传感器：第八章固态传感器.ppt

第八章 固态传感器,固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因素作用发生变化，这一原理做成的传感器这类传感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料与其它传感器相比有以下特点： 1. 基于物性变化，无运动部件，结构简单，体积小； 2. 动态响应好、且输出为电量； 3. 易于集成化、智能化； 4. 低功耗、安全可靠； 主要缺点有：线性度差、温漂大、过载能力差、性能参数离散性大一、霍尔元件 （一）霍尔效应 如图，在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流I，垂直于电流方向出现电压UH，这一现象称为霍尔效应8.1 磁敏传感器,半导体中形成电流的定向移动电荷，受洛仑兹力作用，产生偏移，电荷受到的洛仑兹力 由于电荷偏移产生霍尔电场，霍尔电场对电荷的作用力为 随着电荷在洛仑兹力作用下偏转，霍尔电场加强，最终达到动态平衡，两力值相等，即 又因为,于是电流强度可表示为 代入前面式子得 （二）霍尔系数和灵敏度 设 ，则上式变为 称为霍尔系数，由材料性质决定 由电阻率公式 ，得 一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此多采用N型半导体材料作为霍尔元件定义霍尔元件灵敏度 于是 由前面公式可看出： 1. 由于金属的电子浓度很高，它的霍尔系数很小，不适合制作霍尔元件； 2. 元件厚度越小，灵敏度越高； 当磁感应强度与霍尔平面法线成角度 时，霍尔电压为,通常霍尔元件使用时两端加的电压为E ，将前面公式中的电流改写为电压更方便。

根据电阻公式 上面霍尔电压公式可写为 （三）材料及结构特点 霍尔元件一般采用N型锗（Ge）、锑化铟（InSb）和砷化铟（InAs）锑化铟元件霍尔电压输出大，但受温度影响也大；锗输出小，温度性能和线性较好霍尔元件结构参见下图 （四）基本电路形式 基本电路图见右 图2007.10.25JGLX303-,（五）电磁特性 1. UH—I 特性 当磁场恒定时，在一定温度下控制电流I与霍尔电压UH的关系，称为UH—I 特性参见下图 定义UH—I 特性直线的 斜率为控制电流灵敏度， 即 由前面公式得,2. UH —B特性 当控制电流恒定时，元件开路霍尔电压与磁感应强的的关系，称为UH —B特性通常UH —B 关系不完全是线性关系参见 下图六）误差分析及其补偿方法 1. 元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响 在前面公式推导中， 假设霍尔片的长度L为无 限长实际上霍尔片具有 一定的长宽比 实 际上，霍尔电压与 相关，前面公式应表示为 称为元件的形状 系数其曲线参见右图霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响，参见下图当霍尔电极的宽度与长度比 时，电极宽度的影响可以忽略2. 不等位电势及其补偿 在霍尔元件制造过程中，不可能保证两个霍尔电极安装在等势面上，因此当控制电流流过元件时，即使磁感应强度为零，在霍尔电极上仍有电压输出，该电压称为不等位电势。

霍尔元件可以等效为一电桥，参见下图不等位电势可以采用补偿网络进行补偿下面为常见的补偿电路3. 寄生直流电势 由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触，在控制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应当元件在磁感应强度为零的情况下输入交流控制电流时，它的输出除了交流不等位电势外，还有一直流分量，该直流分量称为寄生直流电势其大小与工作电流有关，随工作电流减小，直流电势将迅速减小 4. 感应电势 霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电流，由于霍尔元件引线布局不合理，在输出回路会感应出交流电压通过合理布局引线可以减小感应电势参见下图5. 温度误差及其补偿 霍尔元件对温度变化十分敏感，为了提高精度，必须采取温度补偿措施霍尔元件温度补偿电路参见下图霍尔元件内阻与温度关系如下,霍尔元件灵敏度与温度的关系为 补偿电阻r0的选择如下： 设在某基准温度 下，有 由上两式得 当温度上升为 时，同理可得,当温度为 时霍尔电势为 当温度为 时霍尔电势为 设补偿后霍尔电势不变，即 于是有 考虑 ，将前面公式整理得,将上式展开，并略去 项，得 对于霍尔元件，有 ，上式简化为 通过在霍尔元件控制电流输入端并联电阻的方式可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移。

只需要通过霍尔元件的内阻温度系数 和灵敏度温度系数 即可求得补偿电阻的大小另外，采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移补偿电路见下图七）应用 霍尔式位移传感器参见下图霍尔式压力传感器参见下图霍尔集成电路原理框图，见下图二、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管和磁敏三极管具有磁灵敏度高，能识别磁场极性；体积小、电路简单等特点 （一）磁敏二极管的工作原理及主要特性 1. 磁敏二极管的结构原理 磁敏二极管采用P+-I-N+型结构，在本征区的一侧面设置高复合r区参见下图2. 磁敏二极管的主要特征 (1)伏安特性 在给定磁场的情况下，磁敏二极管正向偏压和通过它的电流的关系称为伏安特性锗磁敏二极管的伏安特性见下图2006.11.6JC204-,两种硅磁敏二极管的伏安特性见下两图2)磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场的关系称为磁电特性3)温度特性 温度特性指在标准测试条件下，输出电压变化量或无磁场作用时两端电压随温度变化规律参见下图 通常硅磁敏二 极管的Uo温度系 数为±20mV/˚C， ΔU的温度系数为 0.6%/˚C锗管的 Uo温度系为 -60mV/˚C， ΔU的 温度系数为1.5%/˚C。

4)频率特性 硅磁敏二极管的响应时间小于1μS，响应频率高达1MHz锗管的响应频率为10kHz锗管的频率响应曲线见下图5)磁灵敏度 磁敏二极管磁灵敏度有三种定义方法： ① 在恒流条件下，偏压随磁场变化的电压相对灵敏度为 测量电路见图② 在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对灵敏度为 测量电路见图 ③ 在给定电压源E和负载电阻R条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义为,3. 温度补偿及提高灵敏度的措施 由于磁敏二极管受温度影响大，为提高精度需要进行温度补偿 (1)互补式电路 选用特性相近的两只管子，按照磁极性相反的方向组合，串联在一起参见下图 当温度变化时，两只管子同步变 化，分压比保持不变，输出Um不变 当存在磁场时，两只管子向相反的 方向变化，一个等效电阻增加，另一个 减小，分压比发生改变，输出Um随之该 变2) 差分式电路 差分式电路参见下图将两只管子按磁极性相反的方法组合，把两只管子的输出电压差，作为输出其输出电压,(3) 全桥式电路 参见下图对于全桥电路，其输出电压为 全桥电路要求四只管子特性完全 一致给使用带来一定困难二）磁敏三极管工作原理和主要特性 1. 磁敏三极管的结构原理 磁敏三极管的结构参见下图。

2. 磁敏三极管的主要特性 (1)伏安特性 参见下面曲线2)磁电特性 集电极电流变 化量与磁感应强度 的关系，称为磁电 特性参见下面曲 线3)温度特性 磁敏三极管对温度很敏感温度系数有两种：静态集电极电流Ico的温度系数；磁灵敏度h±的温度系数 静态集电极电流Ico的温度系数定义为 灵敏度h±的温度系数定义为,(4)频率特性 3BCM锗磁敏三极管响应时间为1μS，截止频率为500kHz左右3CCM硅磁敏三极管响应时间为0.4μS，截止频率为2.5MHz左右 (5)磁灵敏度 磁敏三极管的磁灵敏度有正向h+和负向h-两种，定义如下 右图电路，电压磁灵敏度为,(6)工作电压 磁敏三极管工作电压范围较宽，从3V到几十伏，集电极电压对灵敏度影响不大硅磁敏三极管的噪声小于磁敏二极管，功耗较低 3. 温度补偿及提高灵敏度的措施 电路如下2007.10.29JGLX303-,（三）磁敏管的应用 漏磁探伤仪原理见下图探伤仪探头结构和原理框图如下 （四）常用磁敏管的型号和参数,一、光电效应 （一）外光电效应 在光作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应 光子具有能量，每个光子的能量为 若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功 时，电子逸出物体表面。

要使电子逸出，光子的能量必须大于物体的逸出功，超过部分的能量转化为电子的动能，即,8.2 光敏传感器,由上式可知： ①只有当光子能量大于物体的表面逸出功时，才产生光电子每种物体都对应一个红限频率，当入射光的频率大于该频率时才会产生光电子 ②入射光的频谱成分不变时，产生的光电子数量与光强成正比 ③光电子逸出物体表面时具有初始动能 （二）内光电效应 内光电效应分为两类： ①光导效应在光线作用下电子吸收光子能量从价带跃迁到导带，引起材料电阻率的变化称为光导效应②光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应 二、光敏电阻 光敏电阻又称为光导管 （一）光敏电阻的原理和结构 当光线照射到光电导体上时，若光导体为本征半导体，且光子能量足够高，光电导体内处于价带上的电子将跃迁到导带上去，从而使光电导体的电阻率降低入射光子能量必须大于光导材料的禁带宽度，即,从上式可看出，一种光电导体存在一个波长极限 只有波长短于 的光线才能使光导体的电阻率降低 光敏电阻的结构参见下图光辐射功率光谱密度 ：在单位波长间隔内，光的实际功率(以w为单位) 光通量：能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的量度。

单位是Lm(流明) 式中 是一个转换常数，过去也曾称为光功当量，现在叫最大光谱光效能，它的数值，是一个国际协议值，规定为 ，即表示在人眼视觉系统最敏感的波长(555nm)上，每瓦光功率相应的流明数 为标准明视觉函数视觉函数反映了人眼对不同波长光线的敏感程度照度：单位面积上的光通量可表示为 照度单位为勒克斯（lx，lux）1lx=1lm/m2光通量单位为流明（lm），定义为纯铂在熔化温度（约1770℃）时，其1/60平方米的表面面积于1球面度的立体角内所辐射的光量以下是各种环境照度值：单位 lux 黑夜 0.001 - 0.02，月夜 0.02 - 0.3，阴天室内 5 – 50，阴天室外 50 – 500，晴天室内 100 – 1000， 夏季中午太阳光下的照度 约为109，阅读书刊时所需的照度 50 – 60二）光敏电阻的主要参数和基本特性 1. 暗电阻、亮电阻、光电流 光敏电阻在标准条件下，全暗后经过一段时间后测得的电阻值称为暗电阻，此时的电流称为暗电流 光敏电阻在某一光照条件下的阻值，称为该光照下的亮电阻此时的电流称为亮电流亮电流与暗电流之差成为光电流。

2. 光照特性 在一定电压下，光电流与入射光照度的关系，称为光照特性参见后图 3. 光谱特性,2006.11.10JC204-,光谱特性曲线参见下图 4.伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端电压与电流之间的关系5. 频率特性 硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性参见下图 6. 稳定性 参见上图7. 温度特性 温度特性参见下图 （三）光敏电阻与负载的匹配 每一个光敏电阻都有一个最大耗散功率 因此，有,光敏电阻测量电路参见下图总电流,设照度变化时，光敏电阻值的变化量为 ，则此时电流为 由上两式得 当电流为 时，输出电压为 电流为 时，输出电压为,由上两式得 光敏电阻值及电源电压为已知，选择最佳的 值，可以获得最大的信号电压，上式对 求偏导，并令其为零，得 解上式得 因此，当负载电阻与光敏电阻值相等时，可得到最大信号电压上面讨论，是针对直流量考虑的，当用于交流情况时， 应选用较小的值，以提高高频响应 三、光电池 （一）光电池的结构原理 硅光电池结构参见 右图 在电阻率约为0.1~ 1Ωcm的N型硅片上，。