案例传感器总结

1、2007传感器静态和动态特性 微传感器是将敏感元件所感受到的物理量、化学量等信息，按照一定规律，转换成便于测量和传输的装置。由于电信号易于传输和处理，所以一般概念上的微传感器是指将非电量转换成电信号输出的元件或装置。2007静态特性:量程、线性度、灵敏度、分辨率、分辨力、迟滞、重复性、精度。动态特性：上升时间、稳定时间（建立时间）、过冲量（超调量）、频带宽度。20071. 灵敏度 灵敏度是指传感器在静态测量时，输出量的增量与输入量的增量之比。即 对线性传感器系统来说，灵敏度为常数。（a）线性系统灵敏度示意图（b）非线性系统灵敏度示意图 灵敏度示意图2、量程 微传感器能够检测的输入量的最大值和最

2、小值.量程与灵敏度需要折中考虑.2007（1）理论线性度及其拟合直线 理论线性度也称绝对线性度。它以测量系统静态理想特性 作为拟合直线，如图中的直线1（曲线2为系统全量程多次重复测量平均后获得的实际输出/输入关系曲线；曲线3为系统全量程多次重复测量平均后获得的实际测量数据，采用根据最小二乘法方法拟合得到的直线）。此方法优点是简单、方便和直观；缺点是多数测量点的非线性误差相对都较大。2007最小二乘和理论线性度及其拟合直线 2007（2）最小二乘线性度及其拟合直线最小二乘法方法拟合直线方程为 。如何科学、合理地确定系数和是解决问题的关键。设测量系统实际输出/输入关系曲线上某点其输入、输出分别，在

3、输入同为情况下，最小二乘法方法拟合直线上得到输出值为 两者偏差为 最小二乘拟合直线的原则是使确定的N个特征测量点的均方差 20074.迟滞迟滞，又称滞环，它说明传感器或检测系统的正向(输入量增大)和反向(输入量减少)时输出特性的不一致程度，亦即对应于同一大小的输入信号，传感器或检测系统在正、反行程时的输出信号的数值不相等，见图所示 。 迟滞特性示意图2007迟滞误差通常用最大迟滞引用误差来表示，即 式中 最大迟滞引用误差；（输入量相同时）正反行程输出之间最大绝对偏差；测量系统满量程值。在多次重复测量时,应以正反程输出量平均值间的最大迟滞差值来计算。迟滞误差通常是由于弹性元件、磁性元件以及摩擦、

4、间隙等原因所产生，一般需通过具体实测才能确定。 20075.重复性 重复性表示检测系统或传感器在输入量按同一方向(同为正行程或同为反行程)作全量程连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度(见图)。重复性示意图 2007特性曲线一致好, 重复性就好,误差也小。重复性误差是属于随机误差性质的,测量数据的离散程度是与随机误差的精密度相关的,因此应该根据标准偏差来计算重复性指标。重复性误差可按下式计算: 式中 重复性误差；为置信系数, 对正态分布，当Z取2时, 置信概率为0.95即95%，Z取3时,概率为99.73%。2007正、反向各测量点标准偏差的最大值；传感器系统满量程值。标准偏差 的计算方法可按

5、贝塞尔公式或级差公式计算。按贝塞尔公式计算，则通常应先算出各个校准级上的正、反行程的子样标准偏差，即 式中 第j次测量正行程和反行程测量数据的子样标准偏差(j1M)；第j次测量上正行程和反行程的第i个测量数据(i1一n)；2007表征二阶测量系统在阶跃输入作用下时域主要性能指标（结合图1-14 常见 衰减振荡型二阶系统的时域动态性能指标示意图）主要如下。 图1-14 二阶系统的时域动态性能指标示意图 2007延迟时间上升时间 响应时间 峰值时间超调量衰减率二、 压阻式传感器 是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。 优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等

6、。 （一） 压阻效应 单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。对半导体材料对金属材料电阻相对变化量由于E一般都比（1+2）大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成 式中 压阻系数；E弹性模量； 应力； 应变。 上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。 扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同其特性不一样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。（三）压阻系数1、压阻系数的定义半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相对变化，而电阻率的相对变化与应力成正比，二者的比例系数就

7、是压阻系数。即单晶硅的压阻系数矩阵为（四） 固态压阻传感器1、固态压阻传感器的结构原理 利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯登电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻传感器，如图所示。1 N-Si膜片(硅杯) 2 P-Si导电层 粘贴剂 硅底座 引压管 Si 保护膜 7 引线 当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图 (a)所示，其阻值的相对变化为 式中 l纵向应力； t横向应力； l纵向压阻系数；t横向压阻系数。 （a）001100010llttR（b）

8、trlrttlt图 力敏电阻受力情况示意图RrRt 在硅膜片上，根据P型电阻的扩散方向不同可分为径向电阻和切向电阻，如图 (b)所示。扩散电阻的长边平行于膜片半径时为径向电阻Rr；垂直于膜片半径时为切向电阻Rt。当圆形硅膜片半径比P型电阻的几何尺寸大得多时，其电阻相对变化可分别表示如下，即 （5.1-60） （5.1-61）以上各式中的l及t为任意纵向和横向的压阻系数.若圆形硅膜片周边固定，在均布压力的作用下，当膜片位移远小于膜片厚度时，其膜片的应力分布可由推导得到，即 式中 r、x、h膜片的有效半径、计算点半径、厚度（m）；泊松系数，硅取=0.35；P压力（Pa）。trrttr3P4rh23

9、P4rh23P(1+)8rh2图 平膜片的应力分布图根据上两式作出曲线（见图）就可得圆形平膜片上各点的应力分布图。当x=0.635r时，r=0；x0，即为拉应力；x0.635r时，r0，即为压应力。当x=0.812r时，t=0，仅有r存在，且r时钟CLK的周期T，则在时段中，Vn(t)Vn(NT+(1/2)T)，则Vout0。在本电路中，相关双取样电路与前置放大器的连接关系如图2-13所示。 图 2-13 相关双取样电路与前级放大器的连接关系 2007(2)取样保持电路取样保持电路在本系统中的功能是利用与载波频率相同的开关控制信号实现对高频调制信号的同步解调。该电路的实现形式很简单，只用了一个

10、开关和一个电容。开关用与载波同步的信号phase4控制，取样保持电路的输入输出信号如图2-14所示。不可避免在本电路的输出的低频信号上会叠加一些与开关频率相同的高频小信号，其主要是因为电容充放电和开关的一些非理想效应导致的。20072007第3章 硅微陀螺振动式微机械陀螺石英微陀螺 3.1 静电梳齿驱动的差分电容式微机械陀螺 微机械陀螺工作原理 微机械陀螺信号处理电路x yzXZYr0PP2POP1哥氏(Coriolis)加速度与陀螺力矩riIoP1P为质点的相对运动P1P为质点的牵连位移(存在时）P1P2为绝对位移哥氏方程将哥氏方程对时间求导： 式中分别为相对加速度、牵连切向加速度、牵连向心

11、加速度、哥氏加速度 从哥氏加速度公式（4）知道，其方向垂直于牵连角速度与相对速度vr所组成的平面（右手法则）（1）（2）（3）（4）2007 其中 为哥氏加速度。哥氏加速度方向垂直于牵连角速度与相对速度vr所组成的平面。可设哥氏加速度大小为a，则：由于哥氏加速度方向与角速度方向和物体运动速度方向正交，这样通过检测哥氏加速度和运动的速度就可以得到转动角速度 (其振幅为) 振动式微机械陀螺的工作原理 质量块振动式陀螺简图Vibratory gyroscope sketch设质量块沿X方向振动的位移是： 其中Ax和分别为驱动振动的振幅和角速度，当陀螺仪沿Z方向有角速度时，质量块M将受到沿Y方向的哥氏

12、力Fc(t)作用。其中哥氏力为Fc(t)： 受此周期性哥氏力的作用，质量块将沿Y方向作简谐振动。检测出Y方向的振动，就可以检测出角速度的大小。差分电容振动式微机械陀螺，可动质量块上的电极与固定检测电极构成两个差分电容C1和C2。陀螺可动质量块在驱动信号作用下，沿驱动方向（X轴）作简谐振动；当Z轴方向有角速度0输入时，可动质量块受哥氏力的作用沿检测方向（Y轴）振动。检测方向的振动使电容C1、C2发生差分变化。C1和C2的电容差C与检测质量块在检测方向振动的振幅成正比，且振动振幅与角速度0有关。只要检测出C的变化幅值C0，就可以得到需要测量的角速度0。因此，对角速度的测量就可以转化成对简谐振动电容

13、变化幅度的测量。微机械陀螺信号处理电路 陀螺传感器积分器高通滤波放大同步解调低通滤波放大同步解调低频驱动移相器低通滤波放大调零输出高频载波参考信号微机械振动陀螺的检测原理 YX对角速度0的测量可以转化成测量简谐振动的电容幅度 积分器电路 VcC1C2CpCIVo 放大器交流分析结果示意图 the analytic result of AC about amplifier 积分器模拟输出 相敏解调模拟结果 系统模拟结果 3.2由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。 稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。 1霍耳开关集成传感

14、器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大BT整形地H1霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳线

15、性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。（六）霍耳线性集成传感器单端输出传感器的电路结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675 双端输出传感器的电路结构框图 单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。 双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是SL3501M。 二、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的

16、新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。 （一）磁敏二极管的工作原理和主要特性 1磁敏二极管的结构与工作原理 （1）磁敏二极管的结构 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的PN结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用=40cm左右的P型或N型单晶做基区(锗本征半导体的=50cm)，在它的两端有P型和N型锗，并引出，若代表长基区

17、，则其PN结实际上是由P结和N结共同组成。以2ACM1A为例，磁敏二级管的结构是P+iN+型。+（b）磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构; (b)电路符号H+H-N+区p+区i区r区电流（a）在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，并在本征区（i）区的一个侧面上，设置高复合区(r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。PNPNPNH=0H+H-电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工作原理示意图流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。 为什么磁敏二极管会有这种特性呢?下面作一下分析。

18、（2）磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，iii电子空穴复合区结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。 磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。 光电式传感器 第一节 概述 第二节 外光电效应器件 第三节 内光电效应器件 第四节 新型光电传感器 第五节 光敏传感器的应用举例光电传感器是各种光电检测系统中实现光电

19、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。三、光敏二极管和光敏三极管 光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几十A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。 国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有

20、三条引线。 1. 光敏二极管光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。PN光光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接线 光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，PN结附近受光子轰

21、击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。2. 光敏三极管光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电

22、子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。 PPNNNPe b bc RL Eec光敏三极管的主要特性：光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。（1）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波

23、长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性（2）伏安特性 光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。U/V光敏晶

24、体管的光照特性I / AL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性 光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。 暗电流/mA光电流/mA10 203040506070T /C25 050100 02003004001020304050607080T/C光敏晶体管的温度特性（4）温度特性 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很

25、小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。（5）光敏三极管的频率特性 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率 / HZ相对灵敏度/%图4.3-15光敏晶体管的频率特性第五章 温度传感器 通过本章的学习了解温度传感器的作用、地位、分类和发展趋势；掌握热电偶三定律及

26、相关计算；掌握热敏电阻不同类型的特点及应用场合；掌握集成温度传感器使用方法；了解其他温度传感器工作原理。 第一节 概 论 第二节 热电偶温度传感器 第三节 热敏电阻温度传感器 第四节 IC温度传感器 第五节 其他温度传感器 热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。 在温度传感器中应用最多的有热电偶、热电阻（如铂、铜电阻温度计等）和热敏电阻。热敏电阻发展最为迅速，由于其性能得到不断改进，稳定性已大为提高，在许多场合下（-40350）热敏电阻已逐渐取代传统的温度传感器。 主要讲述热敏电阻的特点、分类，基本参数，主要特性和应用等。 第三节 热敏电阻温度传感器（一）热敏电阻的

27、特点 1电阻温度系数的范围甚宽有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的三种热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大10100倍左右。 2材料加工容易、性能好 可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够作到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为 0.2mm。 3阻值在110M之间可供自由选择 使用时，一般可不必考虑线路引线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。 一、热敏电阻的特点与分类 4稳定性好 商品化产品已有30多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小温度范围内，其稳定性可达0.0002的精度。相比之下，优于

28、其它各种温度传感器。 5原料资源丰富，价格低廉 烧结表面均已经玻璃封装。故可用于较恶劣环境条件；另外由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。 热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为： 1正温度系数热敏电阻器（PTC） 电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。 2负温度系数热敏电阻器（NTC） 电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。 3突变型负温度系数热敏电阻器（CTR该类电阻器的电阻值在某特定温度范围

29、内随温度升高而降低34个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。 （二）热敏电阻的分类 （一）热敏电阻器的电阻温度特性（RTT） 1234铂丝40601201600100101102103104105106RT/温度T/C热敏电阻的电阻-温度特性曲线1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC三、热敏电阻器主要特性TT与RTT特性曲线一致。RT、RT0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值； BN NTC热敏电阻的材料常数。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450），都能利用该式，它仅是一个经验公式。 1

30、负电阻温度系数(NTC)热敏电阻器的温度特性NTC的电阻温度关系的一般数学表达式为：如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，则上式是一条斜率为BN ，通过点(1/T，lnRT)的一条直线,如图。105104103102 0-101030507085100120T/C电阻/NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线材料的不同或配方的比例和方法不同，则BN也不同。用lnRT1/T表示负电阻温度系数热敏电阻温度特性，在实际应用中比较方便。为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即T0=25），则NTC热敏电阻器的电阻温度关系式：RT/R25BN关系如下表。02550751001250.511.52

31、2.533.5(25C,1)RT / RT0-T特性曲线RT/R25T2.正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻温度特性其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图10000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2PTC热敏电阻器的电阻温度曲线T/C电阻/Tp1Tp2Tc=175 CPTC热敏电阻的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。当温度低于Tp1时，温度灵敏度低；当温度升高到Tp1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到Tp2时，正温度系数热敏电阻器在工作温度范围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数tp 。 经实验证实：在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻器的电阻温度特性可近似用下面的实验公式表示：式中 RT、RT0温度分别为T、T0时的电阻值； BP正温度系数热敏电阻器的材料常数。若对上式取对数，则得：以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到下图。 ）可见： 正温度系数热敏电阻器的电阻温度系数tp ，正好等于它的材料常数BP的值。 lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=mR/mrT1T2lnRr0mrlnRTT 表示的P