1、2022-7-231现代传感器技术现代传感器技术面向物联网专业面向物联网专业第二篇第二篇 基本感测原理和效应及器件基本感测原理和效应及器件 -常用物理效应及器件常用物理效应及器件2022-7-2324.常用效应与器件常用效应与器件 4.1 弹性效应与元件及特性弹性效应与元件及特性4.1.1弹性效应概述弹性效应概述1 1）弹性效应）弹性效应弹性材料在其弹性变形范围内能感受相应的力作用而产生弹性变形，外力消失后又能恢复原状的现象。2）传感原理）传感原理弹性元件基于弹性效应把许多种形式的非电量转换为便于转换为电量的应变或位移量。弹性体元件的敏感性能是决定结构型传感器（包括新型的微传感器）性能的首要因
2、素。2022-7-2334.1 弹性效应与元件及特性弹性效应与元件及特性4.1.2 弹性敏感元件与特性弹性敏感元件与特性1 1）理想弹性元件的特性）理想弹性元件的特性 理想弹性元件的输入输出特性一般可表示为 y=a0+a1x+a2x2+a3x3+式中，x为输入量；y为输出量；a0、a1、a2、a3、为与具体弹性元件有关的常数，a0为零位输出。例如，若要描述弹性元件的压力位移特性，上式应改写为 P=a1+a22+a33+式中，P为输出压力；为弹性敏感元件中心的位移。上式说明压力-位移特性是非线性关系。2022-7-234 4.1.2弹性敏感元件与特性弹性敏感元件与特性2 2）弹性元件的基本特性弹
3、性元件的基本特性一般用刚度和灵敏度表征基本特性。(1)刚度刚度：弹性元件产生单位位移所需的力（或压力）。用符号k表示刚度，则(2)灵敏度灵敏度：作用于弹性元件上单位力（或压力）所产生的变形；它是刚度的倒数；用符号K代表，则 K=d/dF若弹性特性为线性，则灵敏度为常数；弹性特性为非线性，则灵敏度为变数，也即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各种受力情况下的变形量不相等。dlim()d FFk4.1 弹性效应与元件及特性弹性效应与元件及特性2022-7-235 4.1.2 弹性敏感元件与特性弹性敏感元件与特性3 3）弹性元件的其他特性及重要因素弹性元件的其他特性及重要因素固有频率固有频率：弹性元件
4、的动态特性很大程度上由其固有频率决定，对于很多传感器，为减少动态误差应提高其固有频率。固有频率计算复杂，实际计算时只给出最低固有频率，也可用下式估算：，me为元件的等效质量。参数获取方法参数获取方法：根据对具体弹性元件结构的力学分析与实验得到其特性参数。表3-3-13分别给出了一些典型结构的弹性元件的力学特性、刚度系数和最低固有频率等参数。其他重要因素其他重要因素：材料性能影响弹性元件的特性；元件结构对其功能和性能有影响；温度变化会改变材料的弹性模量。e12kfm4.1 弹性效应与元件及特性弹性效应与元件及特性2022-7-236 4.2.1电阻应变原理与器件电阻应变原理与器件1）相关概念）相
5、关概念电阻应变是力作用的结果电阻应变是力作用的结果，涉及应力、应变、弹性模量和泊松比等概念。应力应力：力/受力面积；应力为正，表拉长物体的拉应力，为负，表示物体受压；应力作用的结果是使物体产生应变。应变应变：长度变化/未加应力时的原长。图（a）中应变为=+l/l（拉伸），图（b）中应变为=l/l（压缩）。这两种情况都是纵向应变。应变与应力呈线性关系，直线的斜率称为物体的弹性模量E E=应力/应变对于线性拉伸或压缩，弹性模量称为杨氏模量E；对于剪应力，相关的弹性模量称为剪切模量S。4.2 电阻应变效应与器件电阻应变效应与器件2022-7-237 4.2.1电阻应变原理与器件电阻应变原理与器件1）
6、应变效应）应变效应金属或半导体制成的元件受力作用产生应变时，其电阻值发金属或半导体制成的元件受力作用产生应变时，其电阻值发生变化的现象称应变效应生变化的现象称应变效应；据此效应工作的元件称应变片；据此效应工作的元件称应变片。已知长为l、横向面积为A、电阻率为的材料电阻为R=l/A，当元件有应变时，其、l、A也变化，其电阻的相对变化为：其中l/l是元件的纵向应变L，设横截面积A=Wt(W为宽、t为厚)，则A/A=W/W+t/t=2T，其中T是元件的横向应变。根据材料力学原理有T=L(称为泊松比，由材料决定)。根据上述公式和关系，可得电阻的相对变化为：R/R=L2T+/=(1+2)L+/RlARl
7、A4.2 电阻应变效应与器件电阻应变效应与器件2022-7-238 4.2.1电阻应变原理与器件电阻应变原理与器件2）应变材料的灵敏系数）应变材料的灵敏系数(K)灵敏系数K定义为电阻的相对变化与应变之比，即：K=(R/R0)/L,其中R0是无应变时的电阻。因此，应变材料的电阻相对变化与其线应变成正比，即：R/R0=KL 金属材料受力后电阻率的相对变化与体积V的变化关系为 d/=CdV/V，其中C是由材料和加工方式决定的常数。由V=lA可得：d/=C(dl/l+dA/A)=C(L+2T)=C(12)L因此，应变片的电阻变化可用下式表示：R/R0=(1+2)L+C(12)L=KL由上可知，金属材料
8、的应变效应主要由结构尺寸变化造成，金属材料的应变效应主要由结构尺寸变化造成，灵敏系数主要由（灵敏系数主要由（1+2）决定）决定。4.2 电阻应变效应与器件电阻应变效应与器件2022-7-239 4.2.1电阻应变原理与器件电阻应变原理与器件2）应变片的结构和灵敏系数）应变片的结构和灵敏系数金属电阻应变片的组成：保护片+敏感栅+基底+引线。如图所示，敏感栅为金属丝或金属箔，粘贴在绝缘基底上，上面再贴一层绝缘保护片，然后在敏感栅的两引出点引线。敏感栅存在横向效应等因素影响，使应变片的灵敏系数小于敏感栅材料的灵敏系数。通常应变片的灵敏系数通过实验由给定应变下的电阻值变化确定，即K=(R/R).4.2
9、 电阻应变效应与器件电阻应变效应与器件2022-7-23104.2 电阻应变效应与器件电阻应变效应与器件4.2.1电阻应变原理与器件电阻应变原理与器件2）应变片的结构和灵敏系数）应变片的结构和灵敏系数 半导体应变片主要基于半导体的压阻效应，直接用单晶锗或硅等材料经切割、研磨、切条、接引线、粘贴等工艺制成，其结构如右图所示。相对金属电阻应变片，半导体应变片的灵敏度系数很高，但其温度稳定性及重复性不如金属应变片。概念小结：概念小结：金属应变片的应变效应及灵敏系数；金属应变片的应变效应及灵敏系数；半导体应变片的应变效应及灵敏系数。半导体应变片的应变效应及灵敏系数。2022-7-23114.2 电阻应
10、变效应与器件电阻应变效应与器件4.2.1 电阻应变原理与器件电阻应变原理与器件3 3）应变片和应变式传感器的特点及应用应变片和应变式传感器的特点及应用(1)应变片的应用应变片的应用 主要用于结构应力、应变分析和作为传感器的转换元件主要用于结构应力、应变分析和作为传感器的转换元件。在第一种应用中，将应变片贴于待测构件的测量部位，测量构件的应力或应变，用于机械、建筑等构件的受力、变形测试分析，为构件结构的设计、校验等提供可靠数据。在第二种应用中，应变片作为转换元件贴于弹性元件上，与弹性元件组合实现测量力/压力及位移、加速度的传感器。(2)应变电阻测量应变电阻测量应变片阻值变化常用电桥法测量应变片阻
11、值变化常用电桥法测量。为提高灵敏度、克服非线性，常用差动半桥(双片)或差动全桥(四片)方式。2022-7-23124.2.1 电阻应变原理与器件电阻应变原理与器件3 3）应变片和应变式传感器的特点及应用应变片和应变式传感器的特点及应用(3)应变式传感器的主要特点应变式传感器的主要特点（a）测量范围广测量范围广：几到数千(1=10-6)应变，10-2107 N力,10-1106 Pa压力。（b）线性度好，精度较高线性度好，精度较高（误差可小于0.1%或更小）。（c）频率响应好频率响应好：一般响应时间10-7s，半导体达10-11s，动态测量l05 Hz级；但实际反映的是应变片所受应变的均值。（d
12、）性能稳定，工作可靠，性价比高性能稳定，工作可靠，性价比高。（e）适应恶劣环境、大加速度和振动条件适应恶劣环境、大加速度和振动条件：经适当结构设计及选材，可在高、低温，强腐蚀及核辐射下可靠工作。（f）须考虑横向效应须考虑横向效应引起的横向灵敏度与温度影响的补偿温度影响的补偿。另外另外，应变片粘贴涉及被测表面变形能否正确传给应变片；黏合剂须与应变片材料和试件材料相适应，遵循正确工艺。4.2 电阻应变效应与器件电阻应变效应与器件2022-7-2313 4.2.2 压阻效应与器件压阻效应与器件1 1）压阻效应与压阻系数）压阻效应与压阻系数(1)压阻效应：压阻效应：半导体晶体承受机械力后其电阻值增加或
13、减小的现象。本征半导体的压阻效应机理解释机理解释：半导体承受机械力之后，晶格间隔改变引起其禁带宽度变化导致电阻变化。压阻式传感器基于压阻效应，在半导体材料基片上经扩散电阻而制成。作为敏感元件的基片受外力作用而产生形变，使得在基片上扩散的电阻组成的电桥产生不平衡输出。测压力和速度的固态硅压阻式传感器应用最为普遍。4.2 电阻应变效应与器件电阻应变效应与器件2022-7-2314 4.2.2 压阻效应与器件压阻效应与器件1 1）压阻效应与压阻系数）压阻效应与压阻系数(2)压阻系数压阻系数 由半导体电阻理论可知，电阻率的相对变化为 d/=L L=L E L:沿晶向L的压阻系数(m2/N);L:沿晶向
14、L的应力(N/m2);E:半导体材料的弹性模量(N/m2);:轴向应变。根据欧姆定律，半导体材料的电阻R因外力作用而发生的相对变化为:dR/R=d/+(1+2)dL/L令d/=，则上式可写成 dR/R=+(1+2)dL/L=(E+1+2)=K 半导体材料的E比1+2大许多，1+2可忽略不计。4.2 电阻应变效应与器件电阻应变效应与器件2022-7-2315 4.2.2 压阻效应与器件压阻效应与器件1 1）压阻效应与压阻系数）压阻效应与压阻系数(2)压阻系数压阻系数 对半导体材料，E1+2，上式可写为:R/R=/=其中为压阻系数、为应力、为半导体材料的电阻率。可见：半导体材料的电阻变化率R/R主
15、要由/引起，也即由压阻效应产生。在弹性变形限度内，硅的压阻效应可逆，因此除去应力时，硅的电阻可恢复原数值。(3)(3)影响压阻系数的因素影响压阻系数的因素 主要是半导体材料中扩散杂质的表面浓度和所切割材料的晶向。扩散杂质表面浓度增加，压阻系数减小。表面杂质浓度低时，温度增加，压阻系数下降快；表面杂质浓度高时，温度增加，压阻系数下降慢。4.2 电阻应变效应与器件电阻应变效应与器件2022-7-2316 4.2.2 压阻效应与器件压阻效应与器件 2 2）固态压阻器件）固态压阻器件(1)器件的原理、结构器件的原理、结构 利用固体扩散技术，把P型杂质掺杂到N型硅底层上，形成一薄层导电P型层，安装引线接
16、点，就制成了扩散型半导体应变片。如图所示，在圆形硅膜片上扩散4个P型电阻，构成惠斯通电桥的四臂，就得到通常的固态压阻器件。1N-Si膜片 2P-Si导电层 3黏结剂 4硅底座 5引压管 6SiO2保护膜 7引线固态压阻器件结构图4.2 电阻应变效应与器件电阻应变效应与器件2022-7-2317 4.2.2 压阻效应与器件压阻效应与器件 2）固态压阻器件）固态压阻器件(2)测量桥路及其温度补偿测量桥路及其温度补偿 压阻器件的阻值和灵敏度系数受温度影响较大，温度影响会产生零位温度漂移和灵敏度系数温度漂移，另外也明显地受掺杂浓度、供桥电源和桥路等内部及外部因素影响。零位温漂即电桥的零位电压随温度的变
17、化。对零位温漂，一般采用在桥臂上串、并联电阻进行补偿。为减小温度影响，压阻器件一般用恒流源供电。如图，若电桥中2个支路的电阻相等，即RABC=RADC=2(R+Rt)，则有 IABC=IADC=I/2因此，电桥的输出可表示为 Usc=UBD=I(R+R+Rt)(RR+Rt)/2=IR 4.2 电阻应变效应与器件电阻应变效应与器件2022-7-23184.2.2 压阻效应与器件压阻效应与器件 2）固态压阻器件）固态压阻器件(2)测量桥路及其温度补偿测量桥路及其温度补偿（a a）灵敏度温度补偿灵敏度温度补偿:一般采用在电源回路中串联二极管的方法补偿灵敏度温漂。（b b）零点温度补偿零点温度补偿:零
18、点温漂是由于桥中4个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致所引起的。一般采用串、并联电阻法补偿，如图所示，其中，并联电阻主要起补偿作用，串联电阻主要起调零作用。4.2 电阻应变效应与器件电阻应变效应与器件2022-7-23194.3.1 压电效应与材料压电效应与材料1 1）压电效应）压电效应 外力沿压电材料特定晶向作用使晶体变形，使得相对的晶面上产生电荷，去掉外力后压电材料又重回不带电状态，这种由外力作用产生电极化的现象称为正压电效应正压电效应。压电效应可逆，在压电材料特定晶向施加电场时，不仅有极化现象发生，还产生机械形变；去掉电场，应力和形变也随之消失，这种现象称为逆压电效应逆压电效应。当外力F沿
19、特定方向作用压电晶体时，在相对晶面上产生电荷Q，两者的关系可表示为 Q=dF式中，d为压电常数，反映外力与其产生电荷的比例关系，表征压电效应的强弱程度。4.3 压电效应与器件压电效应与器件2022-7-23204.3 压电效应与器件压电效应与器件 4.3.1压电效应与材料压电效应与材料1 1）压电效应）压电效应 要考虑特定外力作用方向（晶向）和特定的产生电荷的晶面（垂直晶向的晶体表面）之间的关系时，常用下式表示：式中，qi为电荷密度；j为应力；dij为压电常数；i=1，2，3表示晶体的极化方向;j=1，2，6，其中1、2、3分别表示沿x轴、y轴、z轴方向作用的单向应力，4、5、6分别表示作用在
20、垂直于x轴、y轴、z轴方向的剪切应力，如图所示。有一种电致伸缩效应类似逆压电效应，但电致伸缩效应作用在电介质上，与电场方向无关，应变大小正比于场强平方。61iijjjqd2022-7-23214.3 压电效应与器件压电效应与器件4.3.1 压电效应与材料压电效应与材料2 2）常用压电材料）常用压电材料(a)石英晶体石英晶体：最早应用的压电材料，现在仍是最重要、用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。后来出现了人造压电石英和压电陶瓷。(b)压电陶瓷压电陶瓷：其机理与单晶体如石英等不同，主要利用多晶压电陶瓷的电致伸缩效应，目前压电传感器中常用锆钛酸铅（PZT）等压电陶瓷。另外，铌酸锂
21、和钽酸锂等压电让陶瓷材料广泛应用于声表面波（SAW）器件，氧化锌和氮化铝等压电薄膜是微波器件的关键性材料。2022-7-23224.3 压电效应与器件压电效应与器件4.3.2 压电元件的等效电路和测量电路压电元件的等效电路和测量电路1)1)压电元件压电元件 在压电材料垂直于极化方向的表面（其上呈现电荷）镀上金属电极、接上引线即可构成压电元件。2)等效电路等效电路 压电元件可视为电荷发生器电荷发生器。压电元件受外力作用时在垂直于电轴或垂直于极化方向的两个相对表面产生电荷，一个面上聚集正电荷，另一个面上为等量负电荷。当压电元件两表面聚集电荷时它是电容器，其电容量为Ca=s/t=r0s/t式中，s为
22、电容器极板面积(m2)；t为压电元件厚度(m)；为压电材料的介电常数（F/m）；r为压电材料的相对介电常数；0为真空中的介电常数，0=8.851012 F/m；Ca为压电传感器的内部电容（F）。2022-7-23234.3 压电效应与器件压电效应与器件4.3.2 压电元件的等效电路和测量电路压电元件的等效电路和测量电路2)2)等效电路等效电路 压电元件可等效为一个电荷源与一个电容并联电路。电容器上的电压ua（开路电压）、电荷q与电容Ca三者存在关系：ua=q/Ca，因此，压电元件也可等效为一个电压源与一个电容串联的等效电路，考虑压电传感器的泄漏电阻时，电路如图所示。2022-7-23244.3
23、 压电效应与器件压电效应与器件 4.3.2 压电元件的等效电路和测量电路压电元件的等效电路和测量电路3 3）测量电路测量电路 压电元件输出信号非常微弱，需放大才能实现测量。但压电元件内阻抗相当高，难以直接使用一般放大器放大。除阻抗匹配问题外，连接电缆长度、噪声都是突出问题。一般都需前置放大，这种电压前置放大器也称为阻抗变换器。压电元件前置放大器的两种形式：电压放大器，输出正比于输入（即压电元件输出的电压）；电荷放大器，输出电压正比于输入电荷。2022-7-23254.3 压电效应与器件压电效应与器件 4.3.2 压电元件的等效电路和测量电路压电元件的等效电路和测量电路3 3）测量电路测量电路
24、两种前置放大器的主要区别：使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容变化非常敏感，尤其是对连接电缆长度的变化，适用于快变信号；使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响可忽略，适用于慢变信号。电压和电荷放大器连接的等效电路如下。2022-7-23264.3 压电效应与器件压电效应与器件 4.3.2 压电元件的等效电路和测量电路压电元件的等效电路和测量电路3)3)测量电路测量电路特点分析特点分析*对图示电荷放大器，根据放大器“虚地”原理，放大器反馈电容Cf折合到放大器输入端的有效电容为：Cf=(1+A)Cf 放大器的输出电压为：uo=Aq/Ca+Cc+Ci+(1+A)Cf 放大器开环增益A足够大时，有：
25、(1+A)CfCa+Cc+Ci 可知，电缆电容、压电传感器内部电容和放大器输入电容均可忽略不计，放大器输出usc=q/Cf。可认为传感器的输出灵敏度与电缆电容无关，这是电荷放大器的突出优点。电路中Rf是为了使放大工作稳定而提供直流反馈，阻值范围1081010。2022-7-23274.3 压电效应与器件压电效应与器件 4.3.2 压电元件的等效电路和测量电路压电元件的等效电路和测量电路3 3）测量电路）测量电路特点分析特点分析*对电压放大器mm左边部分电路等效化简可得回路输出：式中,ZR/(1+jRC);R=RaRi/(Ra+Ri)为测量回路等效电阻；C=Ca+C=Ca+Ci+Cc为测量回路等
26、效电容;为转换角频率。设F=Fmsint沿元件电轴作用,则Ua=q/Ca=Ca-1d11Fmsint电压放大器输入幅值:输入电压与作用力之间的相位差：=/2arctan(RC)当=0时Uim=0，压电传感器原理决定它不能测静态信号;当(RC)1即RC足够大时，Uim接近实际输入并与CC有关。aainaaCCa/j/1j()CRZRCUUUZRZR CC11mim21()d FRURC2022-7-23284.3 压电效应与器件压电效应与器件 4.3.3 压电式传感器的结构压电式传感器的结构1 1）压电式压力传感器压电式压力传感器使用目的不同，压电式传感器形式不同，但基本原理相同。图示压电式压力
27、传感器的基本结构组成：引线+壳体+基座+压电晶片+受压膜片+导电片等 膜片受力F作用时，压电晶片上产生电荷。每一个压电片上产生的电荷为：q=d11F=d11SP式中，d11为压电系数；F为作用在压电晶片上的力；S为有效膜片面积；P为压强，P=F/S。如果传感器只由一个压电晶片构成，则电荷灵敏度kq=q/P，电压灵敏度ku=U0/P，式中U0为压电晶片的输出电压。2022-7-23294.3 压电效应与器件压电效应与器件 4.3.2 压电式传感器的结构压电式传感器的结构2 2）压电式加速度传感器）压电式加速度传感器又称压电加速度计，用于飞机、车辆等的冲击和振动检测。压电加速度传感器组成：质量块+
28、压电元件+基座等 如图所示，基座用来将传感器与待测物体刚性固定，使基座与待测物以同一加速度运动；压电元件受质量块与加速度方向相反的惯性力作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷（或电压）。信号经前置放大器放大后用测量仪器测量幅值，得到物体的加速度。2022-7-23304.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.1 光电效应及规律光电效应及规律1 1）概念）概念物质在光照作用下释放电子的现象称为光电效应光电效应；释放的电子叫光电子光电子，光电子在外电场作用下形成的电流叫光电流光电流。-光电流大小与入射光频率有关，当入射光频率低于某一极限频率时，将不产生光电效应，此极限频率也称为“红限红限”。-只
29、有当入射光频率高于材料的红限频率时，光电流大小才与入射光强度成正比。-按光电子逸出与否光电效应分外光电效应和内光电效应外光电效应外光电效应：光照射使电子逸出金属表面的现象。内光电效应内光电效应：物质受到光照时，其内部原子释放的电子留在体内，使物质的电导率变化或产生光生电动势的现象。2022-7-23314.4 光电效应与器件光电效应与器件4.4.1 光电效应及规律光电效应及规律2 2）外光电效应）外光电效应 光电子需做功(逸出功)克服金属表面势垒才能逸出表面产生电子发射。设mc为电子质量，mc=9.1091031 kg，v0为电子逸出速度（m/s），其动能为0.5mcv02。一个光电子的能量为
30、hv(普朗克常数h=6.62611034 Js，为照射光频率)，它逸出金属表面时的动能需满足:可知，产生光电效应的极限频率v0=h-1，极限波长0=ch-1，其中，c是光速，是波长。物质的电子逸出功越小，产生光电效应所需的极限频率越低(极限波长越长)，越易产生光电效应；该物质制作的电子器件的热电子发射(即暗电流)越显著，产生的噪声也越大。利用外光电效应制作的器件有光电管和光电倍增管等。2c 0102m vh2022-7-23324.4 光电效应与器件光电效应与器件4.4.1 光电效应及规律光电效应及规律3 3）内光电效应）内光电效应 内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。(1)光电导效应
31、：光电导效应：入射光强改变物质电导率的物理现象。几乎所有高电阻率半导体都有此效应。机理机理：光照使光电子获得的能量大于等于禁带宽度时，它从价带越过禁带，跃迁到导带，成为自由电子；同时价带形成一个自由空穴，构成电子空穴对(电子和空穴统称载流子)。载流子浓度增加，使半导体电阻率下降。载流子在端电压作用下形成光电流。基于此效应的器件：光敏电阻、反偏工作的光敏二极管。2022-7-23334.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.1 光电效应及规律光电效应及规律3 3）内光电效应）内光电效应(2)光生伏特效应光生伏特效应:半导体受光照产生一定方向电动势的现象.基于此效应的器件有光敏二极管、光敏三极
32、管和光电池等。情况情况1：半导体器件的光敏面受光照不均匀时，光照部分吸收光子能量产生光电子，使其电子浓度高于未照部分，出现浓度梯度，形成载流子的扩散运动。由于电子的迁移率高于空穴，电子首先流向未光照部分，使光照部分带负电，未照部分带正电，形成光电动势。（丹培效应）2022-7-23344.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.1 光电效应及规律光电效应及规律3 3）内光电效应）内光电效应(2)光生伏特效应光生伏特效应情况情况2：光照射使半导体PN结两端产生电动势。入射到PN结势垒区的光子激发产生的自由电子和价带的自由空穴在结内电场作用下运动，电子被推向N区，空穴被推向P区，从而使P区带正电
33、、N区带负电。由于光电子在N区积累，空穴在P区积累，使PN结两端形成电位差，从而产生光生电动势。若用导线连接P区和N区，电路中有光电流流过。2022-7-23354.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电效应主要器件及基本特性 1 1）光电池）光电池 光电池基于光伏效应将光能转换成电能，光电池有3类。(1)利用PN结光伏效应的电池，如硅、锗、砷化镓光电池(2)利用金属与半导体接触光伏效应的光电池，主要有氧化亚铜光电池和硒光电池；(3)利用丹培效应制成的电池，主要有硫化镉电池等；光电池有体积小、结构简单、质量轻、光电转换效率高、性能稳定和使用方便等特点，
34、不仅用作检测元件，也用作能量变换器。各种光电池的性能随材料、工艺和表面处理的不同而有差异（参见具体产品说明）。2022-7-23364.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电效应主要器件及基本特性 2 2）光敏二极管）光敏二极管 光敏二极管既有PN结的结构又有光电转化功能，故称PN结光敏二极管，有的也称光电二极管。它与一般二极管结构相似，装在透明玻璃壳中，PN结装在管顶，便于接收光。光敏二极管一般工作在反偏压状态，如图所示。特点特点：无光照时的反向电阻很大，有很小的反向饱和电流，反向电流称为暗电流。PN结附近受光产生电子空穴对，在反偏电压下形成光电流，
35、光的照度越大，光电流越大。无光照时，光敏二极管处于截止状态；受光照时，处于导通状态。光敏二极管的符号及电路如图所示，制作材料主要有硅和锗。2022-7-23374.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电效应主要器件及基本特性 3 3）光敏三极管）光敏三极管 光敏三极管具有与普通三极管类似的NPN或PNP结构，引出电极通常是两个，也有三个的。其发射结与光敏二极管一样，有光敏特性；集电结与普通三极管一样，可获得电流增益，其符号和工作电路如图所示。光照发射结产生的光电流相当于基极电流，集电极电流是光电流的倍，所以光敏三极管的灵敏度高于光敏二极管，噪声也比光敏
36、二极管大。在结构上，为保证入射光可靠作用于发射结，基区面积较大，发射区面积较小。光敏三极管接入电路时，集电极接正电压，发射极接负电压。2022-7-23384.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电效应主要器件及基本特性 4）光敏电阻）光敏电阻 光敏电阻又称为光导管，光敏电阻的种类很多，一般由金属硫化物、硒化物、碲化物制成，常见光敏电阻由硫化镉(CdS)材料制成，其他材料有硫化铝、硫化铅、硒化镉等。光作用下半导体的电导率变化现象只局限于光照的物体表面薄膜。只需把掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘基体上就可制成光敏电阻。为提高灵敏度，光敏电阻的电极一般制成梳状;
37、为防止半导体材料潮湿失效，光敏电阻常用带透光窗口的外壳封闭。光敏电阻可在交、直流电压下工作，无光照时的阻值很大（1100 M），电流很小；有光照射时阻值变小，电路电流增大，根据测得的电流值，可计算出照射光的强弱。2022-7-23394.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电效应主要器件及基本特性 4）光敏电阻）光敏电阻 光敏电阻在无光照时的阻值称为暗电阻暗电阻，此时的电流称为暗电流暗电流；有光照射时的电阻称为亮电阻亮电阻，此时的电流称为亮亮电流电流；亮电流和暗电流之差称为光电流光电流。光敏电阻的暗阻越大、亮阻越小越好，以提高灵敏度。实际光敏电阻的暗阻
38、一般在兆欧数量级，亮阻在几千欧以下，暗阻和亮阻之比，一般在102106。光敏电阻结构简单，电路连接方便，灵敏度高，光谱响应的范围可从紫外区到红外区，体积小，性能稳定，价格较低，广泛应用于检测系统。2022-7-23404.4 光电效应与器件光电效应与器件4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电效应主要器件及基本特性 5）光电器件的主要特性）光电器件的主要特性 光电器件的主要特性参数反映了其工作性能。(1)光照特性光照特性：反映器件的输入光量与输出光电流(光电压)之间的关系;灵敏度可用光照特性表征。光照特性常用响应率R描述。对光生电流器件，输出电流Ip与光输入功率Pi之比称为电流响应率Ri
39、；对光生伏特器件，输出电压Up与光输入功率Pi之比称为电压响应率Ru。光照特性非线性与器件应用原则(或方法)分析、介绍：2022-7-23414.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电效应主要器件及基本特性 5 5）光电器件的主要特性）光电器件的主要特性(2)光谱特性光谱特性：光电器件的相对灵敏度与入射光波长的关系，又称光谱响应。材料不同，器件的响应峰值波长不同。为提高光电传感器灵敏度，对包含光源与光电器件的传感器，应根据器件的光谱特性合理选配光源和光电器件；对被测体本身作光源的传感器，则应按被测体的辐射光波长选择光电器件。根据光普特性进行光源与敏感器
40、件匹配的具体方法或原则说明：2022-7-23424.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电效应主要器件及基本特性 5 5）光电器件的主要特性）光电器件的主要特性(3)响应时间响应时间：器件的响应时间反映其动态特性。响应时间短，则动态特性好。对于采用调制光的光电传感器，调制频率上限受器件的响应时间限制。如图所示，光敏电阻响应时间一般为10-110-5s，光敏三极管约2x10-5s。光敏二极管的响应速度比光敏三极管高一数量级，硅管比锗管高一数量级。响应时间还与负载有关，负载小的响应快。根据响应时间选择敏感器件的具体方法或原则说明：2022-7-23434
41、.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电效应主要器件及基本特性 5 5）光电器件的主要特性）光电器件的主要特性(4)(4)温度特性温度特性：温度变化既影响光电器件的灵敏度，也影响光谱特性。下图为硫化铅（PbS）的光谱温度特性。可见，光谱响应峰值随温度升高而向短波方向移动。降温是提高光敏电阻对长波长响应的有效措施。在室温下工作的光电器件由于灵敏度随温度而变，因此高精度检测时，有必要进行温度补偿或在恒温下工作。根据补偿温度影响的一般方法或原则说明：2022-7-23444.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电效应
42、主要器件及基本特性 5 5）光电器件的主要特性）光电器件的主要特性(5)峰值探测率峰值探测率 峰值探测率源于红外探测器，后来沿用到其他光电器件。无光照时，因器件存在固有散粒噪声以及前置放大器输入端的热噪声，使探测器件产生输出。可用噪声等效功率PNE表征此噪声输出。PNE定义：产生与器件暗电流大小相等的光电流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能产生信噪比为1的辐射功率值。PNE与光敏器件的有效光敏面积A和探测系统带宽f有关，且呈平方律关系。探测器件的性能常用峰值探测率D*表征，即D*值大，噪声等效功率小，光电器件性能好。NE*/DAfP2022-7-23454.4 光电效应与器件光电效应与器件
43、4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电效应主要器件及基本特性 6 6）集成光电检测器件）集成光电检测器件 随着IC技术发展，出现了集成光电器件，如光位敏器件(PSD)、光敏对管和CCD、CMOS 图像器件及色敏器件等。(1)一维光位敏探测器一维光位敏探测器（PSD）结构原理结构原理：光照射硅光敏二极管某一位置时，结区产生的空穴移向P层后，一部分沿表面电阻Rl流向1端形成光电流I1;另一部分沿表面电阻R2流向2端形成光电流I2。若电阻层均匀，则：Il/I2=R2/R1=x2/xl。x1+x2=L为1、2两端的固定距离，故测出Il和I2可得光点位置，且位置与流过器件的总电流无关，不受光强度
44、变化影响。2022-7-23464.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电效应主要器件及基本特性(2)二维光位敏探测器二维光位敏探测器（PSD）上述原理同样适用于二维位置检测，其原理结构如右图所示。a,b极检测x方向，a,b极检测y方向。器件特点器件特点：使用方便，可省去复杂的光学聚焦系统，位置分辨力高，可达0.01 m，响应速度比CCD器件快。除用于检测位移、距离外，还可用作运动机构的定位装置、用于振动体、回转体的运动分析，用于倾角测量和水平仪。2022-7-23474.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.2 内光电效应主要器件及基本特性内光电
45、效应主要器件及基本特性 6）集成光电检测器件）集成光电检测器件（3）光敏对管）光敏对管为满足差动输出等应用需要，如图所示,将两个光敏电阻对称布置在同一光敏面上，也可将光敏三极管制成对管形式，构成集成器件。因光电池的集成工艺较简单，它不仅可制成两元件对称布置的形式，而且可制成多个元件的线阵或二维面阵。2022-7-23484.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.3 光电传感器的构成与类型光电传感器的构成与类型 1）光电传感器的构成）光电传感器的构成 一般构成如图示，其中光源和光电/敏元件是基本单元。此外，根据不同光学测量原理和结构，通常还包括不同光学元件或系统、测量电路。光电式传感器需采用
46、某些光学元件，如反射镜和透镜，并按光学原理构成各种光路。要使光电传感器很好地工作，除合理选用光电转换元件、配备合适光源外，还需合适测量线路。测量线路主要根据所用光电器件及工作方式选择或设计。2022-7-23494.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.3 光电传感器的构成与类型光电传感器的构成与类型 2 2）常用光源）常用光源 工程检测可用各种发光器或物体的辐射光作光源，常见有：(1)气体放电光源气体放电光源 如高、低压水银弧，钠弧，氙弧灯等。特点：光谱结构与气体成分有关，如高、低压水银弧灯的光色近日光；钠弧灯发出的光呈黄色。(2)发光二极管发光二极管(LED)属电致发器件，发光波长因材
47、料而异，有体积小、功耗低、寿命长、响应快，使用方便等优点.特点：一般情况(几十mA内)下,其输出光强与输入电流成正比，但过大电流产生非线性，甚至损坏器件。(3)激光器激光器 属相干光源，有单色性和方向性，能量高度集中.原理类别不同，特点不同，常用的如LED激光器,其增益带宽特别高，使用方便，但输出有非线性。2022-7-23504.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.4 光电传感器的构成与类型光电传感器的构成与类型 2）常用光源及特性）常用光源及特性 光源的重要参量如下：辐射特性辐射特性：如白炽灯为非相干的朗勃光源，激光是相干光源;光谱特性光谱特性：辐射的中心波长和谱宽；光电转换特性光电
48、转换特性：光源的电偏置与光源幅射的光学特性之间的 关系；环境特性环境特性：热系数、长时间漂移和老化等;在分析型光电检测系统中，光源光谱的噪声电平也是重要参数。2022-7-23514.4 光电效应与器件光电效应与器件4.4.4 光电传感器的构成与类型光电传感器的构成与类型 3 3）光电传感器类型光电传感器类型 光电传感器种类繁多，按输出量性质可分如下两大类。(1)模拟式光电传感器模拟式光电传感器将被测量转换成连续变化的光电流，要求光电元件光照特性为单值线性，光源光照均匀恒定。此类传感器有下列方式：（a）被测体本身是光源，发出的光射向光电元件。如光电高温计、光电比色高温计、照度计、红外遥感和天文
49、探测等。此方式还可用于防火及火种报警等。（b）被测体位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择确定被测量，如液体、气体的透明度、混浊度，气体成分分析，液体中物质含量测定。2022-7-23524.4 光电效应与器件光电效应与器件 4.4.4 光电传感器的构成与类型光电传感器的构成与类型 3 3）光电传感器类型光电传感器类型(1)模拟式光电传感器模拟式光电传感器（c）恒定光源释出的光投射到被测体上，再从其表面反射到光电元件上，根据反射光强测定被测物表面性质和状态，如测量零件表面位移及粗糙度、缺陷、白度和湿度等。（d）被测物位于恒定光源与光电元件之间，根据被测物阻档光通量
50、的多少测定被测参数，如测长度、厚度、线位移、角位移和角速度等。这种传感器将被测对象作为光闸，主要用于测小孔、狭缝、细丝的直径等。2022-7-23534.4 光电效应与器件光电效应与器件4.4.4 光电传感器的构成与类型光电传感器的构成与类型 3 3）光电传感器类型光电传感器类型（e）时差测距。恒定光源发出的光投射于目的物，然后反射至光电元件，根据发射与接收之间的时间差测出距离。这种时差测距的例子有光电测距仪。（2）开关式光电传感器）开关式光电传感器这类光电传感器利用光电元件受光照或无光照时“有”、“无”电信号输出的特性将被测量转换成断续变化的开关信号。为此，要求光电元件灵敏度高，而对光照特性
