第二十四讲 传感器 3

近代信息处理（第二十四讲）

——传感器（3）赵雷2014.05.122014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷2本课程以输入量分类介绍传感器温度传感器气体传感器光传感器力学量传感器磁敏传感器湿度传感器电压敏传感器生物传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷3力学量传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷4力学量传感器——压力电阻效应材料的电阻或电阻率随外加应力而改变的现象成为压力电阻效应利用压力电阻效应可以制作力敏电阻（或称电阻应变计）用处：荷重、扭矩、加速度、位移、压力等测量分两大类金属电阻应变计半导体电阻应变计2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷5应变效应的理论基础金属导体的电阻定律(线材)材料的泊松比μA=πr

2L可得电阻的相对变化与轴向(线)应变的关系令2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷6应变效应的理论基础金属材料应变电阻效应俄国学者勃底特兹明通过实验发现：最后得到金属丝应变电阻效应的灵敏系数Km

：而

V=L·A，所以：2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷7应变效应的理论基础半导体材料的应变电阻效应史密斯等学者发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应，且满足：半导体材料的总电阻的相对变化与应变的关系为最后得到半导体应变电阻效应的灵敏系数：σ——

单晶体的轴向应力εx——

单晶体的轴向应变

E

——

弹性模量π——

单晶体的压阻系数(不是圆周率)σ=Eεx

(胡克定律)2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷8力学量传感器——金属丝式应变片金属在收到拉应力作用时，长度增加，截面积减小，电阻值增大；反之，电阻值减小金属丝制成栅形贴在弹性基片表面，

并引出引线作为电极材料：铋、锑、镍铬合金、康铜等应变方向应变片与试件的粘结试件应变片基片覆盖层引线金属丝bl栅长栅宽2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷9力学量传感器——金属箔式应变片工作原理基本和电阻丝式应变片相同电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅金属箔的厚度—般为(0.003～0.010)mm，基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为(0.03～0.05)mm优点：表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷102014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷11力学量传感器——半导体应变片基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件实验证明πE比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为K=πE优点:体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单缺点：温度系数大，应变时非线性较严重2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷12电阻应变片的重要特性（1）灵敏度系数金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性与金属单丝情况不同应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS，原因是胶层传递变形失真和横向效应金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷13电阻应变片的重要特性（2）横向效应金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化，其横向应变εr也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了ε起作用外)应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应每个圆弧形横栅的变形量Δl为：丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlεrrdldθθε0ε2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷14电阻应变片的横向效应纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为应变片敏感栅的总变形为所以：可见敏感栅电阻的相对变化分别是ε和εr作用的结果令则：横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H可见r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷15电阻应变片的重要特性（3）机械滞后

产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后ΔεΔε1机械应变ε卸载加载指示应变εi应变片的机械滞后2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷16电阻应变片的重要特性（4）零点漂移和蠕变零点漂移对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等蠕变在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷17电阻应变片的重要特性（5）应变极限在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变原因：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限εlim真实应变εz指示应变εi应变片的应变极限±10%12014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷18电阻应变片的重要特性（6）动态特性当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2μs)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应应变片对应变波的动态响应2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷19电阻应变片动态特性举例应变片中点的应变栅长l范围内的平均应变：相对误差：相对误差δ的大小只决定于l/λ的比值：栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差δ愈小l/λ=1/10,δ=1.62%；l/λ=1/20,δ=0.52%l/λ<1/10时，δ<2%，由f=v/λ可得：fmax=0.1v/l若已知应变波在某材料内传播速度υ，可计算出栅长为l的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷20影响半导体力敏电阻压阻系数的因素影响压阻系数因素：扩散电阻的表面杂质浓度和温度扩散杂质浓度NS增加时，压阻系数就会减小同一杂质浓度下，P型硅的压阻系数大于N型硅选用P型层有利于提高器件灵敏度120140100806040201018101910201021表面杂质浓度NS/cm-3P型Si(π44)N型Si(-π11)

π11或π44/

×10-11m2/NT=24℃压阻系数与表面杂质浓度NS的关系2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷21影响半导体力敏电阻压阻系数的因素表面杂质浓度低时，温度增加，压阻系数下降得快；表面杂质浓度高时，温度增加，压阻系数下降得慢为降低温度影响，扩散电阻表面杂质浓度高些较好，但扩散表面杂质浓度高时，压阻系数要降低N型硅的电阻率不能太低，否则，扩散P型硅与衬底N型硅之间，PN结的击穿电压就要降低，而使绝缘电阻降低因此采用多大表面杂质浓度进行扩散为宜需全面考虑2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷22力学量传感器——固态压阻器件用集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻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１２３４５７６1N-Si膜片2P-Si导电层粘贴剂硅底座引压管Si保护膜7引线

2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷23力学量传感器——固态压阻器件四个电阻接成惠斯登电桥形式扩散电阻硅杯式固体压力传感器结构示意图扩散电阻Si_n扩散电阻Si_n2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷24力学量传感器

——压阻式力传感器的测量电路应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量电阻应变片的测量线路多采用电桥测量线路

R2R4R1R3E电桥线路原理图RgACDIgBRg→∞，开路：2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷25力学量传感器

——压阻式力传感器的测量电路恒压源供电恒流源供电多采用等臂电桥或对称电桥2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷26力学量传感器

——压阻式力传感器的测量电路多采用等臂电桥或对称电桥核心是4个电阻连接成惠斯登电桥方式，并将一对具有正增量的电阻对接，另一对具有负增量的电阻对接恒压源供电2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷27力学量传感器

——压阻式力传感器的测量电路多采用等臂电桥或对称电桥核心是4个电阻连接成惠斯登电桥方式，并将一对具有正增量的电阻对接，另一对具有负增量的电阻对接恒流源供电2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷28力学量传感器——测量电路2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷29压阻式力传感器的测量电路的温度补偿（1）温度误差希望金属应变片阻值仅随应变变化，不受其它因素影响实际上阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷30压阻式力传感器的测量电路的温度补偿（2）补偿方法：单丝自补偿应变片选择应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数和线膨胀系数与被测试件的材料的线膨胀系数互补，温度变化效应互相抵消双丝组合式自补偿应变片由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿电路补偿法焊点RaRb2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷31电路补偿法（1）USCR2R4R1R3E当R3、R4为常数时，R1和R2对输出电压的作用方向相反使用两个应变片，一片(R1)贴在被测试件的表面；另一片(R2)贴在与被测试件材料相同的补偿块上工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形补偿应变片粘贴示意图R1R2造成ΔR1t与ΔR2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷32电路补偿法（2）R1R2FFR1R2（b）（a）F构件受弯曲应力构件受单向应力将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的受单向应力的构件，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，接入电桥相邻臂，补偿横向效应2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷33力学量传感器——零位漂移因为扩散电阻随温度的变化导致阻值发生变化而引起一般用串、并联电阻的方法补偿串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用由于零点漂移，导致B、D两点电位不等，当温度升高时，R3的增加比较大，使D点电位低于B点，B、D两点的电位差即为零位漂移要消除B、D两点的电位差，最简单的办法是在R3上并联一个温度系数为负、阻值较大的电阻RP，用来约束R3的变化。这样，当温度变化时，可减小B、D点之间的电位差，以达到补偿的目的当然在R2上并联一个温度系数为负、阻值较大的电阻进行补偿，作用相同2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷34力学量传感器——灵敏度漂移由于压阻系数随温度变化而引起温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大传感器的灵敏度温度系数为负值一般用改变电源电压大小的方法补偿可以采用在电源回路中串联适当数目二极管的方法或采用热敏电阻补偿2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷35力学量传感器——灵敏度漂移由于压阻系数随温度变化而引起温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大传感器的灵敏度温度系数为负值一般用改变电源电压大小的方法补偿可以采用在电源回路中串联适当数目二极管的方法或采用热敏电阻补偿2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷36力学量传感器——压电器件在某些材料的某些特定方向上施加压力和拉力，材料的表面上会出现正负束缚电荷，电荷密度与施力大小成正比天然晶体：石英压电陶瓷：BaTiO3等有机压电材料：聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVL）、聚碳酸酯等压电半导体：ZnO、ZnS、CaS、ZnFe、CaAs等压电式力敏传感器类别：单分量力传感器双分量力传感器三分量力传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷37力学量传感器的应用

——压电式力学量传感器压电效应正压电效应——机械能转变为电能某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态逆压电效应——电能转变为机械能在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，会产生机械形变压电材料石英晶体、压电陶瓷、有机压电材料、压电半导体应用微型加速度传感器压电步进位移传感器压电式声传感器FF极化面Q压电介质机械能｛电能｝正压电效应逆压电效应压电效应及可逆性2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷38石英晶体的压电效应（1）石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-理想石英晶体的外形硅氧离子的排列示意图2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷39石英晶体的压电效应（2）FX=0P1＋P2＋P3＝0FX<0(P1+P2+P3)X>0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0（P1+P2+P3）X<0FX>02014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷40压电陶瓷的压电效应（1）压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷41压电陶瓷的压电效应（2）但当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度因陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷42压电陶瓷的压电效应（3）若在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小因此原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷43压电陶瓷的压电效应（4）若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷44压电式传感器的测量电路（1）等效电路可把压电传感器看成一个静电发生器，也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线的等效电容Cc,前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci，Ra为传感器的漏电阻2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷45压电式传感器的测量电路（2）实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起粘结的方法有两种，即并联和串联并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷46压电式传感器的测量电路（2）两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大适用于测量缓变信号及电荷量输出信号并联方法2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷47压电式传感器的测量电路（2）正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号串联方法2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷48压电式传感器的测量电路（3）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，经过阻抗变换后，再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两个作用：把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出放大压电式传感器输出的弱信号两种形式：电压放大器电荷放大器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷49力学量传感器——位移传感器光电式位移传感器光栅位移传感器：利用莫尔条纹，主光栅固定在运动零件上，指示光栅与光敏元件固定；或相反磁电式位移传感器利用磁阻元件或霍尔元件2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷50光栅与莫尔条纹示意图主光栅指示光栅指示光栅移动方向莫尔条纹光电式位移传感器——莫尔条纹基本元件是主光栅和指示光栅在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线，常用的光栅每毫米有10、25、50、100和250条线若划线宽度为a，缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为W＝a+b，通常取a=b＝W/2将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度θ由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷51光电式位移传感器——莫尔条纹当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距Bθ越小，B越大，θ当小于1°以后，可使B>>W，即莫尔现象具有使栅距放大的作用2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷52光栅式传感器的测量电路光栅传感器的光电转换系统由聚光镜和光敏元件组成两块光栅作相对移动时，光敏元件上的光强随莫尔条纹移动而变化a处两光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电元件输出的电信号也最大c处由于光被遮去一半，光强减小d处的光全被遮去的成全黑，光强为零若光栅继续移动，透射到光敏元件上的光强又逐渐增大，2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷53光栅式传感器的细分一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件得到相位分别相差π/2的四个正弦周期信号用适当电路处理，使其合并得到脉冲信号：每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期反应了1/4个莫尔条纹宽度用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷54力学量传感器——电容式压力传感器利用电容器的原理，将非电量转换成电容量，实质上是一个具有可变参数的电容器应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷55变间隙型电容传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷56差动式变间隙型电容传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷57电容式压力传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷58差动电容压力传感器设膜片半径为a，球冠形固定电极的半径为R，固定电极的实际拱底半径为b，拱底距膜片的距离为db，当d0<<R时：在PH-PL作用下中心膜片的上凸量h近似为:而CA为：利用脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出U0

：输出U0与差压PH-PL成正比2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷59变面积型电容传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷60长度传感器变介质型电容传感器δx厚度传感器l平板形lx圆筒式液位传感器h2r12r2hxC1C2C3CC1C2C3CC4C1CC22014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷61电容传感器的等效电路Rg是极间等效漏电阻，它包括极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗介质损耗，其值在制造工艺上和材料选取上应保证足够大Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷62电容传感器的测量电路电桥电路将电容式传感器接入交流电桥的一个臂(另一个臂为固定电容)或两个相邻臂，另两个臂可以是电阻或电容或电感，也可是变压器的两个二次线圈运算放大器电路最大特点是能够克服变极距型电容式传感器的非线性二极管双T形电路差动脉宽调制电路调频电路2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷63电容传感器的电桥电路2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷64电容传感器电桥电路的特点高频交流正弦波供电电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥输出阻抗很高(几MΩ至几十MΩ)，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷65电容传感器的运算放大器电路可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离δ成正比解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题这是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性一般A和Zi足够大，所以这种误差很小2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷66电容传感器的二极管双T形电路供电电压是幅值为±UE、周期为T、占空比为50％的方波在负载RL上产生的电压为：输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关当电源电压确定后，输出电压只是电容C1和C2的函数2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷67电容传感器二极管双T形电路的特点线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷681.电路基本结构（R-S

触发器）2.工作过程⑴设加电初态则C1充电。开始时刻，VC、VD<Ur，A1、A2输出高电平。

⑵C1充电到VC>Ur→3.输出分析R-S

触发器高电平输出差动脉宽调制电路A2输出低电平→→C1

经D1放电→VC<Ur，A2恢复高电平。同时C2充电。C2充电时间T2⑶C2充电到VD>Ur→A1输出低电平→→C2

经D2放电→VD<Ur，A1恢复高电平。同时C1充电。C1充电时间T12014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷69tuAuAuBuBuABuABUCUCUDUDUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)U02014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷70电容传感器差动脉宽调制电路的特点适用于任何差动式电容传感器具有理论上的线性特性可靠性好：采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷71力学量传感器——电感式传感器是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置应用：位移、振动、压力、应变、流量、比重等测量种类：根据转换原理，分自感式和互感式两种根据结构形式，分气隙型、面积型和螺管型优点：结构简单、可靠，测量力小衔铁为0.5～200×10-5N时，磁吸力为(1~10)×10-5N分辨力高机械位移：0.1μm，甚至更小；角位移：0.1角秒输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm重复性好，线性度优良在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定缺点：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷72力学量传感器的应用

——压阻式传感器的应用压力传感器压阻式加速度传感器扭矩传感器流体流量传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷73压力传感器——柱力式传感器弹性元件分为实心和空心两种在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片取符号相反的横向应变，从而构成了差动对非轴向载荷分量被补偿横向粘贴的应变片还具有温度补偿作用在与轴线任意夹角的α方向，其应变为：柱式力传感器-ε2+ε1截面积SFFF面积S-ε1+ε2b）a）ε1——沿轴向的应变μ——弹性元件的泊松比当α=0时当α=90˚时E：弹性元件的杨氏模量2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷74压力传感器——梁力式传感器一端固定，一端自由，厚度为h,长度l，固定端宽度为b0,力F作用在三角形顶点，其表面应变为：上下两侧分别粘有4只应变片，R1、R4同侧；R3、R2同侧，两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成全差动电桥同时起到温度补偿的作用等强度梁2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷75压力传感器——梁力式传感器一端固定，一端自由，厚度为h,宽度为b,悬臂外端到应变片中心的距离为l其应变为：等截面梁2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷76压力传感器——梁力式传感器固定梁2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷77压力传感器——表压传感器测量气体或液体压力传感器当气体或液体压力作用硅杯上时，改变阻值，测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压结构：低压腔高压腔硅杯引线硅膜片2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷78力学量传感器——固态压阻器件四个电阻接成惠斯登电桥形式扩散电阻硅杯式固体压力传感器结构示意图扩散电阻Si_n扩散电阻Si_n2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷79压力传感器——绝对压力传感器与表压传感器的不同点在于基准参考腔为真空当流体的压强作用在薄板上，薄板就会产生形变(应变)，贴在另一侧的应变片随之形变(应变)，通过桥式等测量电路，可以测出与应变相对应的输出电压，从而得到压力的大小圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，或与传感器外壳作成一体2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷80压阻式加速度传感器由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成，是一种惯性式传感器当被测点的加速度沿图中箭头所示方向悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比L应变片弹簧片外壳基座a应变式加速度传感器质量块2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷81扭矩传感器由薄壁筒作为弹性元件，半导体力电转换应变膜片作为转换元件当薄壁圆筒一端固定，另一自由端受到扭矩T作用后，发生形变，通过粘贴在薄壁圆筒上的半导体力电转换应变膜片，使扭矩变为电信号应变片构成一个电桥电路，并且电阻条与筒的轴线成45度角，用粘结剂贴牢2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷82流体流量传感器流体在管道中流过时，管道内设有节流板，流体流动中受孔板的阻力，使流速发生变化，在孔板两侧产生一个压力差，此压力差可用压阻式传感器检测当流量一定时，管道的截面积与流体流速的乘积为一常数，因此流体流过节流孔板时，节流孔板两侧产生一个压力差，流量越大，则压力差越大，用流量传感器通过压力差而检测流体的流量2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷83力学量传感器的应用

——压电式力学量传感器的应用压电式加速度传感器压电式压力传感器压电步进位移传感器压电式声传感器压电式流量计2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷84压电式加速度传感器有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种传感器感受振动时，因质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力F＝ma惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关提高灵敏度一般选择压电系数大的压电陶瓷片增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度

压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起输出信号由电极1引出q＝d33F＝d33ma2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷85压电式加速度传感器——压电偶对在与基座相连的薄金属圆盘上固定双压电晶片不使用质量块在外界加速度作用下，晶片挠曲，发生形变，产生电信号2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷86压电式压力传感器由引线1、壳体2、基座3、压电晶片4、受压膜片5及导电片6组成当膜片5受到压强P作用后，则在压电晶片上产生电荷

F——作用于压电片上的力

d11——压电系数

P——压强，

S——膜片的有效面积2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷87压电步进位移传感器也称“压电微螺杆”，原理为逆压电效应在压电晶体上施以电压，随之晶体产生形变重复以下步骤可进行0.006μm的微位移：先加电压在压电管1，使其径向收缩，卡紧主轴再加可变阶梯电压到压电管2，使其沿轴向伸长然后加电压到压电管3，同时去掉管1电压，并使管2的阶梯电压开始下降使管2复原此时由管1卡紧变为管3卡紧，主轴弹性回缩一个微小位移2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷88压电式声传感器交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短这时声传感器是声频信号发生器一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用产生压缩变形，由于正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成交变电信号这时声传感器就是声频信号接收器压电陶瓷换能器如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷89压电式声传感器S1是声频信号发生器信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声波S2是声频信号接收器当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷90压电式声传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷91压电式流量计利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度差进行测量在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比据这个关系，可精确测定流速流速与管道横截面积的乘积等于流量特点：可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速不受流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响准确度可达0.5%，有的可达0.01%2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷92本课程以输入量分类介绍传感器温度传感器气体传感器光传感器力学量传感器磁敏传感器湿度传感器电压敏传感器生物传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷93磁敏传感器的分类霍尔元件单晶半导体或化合物半导体磁阻元件半导体材料磁敏晶体管磁敏二极管和磁敏三极管磁敏集成电路2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷94磁敏传感器——霍尔元件长为L、宽为b、厚为d的导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制电流I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度，这一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷95霍尔元件工作原理N型半导体中，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FL=qvB当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，有qEH=qvB故：霍尔电场的强度EH=vB霍尔电压：UH=EHb=vBb流过霍尔元件的电流：I=bd*J=-bdvnq，得：v=-I/nqbd

所以UH=-IB/nqd若取RH=-1/nq，UH=RH*IB/dRH：霍尔元件的霍尔系数，由半导体材料的性质决定，反映材料霍尔效应的强弱2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷96霍尔元件基本电路霍尔元件多采用N型半导体材料霍尔元件越薄(d越小)，KH就越大霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成VHR3VBIEIHR2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷97霍尔元件应用——微位移测量若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dB/dx为一常数时，则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势变化也应是一个常数K（位移传感器的输出灵敏度）：磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好这种位移传感器一般可测量1～2mm的微小位移，其特点是惯性小，响应速度快，无接触测量利用这一原理可以测量与之有关的非电量，如力、压力、加速度、液位和压差等2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷98霍尔元件应用——转速测量永磁体粘在被测旋转体的上部或粘在被测旋转体的边缘将霍尔元件放在永磁体附近，当被测旋转体以角速度ω旋转时，每个永磁体通过霍尔器件，霍尔器件便产生一个相应的脉冲霍尔电势信号测量单位时间内脉冲信号的数量可知被测旋转体转速对被测轴影响小，输出信号幅度与转速无关，测量精度高2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷99霍尔元件应用——集成霍尔传感器利用硅集成电路工艺制造霍尔器件并与硅集成电路集成在一起H为霍尔器件，对磁场敏感；二极管D1、D2作为温度补偿H的输出信号经差分放大器（晶体管T1、T2等），送到T3、T4、T5等构成的触发电路，由射极跟随器放大输出2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷100霍尔元件应用——电子点火缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔器件而成闭合回路，所以电路导通，此时霍尔电路输出低电平（小于等于0.4V）；当罩边凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，霍尔电路输出高电平当霍尔传感器输出低电平时，V1截止，V2、V3导通，点火线圈的初级有一恒定电流通过；当霍尔传感器输出高电平时，V1导通，V2、V3截止，点火器的初级电流截断，此时储存在点火线圈中的能量，在次级线因以高压放电形式输出，即放电点火汽车霍尔电子点火器，由于它无触点、节油，能适用于恶劣的工作环境和各种车速，冷起动性能好等特点，目前国外已广泛采用。2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷101磁敏传感器——磁阻元件材料电阻率随磁场变化磁电阻率效应，微弱，应用受限制电阻值随磁场变化磁电阻效应（也称形状磁阻效应）根据霍尔效应在垂直磁场作用下，半导体的电流在电极附近发生偏移，从而延长了电流的路径，使元件的电阻增加与元件形状和结构有关，故也称作形状磁阻效应电流同时受霍尔电场力和洛仑兹力作用，达到平衡时，元件中部电流将重新与外电场平行，对元件电阻增加无贡献靠近两端电极的霍尔电势被电极短路而消失，只存在洛仑兹力作用，随电场变化的电流分布只在电极附近发生元件长宽比越小，磁阻效应越明显2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷102磁敏传感器——磁阻元件在长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势同心圆状霍尔元件理论上电阻增加率最高InSb-NiSb共晶材料，锑化镍结晶以针状析出，自然形成短路栅2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷103磁敏传感器——磁阻元件迷宫形磁敏电阻器曲折形磁敏电阻器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷104磁敏传感器——磁敏电位器一般磁敏电位器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷105磁敏传感器——磁敏电位器核心是差分型结构的两个半圆形磁敏电阻；被安装在同一旋转轴上的半圆形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化旋转转轴，即能调节其阻值一般磁敏电位器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷106锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用过程纸币上的磁性油墨没有进入位置1时，设输出变化为零如果进入位置2，由于R2电阻增大，则输出变化为0.3mV左右如果进入位置3时，则仍为0如果进入位置4，则为-0.3mV如果进入位置5，则仍为0经过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检测伪币2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷107磁敏传感器——磁敏晶体管包括磁敏二极管和磁敏三极管2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷108磁敏二极管的结构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型两个区域磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成在P、N之间有一个较长的本征区I本征区I的一面磨成光滑的无复合表面（为I区），另一面打毛，设置成高复合区（为r区）因电子—空穴对易于在粗糙表面复合而消失2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷109磁敏二极管的工作原理（1）当磁敏二极管末受到外界磁场作用时外加正向偏压后，有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有大量电子注入P区，形成电流只有少量电子和空穴在I区复合掉2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷110磁敏二极管的工作原理（2）当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快形成的电流因复合速度而减小当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向I区偏移电子和空穴复合率明显变小电流变大2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷111磁敏三极管的结构在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极基区较长基区结构类似磁敏二极管，有高复合速率的r区和本征I区长基区分为运输基区和复合基区2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷112磁敏三极管工作原理（1）磁敏三极管末受磁场作用时由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-b形成基极电流，少数载流子输入到c极因而形成基极电流大于集电极电流的情况，使β＜12014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷113磁敏三极管工作原理（2）当受到正向磁场(H+)作用时由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧导致集电极电流显著下降当反向磁场(H-)作用时，在H-的作用下，载流子向集电极一侧偏转使集电极电流增大2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷114磁敏传感器——磁敏电位器磁敏二极管电位器两个具有相反特性的磁敏二极管串连改变磁场的大小和方向，可使两个二极管呈现不同的阻值比，从而改变输出电压的大小2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷115磁敏传感器——漏磁探伤仪将待测物置于铁芯之下，并使之不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化若待测钢棒没有损伤的部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感应的磁通为Φ，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出若钢棒上的裂纹旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知待测铁棒中的缺陷磁敏二报管漏磁探伤仪1裂缝；2磁敏管探头；3铁芯；4激励线圈；5被测棒材2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷116磁敏传感器——磁敏电位器磁敏三极管置于1kGs的磁场中，通过磁场改变磁敏三极管的基极电流，该电路的输出电压在0.7V~15V之间连续变化等效于一个电位器，且没有触点特别适合于变化频繁、调节迅速、噪声要求低的场合磁敏三极管电位器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷117本课程以输入量分类介绍传感器温度传感器气体传感器光传感器力学量传感器磁敏传感器湿度传感器电压敏传感器生物传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷118湿度传感器湿敏电阻器金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器元素材料湿敏电阻器化合物湿敏电阻器高分子湿敏电阻器湿敏电容器多孔材料（Al2O3等）为介质湿敏晶体管湿敏二极管湿敏三极管2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷119湿度传感器——湿敏电阻器利用半导体陶瓷材料制成的陶瓷湿度传感器测湿范围宽，可实现全湿范围内的湿度测量；工作温度高，常温湿度传感器的工作温度在150℃以下，而高温湿度传感器的工作温度可达800℃，响应时间较短，精度高，抗污染能力强，工艺简单，成本低廉典型产品是烧结型陶瓷湿敏元件是MgCr2O4－TiO2系、TiO2-V2O5系、ZnO－Li2O－V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2－MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系，主要为负特性湿度传感器工作原理：多孔型的半导体陶瓷，在晶粒表面及晶粒间界处，容易吸附水分子；水是强极性电介质，氢原子附近有强正电场，具有大的电子亲和力；水分子附着在半导体陶瓷表面时，将俘获电子，在陶瓷表面形成空穴累积，导致电阻率降低多孔毛细管状陶瓷在各晶粒表面和晶粒间吸附水分子使之离解出大量导电粒子，起到电荷输运作用金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷120金属氧化物半导体陶瓷湿敏电阻器特性电阻一湿度特性随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降MgCr2O4－TiO2系陶瓷湿度传感器当相对湿度由0变为100％RH时，阻值从107Ω下降到104Ω，变化了三个数量级电阻—温度特性在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻—湿度特性从20℃到80℃各条曲线的变化规律基本一致，具有负温度系数如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷121湿度传感器——湿敏电阻器元素半导体材料或碳元素材料制成碳湿敏电阻器电阻－湿度特性为正用有机物聚丙烯塑料片或棒为基体，涂布一层含导电性碳粒的有机胶状纤维素构成有机材料吸潮后，体积膨胀，碳粒间距离增大，电阻值增大元素半导体湿敏电阻器特性为负在陶瓷或石英基片上蒸发Ge、Se等元素半导体薄膜制成碳湿敏电阻器湿度特性Ge薄膜湿度传感器湿度特性曲线元素材料湿敏电阻器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷122湿度传感器——湿敏电阻器以电解质化合物为感湿材料LiCl、Fe3O4、CaSO4等电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解质若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数化合物湿敏电阻器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷123湿度传感器——湿敏电阻器聚苯乙烯磺酸锂等高分子材料为感湿材料优点：具有良好的稳定性存储一年后，其最大变化不超过2％RH，完全可以满足器件稳定性的要求缺点：对于含有机溶媒气体的环境下测湿时，器件易损坏不能用于80℃以上的高温高分子湿敏电阻器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷124湿度传感器——湿敏电容器利用多孔Al2O3为感湿膜，可采用厚膜技术、涂膜技术、硅MOS等技术其上部多孔质的金电极可使水分子透过水的介电系数比较大，室温时约为79感湿高分子材料的介电常数并不大当水分子被高分子薄膜吸附时，介电常数发生变化随着环境湿度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而湿度传感器的电容量增加根据电容量的变化可测得相对湿度传感器的电容量变化很大,但线性度欠佳可外接转换电路,使电容—湿度特性趋于理想直线2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷125湿度传感器——湿敏晶体管在硅片上生成10nm左右的SiO2层，并在其上淀积一层SnO2作为敏感膜，并在上、下镀膜形成Al电极该湿敏二极管处于反向偏压并接有负载时，处于雪崩区附近，其反向电流的大小与环境湿度直接相关，随湿度的增加反向电流减小湿度环境中，二极管的结区边缘处将有水分子吸附，使耗尽层展宽，主要向硅衬底方向扩展，有利于雪崩电压升高湿敏二极管2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷126湿度传感器——湿敏晶体管在MOS场效应管的栅极上，涂覆一层感湿薄膜，并在感湿薄膜上增置一对电极目前研究开展较少，实用化器件不多湿敏三极管2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷127湿度传感器的应用——湿敏电阻器的应用必须使用交流电源，否则性能会劣化甚至失效电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的，在直流电源作用下，正、负离子必然向电源两极运动，产生电解作用，使感湿层变薄甚至被破坏在交流电源作用下，正负离子往返运动，不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷128湿度传感器的应用——露点传感器一般用高分子材料并含有导电粒子碳粉的感湿膜传感器具有正湿度系数当环境湿度导致结露时，传感器电阻值增大，BG1基极电压升高，BG1导通，BG2截止，BG3、BG4导通，结露指示灯亮并输出控制信号录像机结露报警控制电路2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷129湿度传感器的应用——露点传感器加热丝RS埋入挡风玻璃内，H为结露传感器传感器具有负湿度系数低湿度时，R1和R2电阻使BG1导通，BG2截止，继电器J触点释放湿度增大到80％RH以上时，H电阻值RP下降，使BG1截止，BG2导通，继电器接通加热丝RS电源，驱散湿气汽车挡风玻璃自动去霜电路2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷130湿度传感器的应用——电容式湿度传感器的应用Cu为电容湿度传感器，IC1是方波振荡器，Rt是热敏电阻，C1、R1、Rt、C3、C2和Cu组成积分电路当湿度增大到某点时，湿敏电容量增大，积分电路的积分时间增大，IC4输出的脉冲宽度增宽，输出平均电压升高，此信号用于控制和报警2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷131本课程以输入量分类介绍传感器温度传感器气体传感器光传感器力学量传感器磁敏传感器湿度传感器电压敏传感器生物传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷132电压敏传感器指电阻值随电压变化的敏感元件不属于非电量与电量之间变换，其主要应用领域不是信息的检测和摄取分类：碳化硅压敏电阻器硅、锗压敏电阻器金属氧化物(ZnO等)压敏电阻器结型压敏电阻器体型压敏电阻器其他材料压敏元件2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷133电压敏传感器——过电压保护含感性负载的电路中，瞬时切断电源时，由于电感中磁场能量的转化，在电路的负载侧和电源侧产生过电压，影响正常工作在电路中适当位置装入压敏电阻器，可以吸收这种浪涌电压，保护电子元器件和电子设备免受损坏电路中负荷侧并入压敏电阻MY常态下流过MY的电流很小，即电阻很大过电压入侵时，开始使MY端电压升高，当电压升高至一定值后，压敏电阻动态电阻值减小，流过压敏电阻的电流急剧增大，所以使电感负荷中的磁场能大部分注入压敏电阻由于压敏电阻动态电阻很小，使过电压被抑制在较低的范围内2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷134电压敏传感器——稳压利用压敏电阻的电压－电流非线性关系非线性系数越大，稳压系数越小，输出电压的变化就越小，稳定电压的效果越好稳定电压高（可工作于几十kV），体积小，特别适宜精细电子设备；但功耗大2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷135电压敏传感器——控制从输出端取出的交流信号经二极管D后，变为直流加到压敏电阻MY1上输出信号强，加在MY1上的控制电压就高，使MY1的交流阻抗减小，因而使输出到三极管BG基极的交流信号减弱，使输出电压变小，实现音量的自动调节压敏元件的自动音量控制电路2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷136本课程以输入量分类介绍传感器温度传感器气体传感器光传感器力学量传感器磁敏传感器湿度传感器电压敏传感器生物传感器2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷137生物传感器利用某些生物活性物质所具有的高度选择性，来识别待测生物化学物质一般是在基础传感器(电化学装置)上再耦合一个生物敏感膜（称为感受器或敏感元件）生物敏感膜紧贴在探头表面上，再用一种半渗透膜与被测溶液隔开当待测溶液中的成分透过半透膜有选择地附着于敏感物质时，形成复合体，随之进行生化和电化学反应，产生普通电化学装置能感知的O2、H2、NH4+、CO2等，并通过电化学装置转换为电信号2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷138生物传感器的分类按分子识别元件分类2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷139生物传感器——酶传感器通过测定酶作用后H2O2（或氧）含量的变化实现糖的定量指示当测量时，葡萄糖酶传感器插入到被测葡萄糖溶液中，由于酶的催化作用而产生H2O2，其反应式为在Pt阳极上加0.6V电压，则H2O2在Pt电极上产生的氧化电流为式中，2e-为形成电流的电子C6H12O6+O2

C6H10O6+H2O2

GODH2O2O2+2H++2e-0.6VPt2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷140生物传感器——微生物传感器好气性微生物传感器由固化好气性微生物膜和氧电极（或二氧化碳电极）组合构成有机物向微生物膜扩散，从而使微生物呼吸旺盛，借助密集在微生物膜上的氧电极检测获得与微生物呼吸量有关的电流输出厌气性微生物传感器将微生物固化膜和电极组合氧的存在妨碍微生物的生长，产生的代谢物是一种特定物，能跟电极反应，又称为电极活性物呼吸性检测型电极活性物质检测型2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷141生物传感器——其他类型生物电子传感器由生物分子构成功能膜感受器和半导体换能器组成由酶、抗原/抗体、微生物等构成生物功能膜由半导体场效应管做换能器在栅极上加一层生物分子功能膜（如固化酶膜），当测定液接触酶膜时即发生反应，使PH值发生变化，从而导致漏电流发生变化通过检测电流的变化可知待测容易的浓度2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷142生物传感器——其他类型光生物传感器在硅光电二极管表面制作一层过氧化酶薄膜

葡萄糖在酶催化作用下可产生H2O2鲁米诺＋H2O2过氧化酶氨基酞酸＋N2+H2O+hγ2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷143其它传感器光纤传感器激光与红外传感器超声波传感器核辐射传感器……2014-05-12中国科学技术大学快电子实验室刘树彬

赵雷144光纤传感器20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器与以电为基础的传感器有本质区别光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质同时具有光纤及光学测量的特点电绝缘性能好抗电磁干扰能力强非侵入性高灵敏度容易实现对被测