体 由于化学计量比的偏离 尤其是化学反应强而且容易还原的氧化物 在比较低的温度下与气体接触时晶体中的结构缺陷就发生变化 继之体电阻发生变化 因此 可以检测各种气体 比如 目前常使用的 Fe2O3气敏器件 其结构如图8 49所示 图8 49 Fe2O3气敏器件结构 当它与气体接触时 随着气体浓度增加形成Fe 2离子 而变成为Fe3O4 使器件的体电阻下降 也就是说 由 Fe2O3被还原成Fe3O4时形成Fe 2离子 它们之间的还原 氧化反应为 还原 氧化 8 23 Fe2O3和Fe3O4都属于尖晶石结构的晶体 进行这种转变时 晶体结构并不发生变化 这种转变又是可逆的 当被测气体脱离后又氧化而恢复原状态 这就是 Fe2O3气敏器件的工作原理 Fe2O3类气敏传感器不用贵金属催化剂 但也要用加热措施 通常在元件外部由电热丝烘烤 接触还原性气体后电阻值下降 典型三氧化二铁气敏特性如图8 50所示 图中表明 它对异丁烷和丙烷很灵敏 适合探测液化石油气 图8 50Fe2O3气敏特性 三 气敏传感器应用半导体气敏传感器由于具有灵敏度高 响应时间和恢复时间快 使用寿命长以及成本低等优点 从而得到了广泛的应用 1 可燃性气体泄漏报警器为防止煤气 H2 CO 天然气 CH4 液化石油气 C3H8 C4H10 及CO等气体泄漏引起中毒 燃烧或爆炸 目前在该报警器上大都使用SnO2气体传感器 在湿度大的场合如厨房 使用 Fe2O3气体传感器 此类传感器对湿度敏感性小 稳定性好 2 汽车中应用的气体传感器节省能源 防止环境污染 保持良好的车内环境 控制燃空比 需用氧传感器 ZrO2传感器 控制污染 检测排放气体 需用CO NO HCL O2等传感器 内部空调 需用CO 烟 湿度传感器 3 在工业中应用的气体传感器矿物冶炼过程中常使用氧传感器 ZrO2传感器 满足耐高温 耐腐蚀 半导体工业中需要多种气体传感器 需要使用检测极低的浓度 可靠性好的传感器 常使用电化学气体传感器 食品工业 对水产物的鲜度进行科学评价 使用电化学氧传感器 4 检测大气污染方面用的气体传感器对于污染环境需要检测的气体有SO2 H2S NOX CO CO2等 需要定量测量 宜选用电化学气体传感器 5 家电方面用的气体传感器可燃气泄漏报警 换气扇 抽油烟机的自动控制 湿度传感器的基本概念空气中含有水蒸气的量称为湿度 含有水蒸气的空气是一种混合气体 主要有质量百分比和体积百分比 相对湿度和绝对湿度 露点 霜点 等表示法 1 质量百分比和体积百分比质量为M的混合气体中 若含水蒸气的质量为m 则质量百分比为 8 5湿敏传感器 m M 100 2 绝对湿度和相对湿度大气的干湿程度 通常是用大气中水汽的密度来表示的 每1m3大气所含水汽的克数 称为大气的绝对湿度 大气的水汽密度又可以规定为大气中所含水汽的压强 又把它称为大气的绝对湿度 用符号AH表示 常用的单位是mmHg v V 100 这两种方法统称为水蒸气百分含量法 在体积为V的混合气体中 若含水蒸气的体积为v 则体积百分比为 把大气的绝对湿度跟当时气温下的饱和水汽压的百分比称为大气的相对湿度 H 相对湿度 D 绝对湿度 mmHg Ds 当时气温下的饱和水气压 mmHg 大气的相对湿度表明了大气中的水汽离饱和状态的远近程度 RelativeHumidity 3 露点水的饱和蒸汽压实随着温度的降低而逐渐下降 结露 大气中的未饱和水汽接触到温度较低的物体时 就会使大气中的未饱和水汽达到或接近饱和状态 在这些物体上凝结成水滴 这种现象称为结露 露点 就是指使大气中原来所含有的未饱和水汽变成饱和水汽所必须降低到的温度 当此温度低于0 时 又称为霜点 湿度检测与控制的重要性具有粉尘作业和电火工品生产的车间 当湿度小而产生静电时 容易产生爆炸 大规模集成电路生产过程中 当相对湿度低于30 时 容易产生静电影响生产 仓库湿度过大 会使存放的物资变质或霉烂 纺织厂为了减少棉纱断头 车间要保持相当高的湿度 人类的居住环境要保持一定的湿度才能舒适 湿度传感器的特点 可以集中进行控制 便于遥测 不需要很大的检测空间 可方便地与数字电路相匹配 湿度传感器的应用领域 空调系统 半导体制造业 计算机房 工业生产中的湿度控制 粮食 烟草 纸张 药材 食品等储藏管理 图书 资料 文物的保管 精密光学 电子 化工 机械加工的湿度控制 农业及饲料加工厂的湿度控制 电子仪器及家用电器的湿度控制 气象观测 军工产品的生产及储存 湿度传感器的主要参数1 湿度量程指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围 全湿度范围用相对湿度 0 100 RH表示 它是湿度传感器工作性能的一项重要指标 2 感湿特征量 相对湿度特性每种湿度传感器都有其感湿特征量 如电阻 电容等 通常用电阻比较多 以电阻为例 在规定的工作湿度范围内 湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线 简称阻湿特性 有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大 这种为正特性湿敏电阻器 如Fe3O4湿敏电阻器 有的阻值随着湿度的增加而减小 这种为负特性湿敏电阻器 如TiO2 SnO2陶瓷湿敏电阻器 对于这种湿敏电阻器 低湿时阻值不能太高 否则不利于和测量系统或控制仪表相连接 3 感湿灵敏度简称灵敏度 又叫湿度系数 其定义是在某一相对湿度范围内 相对湿度改变1 RH时 湿度传感器电参量的变化值或百分率 各种不同的湿度传感器 对灵敏度的要求各不相同 对于低湿型或高湿型的湿度传感器 它们的量程较窄 要求灵敏度要很高 但对于全湿型湿度传感器 并非灵敏度越大越好 因为电阻值的动态范围很宽 给配制二次仪表带来不利 所以灵敏度的大小要适当 4 特征量温度系数反映湿度传感器在感湿特征量 相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性 感湿特征量随环境温度的变化越小 环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小 在环境温度保持恒定时 湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比 称为特征量温度系数 T 温度25 与另一规定环境温度之差 R1 C1 温度25 时湿度传感器的电阻值 或电容值 R2 C2 另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值 或电容值 电容温度系数 电阻温度系数 5 感湿温度系数反映湿度传感器温度特性的一个比较直观 实用的物理量 它表示在两个规定的温度下 湿度传感器的电阻值 或电容值 达到相等时 其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比 称为感湿温度系数 或环境温度每变化1 时 所引起的湿度传感器的湿度误差 感湿温度系数 T 温度25 与另一规定环境温度之差 H1 温度25 时湿度传感器某一电阻值 或电容值 对应的相对湿度值 H2 另一规定环境温度下湿度传感器另一电阻值 或电容值 对应的相对湿度 下图为感湿温度系数示意图 RH 相对湿度 H1 H2 H2 感湿温度系数示意图 相对湿度 H1 H2 H2 R C T1 T2 T1 T2 25 25 a 电阻型 b 电容型 6 响应时间在一定温度下 当相对湿度发生跃变时 湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间 一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的63 作为相对湿度变化所需要的时间 也称时间常数 它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时 其反应速度的快慢 单位是s 也有规定从起始到终止90 的相对湿度变化作为响应时间的 响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间 大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间 一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间 湿敏传感器是能够感受外界湿度变化 并通过器件材料的物理或化学性质变化 将湿度转化成有用信号的器件 湿度检测较之其它物理量的检测显得困难 这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多 另外 液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解 一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱 使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化 从而丧失其原有的性质 再者 湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成 因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中 不能密封 通常 对湿敏器件有下列要求 在各种气体环境下稳定性好 响应时间短 寿命长 有互换性 耐污染和受温度影响小等 微型化 集成化及廉价是湿敏器件的发展方向 碳膜及硒膜湿度传感器金属氧化物陶瓷湿度传感器金属氧化物膜湿度传感器高分子材料湿度传感器电解质湿度传感器水晶振子湿度传感器 水分子亲和力型 非水分子亲和力型传感器热敏电阻式湿度传感器红外湿度传感