第5章 新型传感器原理及应用

1、返回总目录,第5章新型传感器原理及应用,新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。,一气敏传感器,气敏、湿敏传感器,气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。所以对气敏传感器有下列要求：能够检测报警气体的允许浓度和

2、其他标准数值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小等。由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有气体，所以气敏传感器的种类也有很多。近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用最多的是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。,气敏、湿敏传感器,半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。第一类，半导体表面吸附的气体与半导

3、体间发生电子授受，结果使半导体的电导率等物性发生变化，但内部化学组成不变；第二类，半导体与气体的反应，使半导体内部组成(晶格缺陷浓度)发生变化，而使电导率改变。表5-1为半导体气敏元件的分类，SnO2(氧化锡)是目前应用最多的一种气敏元件。,气敏、湿敏传感器,1.电阻型半导体气敏传感器的结构半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。按其制造工艺来分，有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。,(a)烧结型气敏元器件(b)薄膜型气敏元器件,图5.1(a)所示为烧结型气敏元器件图;5.1(b)所示为薄膜型气敏元器件.,气敏、湿敏传感器,(c)厚膜型器件(d)厚膜型器件结构,图5.1半导体传感器

4、的器件结构1、5、13加热器；2、7、9、11电极；3烧结体温表；4玻璃；6、10半导体；8、12绝缘体,图5.1(c)、图5.1(d)所示为厚膜型器件，它是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成。由这种工艺制成的元件机械强度高，其特性也相当一致，适合大批量生产。这些器件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度。一般加热到200400。,气敏、湿敏传感器,半导体气敏元件分类参见表5-1,气敏、湿敏传感器,直热式器件的结构和符号如图5.2所示，器件管芯由SnO2、Z

5、nO等基体材料和加热丝、测量丝三部分组成，加热丝和测量丝都直接埋在基体材料内、工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压回路下使用，但热容量小，易受环境气流的影响，测量回路与加热回路之间没有隔离，相互影响。,按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。,气敏、湿敏传感器,旁热式气敏器件的结构和符号如图5.3所示。其管芯增加了一个陶瓷管，管内放加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2等材料。这种结构的器件克服了直热式器件的缺点，其测量极与加热丝分离，加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路与加热回路之间的相互影响，器件热容量大，

6、降低了环境气氛对器件加热温度的影响，所以这类器件的稳定性、可靠性都较直热式器件有所改进。,气敏、湿敏传感器,2.半导体气敏材料的气敏机理概述当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻增大。相反，当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子增多，而使电阻下降。空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与电阻值的变化关系即可得知气体的浓度。,N型半导体吸附气体时的器件阻值变化,气敏、湿敏传感器,

7、3.SnO2系列气敏器件1)主要特性实验证明SnO2中的添加物对其气敏效应有明显影响，如添加Pt(铂)或Pd(钯)可以提高其灵敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、器件的烧结温度和工作温度不同，都可以产生不同的气敏效应。例如在同一温度下，含1.5%(重量)Pd的元件，对CO最灵敏，而含0.2%(重量)Pd时，对CH4最灵敏；又如同一含量Pt的元件，在200以下，对CO最灵敏，而400以检测甲烷最佳。,SnO2气敏器件的灵敏度特性,气敏、湿敏传感器,SnO2气敏器件易受环境温度和湿度的影响，其电阻一温湿度特性如图5.6所示。图中RH为相对湿度，所以在使用时，通常需要加温湿度补偿。以提高仪器的

8、检测精度和可靠性。,气敏、湿敏传感器,SnO2气敏器件所用检测电路如图5.7所示。当所测气体浓度变化时，气敏器件的阻值发生变化，从而使输出发生变化。,气敏、湿敏传感器,2)主要特性参数(1)器件电阻Ro和Rs。固有电阻Ro(又称正常电阻)表示气敏器件在正常空气条件下(或洁净空气条件下)的阻值。工作电阻Rs表示气敏器件在一定浓度的检测气体中的阻值。(2)灵敏度S。通常用气敏器件在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的电阻之比来表示灵敏度S。(3)响应时间tres。响应时间表示气敏器件对被检测气体的响应速度。器件从接触到一定浓度的被测气体开始到其阻值到达该浓度下稳定阻值的时间称为响应时间tres

9、。(4)恢复时间trec。恢复时间表示气敏器件对被测气体的脱附速度，又称脱附时间。气敏器件从脱离检测气体开始，到其阻值恢复到正常空气中阻值的时间称为恢复时间trec。实际上，常用气敏器件从接触和脱离检测气体开始，到其阻值或阻值增量达到某一确定的时间，例如，气敏器件阻值增量由零变化到稳定增量的63%所需的时间，定义为响应时间和恢复时间。(5)加热电阻RH和加热功率PH。为气敏器件提供工作温度的加热器电阻，称为加热器电阻RH；气敏器件正常工作时所需的功率称加热功率PH。,气敏、湿敏传感器,4.气敏传感器的应用各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现，如气

10、体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。下面给出几个典型实例。1)简易家用气体报警图5.8是一种最简单的家用气体报警器电路，采用直热式气敏传感器TGS109，当室内可燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低，这样流经测试回路的电流增加，可直接驱动峰鸣器BZ报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。,气敏、湿敏传感器,2)有害气体鉴别、报警与控制电路MQS2B是旁热式烟雾、有害气体传感器，无有害气体时阻值较高(10k左右)，有有害气体或烟雾进入时阻值急剧下降，A、B两端电压下降，使得B的电压升高

11、，经电阻R1和RP分压、R2限流加到开关集成电路TWH8778的选通端脚，当脚电压达到预定值时(调节可调电阻RP可改变5脚的电压预定值)，1、2两脚导通。+12V电压加到继电器上使其通电，触点J1-1吸合，合上排风扇电源开关自动排风。同时2脚+12V电压经R4限流和稳压二极管VZ1稳压后供给微音器HTD电压而发出嘀嘀声，而且发光二极管发出红光，实现声光报警的功能。,气敏、湿敏传感器,3)防止酒后开车控制器图5.10为防止酒后开车控制器原理图。图中QMJ1为酒敏元件。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高，Ua为高电平，U1低电平，U3高电平，继电器K2线圈失电，其常闭触点K

12、2-2闭合，发光二极管VD1通，发绿光，能点火启动发动机。,气敏、湿敏传感器,若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，U1高电平，U3低电平，继电器K2线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管VD2通，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法启动发动机。若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触点K1-1断开，仍然无法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证此控制器处于准备工作的状态。5G1555为集成定时器。,气敏、湿敏传感器,二湿敏传感器,湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，每

13、单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示；相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。,气敏、湿敏传感器,湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿度检测较之其他物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有

14、的性质；再者，湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。湿度的检测已广泛应用于工业、农业、国防、科技和生活等各个领域，湿度不仅与工业产品质量有关，而且是环境条件的重要指标。,气敏、湿敏传感器,下面介绍一些现已发展比较成熟的几类湿敏传感器。1.氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子电导率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂(LiCl)通常与聚乙烯醇组成

15、混合体，在氯化锂的溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li+对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定湿度场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使溶液浓度降低，因此，其溶液电阻率增高；反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。,气敏、湿敏传感器,氯化锂湿敏元件的优点是滞后小、不受测试环境风速影响、检测精度高(达+5%)，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。,氯化锂湿敏元件在150时的电阻-湿度特性曲线如图5.11所示。由图可知，在50%80%相对湿度范围内，电阻的对数与湿

16、度的变化为线性关系。,气敏、湿敏传感器,2.半导体陶瓷湿敏电阻通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷(以下简称半导瓷)。,1ZnO-LiO2-V2O5；2Si-Na2O-V2O5；3TiO2-MgO-Cr2O3,Fe3O4半导瓷正湿敏特性图,气敏、湿敏传感器,1)负特性湿敏半导瓷的导电原理由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在

17、半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电动势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。若该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电动势下降，如果表面电动势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性。因此，由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见，不论是N型还是P型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。,气敏、湿敏传感器,2)正特性湿敏半导

18、瓷的导电原理正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。如果对某一种半导瓷，它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多，那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。不过，通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占比例很大，故表面层电阻的升高必将引起总电阻值的明显升高。但是由于晶体内部低阻支路仍然存在，正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降那么明显。图5.1

19、3给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。从图5.13可以看出，当相对湿度从0%RH变化到100%RH时，负特性材料的阻值均下降3个数量级，而正特性材料的阻值只增大了约1倍。,气敏、湿敏传感器,3.典型半导瓷湿敏元件1)MgCr2O4-TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4为P型半导体，它的电阻率低，电阻-湿度特性好。,1加热线圈；2湿敏陶瓷片；3电极；4引线圈电极；5底板；6引线；3.典型半导瓷湿敏元件,MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度与电阻关系,气敏、湿敏传感器,1引线；2滤网；3外壳；4烧结

20、元件；5电极；6树脂固封,2)ZnO-Cr2O3湿敏元件ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中，用树脂固定，其结构如图5.16所示。ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无需加热除污装置，因此功耗低于0.5W，体积小、成本低，是一种常用测湿传感器。,气敏、湿敏传感器,3)四氧化三铁(Fe3O4)湿敏器件Fe3O4湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成。器件结构如图5.17所示。Fe3O4湿敏器件在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，测湿范围广，有较为一致的湿敏特性和较好的温度一湿度

21、特性，但器件有较明显的湿滞现象，响应时间长，吸湿过程(60%RH98%RH)需要2min，脱湿过程(98%RH12%RH)需5min7min。,气敏、湿敏传感器,4.湿敏传感器的应用1)湿度检测器图5.18所示的是湿度检测器电路。由555时基电路、湿度传感器CH等组成多谐振荡器，在振荡器的输出端接有电容器C2，它将多谐振荡器输出的方波信号变为三角波。当相对湿度变化时，湿度传感器CH的电容量将随着改变，它将使多谐振荡器输出的频率及三角波的幅度都发生相应的变化，输出的信号经VD1，VD2整流和C4滤波后，可从电压表上直接读出与相对湿度相应的指数来。Rp电位器用于仪器的调零。,气敏、湿敏传感器,2)

22、高湿度显示器图5.19是高湿度显示器电路。它能在环境相对湿度过高时作出显示，告知人们应采取排湿措施了。湿度传感器采用SMOL-A型湿敏电阻，当环境的相对湿度在(20%90%)RH变化时，它的电阻值在几十千欧到几百欧范围内改变。为防止湿敏电阻产生极化现象，采用变压器降压供给检测电路9V交流电压，湿敏电阻RH和电阻R1串联后接在它的两端。当环境湿度增大时，RH阻值减小，电阻R1两端电压会随之升高，这个电压经D1整流后加到由T1和T2组成的施密特电路（施密特触发器属于电平触发，输入信号增加和减少时，电路有不同的阈值电压。）中，使T1导通，T2截止，T3随之导通，发光二极管D4发光。高湿度显示电路可应

23、用于蔬菜大棚、粮棉仓库、花卉温室、医院等对湿度要求比较严格的场合。,微传感器,MEMS微机电系统与微型传感器,微型压力传感器,微型加速度计,微传感器,一MEMS微机电系统与微型传感器,微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，简称为MEMS)，专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可对声、光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。是融合了硅微加工、光刻铸造成型(LIGA)和精密机械加工等多种微加工技术制作的微传感器(Microsensors)、微执行器(Microactuators)和微

24、系统(Microsystems)。通过将微型的电机、电路、传感器、执行器等装置和器件集成在半导体芯片上形成的微型机电系统，不仅能搜集、处理和发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。它是在微电子技术基础上发展起来的，但又区别于微电子技术(IC)。在IC中，有一个基本单元，即晶体管。利用这个基本单元的组合并通过合适的连接，就可以形成功能齐全的IC产品；在MEMS中，不存在通用的MEMS单元，而且MEMS器件不仅工作在电能范畴，还工作在机械能范畴或其他能量范畴如磁、热等。,微传感器,1.MEMS的特点微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短

25、。集成化：可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体，形成微传感器或微执行器阵列甚至可以把多种器件集成在一起以形成更为复杂的微系统。微传感器或微执行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的智能化MEMS。多学科交叉：MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学、和生物等多种学科。同时MEMS也为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具。,微传感器,2.MEMS技术发展概况1959年12月美国物理学家，诺贝尔奖得主RichardFeynman这样来描述MEMS技术：“如果有一天可以按人们的意志安排一个个原子，那将会产生什么样的奇迹呢？”三年以后，硅微力

26、传感器问世。1987年，美国加州大学伯克利分校研制出转子直径仅60m-120m的静电电机。1987年，美国UCBerkeley发明的微马达，在国际学术界引起轰动。1993年，美国ADI公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着微机电系统技术商品化的开端。此后，众多发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进MEMS技术发展。MEMS技术发展迅速，特别是深槽刻蚀技术出现后，围绕该技术发展了多种新型加工工艺。一次性血压计是最早的MEMS产品，目前国际上每年都有几千万只的用量。,微传感器,目前，MEMS器件应用最成功、数量最大的产业当属汽车工业。现代汽车采用的安全气囊、

27、防抱死制动系统(ABS)、电喷控制、转向控制和防盗器等系统都使用了大量的MEMS器件。为了防止汽车紧急刹车时发生方向失控和翻车事故，目前各汽车制造公司除了装备ABS系统之外，又研制出电子稳定程序(ESP)系统与ABS系统配合使用。发生紧急刹车情况时，这一系统可以在几微秒之内对每个车轮进行制动，以稳定车辆行车方向。近年来，国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长，MEMS技术全面“开花”，各式各样的MEMS器件，已成功地应用于自动控制、信息、生化、医疗、环境监测、航空航天和国防军事等领域。其中微型压力传感器、微加速度计、喷墨打印机的微喷嘴和数字微镜显示器件(DMD)已实现规模化生产，并创造了巨大的

28、经济效益。美国ADI公司的集成加速度计系列已经大量生产，占据了汽车安全气囊的大部分市场，年销售额约为2亿美元；TI公司利用MEMS技术生产的DMD显示设备，占有高清晰投影仪市场的大部分份额。,微传感器,我国20世纪80年代末开始MEMS的研究，到90年代末已有40多个单位的50多个研究小组在新原理器件、通用微器件、新工艺和测试技术，以及初步应用等方面取得显著进展，形成了微型惯性器件和微型惯性测量组合、微型传感器和执行器、微流量器件和系统、生物传感器、微机器人和硅及非硅加工工艺几个研究方向。但同发达国家相比，我们还有差距。这在MEMS的产业化方面表现得尤为突出。因此，跟踪国外的先进技术，选好突破

29、口成为我国MEMS技术发展的当务之急。以下就几种常见微型传感器作简要介绍。,微传感器,二微型压力传感器,对压力传感器而言，常借助弹性元件将被测力转换成机械变形，再输入给传感器元件得到输出电信号。硅微型压力传感器中的弹性元件都是膜片，硅膜具有小尺寸、高弹性模量和低密度的特点，从而具有高的固有频率。弹性膜片一般都覆盖在一个空腔结构上，腔体中的参考压力作用在膜片内表面上，被测压力施加在膜片外表面上。在压差作用下，膜片发生变形。图5.20所示为不同参考压力腔的示意图。在可能的情况下，应该首选真空密封腔，其参考压力不随温度而发生变化。根据工作原理，硅微型压力传感器可分为压阻式、电容式、谐振式等。,微传感

30、器,1.压阻式微型压力传感器压阻式压力传感器的工作原理是基于压阻效应。用扩散法将压敏电阻制作到弹性膜片里，也可以沉积在膜片表面上。这些电阻通常接成电桥电路以便获得最大输出信号及进行温度补偿等。此类压力传感器的优点是制造工艺简单、线性度高、可直接输出电压信号。存在的主要问题是对温度敏感，灵敏度较低，不适合超低压差的精确测量。,微传感器,2.电容式微型压力传感器电容式微型压力传感器通常是将活动电极固连在膜片表面上，膜片受压变形导致极板间距变化，形成电容变化值。这类传感器曾被用于紧急输血时的血压计，或用作眼内压力监测器，以检测青光眼等眼球内压反常升高的疾病等。图5.22所示为通过体加工工艺得到的电容

31、式微型压力传感器。由各向异性刻蚀单晶硅制作出敏感膜片，通过膜片周围的固定部分与两玻璃片键合在一起。为减小应力，硅材料与键合玻璃片的热膨胀系数要近似匹配。弹性膜片固连的活动电极和玻璃片上的固定极板构成电容器，同时膜片周围的固定部分与玻璃片之间还形成不受压力变形影响的参考电容。测量电路制作在同一硅片上，从而形成机电单片集成的微型传感器。该传感器芯片的平面尺寸约为8mm6mm。,微传感器,3.谐振式微型压力传感器图5.23所示为一种商业化的谐振式压力传感器。由两平行梁构成的H形谐振器集成在压力敏感膜片上，其中一根梁通激励电流，在磁场中受洛伦兹力影响而发生振动。另一根梁也处于磁场中，可以利用感应电压对

32、振动进行检测，从而确定膜片的应力状态，进一步得到被测压力值。该谐振器工作在局部真空状态，减少了空气阻尼影响，获得高的Q值。,微传感器,三微型加速度计,微型加速度计和微机械陀螺都属于惯性传感器，均已大量产品化。在汽车上，微型加速度传感器用来启动包括气囊在内的安全系统或用于自动刹车等，以提高汽车的安全稳定性和切断电路。此外，微型加速度计还用于一些可发挥其低成本和小尺寸特点的场合，例如生物医学领域的活动监控，便携式摄像机的图像稳定性控制等。微型加速度计通常由弹性元件(如弹性梁)将惯性质量块悬接在参考支架上。加速度引起参考支架与惯性质量块间发生相对位移，通过压敏电阻或可变电容器进行应变或位移测量，从而

33、得到加速度值。,微传感器,1.压阻式微型加速度计最早的MEMS加速度计是美国斯坦福大学在20世纪70年代制造的压阻式微型加速度计，被用于生物医学移植和测量心壁加速度等。该传感器的中间硅片厚200m，键合芯片总体积为2mm3mm0.6mm3，质量为20mg，测量总范围是200g(g是重力加速度)，最大过载量是600g，分辨率为0.001g。谐振频率为2.33kHz。图5.24所示，大的惯性质量块有利于获得高灵敏度和低噪声，故采用了体加工技术，并形成玻璃-硅-玻璃的夹层结构。中间层为包含悬臂梁和惯性质量块结构的硅片。两个经各向同性腐蚀的玻璃片键合在硅片外面，构成使硅敏感结构有活动余量的封闭腔，并可

34、限制冲击和适当减震。中间硅片由双面腐蚀制作而成，惯性质量块通过悬臂梁支撑并连接在外围结构(参考支架)上，扩散形成的压敏电阻集成在悬臂梁上。,微传感器,2.电容式微型加速度计图5.25所示为平板电容式微型加速度计系统原理图。悬臂梁支撑下的惯性质量块上固连可动电极，两玻璃盖板的内表面上都制作固定极板，三者键合形成可检测活动极板相对位置运动的差动电容。中间硅摆片尺寸为3.2mm5mm，由双面体硅刻蚀加工而成。,光栅数字传感器,光栅传感器实际上是光电传感器的一个特殊应用。由于光栅测量具有结构简单、测量精度高、易于实现自动化和数字化等优点，因而得到了广泛的应用。,一光栅的结构和类型,光栅主要由标尺光栅和

35、光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在活动部件上，如机床的工作台或丝杆上。光栅读数头则安装在固定部件上，如机床的底座上。当活动部件移动时，读数头和标尺光栅也就随之做相对的移动。,1.光栅尺标尺光栅和光栅读数头中的指示光栅构成光栅尺，如图5.26所示，其中长的一块为标尺光栅，短的一块为指示光栅。两光栅上均匀地刻有相互平行、透光和不透光相间的线纹，这些线纹与两光栅相对运动的方向垂直。从图上光栅尺线纹的局部放大部分来看，白的部分b为透光线纹宽度，黑的部分a为不透光线纹宽度，设栅距为W，则W=a+b，一般光栅尺的透光线纹和不透光线纹宽度是相等的，即a=b。常见长光栅的线纹宽度为(25，50，100

36、，125，250)线/mm。,光栅数字传感器,2.光栅读数头光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。光栅按其形状和用途可以分为长光栅和圆光栅两类，长光栅用于长度测量，又称直线光栅，圆光栅用于角度测量；按光线的走向可分为透射光栅和反射光栅。,光栅数字传感器,二光栅传感器的工作原理,如两块栅距相等的光栅叠合在一起，并使它们的刻线之间的夹角为时，这时光栅上就会出现若干条明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。,光栅数字传感器,三辨向与细分电路,1.辨向原理在实际应用中，被测物体的移动方向往往不是固定的。无论主光栅向前或向后移动，在一固定点观察时，莫尔条纹都是作明暗交替变化。因此，只根据一条

37、莫尔条纹信号，则无法判别光栅移动方向，也就不能正确测量往复移动时的位移。为了辨向，需要两个一定相位差的莫尔条纹信号。,光栅数字传感器,图5.30辨向逻辑工作原理和逻辑电路1.)2.光电元件3.指示光栅4.莫尔条纹光栅移动方向；)对应)的莫尔条纹移动方向,A方向，U01产生上升沿脉冲时，u02为1，反相时，u02为0,2.细分技术由前面讨论可知，当光栅相对移动一个栅距W，则莫尔条纹移过一个间距B，与门输出一个计数脉冲。这样其分辨率为W。为了能分辨比W更小的位移量，就必须对电路进行处理，使之能在移动一个W内等间距地输出若干个计数脉冲，这种方法就称为细分。由于细分后计数脉冲的频率提高了，故又称为倍频

38、。通常采用的细分方法有四倍频细分、电桥细分、复合细分等。作为电子细分方法它们均属于非调制信号细分法，下面简要介绍电桥细分法。电桥细分法的基本原理可以用下面的电桥电路来说明。图5.31(a)所示的电桥电路和分别为从光电元件得到的两个莫尔条纹信号，R1和R2是桥臂电阻，RL为过零触发器负载电阻。,光栅数字传感器,电桥细分电路,光栅数字传感器,选取不同R1/R2值，就可以得到任意的值，即在一个节距W以内的任何地方经过零触发器输出一个脉冲。,图5.31(b)给出了一个10倍频细分的电位器桥细分电路，图中标明了各输出口的初相角。电桥接在放大级的后面，因为光电元件输出信号的幅值和功率都很小，直接与电桥相连

39、接，将使后面的脉冲形成电路不能正常工作，此电路最大可进行12倍频细分。细分电桥是无源网络，它只能消耗前置级的功率，细分数越大，消耗功率越多，所以在选择桥臂电阻的阻值时，应考虑前后两级的衔接问题。阻值太大，影响输出，对后级不利；阻值太小，消耗功率太大，对前级加重负载；因此，应根据前级的负载能力、细分数和后级吸收电流要求综合考虑。,光栅数字传感器,四光栅数显装置,光栅数显装置的结构示意图和电路原理框图如图5.32所示。,光栅数字传感器,1读数头；2壳体；3发光接受线路板；4指示光栅座；5指示光栅；6光栅刻线；7光栅尺；8主光栅,下面简要介绍国产光栅数显装置的LSI芯片对应完成的功能。这套芯片共分三

40、片，另外再配两片驱动器和少量的电阻、电容，即可组成一台光栅数显表。1光栅信号处理芯片(HKF710502)该芯片的主要功能是：完成从光栅部件输入信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、记忆功能的实现和分辨率的选择等。2逻辑控制芯片(HKE701314)该芯片的主要功能是：为整机提供高频和低频脉冲；完成BCD译码；XJ校验以及超速报警。3可逆计数与零位记忆芯片(HKE701201)该芯片的主要功能是：接受从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完成可逆计数；接受参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。,光栅数字传感器,五光栅传感器的应用,由于光

41、栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面，光栅传感器都起着重要作用。光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等如图5.33所示为光栅式万能测长仪的工作原理图。主光栅采用透射式黑白振幅光栅，光栅栅距W0.01m，指示光栅采用四裂相光栅，照明光源采用红外发光二极管TIL-23，其发光光谱为930nml000nm，接收用LS600光电三极管，两光栅之间的间隙为0.02nm0.035mm，由于主光栅和指示光栅之间

42、的透光和遮光效应，形成莫尔条纹，当两块光栅相对移动时，便可接收到周期性变化的光通量。利用四裂相指示光栅依次获得sin、cos、-sin和-cos四路原始信号，以满足辨向和消除共模电压的需要。,光栅数字传感器,图5.33光栅式万能测长仪的工作原理图,光栅数字传感器,辨向,由光栅传感器获得的四路原始信号，经差分放大器放大、移相电路分相、整形电路整形、倍频电路细分、辨向电路辨向进入可逆计数器计数，由显示器显示读出。这是光栅式万能测长仪从光栅传感器输出信号后读出的整个逻辑，每步逻辑由相应的电路来完成，通常采用大规模集成电路来实现以上功能。随着微机技术的不断发展，目前人们已研制出带微机的光栅数显装置。采

43、用微机后，可使硬件数量大大减少，功能越来越强。,光电式传感器,顾名思义，光电式传感器就是将光信号转化成电信号的一种器件，简称光电器件。要将光信号转化成电信号，必须经过两个步骤：一是先将非电量的变化转化成光量的变化；二是通过光电器件的作用，将光量的变化转化成电量的变化。这样就实现了将非电量的变化转化成电量的变化。由于光电器件的物理基础是光电效应，光电器件是有响应速度快、可靠性较高、精度高、非接触式、结构简单等特点，因此光电式传感器在现代测量与控制系统中，应用非常广泛。,光电式传感器,光电效应,光电器件,光源及光学元件,光电式传感器的应用,光纤传感器,图像传感器,红外传感器,光电式传感器,一光电效

44、应,光电效应就是指一束光线照射到物质上时，物质的电子吸收了光子的能量而发生了相应的电效应现象。那么，产生光电效应的这种物质就叫光电材料。产生光电效应现象诸如有电阻率的变化、电子逸出、电动势的变化等。根据光电效应现象的不同特征，可将光电效应分为三类。(1)外光电效应：在光线照射下，使电子从物体表面逸出的现象。如光电管、光电倍增管等。(2)内光电效应：在光线照射下，使物体的电阻率发生改变的现象。如光敏电阻等。(3)光生伏特效应：在光线照射下，使物体产生一定方向的电动势的现象。如光敏二极管、光敏三极管、光电池等。,光电式传感器,二光电器件,根据光电效应制作的器件称为光电器件，也称光敏器件。光电器件的

45、种类很多，但其工作原理都是建立在光电效应这一物理基础上的。光电器件的种类主要有:光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光电耦合器件。下面就介绍这些光电器件的结构、工作原理、参数、基本特性。,光电式传感器,图5.34光电管的典型结构,1.光电管光电管的典型结构如图5.34所示。由玻璃壳、两个电极(光电阴极K和阳极A)、引出插脚等组成。是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂上一层光电材料作为阴极K，球心放置小球形或小环形金属作为阳极A。当阴极K受到光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极A吸引，朝阳极A方向移动，这样就在光电管内产生了电子流，当然，在外电路中便产生了电流。

46、,光电式传感器,光电管的伏安特性曲线：是指当光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系曲线。如图5.35所示为真空光电管的伏安特性曲线；而图5.36所示为充气光电管的伏安特性曲线。通过观察这两种伏安特性曲线图，在阳极电压的一段范围内，阳极电流不随阳极电压的变化而变化，达到了比较稳定的饱和区。这就是光电管的工作静态点。选择光电管的工作参数点时，就应选在光电流与阳极电压无关的区域内。,光电式传感器,2.光电倍增管1)光电倍增管的结构和工作原理光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，顾名思义是把微弱光信号转变成电信号且进行放大的器件，光电倍增管的典型结构和工作原理如图5.37所示。,光电式传感器

47、,光阴极通常由脱出功较小的锑铯或钠钾锑铯的薄膜组成，光阴极接负高压，各倍增极的加速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给，灵敏检流计或负载电阻接在阳极A处，当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使D1产生二次电子发射。每一个电子的轰击约可产生35个二次电子，这样就实现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击D2，。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有813个，最后一级倍增极Dn发射

48、的二次电子被阳极A收集，其电子数目可达光阴极K发射光电子数的146倍以上。这使光电倍增管的灵敏度比普通光电管要高得多，可用来检测微弱光信号。光电倍增管高灵敏度和低噪声的特点，使它在红外、可见和紫外波段检测微弱光信号是最灵敏的器件之一，被广泛应用于微弱光信号的测量、核物理领域及频谱分析等方面。,光电式传感器,2)光电倍增管的主要参数(1)暗电流。光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流光电倍增管在工作时，其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成。当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略，但是当光信号非常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在

49、同一数量级时，暗电流将严重影响对光信号测量的准确性。所以暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。,光电式传感器,(2)光谱响应特征。光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的，这一特性可用光谱响应率表示。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为(5-3)式中，P()为入射到光阴极上的单色辐射功率；I()是在该辐射功率照射下所产生的阳极电流；S()是波长的函数，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的绝对光谱响应曲线。测量S()十分复杂，因此在一般测量中都是测量它的相对值。为此，可以把S()中的

50、最大值当作一个单位对所有S()值进行归一化，这时就得到：(5-4),光电式传感器,3)光电倍增管的测量原理光电倍增管的测量原理如图5.38所示。标准光源发出的光经过聚光系统被聚焦在单色仪的入射狭缝S1上，通过单色仪的色散作用，在其出射狭缝处可以获得单色光。此单色光功率被光电倍增管所接收放大后，在阳极A上产生相应的电信号，可以由数字电压表直接读出。调整单色仪的色散系统(鼓轮)，可以改变单色仪输出光的波长，就可以得到光电倍增管在不同波长的光照射下产生的阳极电信号。,光电式传感器,3.光敏电阻1)光敏电阻的工作原理与结构光敏电阻是一种基于内光电效应制成的光电器件，光敏电阻没有极性，相当于一个电阻器件

51、。光敏电阻的工作原理如图5.39所示。在光敏电阻的两端加直流或交流工作电压的条件下，当无光照射时，光敏电阻电阻率变大，从而光敏电阻值(RG)很大，在电路中电流很小；当有光照射时，由于光敏材料吸收了光能，光敏电阻率变小，从而(RG)呈低阻状态，在电路中电流很大。光照越强，阻值越小，电流越大。当光照射停止时，(RG)又逐渐恢复高电阻值状态，电路中只有微弱的电流。光敏电阻的外型与结构如图5.40所示。由一块两边带有金属电极的光电半导体组成，电极和半导体之间组成欧姆接触。由于半导体吸收光子而产生的光电效应，仅仅照射在光敏电阻表面层，因此光电导体一般都做成薄层。,光电式传感器,光电导层；玻璃；金属壳；电

52、极；绝缘衬底；黑色绝缘玻璃；引线,图5.39光敏电阻的工作原理图5.40光敏电阻的外型与结构,光敏电阻具有灵敏度高，可靠性好以及光谱特性好，精度高、体积小、性能稳定、价格低廉等特点。因此，广泛应用于光探测和光自控领域。如：照相机、验钞机、石英钟、音乐杯、礼品盒、迷你小夜灯、光声控开关、路灯自动开关以及各种光控动物玩具，光控灯饰灯具等方面。,光电式传感器,表5-3几种光敏电阻的参数,2)光敏电阻的主要参数,光电式传感器,(1)暗电阻与暗电流。暗电阻是指光敏电阻在不受光照射时的电阻值，在给定工作电压下，流过光敏电阻的电流称为暗电流。(2)亮电阻与亮电流。光敏电阻在有光照射时的阻值，称为该光照射下的

53、亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。(3)光电流。光电流是指亮电流与暗电流的差值。显然，亮电阻与暗电阻的差值越大，光电流越大，灵敏度也越高。,光电式传感器,3)光敏电阻的基本特性(1)伏安特性。伏安特性是指在一定的光照下，加在光敏电阻两端的电压和光电流之间的关系。伏安特性曲线如图5.41所示。由图可以看出，在外加电压一定时，光电流的大小随光照的增强而增加。在使用时光敏电阻受耗散功率的限制，其两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由它可以确定光敏电阻的正常工作电压。,光电式传感器,(2)光照特性。光照特性是指在外加一定的电压时，光敏电阻的光电流与光通量之间的关系。光照特性曲线如图

54、5.42所示。由图可见，该曲线是非线性的。因此光敏电阻不宜测量元件，而常在自动控制中用做光电开关。,（3）光谱特性,不同材料的光敏电阻的光谱特性相差很大,（4）响应时间与频率特性,光电式传感器,(5)温度特性。图5.45光敏电阻的温度特性温度特性是指在一定的光照下，光敏电阻的阻值、灵敏度或光电流受温度的影响。随着温度的升高，暗电阻和灵敏度都下降。温度特性曲线如图5.45所示。显然，光敏电阻的温度系数越小越好，但不同材料的光敏电阻，温度系数是不同的。因此使用光敏电阻时应考虑采用降温措施，改善光敏电阻的温度系数。,图5.45光敏电阻的温度特性,4)光敏电阻的检测首先将万用表置RXlk挡，其次置光敏

55、电阻于光源近处，可测得光敏电阻的亮电阻；最后用黑布遮住光敏电阻的表面，可测得光敏电阻的暗阻值。若亮阻值为几千欧到几十千欧，暗阻值为几兆欧至几十兆欧，则说明是好的光敏电阻。,光电式传感器,4.光敏二极管和光敏三极管1)工作原理与结构光敏二极管的结构与一般的二极管相似，其PN结对光敏感。将其PN结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗口，以便使光线集中在PN结上。光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光电器件。光敏二极管的工作原理和结构如图5.46所示。光敏二极管工作时外加反向工作电压，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，此时光敏二极管处于截止状态。当有光照射时，在PN结附近产生光生

56、电子和空穴对，从而形成由N区指向P区的光电流，此时光敏二极管处于导通状态。当入射光的强度发生变化时，光生电子和空穴对的浓度也相应发生变化，因而通过光敏二极管的电流也随之发生变化，光敏二极管就实现了将光信号转变为电信号的输出。在家用电器、照相机中光敏二极管用来作自动测光器件。,光电式传感器,(a)结构(b)工作原理图5.46光敏二极管的工作原理和结构,光电式传感器,光敏三极管有NPN和PNP型两种，是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通晶体三极管，外形与光电二极管相似。光敏三极管工作原理与光敏二极管很相似。光敏三极管的工作原理和结构如图5.47所示，具有两个PN结。当光照射在基极-集

57、电结上时，就会在集电结附近产生光生电子-空穴对，从而形成基极光电流。集电极电流是基极光电流的倍。这一过程与普通三极管放大基极电流的作用很相似。所以光敏三极管放大了基极光电流，它的灵敏度比光敏二极管高出许多。,(a)结构(b)工作原理图5.47光敏三极管的工作原理和结构,光电式传感器,2)主要参数光敏二极管主要参数如表5-4所示，光敏三极管主要参数如表5-5所示。,表5-4光敏二极管的主要参数,光电式传感器,表5-5光敏三极管的主要参数,光电式传感器,(1)暗电流。光敏二极管的暗电流是指光敏二极管无光照射时还有很小的反向电流。暗电流决定了低照度时的测量界限。光敏三极管的暗电流就是它在无光照射时的

58、漏电流。(2)短路电流。光敏二极管的短路电流是指PN结两端短路时的电流，其大小与光照度成比例。(3)正向电阻和反向电阻。当无光照射时，光敏二极管正向电阻和反向电阻均很大。当有光照射时，光敏二极管有较小的正向电阻和较大的反向电阻。3)基本特性(1)光照特性。光敏二极管和光敏三极管的光照特性如图5.48所示。从图中可以看出，光敏二极管的光照特性曲线的线性比光敏三极管好。但是，光敏三极管的光电流比光敏二极管大，因为光敏三极管具有电流放大倍数。因此，光敏三极管的信噪比要比光敏二极管小。,光电式传感器,(a)光敏三极管的光照特性(b)光敏二极管的光照特性图5.48光敏二极管和光敏三极管的光照特性,光电式传感器,(2)光谱特性。光敏二极管和光敏三极管的光谱特性如图5.49所示。从图中可以看出，光子能量的大小与光的波长有关系。波长越长，光子的能量越小；波长越短，光子的能量也越小。因此，光敏二极管和光敏三极管对入射光的波长有一个响应范围。如锗管的响应范围在0.6m1.8m波长附近；而硅管的响应范围在0.4m1.2m波长附近。,图5.49光