传感器技术及应用-教案及习题

第一章引言硅光电池的温度特性曲线3.5.6

PIN型硅光电二极管

3.5.7

雪崩式光电二极管(APD)

3.5.8

半导体色敏传感器

3.5.9

光电闸流晶体管

3.5.10

热释电传感器

3.5.11

达林顿光电三极管3.5.13

光导摄像管

以上各节均做了解。3.5.12

光电耦合器件

光电耦合器：发光元件和光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。以光为媒介进行耦合来传递电信号，可实现电隔离，在电气上实现绝缘耦合，因而提高了系统的抗干扰能力。由于它具有单向信号传输功能，因此适用于数字逻辑中开关信号的传输和在逻辑电路中作为隔离器件及不同逻辑电路间的接口。光电耦合器的特点：(a)结构简单、成本低，通常用于工作频率50kHz以下的装置。(b)采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。(c)采用放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。组成与结构：3.5.14CCD图像传感器电荷藕合器件图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

第四章光纤传感器第四章

光纤传感器教学要求1．掌握光导纤维的组成和光在光纤中传播的原理。2．掌握光纤的主要参数。3．掌握强度型光纤传感器和干涉型光纤传感器的基本原理。4.了解各类光纤传感器的结构和应用。教学内容4.1

光导纤维(光纤)4.1.1

光纤的结构1.纤芯：石英玻璃，直径5－75um，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素。2.包层：直径100－200um，折射率略低于纤芯。3.涂敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光。4.护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。4.1.2光在光纤中的传播斯涅尔定理(Snell'slaw)：光由光密介质入射到光疏介质时发生折射，其折射角大于入射角，即n1>n2时，θr＞θi。n1、n2、θr、θi间的数学关系为：n1sinθi=n2sinθr（1）当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播，称为临界状态。临界角θi0为：θi0=arcsin(n2/n1)（2）当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射现象，其出射光不再折射而全部反射回来。4.1.3

光纤的几个重要参数

1﹑数值孔径NA入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。定义为：。数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。CCITT建议多模光纤的数值孔径取值范围为0.18～0.23，其对应的光纤端面接收角θc=10°～13°。2﹑传播模式采用“V值”表述光在阶跃型折射率光纤中的传播特性：a为纤芯半径，λ0为入射光在真空中的波长。光纤V值越大,则光纤所能拥有的,即允许传输的模式(不同的离散波)数越多。当V值低于2.404时,只允许一波或模式在光纤中传输。3.传播损耗光从光纤一端射入，从光纤另一端射出，光强发生衰减，通常用传播率A来表示传播损耗:式中为光纤长度，为输出端光强，为输入端光强。4.1.4

光纤的类型

1﹑按折射率变化类型分类：阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。2﹑按传播模式的多少：单模光纤和多模光纤。3﹑从传感器机理上来说：光纤传感器可分为振幅型（也叫强度型）和相位型（也叫干涉仪型）两种。振幅型光纤传感器具有结构简单、与多模光纤技术的相容性好、信号检测较容易等优点，但其灵敏度较低。相位型光纤传感器的优点是灵敏度高，但其机构及检测手段复杂。强度型(振幅型)

光纤传感器4.2.1反射式光纤位移传感器结构：反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图4.1所示：光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。原理：光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。图4.2所示就是反射式光纤位移传感器的输出特性曲线，利用这条特性曲线可以通过对光强的检测得到位移量。特点：反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。图4.1反射型光纤传感器的结构图2位移——输出信号曲线4.2.2光纤测压传感器4.2.3移动光栅光纤传感器4.2.4微弯光纤传感器以上各节要求了解。他们均属于强度调制型传感器。4.3相位调制型光纤传感器4.3.1基本原理基本换能机理：在一段单模光纤中传输的相干光，因待测能量场的作用，而产生相位调制。测量机构分类：迈克尔逊﹑马赫-泽德﹑萨格奈克和法布里-珀罗。特点：结构上都由空气光路和多个光学器件（分光束和平面镜）组合而成。在每种传感器中，光源的输出光束均被分成两束或两束以上的光。这些分开的光束沿不同光路传输之后，又重新合路并激励光敏检测器。4.3.2光纤（强度）干涉仪光纤耦合器：光纤耦合器（Coupler）又称分歧器（Splitter），是将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中的元件，属于光被动元件领域，在电信网路、有线电视网路、用户回路系统、区域网路中都会应用到。光纤耦合器可分标准耦合器（双分支，单位1×2，亦即将光讯号分成两个功率）、星状／树状耦合器、以及波长多工器（WDM，若波长属高密度分出，即波长间距窄，则属於DWDM），制作方式则有烧结（Fuse）、微光学式（MicroOptics）、光波导式（WaveGuide）三种，而以烧结式方法生产占多数（约有90％）。4.4光纤传感器的应用举例1﹑相位检测其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。2.光纤声传感器通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器。光纤声压传感器利用了双路光纤干涉原理制成的。3.光纤磁传感器利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器。4.光纤电流传感器（了解）第五章变磁阻式传感器第五章

变磁阻式传感器教学要求1．掌握变磁阻式传感器的原理。2．掌握差动式电感传感器的工作原理。3．掌握差动变压器式传感器的基本原理。4.了解电动式传感器的原理。教学内容一、工作原理变磁阻式传感器的结构如图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成,在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为δ,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定:式中：—线圈总磁链；—通过线圈的电流；—线圈的匝数；Φ—穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律,得式中：—磁路总磁阻。对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为式中：—铁芯材料的导磁率；—衔铁材料的导磁率；—磁通通过铁芯的长度；—磁通通过衔铁的长度；S1——铁芯的截面积；S2—衔铁的截面积；—空气的导磁率；S0—气隙的截面积；δ—气隙的厚度。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即则磁阻可近似为联立式以上各式,可得上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变δ或S0均可导致电感变化,因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积S0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。二、输出特性设电感传感器初始气隙为,初始电感量为,衔铁位移引起的气隙变化量为,从式，可知与δ之间是非线性关系,特性曲线如图表示。在很小时，电感的相对变化量为，灵敏度为：由此可见,变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。三﹑差动电感传感器差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连,当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等,方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。当衔铁往上移动Δδ时,两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由及表示,当差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与ΔL有关,其具体表达式为灵敏度K0为比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到如下结论:①差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。②差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以因子,因为,所以,差动式的线性度得到明显改善。为了使输出特性能得到有效改善,构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。四、测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。五﹑差动变压器式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且次级绕组都用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式较多,有变隙式、变面积式和螺线管式等,但其工作原理基本一样。5.3.1

Π形差动变压器的输出特性

形差动变压器的灵敏度表达式可知传感器的灵敏度将随电源电压和变压比的增大而提高，随起始间隙增大而降低。5.3.2螺管形差动变压器非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器,它可以测量1～100mm范围内的机械位移,并具有测量精度高,灵敏度高,结构简单,性能可靠等优点。六、变磁阻式传感器的应用变隙电感式压力传感器由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成,衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时,膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动,从而使气隙发生变化,流过线圈的电流也发生相应的变化,电流表指示值就反映了被测压力的大小。图4-8变隙电感式传感器结构图当被测压力进入C形弹簧管时,C形弹簧管产生变形,其自由端发生位移,带动与自由端连接成一体的衔铁运动,使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化,即一个电感量增大,另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系,所以只要用检测仪表测量出输出电压,即可得知被测压力的大小。第六章压电传感器第六章

压电传感器教学要求1．掌握压电效应的原理。2．掌握掌握常用压电材料。3．掌握声表面波现象的基本原理。4.了解各类压电传感器的结构和应用。教学内容

6.1

晶体的压电效应

1﹑压电效应在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷，这种效应称为压电效应。2﹑压电材料目前压电材料可分为三大类：一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷(多晶半导瓷)；三是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。6.2压电加速度传感器1﹑压电加速度传感器的工作原理当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即F=ma式中：F—质量块产生的惯性力；m—质量块的质量；a—加速度。此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为q=d11F=d11与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。2﹑压电加速度传感器的参数电荷灵敏度对式，当时得到的电荷Q值，称为电荷灵敏度。式中——电荷值；——压电常数；——质量块质量；——物体振动加速度；——重力加速度。电压灵敏度对式，当时即为灵敏度的电压表示法，单位为。式中，——电荷值；——压电常数；——质量块质量；——物体振动加速度；——重力加速度；——晶片电极面面积；——恒应力下的介电常数。劲度系数，式中为压电晶片的杨氏模量。固有共振频率

3﹑压电加速度传感器的结构其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的。

4﹑压电加速度传感器的等效电路当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器，其电容量为：等效电路为（a）：压电元件的等效电路（a）电压源;（b）电荷源当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(b)。实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图5-15所示的电压等效电路（a）和电荷等效电路（b）。这两种等效电路是完全等效的。

压电传感器的实际等效电路（a）电压源;（b）电荷源由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。5﹑压电传感器接放大器的等效电路电压放大器（阻抗变换器）（a）放大器电路;（b）等效电路电荷放大器等效电路（a）放大器电路;（b）等效电路6.3压电谐振式传感器原理：以石英晶体谐振器作为敏感元件的谐振式传感器。石英晶体谐振器是用石英晶体经过适当切割后制成，当被测参量发生变化时，它的固有振动频率随之改变，用基于压电效应的激励和测量方法就可获得与被测参量成一定关系的频率信号。特点：石英晶体谐振式传感器的精度高，响应速度较快，常用于测量温度和压力。

石英晶体温度-频率传感器材料：在发现具有线性温度－频率特性的石英晶体切型后，这种温度传感器的谐振器采用LC切型的平凸透镜石英晶体块制成，其直径约为数毫米，凸面曲率半径约为100毫米原理：谐振器封装于充氦气的管壳内,在传感器电路中利用它的压电效应和固有振动频率随温度变化的特性构成热敏振荡器，它的基本谐振频率为28兆赫。电路中另有一个振荡频率为2.8兆赫的基准振荡器,它通过十倍频后输出一个28兆赫的参照频率。两个振荡器的输出经门电路相加送往混频器得到差频输出信号，它是被测温度与基准温度（即基准振荡器的温度）之差与1000赫／℃（温度系数）的乘积，因此该差频输出信号记录了被测温度的变化。由时间选择开关产生不同的时间控制信号作为选通脉冲，以获得不同的分辨率。应用：线性石英晶体－频率传感器可用于热过程流动速度不高、间隔时间较长的各种高精度温度测量的场合以及多路遥控系统、水底探测等方面，还可用它制成高分辨率的直读式数字自动温度计。石英晶体谐振式压力传感器材料：这种传感器所采用的谐振器是用厚度切变振动模式AT切型石英晶体制作的。谐振器可制成包括圆片形振子和受力机构的整体式或分离式结构。振子有扁平形、平凸形和双凸形三种，受力机构为环绕圆片的环形或圆筒形。原理：振子和圆筒由一整块石英晶体加工而成，谐振器的空腔被抽成真空，振动两侧上各有一对电极。圆筒和端盖严格密封。石英圆筒能有效地传递周围的压力。当电极上加以激励电压时，利用逆压电效应使振子振动，同时电极上又出现交变电荷，通过与外电路相连的电极来补充这种电和机械等幅振荡所需的能量。当石英振子受静态压力作用时，振动频率发生变化，并且与所加压力成线性关系。在此过程中石英的厚度切变模量随压力的变化起了主要作用。特点：分离式结构相比整体式结构的主要优点是滞后小、频率稳定性极佳。但它的结构复杂、加工困难、成本也高。振梁式：压力传感器的谐振器还有振梁式，也是由AT切型石英晶体制成，振梁横跨于谐振器中央。在振梁的两端上下对称设置四个电极，用于激励振动和拾取频率信号。当振梁受拉伸力时,其谐振频率提高,反之则频率降低。因此输出频率的变化可反映输入力的大小。这种传感器的优点是对温度、振动、加速度等外界干扰不敏感、稳定性好、品质因数高、动态响应特性好等。6.4声表面波传感器

6.4.1

SAW传感器的基本原理

声表面波―声表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）是一种沿弹性基体表面传播的声波，其振幅随压电基体材料深度的增大按指数规律衰减。声表面波传感器——将被测量的变化转换为声表面波振荡器振荡频率的变化，这样就构成了相应用途的声表面波传感器，它是一种新型的频率式传感器。1979年Wohltjen和Dessy首次提出了将声表面波SAW用作气体传感器，经过20年的研究与发展，目前已研制出SO2、NO2、H2S、水蒸气、丙酮、甲醇等多种SAW气体传感器，广泛应用于有害气体环境监测、临床分析、雷达通讯、电子对抗等军用、民用领域。6.4.2

SAW压力传感器

原理：当传感器表面有压力作用时，SAW压力传感器的压电薄膜就会产生形变，薄膜材料的应变会使得声表面波传播速度发生变化，从而使声表面波的中心谐振频率发生变化。通过检测SAW压力传感器的中心谐振频率变化，就能得到压力变化的数据。6.4.3

SAW热敏传感器

利用SAW振荡器振荡频率随温度变化的原理构成的温度传感器，称为SAW热敏传感器。6.4.4SAW气敏传感器声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。声表面波气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。6.4.5

SAW电力传感器（了解）

6.4.6

SAW加速度传感器（了解）

6.4.7

SAW流量传感器（了解）第七章压电声传感器第七章

压电声传感器

换能器及其分类：声传感器常称为换能器。按照转换原理可将换能器分为电动式换能器﹑电磁式换能器﹑电容式换能器﹑压电式换能器﹑磁致伸缩换能器和电致伸缩换能器等。第八章半导体传感器第八章

半导体传感器教学要求1．掌握半导体温度﹑湿度﹑气体和磁敏传感器的基本原理。2．掌握霍尔效应及其霍尔电压的计算。3．了解半导体传感器的应用现状。教学内容8.1

半导体温度传感器热敏电阻是根据半导体材料的电导率与温度有很强的依赖关系而制成的一种器件。从使用上，热敏电阻可分为接触型和非接触型。8.1.1

接触型半导体传感器

1.半导体热敏电阻

特点：①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ主要参数：

1）标称阻值2）材料常数：是反应热敏电阻器热灵敏度的指标。通常，该值越大，热敏电阻器的灵敏度和电阻率越高。

3）电阻温度系数：表示热敏电阻器在零功率条件下，其温度每变化1℃热敏电阻的电阻值与温度的关系为：A，B是与半导体材料有关的常数，T为绝对温度，根据定义，电阻温度系数为：Rt是在温度为t时的电阻值。4）热时间常数：指热敏电阻器的热惰性。即在无功功率状态下，当环境温度突变时，电阻体温度由初值变化到最终温度之差的63.2％所需的时间。

5）散热系数：指热敏电阻器的温度每增加1℃所耗散的功率。

6）最高工作温度：指热敏电阻器在规定的标准条件下，长期连续工作时所允许承受的最高温度。

类型：半导体温度传感器分为两类：接触型和非接触型。接触型又分为热敏电阻与PN结型两种。随着温度的变化，半导体感温器件电阻会发生较大的变化，这种器件称为热敏电阻。常用的热敏电阻为陶瓷热敏电阻,分为负温度系数(NTC)热敏电阻、正温度系数(PTC)热敏电阻和临界温度电阻(CTR)。热敏电阻一般指NTC热敏电阻。第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系。第二类为突变型，又称临界温度型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。●正温度系数热敏电阻器结构——用钛酸钡（BaTiO3）、锶（Sr）、锆（Zr）等材料制成的。属直热式热敏电阻器。特性——电阻值与温度变化成正比关系，即当温度升高时电阻值随之增大。在常温下，其电阻值较小，仅有几欧姆～几十欧姆；当流经它的电流超过额定值时，其电阻值能在几秒钟内迅速增大至数百欧姆～数千欧姆以上。作用与应用——广泛应用于彩色电视机消磁电路、电冰箱压缩机启动电路及过热或过电流保护等电路中、还可用于电驱蚊器和卷发器、电热垫、暖器等小家电中。●负温度系数热敏电阻器结构——用锰（Mn）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、铝（Al）等金属氧化物（具有半导体性质）或碳化硅（SiC）等材料采用陶瓷工艺制成的。特性——电阻值与温度变化成反比关系，即当温度升高时，电阻值随之减小。作用与应用——广泛应用于电冰箱、空调器、微波炉、电烤箱、复印机等家电及办公产品中，作温度检测、温度补偿、温度控制、微波功率测量及稳压控制用。热敏电阻测温的基本电路：掌握P171,图8.5热敏电阻的基本联接法，并能计算桥路的输出电压。2.PN结型热敏器件PN结温度传感器是一种利用半导体二极管、三极管的特性与温度的依赖关系制成的温度传感器。PN结作测温器件的半导体传感器具有灵敏度高、线性好、热响应快和体积小等特点，特别在温度测量数字化、控温应用以及用计算机进行温度实时采集和处理等方面，具有其他温度传感器所不能相比的优越性．因此PN结的测温器件正逐步成为现代温度测量数字化的新型测温元件。3.集成（IC）温度传感器设计原理：对于集电极电流比一定的两个晶体管，其之差与温度有关。4.半导体光纤温度传感器（了解）8.1.2

非接触型半导体温度传感器原理：非接触型温度传感器可检出被测物体发射电磁波的能量。传感器可以是将放射能直接转换为电能的半导体物质，也可以先将放射能转换为热能，使温度升高，然后将温度变化转换成电信号而检出。这可用来测量一点的温度，如测温度分布，则需进行扫描。8.2

半导体湿度传感器当半导体表面或界面吸附气体分子或水分子时，半导体表面或界面的能带发生变化。利用这种半导体电阻的变化可检测气体或湿度。半导体湿度传感器具有体积小、重量轻的特点,实用的有ZnO-Cr2O3系、TiO2-V2O5系陶瓷湿度传感器。ZnO-Cr2O3系陶瓷湿度传感器用于室内空调，可精密控制湿度，与微机结合能自动去湿,节省电能。TiO2-V2O5系陶瓷湿度传感器耐热性好,可测量60℃以上的环境湿度,8.2.1

湿度的定义

湿度：也称绝对湿度，是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米。绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度。相对湿度：相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高。露点温度：在一定的空气压力下，逐渐降低空气的温度，当空气中所含水蒸气达到饱和状态，开始凝结形成水滴时的温度叫做该空气在空气压力下的露点温度。

8.3

半导体气体传感器1.半导体气敏传感器工作机理气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化，如：氧气等具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧化型气体——电子接收性气体；氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸附倾向的气体，被称为还原型气体——电子供给性气体。当氧化型气体吸附到N型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升；当氧化型气体吸附到P型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；当还原型气体吸附到N型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；当还原型气体吸附到P型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升；

N型半导体与气体接触时的氧化还原反映

按半导体的物理特性，气敏传感器可分为电阻型和非电阻型。

2.电阻型半导体气敏传感器电阻型气敏传感器是目前使用较广泛的一种气敏元件。结构：敏感元件、加热器、外壳；按制造工艺分为：烧结型、薄膜型、厚膜型。气敏电阻的材料是金属氧化物，合成时加敏感材料和催化剂烧结，金属氧化物有：N型半导体，如：SnO2，Fe2O3，ZnO，TiOP型半导体，如：CoO2，PbO，MnO2，CrO3这些金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后显示气敏特性。通常器件工作在空气中，由于氧化的作用，空气中的氧被半导体（N型半导体）材料的电子吸附负电荷，结果半导体材料的传导电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态；当气敏元件与被测气体接触时，会与吸附的氧发生反应，将束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。空气中——氧化作用——氧被电子吸附——电子减少——高阻状态；气体接触——吸附——氧发生反应——电子释放——电导增加——电阻减小。气敏元件的加热作用：电阻型气敏元件通常工作在高温状态（2000C—4500C），目的是为了加速气体吸附和上述的氧化还原反应，提高灵敏度和响应速度；另外使附着在壳面上的油雾、尘埃烧掉。在常温下，电导率变化不大，达不到检测目的，因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器。加热时间2—3分钟，加热电源一般为5V。加热方式分为内热式和旁热式。气敏传感器测量电路

3.非电阻型半导体气敏器件非电阻型气敏传感器，是利用MOS二极管的电容—电压特性变化；MOS场效应管的阈值电压的变化；肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测。MOS二极管气敏元件在P型硅上集成一层二氧化硅（SiO2）层。在氧化层蒸发一层钯（Pd）金属膜作电极。氧化层（SiO2）电容Ca固定不变。而硅片与SiO2层电容Cs是外加电层的功函数。总电容C也是偏压的函数。曲线C—U特性中，MOS二极管的等效电容C随电压U变化。金属钯（Pd）对氢气（H2）特别敏感。当Pd吸附以后，使Pd的功函数下降，使MOS管C—U特性向左平移（向负方向偏移），利用这一特性用于测定的浓度。

MOS二极管气敏元件结构和等效电路MOSFET气敏元件钯Pd—MOSFET管结构如图所示。Pd对H2吸附性很强，H2吸附在Pd栅上引起的Pd功函数降低。MOSFET管当栅极（G）、源极（S）间加正向偏压UGS，UGS>UT阀值时，栅极氧化层下的硅从P变为N型，N型区将S（源）和D（漏）连接起来，形成导电通道（N型沟道）。此时MOSFET进入工作状态，在S—D间加电压UDS，S—D间有电流IDS流过，IDS随UDS、UGS变化。当UGS<UT时，沟道没形成，无漏源电流IDS=0。UT（阀值）电压大小与金属与半导体间的功函数有关。Pd—MOSFET器件就是利用H2在钯栅极吸附后改变功函数使UT下降，检测H2浓度。钯Pd—MOSFET管结构肖特基二极管肖特基二极管金属和半导体接触的界面形成肖特基势垒，构成金属半导体二极管。管子加正偏压，半导体金属的电子流增加，加负偏压，几乎无电流。当金属与半导体界面有气体时，势垒降低，电流变化（金属与半导体界面吸附气体，影响禁带宽度Eg）。在正向偏压条件下，气体浓度增大，电流增大，输出电压增大。测试电流电压值可知气体浓度。非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气浓度测量。

8.4

半导体磁敏传感器主要知识点：霍尔传感器、磁敏电阻器、磁敏晶体管的结构、工作原理；各类磁敏传感器的测量和转换电路及其典型应用。重点：霍尔传感器、磁敏电阻器、磁敏晶体管的结构、工作原理。难点：霍尔传感器的应用。1.霍尔传感器霍尔效应一块半导体薄片，如果在其相对的两边通入电流I，且电流与磁场垂直，则在半导体的另两边将会产生一个电势差UH，这种现象就是霍尔效应，产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件。霍尔传感器霍尔传感器中的霍尔元件都是由半导体材料制成的。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，所以霍尔元件一般采用型半导体材料。定义霍尔系数为：式中，为电子浓度，-为电子所带的电荷。定义霍尔灵敏度为：式中，为薄片厚度。霍尔电压定义为：8.3磁敏电阻器磁阻效应若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。这种现象称为磁致电阻