检测与转换技术第5章3

电能量传感器第三部分压电传感器的应用例1：压电式测力传感器压电式三向力传感器2012.10.6例2：压电式压力传感器电极结构预紧力2012.10.6例3：压电引信压电陶瓷：弹丸起爆装置——破甲弹2012.10.6例4：火炮膛内压力测试发射药在膛内燃烧形成压力完成炮弹的发射。膛内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。2012.10.6四、压电式传感器的应用

2012.10.61.压电式加速度传感器

图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。压电式加速度传感器结构图2012.10.62012.10.6

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（3-14）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=d11ma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。2012.10.62.压电式压力传感器

图5-19是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。图5-19压力式单向测力传感器结构图

2012.10.6

传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.1-0.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其纵向压电效应，通过d11实现力—电转换。石英晶片的尺寸为φ8×1mm。该传感器的测力范围为0-50N，最小分辨率为0.01N，固有频率为50-60kHz，整个传感器重为10g。2012.10.62012.10.62012.10.6例6：冲击试验台的标定和检测产品过载冲击试验跌落高度h被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块加速度产品2012.10.6例7：汽车安全气囊系统事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体2012.10.6例8：气体发生器输出特性测试密封容器压力测试法2012.10.6例9：振动测量仪加速度160ug-10g速度0.4-80cm/s振幅4um-8cm转换开关SA：V：D：积分：振动速度、幅值2012.10.6例10：压电式血压传感器例11：指套式电子血压计2012.10.6例12：玻璃破碎报警器2012.10.6例13：水深测量仪2012.10.6例14：逆压电效应的应用声表面波传感器延迟时间SAW振子：LC谐振回路振动频率2012.10.6用于结冰状况监测的冰传感器结冰现象的危害：铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、冷库物资防冰、飞机安全飞行结冰状况监测：是否结冰、冰层厚度基于压电效应的冰传感器原理：三电极片式压电器件：2012.10.6电极1、2间加交变电压：压电晶体机械振动，系统的谐振频率：——等效刚度——等效质量冰层检测原理：极板1上无附加物：以自身的谐振频率作机械振动；极板1上有冰冻：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；冰层越厚：刚度增加越大，谐振频率越大。三电极压电元件：T型LC三端元件，构成振荡电路。2012.10.6光电池是一种光电转换元件，它不需外加电源而能直接把光能转换为电能

硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件

性能稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，线性相应好，使用寿命长，耐高温辐射，光谱灵敏度和人眼灵敏度相近等。它在分析仪器、测量仪器、光电技术、自动控制、计量检测、计算机输入输出、光能利用等领域用作探测元件，得到广泛应用第四节光电池2012.10.6光电池2012.10.6光电池种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少使用。目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。硅光电池与其它半导体光电池相比，不仅性能稳定，还是目前转换效率最高(达到17％)的几乎接近理论极限的一种光电池。此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。紫光电池是把硅光电池的PN结减薄至结深为0.2～0.3μm，光谱响应峰值移到600nm左右，来提高短波响应，以适应外层空间使用。2012.10.6光电池硒光电池的光谱特性

0.2

0.40.60.81.01.210080

60

4020

0电压源：将光量转变为电动势硒光电池硅光电池硒光电池的结构（1）硒光电池2012.10.6硒光电池的伏安特性（2）硅光电池硅光电池的结构2012.10.6

直接把太阳光能转换成电能的器件(光伏效应)，光伏效应本质上是由于吸收光辐射而产生电动势现象。

1839年贝克里尔(Becqurel)观察到插在电解液中两电极间的电压随光照强度变化的现象。

1876年在固体硒中，弗里兹(Fritts)也观测到这种效应。尽管光伏效应在气体、液体或固体中都能发生，但只有在固体中，尤其在半导体材料中，才能获得可供利用的光电转换效率。2012.10.6

1954年第一个实用半导体硅pn结太阳电池的问世，证明了这一点。半导体太阳电池的优点是效率高、寿命长、重量轻、性能可靠，甚至可以不用维护，使用方便。从1958年开始，用作人造卫星、宇宙飞船、行星际站的重要长期电源。

目前的太阳电池成本较高，大规模的太空应用或地面应用都受到限制。人类正在研究新材料、新结构、新工艺的高效率、低成本的太阳电池。2012.10.6紧急交通标志

太阳能电池还装在人造卫星上，用来为其供电。海上应用日常生活太阳能电池的计算器2012.10.62012.10.6

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。

2012.10.6硅光电池结构示意图

图形符号

光电池2012.10.62012.10.6光电池外形光敏面2012.10.6光电池组

光电池

光电池

常见的光电池

2012.10.62012.10.6能提供较大电流的大面积光电池外形2012.10.6硅光电池结构示意如图-+RLpn防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn结硅光电池2012.10.6光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路2012.10.6半导体太阳电池种类繁多。有太空用太阳电池的理想材料硅、砷化镓、磷化铟单晶；多晶硅，还有适宜发展低成本太阳电池的非晶硅、硒铟铜、碲化镉、硫化镉等薄膜材料。pn型pin型肖特基势垒型带反型层的MIS型及异质结型按光伏结构中势垒的不同，太阳电池可分为：2012.10.6——不同频率或波长的光具有不同的能量光电效应波动性：以光速运动，干涉、衍射粒子性：具有一定的质量和能量的粒子光——以光速运动的粒子流波粒二象性2012.10.6金属金属氧化物半导体光照

电子——光电效应是光电传感器的基本转换原理光照半导体

电子在物体内部运动内光电效应金属金属氧化物光照

电子逸出物体表面外光电效应1、定义及分类2012.10.6——只有当入射光能量大于电子逸出功时，才能产生光电子，红限频率——光电流与入射光强成正比——光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压——从光照至发射电子，时间<10-9s2、外光电效应电子吸收光子能量克服物质的束缚，电子逸出功转化为逸出电子的动能2012.10.63、内光电效应光生电子-空穴对光电导效应光生伏特效应载流子数目增多、电导率变大条件：入射光能量大于半导体材料的禁带宽度4、光电导效应2012.10.6能带理论能级（EnegyLevel）在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。禁带（ForbiddenBand）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。

原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。2012.10.6能带理论能级（EnegyLevel）价带（ValenceBand）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电带。

导带（ConductionBand）：价带以上能量最低的允许带称为导带。导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔为禁带Eg。导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。

2012.10.6——对于每种半导体材料存在一个入射光的波长限——入射光光强愈强，电导率愈大——入射光波长——禁带宽度光照下，使半导体产生一定方向电动势的现象。4、光生伏特效应2012.10.6一、光伏效应的两个基本条件光伏效应就是半导体材料吸收光能后，在其势垒区两边产生电动势的效应。光伏效应是半导体太阳电池实现光电转换的理论基础。为使这些光电器件能产生光生电动势(或光生积累电荷)，它们应该满足以下两个条件：2012.10.6

第一，半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数α，即要求入射光子的能量hγ大于或等于半导体材料的禁带宽度Eg，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。第二，具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。2012.10.6

光电池核心部分是一个PN结，一般做成面积较大的薄片状，来接收更多的入射光。图示的是硒光电池的结构。制造工艺是：先在铝片上覆盖一层P型硒，然后蒸发一层镉，加热后生成N型硒化镉，与原来P型硒形成一个大面积PN结，最后涂上半透明保护层，焊上电极，铝片为正极，硒化镉为负极。2012.10.6光电池的工作原理N型硅片PN结扩散层（P层）电极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。2012.10.6出去活动一下2012.10.6二硅光电池的工作原理

硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可把入射到它表面的光能转化为电能。当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。光电池结构示意图2012.10.62012.10.6

在零偏条件下，如用光照射p区或n区，只要照射光的波长满足λλc，都会激发出光生电子--空穴对。光照p区，由于p区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大，因此光生空穴对p区空穴浓度影响很小。相反，光生电子对p区的电子浓度影响很大，从p区表面(吸收光能多，光生电子多)向p区内自然形成电子扩散趋势。如果p区厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进入P-n结。2．pn结的光电转换原理2012.10.6

一进入p-n结．就被内电场拉向n区。这样．光生电子-空穴对就被内电场分离开来，空穴留在p区，电子通过扩散流向n区。这时用电压表就能测量出p区正,n区负的开路电压un，称为光生伏特效应。如果用一个理想电流表接通p-n结，则有电流i0通过．称为短路电流。综上所述，光照零偏p-n结产生开路电压的效应，称为光伏效应。这也是光电池的工作原理。2012.10.6

从上面分析可知，光生电压起源于定向光生电流提供的、在势垒两边分别积累的两种光生电荷。假设势垒区中复合可以忽略，各区电子空穴对产生率为恒定值G的简单情况下，光生电流表达式可写成：

IPh

＝qAG(Ln+W+Lp

)

式中q是电子电荷，A为势垒区面积，Ln、Lp是电子和空穴的扩散长度，Ｗ是势垒区宽度。2012.10.6

（1）PN结两端的电流：

光电池处于零偏时，V＝0，流过PN结的电流I＝－IP；光电池处于反偏时（实验中取V＝－5V），流过PN结的电流I＝－IP-Is，当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。

2012.10.6（2）光电流IP与输出光功率Pi之间的关系：

R为响应率，R值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长。2012.10.6

由上述分析可知，理想pn结太阳电池可以用一恒定电流源Iph(光生电流)及一理想二极管的并联来表示。故理想pn结太阳电池的等效电路如图所示。考虑实际太阳电池上存在泄漏电阻Rsh和串联电阻Rs，那么，实际等效电路如图示。二、等效电路、伏安特性及输出特性l．pn结太阳电池的等效电路2012.10.6

2．理想情况

在理想情况下，pn结太阳电池的Rsh很大，Rs很小，两者影响都可忽略。根据图所示理想等效电路，三股电流应满足如下关系：

Iph-IF＋I＝０

其中理想pn结二极管的正向注入电流为：

式中I0是pn结反向饱和电流，q是电子电荷，k是玻耳兹曼常数，T为绝对温度。将式代入得到通过负载的电流：2012.10.6

这就是理想情况下负载电阻上电流与电压的关系，即太阳电池的伏安特性。其曲线如图所示。从式及其伏安特性曲线上，可以得出描述太阳电池的几个输出参数[（1）短路电流Isc，是V=0时的输出电流。在理想情况下，它等于光生电流Iph

（2）开路电压Voc。令式中I=0，则给出开路电压的理想值：2012.10.62012.10.6L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光电池(b)硒光电池（1）光照特性光电器件工作电压一定时，入射光通量与光电流的关系

开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线开路电压短路电流短路电流2012.10.6硅光电池的光照特性

0

2000

40006000

800010000

0.60.5

0.4

0.30.2

0.1

100

80

6040

202012.10.62012.10.6

3）太阳电池的光电转换效率η

式中Pin是入射到电池上光总功率。实际上，太阳电池存在着Rs

和Rsh的影响。根据实际等效电路，可以推导出实际太阳电池的伏安特性：3．非理想情况2012.10.6

光电转换效率η是表征太阳电池性能的最重要的参数。阐述入射太阳辐射功率计算的依据，再以硅pn结太阳电池为主，兼顾其它种类电池，讨论理想情况下最大理论效率的一种考虑计算方法。考虑在非理想情况下，影响效率的诸多因素及效应。太阳电池的光电转换效率2012.10.6太阳能电池的性能指标--转换效率

太阳能电池的转换效率是指电池将接收到的光能转换成电能的比率

晶硅类理论转换效率极限为29%。而现在的太阳能电池的转换效率为17%～19%。因此,太阳能电池的技术上还有很大的发展空间。2012.10.62012.10.6硅光电池的光谱特性

0.2

0.40.60.81.01.210080

60

4020

0硅光电池的伏安特性光谱特性：工作电压不变，入射光波长与灵敏度（量子效率）的关系2012.10.6204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光谱特性

光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm—1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。1——硒光电池2——硅光电池2012.10.6

太阳电池所利用的太阳能来源于太阳辐射。太阳中心发生的核聚变反应，连续不断地释放出巨大能量，主要以光辐射形式从太阳表面的发光层向太空辐射。表面发光层温度约6000K，其辐射光谱与6000K绝对黑体的连续辐射光谱类似(见图)。

太阳辐射光谱AM0和AMl.52012.10.6

太阳辐射经过日-地平均距离(约1.5×108公里)，传播到地球大气层外面，其辐射能面密度已大大降低。在这个距离上，垂直于太阳辐射方向单位面积上的辐射功率基本上是个常数，称为太阳常数。其数值是1.353kW／m2。这是许多国家使用高空气球、高空飞机、人造卫星、宇宙飞船等对太阳辐射进行大量测试、综合而得到的公认数据。2012.10.6

目前世界上许多国家把太阳常数作为计算太空用太阳电池的入射光功率密度的依据，又称AMO光谱条件。在此条件下测试太空用太阳电池效率时，光源应满足图AMO的光谱分布，总能量为135.3mW／cm2，电池测试温度为25℃。2012.10.6

AMO光谱的太阳辐射经过大气层中臭氧、氧气、水汽、二氧化碳及悬浮固体微粒(烟尘、粉等)的吸收、散射和反射，到达地面时，光谱分布上出现了许多吸收谷，而且总辐射能至少衰减掉30％(如图所示)。在晴朗天气的理想条件下，决定投射于地面的太阳辐射功率的最重要参数是光穿过大气层通路的长度。当太阳位于天顶，该长度最短。任一实际光通路长度与此最短长度之比称为大气质量，符号记为AM(AirMass的缩写)。2012.10.62012.10.6(3)频率特性

光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光电池2——硅光电池2012.10.62012.10.6（4）温度特性

光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。2004060904060UOC/mVT/ºCISCUOCISC

/μA600400200UOC——开路电压ISC——短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线2012.10.6

太阳电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低。下面以pn结硅太阳电池为例,来阐述各种能量损失之机理，作为改进太阳电池的设计及工艺，提高其效率的基础。影响太阳电池效率的一些因素2012.10.6太阳电池效率损失中，有三种是属于“光学损失”，其主要影响是降低了光生电流值。（1）反射损失R(λ)：从空气(或真空)垂直入射到媒质(如半导体材料)的单色光的反射率：

1．光生电流的光学损失式中n为半导体材料复数折射率N之实部，即普通折射率，k是其虚部，称为消光系数。2012.10.6

每种材料的n和k都与入射光之波长有关。对硅来说，其关系曲线如图所示。把n、k的结果代入式中，发现在感兴趣的太阳光谱中，超过30%的光能被裸露硅表面反射掉了。硅折射率的实部n与虚部k与光子能量的关系2012.10.6(3)透射损失：如果电池厚度不足够大，某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。(2)栅指电极遮光损失c，定义为栅指电极遮光面积在太阳电池总面积中所占的百分比。对一般电池来说，c约为4%～15%。Pn结硅太阳电池的截面图间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。对于硅和砷化镓的计算结果示于图中。光生载流子的定向运动形成光生电流Iph最大光生电流值为：2012.10.6式中Nph(Eg)为每秒钟投射到电池上能量大于Eg的总光子数。Iphmax=qNph（Eg）)式中(λ)为投射在电池上、波长为λ，单位带宽的光子数；ηi为量子产额，即一个能量大于带隙Eg的光子产生一对光生电子空穴对的几率，通常可令ηi=1；dx为距电池表面xt处厚度为dx的薄层；H为电池厚度；G（λ、x）表示由波长为λ、单位带宽的光子射进材料在x处的产生率。考虑上述三种光学损失及材料吸收之后，光