传感器原理与应用(上)

1、吕辰刚作者：王雪文出版社：北京航空航天大学出版社 第一章温度传感器1.1电阻型温度传感器1.2热电偶1.3半导体pn结型温度传感器1.4其他温度传感器第二章光敏传感器2.1外光电效应及器件2.2光电导效应器及其应用2.3光生伏特效应器件2.4红外热释电光敏器件2.5固态图像传感器2.6光纤传感器光纤传感器2.7新型传感器参考书参考书传感器原理及应用传感器原理及应用 作者：王化祥作者：王化祥天津大学出版社天津大学出版社光纤传感技术与应用光纤传感技术与应用作者：廖延彪作者：廖延彪清华大学出版社清华大学出版社一 什么是传感器? 广义的把传感器归纳为一种能感受外界信息(力、热、声光、电等等)，并按一定

2、的规律将其转换成易处理的电信号的装置。台式机笔记本手机虚拟视觉视频采集器音频采集器虚拟听觉水温传感器虚拟感觉土壤湿度传感器虚拟运动生产设备办公设备“感感”+“知知”视频采集器视频采集器镜头镜头+CCD（CMOS）+图像处理（显卡等）图像处理（显卡等）音频采集器音频采集器换能装置换能装置+音频处理（声卡等）音频处理（声卡等）二 传感器能干啥?两化融合物联网大数据云平台互联网工业4.0互联网+?物联网核心：传感器物联网核心：传感器计算模式变革的十五年周期定律计算模式变革的十五年周期定律 一个普遍接受的重要观点：计算模式每隔一个普遍接受的重要观点：计算模式每隔1515年发年发生一次变革。人们把它称为

3、生一次变革。人们把它称为“十五年周期定律十五年周期定律”，这一判断就像摩尔定律一样准确。这一判断就像摩尔定律一样准确。 19651965年以后是以年以后是以系统性系统性为特征的大型机时代。为特征的大型机时代。 19801980年以后是以年以后是以独立性独立性为特征的个人机时代。为特征的个人机时代。 19951995年以后是以年以后是以共同性共同性为特征的互联网时代。为特征的互联网时代。 20102010年以后将以年以后将以拟人性拟人性为特征的物联网时代。为特征的物联网时代。 2009年1月7日，IBM等组织向奥巴马提出通过信息通信技术投资在短期内创造就业机会。1月28日，奥巴马在首次美国工商业

4、领袖圆桌会，IBM首席执行官建议政府投资新一代智能型基础设施，提出“智慧地球”方案，得到奥巴马总统回应，出台总额7870亿美元经济复苏和再投资法对上述战略建议加以落实。 物联网 Internet 0f Things - “智慧地球” 物联网 Internet 0f Things - “感知中国” 20092009年年8 8月月7 7日，国务院总日，国务院总理温家宝考察无锡提出，加快理温家宝考察无锡提出，加快传感网产业发展，在无锡建设传感网产业发展，在无锡建设“感知中国感知中国”中心。中心。 2009年奥巴马访华年奥巴马访华随着美国随着美国“智慧地球智慧地球”计划提计划提出，物联网已成综合国力较

5、量出，物联网已成综合国力较量重要因素。美国将物联网技术重要因素。美国将物联网技术列为列为“在经济繁荣和国防安全在经济繁荣和国防安全两方面至关重要的技术两方面至关重要的技术”。加。加拿大、英国、德国、芬兰、意拿大、英国、德国、芬兰、意大利、日本和韩国等加入传感大利、日本和韩国等加入传感网研究，欧盟将物联网技术作网研究，欧盟将物联网技术作为优先发展的重点领域之一。为优先发展的重点领域之一。 据据Forrester权威机构预权威机构预测测:下一个万亿级的通信业下一个万亿级的通信业务将是物联网产业，到务将是物联网产业，到2020年，物物互联业务与年，物物互联业务与现有人人互联业务之比将现有人人互联业务

6、之比将达达30 1。由于电网效率低下导致40-70%的电力被浪费现有油井中只能开采出20-30%的石油美国纽约市在交通高峰时，平均40%-45%的车辆在寻找停车位美国每年出现220万起由于手写处方导致的配药错误，而电子医疗记录每年可帮助防止100,000人因为医疗事故而死亡。低效的供应链使得消费产品和零售业每年损失400亿美元，相当于销售额的3.5%。金融市场因为缺乏跟踪与有效监管，盲目扩张，酿成危机。世界需要更加智慧物的感知物的感知信息的采集信息的采集物的识别物的识别信息的分类信息的分类物的联系物的联系信息的传递信息的传递物的认识物的认识信息的分析信息的分析传感器传感器无线传感器网络无线传感

7、器网络GPSRFID各种网络媒质各种网络媒质移动云计算、移动云计算、智能信息处理、智能信息处理、海量数据分析海量数据分析我们的世界可以 物联化物联化更透彻的感知Instrumented我们的世界变得 互联化互联化更全面的融合Interconnected所有的事物具有 智能化智能化更智慧的服务Intelligent智能家居智能家居智能公交智能公交智能交通应用：提前智能交通应用：提前3秒秒预警，能有效避免交通事预警，能有效避免交通事故；提前故；提前1.5秒提醒驾驶人秒提醒驾驶人员，能防止员，能防止90%以上事故；以上事故；提前提前0.5秒刹车，能减少秒刹车，能减少50%碰撞能量。碰撞能量。货运车载

8、货运车载智能物流应用：智能物流应用：2006年日本物流成本占年日本物流成本占GDP是是11%，美国是，美国是8%，欧盟是，欧盟是7%，中国是中国是18%。中国的运输成本占一半以上，存储成本占。中国的运输成本占一半以上，存储成本占30%。中国物流是大。中国物流是大仓库倒到小仓库，小仓库倒到商店的仓库，来回倒，每次都要用车，每次都仓库倒到小仓库，小仓库倒到商店的仓库，来回倒，每次都要用车，每次都要用劳动力。采用信息化管理，实际上就是用智能物流，把全世界的分销中要用劳动力。采用信息化管理，实际上就是用智能物流，把全世界的分销中心数量从心数量从100个减少到个减少到40个，成本降低个，成本降低23%，

9、燃料用量降低，燃料用量降低25%，碳排放量减，碳排放量减少少10-15%。公差配合的自动优化组合公差配合的自动优化组合将一组轴的测量尺寸公差值，和一组孔的加工公将一组轴的测量尺寸公差值，和一组孔的加工公差值，输入系统。差值，输入系统。系统自动计算，做出组合配对。系统自动计算，做出组合配对。“” 是通过是通过信息物理系統信息物理系統网网路路 (CPS: Cyber-Physical Systems) ，实实现人、设备现人、设备系統系統与产品的实时连通、与产品的实时连通、相互识别和有效交流。从而构建一个相互识别和有效交流。从而构建一个高度灵活的个性化和数字化的智能制高度灵活的个性化和数字化的智能制

10、造模式。造模式。成品成品物流物流经销经销商商顾顾客客生产生产基地基地工业工业 4.0 4.0 - 信息物理信息物理系统网系统网路路三 传感器的基本特性 传感器输入和输出的关系特性静态特性：被测量不随时间变化（直流）动态特性：被测量随时间变化 （交流）静态特性 线性度静态特性 迟滞静态特性 重复性静态特性 分辨率动态特性 阶跃响应阶跃响应特征参数v 时间常数：Y（t）从0%63%v 上升时间： Y（t）从10%90%v 响应时间： Y（t）从0到稳定v 振荡次数：N 1. 稳态误差：Y（）和实际值差 N阶sensor系统输入信号：在线性时不变的物理系统内, 对于复杂激励的响应可以通过组合其对不同

11、频率正弦信号的响应来获取（“傅里叶级数展开”）sensor系统：提供传递函数H(s)，产生幅频特性（滤波）和相频特性（信号展宽）输出信号：可以看成不同输入频率信号的增益和相移后组合成的波形。四 传感器的应用与发展 传感器在控制系统的应用 传感器在测量系统的应用第一章 温度传感器 一种将温度变化转换为电学量的装置，用于检测温度和热量，也叫热电式传感器。温度传感种类 温度-电阻：热电阻、热敏电阻等 温度-电势：热电偶、PN结式传感器 热辐射：热释电探测器、红外探测器 其他：光纤温度传感，液晶温度传感等等电阻型温度传感器 利用感温材料，把测量温度变化转为测量电阻变化。 金属热电阻式（热电阻） 半导体

12、热电阻式（热敏电阻）金属热电阻 1.电阻温度系数a要高。纯金属合金 2.测温范围内，化学物理性能稳定 3.良好的线性输出特性 4.比较高的电阻率 5.可加工性。如铂，铜，铁，镍 几种正温度系数 金属热电阻温度 特性热敏电阻 热敏电阻是用某种金属氧化物为基体原料，加入一些添加剂，采用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的电阻器。 电阻温度系数比金属大很多。 正温度系数 PTC 负温度系数 NTC 临界温度系数 CTR 三类热敏电阻 温度特性曲线PTC 热敏电阻 电阻温度特性曲线突变型RT=R0exp(AT)缓变型RT=A+BTPTC 热敏电阻 静态伏安特性 曲线NTC 热敏电阻 lnRT1/T 关系 曲

13、线NTC 热敏电阻 静态伏安特性 曲线CTR 热敏电阻 负温临界热敏电阻 在某一温度附近电 阻值发生突变，在 狭小的温度范围， 阻值随温度增加降 低3-4个数量级。半导体热电阻 半导体材料的电阻率对温度变化非常敏感，利用其电阻率随温度变化的特性可以实现温度传感。 半导体材料电阻率决定于载流子浓度和迁移率。 迁移率与温度关系： 半导体载流子迁移率与载流子在电场作用下的散射机理有关。 主要散射机构为： 声波散射迁移率（晶格振动） 电离杂质迁移率 电阻率与温度关系： 本征半导体：本征载流子浓度决定 杂质半导体：载流子浓度和迁移率决定硅热电阻硅热电阻 电阻-温度特性 正向偏置 偏置电流1mA 室温25

14、 度 1000硅热电阻 电阻-电流关系 偏置电流应 小于1mA 热敏电阻专业术语 零功率电阻 在某一温度下测量热敏电阻值时,加在热敏电阻上的功耗极低, 低到因其功耗引起的热敏电阻的阻值变化可以忽略不计. 额定零功率电阻R25 额定零功率电阻指环境温度25条件下测得的零功率电阻值 热敏电阻专业术语 温度系数 热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化.温度系数越大，反应越灵敏 最大电流 Imax 最大电流是指热敏电阻最高的电流承受能力.超过最大电流时热敏电阻将会失效。热敏电阻专业术语 居里温度 Tc 对于热敏电阻的应用来说,电阻值开始陡峭地增高时的温度是重要的,我们将其定义为居里温度.

15、 动作电流 Ik 流过热敏电阻的电流,足以使热敏电阻自热温升超过居里温度,这样的电流称为动作电流.热敏电阻专业术语 最大工作电压 Vmax 最大工作电压是指在规定的环境温度下,允许持续地保持在热敏电阻上最高的电压.对同一类型而言,环境温度越高,最大工作电压值越低 额定电压 VN 额定电压是在最大工作电压Vmax以下的供电电压.通常 Vmax = VN + 15%热敏电阻的应用 医疗应用一般需在数字式温度计、培养(恒温)箱、皮肤传感器、导尿管、透析设备和呼吸器里使用来监测温度、血流或气流。 家电应用一般使用以各种包装的玻璃封装薄片来监测和控制烘箱、微波炉、淋浴器、空调器、冰箱、制冷机的温度和监控

16、可充电镍铬电池上的温度热敏电阻的应用 电信应用一般进行温度补偿、温度监测与控制。典型应用包括开关设备，以及无绳电话、收音机、可充电电池的充电控制。 汽车应用被用作进气传感器、电池、发动机和传动温度传感器、空调和内/外环境温度传感器电阻式温度传感器应用 流量检测电阻式温度传感器应用 过热保护 电阻式温度传感器应用 自动延时 电阻式温度传感器应用 恒温箱控制 热电偶 利用两种不同金属连接在一起，当结点处温度变化时，另两端产生电势变化的原理制成的传感器为热电偶热电效应 1823年赛贝克发现，把两种不同的金属组合闭合回路，且使其两触点处温度不同，回路中就会产生电流，这个物理现象称为赛贝克效应，也称热电

17、效应。 帕尔帖效应 汤姆逊效应帕尔帖效应 同温度的两种不同 金属相互接触，由于 金属内自由电子密度 不同，在接触面附近 产生一个稳定电势叫 帕尔帖电势。汤姆逊效应 一均匀介质棒两端温度不同，导体的高、低温端有温度梯度，高温端自由电子有较高动能向低温端扩散，形成内建电场，内建电场的产生又使电子由低温端向高温端漂移，当扩散和漂移达到动态平衡时，两端的电势差叫汤姆逊电势。 参考端T0=0 时，温度与热电势关系EA：镍鉻-镍铜EU：镍鉻-镍硅LB： 铂铑-铂热电偶的基本定律 均质导体定律： 两种均质金属组成的热电偶的电势大小与热电极的直径、长度及长度方向上的温度分布无关，与材料和温度有关。 如果材料不

18、均匀，将会产生无法估量的附加电势差。 标准电极定律 两种金属组成 热电偶电势可以用 它们分别与第三种 金属组成热电偶电 势差来表示。 工程上常以铂、铜 为标准电势。 中间导体定律 在热电偶参考端接 入第三种均匀导体 只要保证其两端温 度大小，则不影响 原来的回路热电势 值。 中间温度定律 热电偶接点温度 TT0，其热电势 等于热电偶接点 温度为TTn和 TnT0相应电热势 的代数和。热电偶的材料 在测量范围内，热电性质稳定，物理化学性质稳定，不易氧化和腐蚀。 热电势足够大，且热电势温度最好是线性或简单函数关系，测量精度高，误差小。 电阻温度系数小，电导率高。 材料复制性好，机械强度高，易加工。

19、热电偶种类 标准化热电偶 铂铑-铂：高温精密测量，中性介质测量 镍鉻-镍硅、镍鉻-镍铝、镍鉻-考铜： 热电势大，但测温范围小 非标准化热电偶 铁-康铜、钨-铼系、铱-铑系：特殊用途，复制性差。 热电偶结构 电极直径0.1-3.2mm 长度按实际情况定 电极之间用耐高温绝缘材料热电偶的实用电路 单点温度测量热电偶的实用电路 两点温差测量热电偶的实用电路 串联求和测量热电偶的实用电路 并联求平均温度半导体PN结温度传感器 半导体材料器件的性能参数，如电阻率、pn结的反向漏电流和正向电压等都与温度有密切的关系，利用它们对温度的敏感性制成半导体温度敏感器件，实现对温度的测量和补偿功能。二极管温度传感器

20、 利用二极管pn结正向电压与温度的关系 硅二极管，温度每 升高1度，正向电压 下降约2mV三极管温度传感器 三极管集电极电流Ic恒定，发射结上正向电压Vbe随温度上升而线性下降。集成温度传感器 集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一个芯片上的温度传感器，输出结果与绝对温度成正比，是理想的线性输出 集成温度传感器常采用对管差分电路设计。PTAT原理电路 Proportional To Absolute Temperature 优点：输出结果与绝对 温度成正比，理 想的线性输出。 电压型PTAT 输出电压与温度成 正比，由恒流源、 PTAT及晶体管组成 常用的电压型温度传感器为四端输出

21、型： 调整输出温度系数为10mV/K V+，V-：基准电压 Vout：电压输出 表示K Vin：偏置电压 Vin=2.73V，Vout=0 表示0 oC电流型PTAT 输出电流与温度成 正比，由恒流源、 PTAT组成AD590 AD590工作电压4-30V，测温范围-55-150度 输出电流和热力学温度严格成正比晶闸管 晶闸管的特点是可以用弱信号控制强信号。从控晶闸管的特点是可以用弱信号控制强信号。从控制的观点看，它的功率放大倍数很大，用几十到制的观点看，它的功率放大倍数很大，用几十到一二百毫安电流，两到三伏的电压可以控制几十一二百毫安电流，两到三伏的电压可以控制几十安、千余伏的工作电流电压。

22、安、千余伏的工作电流电压。 在许多晶体管放大器功率达不到的场合，它可以在许多晶体管放大器功率达不到的场合，它可以发挥作用。从电能的变化与调节方面看，它可以发挥作用。从电能的变化与调节方面看，它可以实现交流实现交流直流、直流直流、直流交流、交流交流、交流交流、直交流、直流流直流以及变频等各种电能的变换和大小的控直流以及变频等各种电能的变换和大小的控制。制。晶闸管类型 晶闸管有很多类型，比较常用的有普通晶闸管、晶闸管有很多类型，比较常用的有普通晶闸管、高频晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、可关断高频晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、无控制晶闸管、光控晶闸管和热敏晶闸晶闸管、无控制晶闸管、

23、光控晶闸管和热敏晶闸管。管。晶闸管结构与外形 晶闸管由PNPN四层半导体构成，其间形成三个PN结，引出三个电极，分别为阳极a、阴极k和控制极g。 晶闸管 栅极电流Ig控制 通断阳极A，阴极K，栅极G温敏晶闸管 当温度升高时，J2结的 反向漏电流指数 增加，相当于在 栅极注入电流 “开关温度”温敏晶闸管温度控制1.增大反向漏电流（降低开关温度）2.利用栅极分路电阻,分流作用（提升开关温度），増流作用（降低开关温度）普通晶闸管开关温度一般做的很高，温敏晶闸管为了适应普通晶闸管开关温度一般做的很高，温敏晶闸管为了适应不同温度环境的应用，开关温度可以在一个较宽的范围内不同温度环境的应用，开关温度可以在

24、一个较宽的范围内进行调节。进行调节。半导体温敏计应用 温度控制热辐射温度计 根据物体的热辐射随温度变化测量温度，属于非接触测量，不干扰温度场，不受腐蚀。 全辐射高温计：用绝对黑体接受全部热量 光学高温计 ：物体的亮度表示热辐射大小 光电高温计 ：光电流表示热辐射大小 比色温度计 ：单色辐射强度比随温度变化 热敏电容：利用陶瓷电容的介电常数随温度 变化测量。 石英温度计：改变切割方法的石英振子的共 振频率随温度变化。 表面波温度计：由表面波器件和电路组成振 荡器，振荡频率随温度变化 超声波温度计：石英振子发出的超声波在被 测气体中频率随温度变化 谐振式温度计：材料的弹性和密度随温度变 化，其制成

25、的谐振器频率是 温度的函数。 音叉式水晶温度计：利用振动频率与温度的 关系，可以作为基准。 光纤辐射温度计：黑体辐射定律，被动测量 荧光光纤温度计：荧光物质受激发射某些谱 线强度随温度变化。总结 热电阻型 热电偶型 PN结型第二章 光敏传感器 光敏传感器能对光信号的变化作出迅速反应，并将光信号转变为电信号，将光能转换为相应的电能。光敏传感种类 光电效应传感 光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。 外光电效应器件： 光电发射二极管，光电倍增管 内光电效应器件 光导管，光敏电阻 光生伏特效应器件 光电池，光电二极管，光

26、电三极管光敏传感种类 红外热释电探测器 对光谱中红外敏感的器件，利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质变化或产生热电动势原理制成。光敏传感种类 固态图像传感器 分两大类，一类是用CCD的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器；一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS图像传感器。光敏传感种类 光纤传感器 有光源光敏传感器，利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿光纤传输到光接受器，经解调得到相应信号。光电效应传感器 外光电效应 在光照射下，某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应

27、，也称为光电发射效应。 “光照产生光电流”1887年德国物理学家，赫兹发现了“光电效应”现象，“光电效应”是指金属片受到光照射后放出电子的现象。当时，赫兹发现，两个锌质小球之一用紫外线照耀，则在两个小球之间就非常容易跳过电花。光电效应的发现1888年莫斯科大学教授斯托列托夫斯托列托夫认真研究了光电效应，发现产生光电效应的条件有如下几个事实：1 对于一定的金属表面，有一个固定的频率f，如果小于f，不论光的强度多大，照射时间多长，都不能发生光电效应。2 光电效应产生的电子的动能以直线关系随光的频率增大而增加，而与光的强度毫无关系3 光电效应产生的电流与光的强度成正比。 1899年，俄国科学家列别捷

28、夫列别捷夫发现了“光压”，光压是指如果在光线射出的道路上拦上一块微小的轻金属片，这块金属片就会朝光线射出的方向运动。 “光压”：光是具有动量的，从物理学的角度讲，物体的动量等于它的质量与速度的乘积，对于光来讲，它具有质量和速度，说明它是一种粒子流，是有能量的。 1902年，德国物理学家莱纳德也对光电效应进行了研究，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量而从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释。 1905年，德国物理学家爱因斯坦提出了光子说，认为光具有波粒二相性，比较满意的解释了光电效应。亥姆霍兹 赫兹莱纳德列别捷夫光电流检测光电发射二极管 检测装置中发射电子的极板为阴极，吸收电子

29、的极板为阳极，且将两者封于同一壳内，连上电极（正偏），就成为光电二极管。 真空光电二极管 充气光电二极管真空光电二极管 020V范围内，偏压光电流 大于20V，饱和区 光电流光强充气光电二极管 管壳中充有惰性气体（氩，氖）特点：光电流随偏置电压增加而增大优点：灵敏度高，加大电压提高光电流缺点：稳定性差，频率特性差光电发射材料 光吸收系数大 光电子体内传输到体外过程中能量损失小，逸出深度大 电子亲和势低，使表面的逸出几率提高 金属材料逸出 功大，响应在 紫外区域。 半导体材料逸 出功小，响应 在可见光和红 外区域。 ：量子效率光电倍增管 倍增效应 具有足够动能 的电子轰击倍 增极时，该倍 增极表

30、面将有 电子发射，称 二次电子发射直线瓦片式倍增系统鼠笼式倍增系统百叶窗式倍增系统光电倍增管参数 阳极灵敏度和放大倍数 随工作电压关系光电倍增管参数 暗电流：无光照条件下，加电压，阳极电流1.欧姆漏电：管内的碱金属蒸汽2.热电子发射：材料的逸出功低，温度导致3.反馈效应：管内的气体电离，荧光发射4.场致发射：尖端在高压下的场致发射光电倍增管参数 光电特性 阳极电流随光通量增加在很大范围是线性增加的。光电倍增管电路正高压供电与前放耦合负高压供电与前放耦合光电效应传感器 内光电效应 光照射半导体材料时，材料吸收光子而产生电子-空穴对，使导电性能加强，电导率增加这种光照后电导率发生变化现象为光电导效

31、应，又称为内光电效应。 “光照改变阻值”光敏电阻 利用光电导效应制成光敏电阻，结构包括玻璃基片，光电导材料，电极，漆膜，外壳。光敏电阻参数 暗电阻：全暗条件下电阻值 亮电阻：受到光照时的电阻值光敏电阻参数 光电灵敏度：单位光通量入射条件下，光敏电阻输出的光电流大小。S=dI/d光敏电阻伏安特性光敏电阻光电流与光通量光敏电阻光谱特性光敏电阻频率特性光敏电阻温度特性光敏电阻的应用 自动照明装置光生伏特效应传感器 利用光照射半导体材料PN结后，在PN结两端产生电动势（可用作电压源）的光生伏特效应现象，可制作光生伏特效应器件。 “光照产生电动势”光生伏特效应开路应用 光电池光电池 光电池是将光能转换成

32、电能的能量转换器件，这类器件有发电机的性质，具有电动势和内阻。一、1839年，法国科学家贝克雷尔发现“光伏效应” 。二、1954年，美科学家恰宾和皮尔松首次制成实用单晶硅太阳能电池，诞生将太阳能转换为电能的实用光伏发电技术，效率为6%三、同年，韦克尔发现砷化镓有光伏效应，并制成第一块薄膜太阳能电池。四、1957年，硅太阳能电池效率为8%。1958年，太阳能电池首次在太空应用。1995年，高效聚光砷化镓太阳电池效率达到32%。五、1996年以来，世界光伏发电高速发展，应用范围越来越广，尤其是光伏技术的屋顶计划，为光电展现无限光明的前途。屋顶上的电源 日本民房日本民房台湾八里乡台湾八里乡上海德国学

33、校上海德国学校 石英砂金属硅多多晶晶硅硅多晶单晶直拉区熔半导体材料太阳能硅片集成电路太阳能电池组装太阳能发电系统IC产业配套产业生产设备单晶硅光生伏特效应反偏应用n型p型耗尽层耗尽层光电二极管实际上是一个加了反向偏压的pn结光生伏特效应反偏应用1. pn结加一个较高的反向偏压2. pn结耗尽区受到光的照射产生光生载流子3. 在外部偏压的作用下，光生载流子定向漂移产生光生电流高掺杂p+型高掺杂n+型i (本征)层：低掺杂n型耗尽区光电三极管+vbce工作原理：光电二极管光电转换，三极管光电流放大。光敏三极管的应用：光控电位器光电三极管I-V曲线光敏场效应管 晶体管是一种电流控制元件，工作时，多数

34、载流子晶体管是一种电流控制元件，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件 场效应管（场效应管（FET）是一种电压控制器件，工作时，）是一种电压控制器件，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。入电阻极高等优点，得到了广泛应用。光敏场效应管-p+pd漏极源极s栅极gN-gsdN沟道沟道-gdsP沟道沟道两个两个PN结夹着一个结夹着一个N型沟道。型沟道。三个

35、电极：三个电极： g：栅极：栅极 d：漏极：漏极 s：源极：源极结型场效应管NGGg+sdpVp+ （1）栅源电压）栅源电压Vgs对沟道的控制作用对沟道的控制作用在栅源间加负电压在栅源间加负电压Vgs，令，令Vds =0当当Vgs=0时，为平衡时，为平衡PN结，导电沟道最宽。结，导电沟道最宽。当当Vgs时，时，PN结反结反偏，耗尽层变宽，沟道偏，耗尽层变宽，沟道电阻增大。电阻增大。当当Vgs到一定值时到一定值时 ，沟道会完全合拢。沟道会完全合拢。 （2）漏源电压）漏源电压Vds对电流对电流Id的影响的影响NgsdidDDVp+p+在漏源间加电压在漏源间加电压Vds ，令，令Vgs =0 当当V

36、ds =0时，时， Id=0Vds Id 靠近漏极处的耗尽层加宽，靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，呈楔形分布沟道变窄，呈楔形分布当当Vds ，Vgd=- Vds=Vp时，时，在靠漏极处夹断在靠漏极处夹断:预夹断预夹断预夹断前，预夹断前， Vds Id 预夹断后，预夹断后， Vds Id 几乎不变几乎不变 （2）栅源电压）栅源电压Vgs和漏源电压和漏源电压Vds共同作用共同作用sgVdDDdiGGVp+p+输出特性曲线：输出特性曲线：Id=f（ Vds）Vgs=常数常数u=-3VDSGSuGS=-1VuuuGS(mA)=-2VDiGS=0V可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区击穿区击穿

37、区转移特性曲线：转移特性曲线：uuGS=0Vu0u(mA)1u=-3VD-3-1310VDS2(mA)GS(V)21-44iu=-1VD-2GSGSGS4i(V)3=-2V-g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN+ +-sbgd耗尽型绝缘栅场效应管光敏场效应管栅压与照度关系光生伏特效应器件应用 光电二极管 路灯自控光生伏特效应器件应用 光电二极管 光强测量光生伏特效应器件应用 太阳能电源 光生伏特效应器件应用 光敏三极管 转速传感 光生伏特效应器件应用 光电三极管 纸张监控光生伏特效应器件应用 光耦的应用 光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。三部分：“光的发射”“

38、光的接受”“信号放大” 光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题。 解决方法：VFC(电压频率转换)方式 光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题。1.采用高速光耦来实现模块之间的相互隔离。常用的高速光耦有6N135/6N136。2.采用合适的电路结构。 “双光耦推挽式电路” 如果输出有功率要求的话，还得考虑光耦的功率接口设计问题。功率接口电路：驱动各种类型的负载，如直流伺服电机、步进电机、各种电磁阀等。要求：带负载能力强、输出电流大、工作电压高的特点。继电器：响应速度要求不高的启停操作 ms 光耦： 响应时间要求很快的控制系统 us 红外热释电光敏传感 红外线是太阳光线中众

39、多不可见光线中的一种，由英国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射。他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。 红外敏感器件按工作原理分为： 量子型：光子探测器，利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用，光能转化成电能。 热电型：利用红外辐射热效应，探测器敏感元件吸收辐射温度升高，电学性质变化。热释电效应器件。铁电晶体 铁电材料，是热释电材料中的一类。特点是不仅具有自发极化，而且在一定温度范围内，自发极化偶极

40、矩能随外施电场的方向而改变。 “电畴”热释电效应 光照铁电晶体，吸收 产生温度变化导致材 料自发极化变化。温 度因吸收红外光上升 极化强度减小，释放 电荷产生电流，称为 热释电现象。热释电传感器双元型红外传感器 1.滤光窗抗其他光源的干扰，仅对人体发出的红外线最敏感。结构：薄玻璃片上镀多层滤光薄膜，有效滤除700-1400nm以外的红外线。双元型红外传感器 2.菲涅耳透镜透镜组，每个单元对应一个视场相邻视场不连续，形成交替变化的盲区和亮区，使敏感单元温度不断变化。作用：提高探测半径双元型红外传感3. 敏感元件按极化方向相反串联，一个用于红外检测，一个镀红外反射膜用于噪声补偿。作用：环境温度补偿

41、 运动方向判断双元型运动计数法固态图像传感器 高度集成半导体光敏传感器。以电荷转移为核心，包括光电转换，信号存储和传输、处理的集成光敏传感器，用于图像识别和传输 主要分为： 电荷耦合器件CCD 自扫描光电二极管阵列MOS 2009年诺贝尔物理学奖：维拉博伊尔(Willard S. Boyle)乔治史密斯（George E. Smith） 1969年贝尔实验室：影像电话和半导体气泡式内存这两种技术结合，CBD。 70年代，贝尔实验室用简单的线性装置捕捉影像，CCD诞生。 1974年仙童公司产品，500单元的线性装置和100 x100像素的平面装置。 CCD（Charge-coupled Devi

42、ce） CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素。 CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。 CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD的结构 一种是TTL工艺，毫安级的耗电量。 一种是CMOS工艺，微安级的耗电量。 TTL工艺下成像质量要优于CMOS工艺 加工工艺CCD传输方式隔行传输式（Interline Transfer）-感光元件产生电信号-电荷转移到并行寄存器-电荷从并行寄存器转移到串行 寄存器-串行寄存器将电信号转到模拟

43、寄存器-放大、数摸转换、数字信息CCD传输方式全帧（Full Frame）-感光元件产生电信号-电荷转移到串行寄存器-放大、数摸转换CCD传输方式全转（Full Fransfer）-综合Full Frame和Interline Transfer特点，在器件上划分感光区和寄存区-曝光和数据转移可以同时进行CCD采光方式CCD量子效率 在同一波长下QE值越高CCD品质越好 CCD对于不同波长的光的响应时间的敏感度不同 背照式CCD比前照式CCD有更好的量子效率 多数衡量QE高低是在425nm波长CCD像素指标-填充因子理想值-100%实际值-30%（隔行传输式CCD）通过微型镜头（Microlen

44、ses）改善（但微型镜头的应用会影响紫外光的检测）填充因子是影响灵敏度的一个因数CCD像素指标-井深多数CCD可堆积85K个电荷高品质的CCD可堆积350K个电荷影响灵敏度的一个因数衡量动力学范围的一个因素CCD动力学范围 -描述从描述从CCD像素值中可以得到多少数量的灰像素值中可以得到多少数量的灰度级别的一个术语度级别的一个术语 -用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像头随机噪音的比率头随机噪音的比率 -动力学范围并不总是和数模转换器输出的数动力学范围并不总是和数模转换器输出的数据一致据一致CCD像素合并像素合并（像素合并（Binning） -将相临的像素所堆积的电荷将相临的像素所堆积的电荷进行合并并当作一个单一的像进行合并并当作一个单一的像素输出信号素输出信号 CCD系统增益 -提高增益将会造成数字噪音的增加 -降低增益可以最小化噪音得到最佳分辨率，但是将损失井深，从而损失灵敏度 系