第八章固态传感器.ppt

第八章第八章 固态传感器固态传感器 以半导体、电解质、铁电体等为敏感材料，在力、以半导体、电解质、铁电体等为敏感材料，在力、磁、热、射线、气体、湿度等因素作用下引起磁、热、射线、气体、湿度等因素作用下引起材料材料物理特性变化物理特性变化，通过检测其物理特性变化，来反映，通过检测其物理特性变化，来反映被测参数值建立在这一原理基础上的传感器称为被测参数值建立在这一原理基础上的传感器称为固态传感器固态传感器 固态传感器主要包括：磁敏传感器、光敏传感器、固态传感器主要包括：磁敏传感器、光敏传感器、电荷耦合器件、气体传感器、湿度传感器等等电荷耦合器件、气体传感器、湿度传感器等等 •固态传感器的优点：–物性型传感器，没有相对运动部件，无磨损，结构简单，小型轻量；–半导体材料为敏感元件，易于集成化、一体化、多功能化、图像化、智能化–功耗低，安全可靠•缺点–非线性，测量范围窄；–易产生温飘，需要温度补偿；–性能参数离散性大，互换性差 §8-1 霍尔磁敏传感器霍尔磁敏传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。

随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量  霍尔元件是一霍尔元件是一种四端元件种四端元件物理现象观察霍尔效应一、霍尔效应一、霍尔效应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象在两端截面之间建立的电向上将产生电动势的现象在两端截面之间建立的电场称为霍尔电场场称为霍尔电场EH，，相应的电势称为霍尔电势相应的电势称为霍尔电势UHI+ ++++－－－－－－－－－－－－ＢＢLbd霍尔效应原理图UH---fLvfE 设霍尔片的长度为L，宽度为b，厚度为d又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e—电子电量(1.62×10-19C)； v—电于运动速度同时，作用于电子的电场力 二、霍尔磁敏传感器工作原理二、霍尔磁敏传感器工作原理当达到动态平衡（fE+fL=0）时+I+++ + +－－－－－－－－－－－－ＢＢLbd霍尔效应原理图UH---fLvfE霍尔电势UH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。

于是可改写成： 电流密度j=-nevn—N型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体 — —霍尔系数霍尔系数，由载流材料物理性质决定由载流材料物理性质决定ρρ——材料电阻率材料电阻率p—P型半导体中的空穴浓度μμ——载流子迁移率载流子迁移率, ,μμ= =v v/E,/E,即单位电场强度作用下载流子的平均即单位电场强度作用下载流子的平均速度设 KH=-RH / d RH —霍尔系数，霍尔系数， KH称为霍尔器件的灵敏度它与载称为霍尔器件的灵敏度它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流作用下，霍尔电势的大小应强度和单位控制电流作用下，霍尔电势的大小 ▲对于金属而言，对于金属而言， ，，由于金属电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度由于金属电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因此不适合制作霍尔元件都很小，因此不适合制作霍尔元件。

▲元件的厚度元件的厚度d越小，灵敏度越高，因而制作霍尔元越小，灵敏度越高，因而制作霍尔元件时可采取减小件时可采取减小d的方法来增加灵敏度，但是不能认为的方法来增加灵敏度，但是不能认为d越小越好，因为这样会导致元件的输入和输出电阻增越小越好，因为这样会导致元件的输入和输出电阻增加 若磁感应强度若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角的方向与霍尔器件的平面法线夹角为为θ时，霍尔电时，霍尔电势势应为：应为： UH＝＝ KH I B cosθ 注意：当控制电流的方向或磁场方向换向时，输出霍注意：当控制电流的方向或磁场方向换向时，输出霍尔电势的方向也改变但当磁场与电流同时换向时，尔电势的方向也改变但当磁场与电流同时换向时，霍尔电势并不改变方向霍尔电势并不改变方向 霍尔片一般采用霍尔片一般采用N型锗型锗(Ge)、锑化铟、锑化铟(InSb)和砷化和砷化铟铟(InAs)等半导体材料制成采用砷化铟材料作霍尔等半导体材料制成采用砷化铟材料作霍尔元件的比较多元件的比较多 霍尔元件的结构比较简单，它由霍尔片，引线和霍尔元件的结构比较简单，它由霍尔片，引线和壳体组成，如右图所示。

壳体组成，如右图所示 在短边的两个端面上焊出两根控制在短边的两个端面上焊出两根控制电流端引线电流端引线(图中的图中的1、、1’)，在长边中，在长边中点以点焊形式焊出两根霍尔电势输出点以点焊形式焊出两根霍尔电势输出端引线端引线(图中的图中的2、、2’)，焊点要求接触，焊点要求接触电阻小电阻小(即欧姆接触即欧姆接触) 霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装三、材料及结构特点三、材料及结构特点 在电路中，霍尔元件常用下图所示的符号表示：霍尔元件的命名法： 基本测量电路：基本测量电路：ØRW调节控制电流的大小ØRL为负载电阻，可以是放大器的内阻或指示器内阻Ø霍尔效应建立的时间极短（10-12～10-14S），I即 可以是直流，也可以是交流Ø若被测物理量是I、B或者IB乘积的函数，通过测量霍尔电势UH就可知道被测量的大小四、测量电路四、测量电路 1、、UH—I特性特性 当磁场恒定时，在一定温度下测定控制电流当磁场恒定时，在一定温度下测定控制电流I与霍尔电势与霍尔电势UH，，可得到良好的线性关系，如下图所示：可得到良好的线性关系，如下图所示：五、电磁特性五、电磁特性其直线的斜率称为控制电流灵敏其直线的斜率称为控制电流灵敏度，以符号度，以符号KI表示：表示：据霍尔元件的计算公式，可得：据霍尔元件的计算公式，可得：可见，灵敏度可见，灵敏度KH大的元件，其控大的元件，其控制电流灵敏度一般也很大。

制电流灵敏度一般也很大 2、、UH—B特性特性 当控制电流保持不变时，元件的开路霍尔输出随磁场强度当控制电流保持不变时，元件的开路霍尔输出随磁场强度的增加不完全呈线性关系，而有非线性偏离如下图所示：的增加不完全呈线性关系，而有非线性偏离如下图所示：磁场的边缘效应锑化铟砷化铟锗六、误差分析及其补偿方法六、误差分析及其补偿方法1 1．元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响．元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响 在霍尔电势的表达式中，是将霍尔片的长度在霍尔电势的表达式中，是将霍尔片的长度L L看作无穷大来看作无穷大来考虑的实际上，霍尔片只有一定的长宽比考虑的实际上，霍尔片只有一定的长宽比L L／／b b，存在着霍尔，存在着霍尔电场被控制电流极短路的影响，因此应在霍尔电势的表达式中，电场被控制电流极短路的影响，因此应在霍尔电势的表达式中，增加一项与元件几何尺寸有关增加一项与元件几何尺寸有关的系数这样的系数这样(8(8－－10)10)式可写成如下式可写成如下形式形式: : 形状系数fH(L/b)与长宽比L/b之间的关系如右图所示由图可知，当L／b＞2时，形状系数接近1。

因此为了提高元件的灵敏度，可适当增大L／b值，但是实际设计时取L／b＝2已经足够了，因为L／b过大反而使输入功耗增加了，以致降低元件的效率2、不等位电势补偿•当霍尔元件B=0，I≠0，UH=U0≠0•这时测得的空载霍尔电势称不等位电势•产生这一现象的原因有:  ① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； ② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；两电极电不在同一等电位面上两电极电不在同一等电位面上等电位面歪斜等电位面歪斜理想情况下, r1=r2=r3=r4, U0＝0补偿网络3．寄生直流电势．寄生直流电势 由于霍尔元件的电极不可能做到完全的由于霍尔元件的电极不可能做到完全的欧姆接触欧姆接触，在控制电，在控制电流极和霍尔电势极上都可能出现整流效应因此，流极和霍尔电势极上都可能出现整流效应因此，当元件在不当元件在不加磁场的情况下通入交流控制电流时，它的输出除了交流不等加磁场的情况下通入交流控制电流时，它的输出除了交流不等电势外，还有一直流分量电势外，还有一直流分量，这个直流分量称为：，这个直流分量称为：寄生直流电势寄生直流电势其大小与工作电流有关，随着工作电流的减小，直流电势将迅其大小与工作电流有关，随着工作电流的减小，直流电势将迅速减小。

速减小 产生寄生直流电势的原因，除上面所说的产生寄生直流电势的原因，除上面所说的因控制电流极和霍因控制电流极和霍尔电势极的尔电势极的欧姆接触不良欧姆接触不良，，霍尔电势极的焊点大小不同霍尔电势极的焊点大小不同，导致，导致两焊点的热容量不同而产生温差效应，也是形成直流附加电势两焊点的热容量不同而产生温差效应，也是形成直流附加电势的一个原因的一个原因 寄生直流电势寄生直流电势很容易使输出产生漂移，很容易使输出产生漂移，为了减少其影响为了减少其影响，在，在元件的制作和安装时，元件的制作和安装时，应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件的散热条件4．感应电势．感应电势 霍霍尔尔元元件件在在交交变变磁磁场场中中工工作作时时，，即即使使不不加加控控制制电电流流，，由由于于霍霍尔尔电电势势的的引引线线布布局局不不合合理理，，在在输输出出回回路路中中也也会会产产生生附附加加感感应应电电势势，，其其大大小小不不仅仅正正比比于于磁磁场场的的变变化化频频率率和和磁磁感感应应强强度度的的幅幅值值，，并与并与霍尔电势极霍尔电势极引线所构成的感应面积成正比引线所构成的感应面积成正比(如下图所示如下图所示)。

为了减小感应电势，除合理布线外，如下图所示，还可以为了减小感应电势，除合理布线外，如下图所示，还可以在磁路中安置另一辅助霍尔元件，如果两个元件的特性相同，在磁路中安置另一辅助霍尔元件，如果两个元件的特性相同，可以起到显著的补偿效果可以起到显著的补偿效果5．温度误差及其补偿．温度误差及其补偿 霍尔元件与一般半导体器件一样，对温度变化十分敏感霍尔元件与一般半导体器件一样，对温度变化十分敏感这是由于半导体材料的电阻率、迁移率、载流子浓度等随温度这是由于半导体材料的电阻率、迁移率、载流子浓度等随温度变化的缘故因此，变化的缘故因此，霍尔元件的性能参数霍尔元件的性能参数，如内阻、霍尔电势，如内阻、霍尔电势等等都将随温度变化都将随温度变化 为了减小霍尔元件的温度误差，为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件除选用温度系数小的元件(如砷化铟如砷化铟)或采用恒温措施外，还可采用恒流源供电或采用恒温措施外，还可采用恒流源供电，这样可，这样可以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化但采用但采用恒流源供电不能完全解决霍尔电势的稳定问题，因此还应采用恒流源供电不能完全解决霍尔电势的稳定问题，因此还应采用其它补偿方法其它补偿方法，如采用下图的补偿线路：，如采用下图的补偿线路：七、霍尔传感器的应用七、霍尔传感器的应用 据据前前面面讲讲解解，，霍霍尔尔元元件件的的输输出出电电势势与与控控制制电电流流、、磁磁感感应应强强度度的的乘乘积积成成正正比比。

保保持持控控制制电电流流( (或或磁磁感感应应强强度度) )恒恒定定不不变变，，位位移移、、压压力力等等被被测测量量通通过过一一定定装装置置转转换换 ，，来来改改变变磁磁感感应应强强度度( (或或控控制制电电流流) )，，引引起起霍霍尔尔电电势势的的变变化化，，从而实现对被测参量的测量从而实现对被测参量的测量 以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器.霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器•霍尔元件与被测物体相连接，当被测物移动，产霍尔元件与被测物体相连接，当被测物移动，产生一定位移时，穿过霍尔元件的磁场变化，引起生一定位移时，穿过霍尔元件的磁场变化，引起霍尔电势发生变化，可反映被测位移的大小霍尔电势发生变化，可反映被测位移的大小•保持霍尔元件的控制电流保持不变，则输出的霍保持霍尔元件的控制电流保持不变，则输出的霍尔电动势为：尔电动势为： k——位移传感器的灵敏度位移传感器的灵敏度测量测量±0.5mm±0.5mm的小的小位移；位移；适用于微位移、机适用于微位移、机械、振动的测量。

械、振动的测量 作作为为压压力力敏敏感感元元件件的的弹弹簧簧管管，，其其一一端端固固定定，，另另一一端端安安装装霍霍尔尔元元件件当当输输入入压压力力增增加加时时，，弹弹簧簧管管伸伸长长，，使使处处于于恒恒定定磁磁场场中中的的霍霍尔尔元元件件产产生生相相应应位位移移，，霍尔元件的输出即可反映被测压力的大小霍尔元件的输出即可反映被测压力的大小霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平§8-2        光敏传感器光敏传感器•光电传感器是利用光敏元件将光信号转换成电信号的传感器件•光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

•物理基础——— 光电效应•光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一一、光电效应一、光电效应l是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的 能量，从而产生的电效应l光敏传感器的工作原理基于光电效应l光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类1 1、外光电效应、外光电效应l在光线的作用下，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l向外发射的电子叫做光电子l外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9sl基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等•光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：•根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功A0，超过部分的能量表现为逸出电子的动能根据能量守恒定理： E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s； ν—光的频率（s-1）式中 m—电子质量；v0—电子逸出速度 爱因斯坦光电效应方程•逸出功与材料的性质有关，当材料选定后，要使物体表面电子逸出，入射光的频率ν有一最低限度，当hν小于A0时，即使光强很大，也不可能有电子逸出，这个最低限度的频率称为红限频率，相应的波长称为红限波长。

•在hν大于A0（入射光频率超过红限频率）的情况下，光强越大，入射光子数量越多，逸出的电子数目也越多，电路中光电流也越大l当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应l多发生于半导体内l根据工作原理的不同，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 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应l基于这种效应的光电器件有光敏电阻2、内光电效应过过程程：：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波上限λ0(临界波长)，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加式中c、ν 、λ分别为入射光的光速、频率和波长为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即 （2） 光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。

基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件内光电效应器件，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等本节重点介绍内光电效应器件二、光敏电阻u光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，常用的光敏常用的光敏电阻由硫化镉（电阻由硫化镉（CdSCdS））等等材料制成材料制成u其其工作原理是基于工作原理是基于光电导效应光电导效应，其阻值随光照增强，其阻值随光照增强而减小u优点：优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等寿命长等u不足：不足：需要外部电源，有电流时会发热需要外部电源，有电流时会发热 光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构•光敏电阻的工作原理是基于光电导效应:•在无光照时,光敏电阻具有很高的阻值;•在有光照时,当光子的能量大于材料禁带宽度,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,激发出可以导电的电子-空穴对,导电性能增强，使电阻降低;光线愈强,激发出的电子-空穴对越多,电阻值越低;•光照停止后,自由电子与空穴复合,导电性能下降,电阻恢复原值。

•因此，可将光信号转换为电信号光敏电阻工作示意图导带上的电子和价带的空穴在外加电场的作用下，经半导体和外部电路形成电流，直至无光照 光敏电阻的结构如图所示管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体限，因此光光电电导导体体一一般般都都做做成成薄薄层层为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳梳状状图图案案，结构见下图1--光导层; 2--玻璃窗口; 3--金属外壳; 4--电极;5--陶瓷基座; 6--黑色绝缘玻璃; 7--电阻引线RG1234567(a)结构 (b)电极 (c)符号它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的这种梳状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度图（c）是光敏电阻的代表符号CdS光敏电阻的结构和符号光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数•1.暗电阻，暗电流–若将光敏电阻置于无光照的黑暗条件下，测得光敏电阻的阻值称为暗电阻。

　暗电阻：１ＭΩ～１００ＭΩ–这时在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流值称为暗电流•2.亮电阻，光电流–光敏电阻在光照下，测得的光敏电阻的阻值称为亮电阻，一般为几百欧姆–这时在工作电压下测得的电流值称为亮电流–亮电流与暗电流之差称光敏电阻的光电流暗电阻越大，亮电阻越小，光敏电阻的灵敏度越高•3.时间常数–当光敏电阻受到光照时，光电流要经过一定时间才能达到稳定值–同样，光照停止后，光电流也要经过一定时间才能恢复到暗电流；–光敏电阻的光电流随光强度变化的惯性，通常用时间常数表示–时间常数反映了光敏电阻对光照响应的快慢程度光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性•1、光照特性：I—L– 用于描述光电流与光照强度之间的关系——非线性；–故其不宜作线性测量元件，多用作光电式开关元件•2、光谱特性：灵敏度—λ–对于不同的波长，光敏电阻的灵敏度不同–硫化镉——峰值在可见光域–硫化铅——峰值在红外区域–可根据光源的波长来选择光敏元件——获得最佳灵敏度 光照特性 光谱特性v光照特性：CdS光敏电阻的光照特性v光谱特性：1，2，3分别代表硫化镉、硒化镉、硫 化铅三种光敏电阻的光谱特性光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性•3、伏安特性：I—U– 用于描述在一定光照下，光敏电阻两端电压与光电流之间的关系。

–与普通电阻相似，电压 ，电流 ，无饱和现象，但要注意不能超过额定值•4、频率特性：I—f（Hz）–由于时间常数的存在，光敏电阻的阻值要经过一定的时间才能达到相应的数值–Ｔ越小，能够反映的光信号的频率越高–大多数光敏电阻的Ｔ大，频率特性差v伏安特性：曲线1、2分别代表照度为零几位某一值时的伏安特性v频率特性：曲线1、2分别代表硫化镉和硫化铅的光敏电阻的频率特性伏安特性 频率特性稳定性 图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定800I / %408012016021T/h040012001600光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了这就是光敏电阻的主要优点 光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的  光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将光电导体严密封装在玻璃壳体中。

如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛 RGRLEI三、光电池三、光电池 u光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的 器件器件u由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能 电池u它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件u它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结 的两端出现电动势u应用Ø人造卫星、宇宙飞船、星际站、太空实验室、航标灯、边远山区的永久性电源Ø收音机、电视机、计算机、铁路信号灯、电动车辆等方面u分类（命名方式）：分类（命名方式）：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池Ø硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受转换效率高，寿命长，适于接受红外光红外光Ø硒光电池光电转换效率低(0.02％)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56μm)，其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。

最适宜制造照度计Ø砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理l硅光电池的工作原理基于光生伏特效应，它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成的一个大面积PN结l当光照射P区表面时，若光子能量大于硅的禁带宽度，则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子-空穴对，P区表面吸收的光子越多，激发的电子空穴越多，越向内部越少这种浓度差便形成从表面向体内扩散的自然趋势由于PN结内电场的方向是由N区指向P区的，它使扩散到PN结附近的电子—空穴对分离，光生电子被推向N区，光生空穴被留在P区从而使N区带负电，P区带正电，形成光生电动势光电池的示意图+光PN－SiO2RL(a) 光电池的结构图l若用导线连接P区和N区，电路中就有光电流流过l电流的方向由P区流经外电路至N区若将外电路断开，就可测出光生电动势I光 P N+ + +光电池的表示符号、基本电路如图所示IURL(a)(b)图4.3-17 光电池符号和基本工作电路 光电池的光谱特性光电池的光谱特性•不同的光电池，光谱峰值的位置不同;•硅光电池：–峰值：0.85μm–光谱范围：0.4~1.1μm•硒光电池：–峰值：0.54μm–光谱范围：0.34~0.75μm•可利用光源性质选择光电池，也可根据光电池特性来选择光源。

光电池的光谱特性光电池的光谱特性适用于可见光应用范围广可见光：可见光：波长波长380—780nm紫外线：紫外线：波长波长10—380nm红外线：红外线：波长波长780—106nm一、烟尘浊度监测仪 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化光电传感器的应用举例光电传感器的应用举例平行光源光电探测放大显示刻度 校正报警器吸收式烟尘浊度检测系统原理图烟道二、光电转速传感器2312 31(a)(b)光电数字式转速表工作原理图 下图是光电数字式转速表的工作原理图 图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定 在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。

当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号三、光电池应用 光电池主要有两大类型的应用：§将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛的应用§将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中 光电池应用举例如下： 1 1．太阳电池电源．太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成如果还需要向交流负载供电，则加一个直流－交流变换器，太阳电池电源系统框图如图 调节控制器逆变器 交流负载太阳电池方阵 直流负载太阳能电池电源系统阻塞二极管2 2．光电池在光电检测和自动控制方面的应用．光电池在光电检测和自动控制方面的应用 光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。

由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等(a) 光电追踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 图 (a)为光电池构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路V0BG2BG1+12VC J R1 R2(b) 光电开关 图 (b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的(c) 光电池触发电路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW 图 (c)为光电池触发电路当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件(如可控硅)导通。

+12V5G23(d) 光电池放大电路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432图(d)为光电池放大电路在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录 在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的220VC1路灯CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩBG2BG3BG42CR如图所示，在白天，硅光电池输出电压使BG1导通，BG2截止，继电器不吸合；天黑时，硅光电池输出电压渐小，使得BG1截止，BG2导通，继电器吸合，照明灯亮电路中BG2、 BG3组成施密特触发器，用来避免照明灯产生忽明忽暗的抖动现象也可在较宽范围内选择点亮照明灯的照度(即天黑到什么程度亮灯)，电容C起延时作用(约5s)，以避免闪电引起瞬间灭灯现象 路灯自动控制电路§8-4 气敏传感器•气敏传感器是用来感知、检测气体类别,浓度和成分的传感器 。

•为了保护人类赖以生存的自然环境，防止不幸事故的发生，需要对各种有害、可燃性气体，在环境中存在的情况进行有效地监控•由于气体种类繁多, 性质各不相同,不可能用一种传感器检测所有类别的气体,因此,能实现气-电转换的传感器种类很多 •按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类.目前实际使用最多的是半导体气敏传感器. •对气敏元件的要求：能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质产生的影响小•应用：用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上的天然气、煤气，石油化工等部门的易燃、易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制一、接触燃烧式气体传感器一、接触燃烧式气体传感器1 1、检测原理、检测原理 可可燃燃性性气气体体(H(H2 2、、COCO、、CHCH4 4等等) )与与空空气气中中的的氧氧接接触触，，发发生生氧氧化化反反应应，，产产生生反反应应热热( (无无焰焰接接触触燃燃烧烧热热) )，，使使得得作作为为敏敏感感材材料料的的铂铂丝丝温温度度升升高高，，电电阻阻值值相相应应增增大大一一般般情情况况下下，，空空气气中中可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度都都不不太太高高( (低低于于1010％％) )，，可可燃燃性性气气体体可可以以完完全全燃燃烧烧，，其其发发热热量量与与可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度有有关关。

空空气气中中可可燃燃性性气气体体浓浓度度愈愈大大，，氧氧化化反反应应( (燃燃烧烧) )产产生生的的反反应应热热量量( (燃燃烧烧热热) )愈愈多多，，铂铂丝丝的的温温度度变变化化( (增增高高) )愈愈大大，，其其电电阻阻值值增增加加的的就就越越多多因因此此，，只只要要测测定定作作为为敏敏感感件件的的铂铂丝丝的的电电阻阻变变化化值值(ΔR)(ΔR)，，就就可检测空气中可燃性气体的浓度可检测空气中可燃性气体的浓度接触燃烧式气敏元件的感应特性00.20.40.60.81.050100150输出电压/mV丙烷乙醇异丁烷丙酮环己烷气体浓度(XLEL) 但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒这样既可以延长其丝圈外面涂覆一层氧化物触媒这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性若与使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线一定浓度时，自动发出报警信号，其感应特性曲线如图。

如图 触媒Al2O3载体Pt丝元件(0.8-2)mm(b)敏感元件外形图接触燃烧式气敏元件结构示意图(a)元件的内部示意图 2、接触燃烧式气敏元件的结构 接触燃烧式气体敏感元件的桥桥式式电电路路如图图中F1是检测元件；F2是补偿元件，其作用是补偿可燃性气体接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差 AF2F1MR1R2CBDW2W1E0•半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时, 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的. •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•前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受,结果使半导体的电导率等物理性质发生变化,但内部化学组成不变;后者半导体与气体的反应,使半导体内部组成发生变化,而使电导率变化.二、半导体气体传感器二、半导体气体传感器1 1、半导体气敏元件的特性参数、半导体气敏元件的特性参数（（1 1）气敏元件的电阻值）气敏元件的电阻值 将将电电阻阻型型气气敏敏元元件件在在常常温温下下洁洁净净空空气气中中的的电电阻阻值值，，称称为为气气敏敏元元件件( (电电阻阻型型) )的的固固有有电电阻阻值值，，表表示示为为ＲＲａａ。

一一般般其其固有电阻值在固有电阻值在(10(103 3～～10105 5)Ω)Ω范围测定固有电阻值测定固有电阻值ＲＲａａ时时, , 要求必须在洁净空气环境中进要求必须在洁净空气环境中进行由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气行由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别因此，必须在洁净的空气环境中进行测量出现差别因此，必须在洁净的空气环境中进行测量 （（2 2）气敏元件的灵敏度）气敏元件的灵敏度是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标它表是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系表示方法有三种与被测气体浓度之间的依从关系表示方法有三种 （（a a）电阻比灵敏度）电阻比灵敏度K K（（b b）气体分离度）气体分离度R RC1C1——气敏元件在浓度为气敏元件在浓度为C C1 1的被测气体中的阻值：的被测气体中的阻值： R RＣＣ2 2——气敏元件在浓度为气敏元件在浓度为C C2 2的被测气体中的阻值。

的被测气体中的阻值 通常，通常，C C1 1＞＞C C2 2c c）输出电压比灵敏度）输出电压比灵敏度K KV VV Va a: :气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的电压输出；V Vg g: :气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻的电压输出输出 Ra—气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg—气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值（（4 4）气敏元件的响应时间）气敏元件的响应时间表表示示在在工工作作温温度度下下，，气气敏敏元元件件对对被被测测气气体体的的响响应应速速度度一一般般从从气气敏敏元元件件与与一一定定浓浓度度的的被被测测气气体体接接触触时时开开始始计计时时，，直直到到气气敏敏元元件件的的阻阻值值达达到到在在此此浓浓度度下下的的稳稳定定电电阻阻值值的的6363％％时时为为止止，，所所需需时时间间称称为为气气敏敏元元件件在在此此浓浓度度下下的的被被测测气气体中的响应时间，通常用符号体中的响应时间，通常用符号t tr r表示 （（3 3）气敏元件的分辨率）气敏元件的分辨率表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。

气敏元件分辨率体的抑制能力气敏元件分辨率S S表示为表示为V Va a——气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压； V Vg g——气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压V Vgigi——气敏元件在气敏元件在i i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压（（5 5）气敏元件的加热电阻和加热功率）气敏元件的加热电阻和加热功率 气气敏敏元元件件一一般般工工作作在在200℃200℃以以上上高高温温为为气气敏敏元元件件提提供供必必要要工工作作温温度度的的加加热热电电路路的的电电阻阻( (指指加加热热器器的的电电阻阻值值) )称称为为加加热热电电阻阻，，用用R RH H表表示示直直热热式式的的加加热热电电阻阻值值一一般般小小于于5Ω5Ω；；旁旁热热式式的的加加热热电电阻阻大大于于20Ω20Ω气气敏敏元元件件正正常常工工作作所所需需的的加加热热电电路路功功率率，，称称为为加加热热功功率率，，用用ＰＰＨＨ表表示示一般在一般在(0.5(0.5～～2.0)W2.0)W范围。

范围 （（6 6）气敏元件的恢复时间）气敏元件的恢复时间 表示在工作温度下表示在工作温度下, ,被测气体由该元件上解吸的速被测气体由该元件上解吸的速度度, ,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时, ,直到其直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值恢复到在洁净空气中阻值阻值的的6363％时所需时间％时所需时间（（7 7）初期稳定时间）初期稳定时间 长期在非工作状态下存放的气敏元件长期在非工作状态下存放的气敏元件, ,因表面吸因表面吸附空气中的水分或者其他气体附空气中的水分或者其他气体, ,导致其表面状态的变导致其表面状态的变化，在加上电负荷后化，在加上电负荷后, ,随着元件温度的升高随着元件温度的升高, ,发生解吸发生解吸现象因此现象因此, ,使气敏元件恢复正常工作状态使气敏元件恢复正常工作状态, ,需要一定需要一定的时间的时间, ,称为气敏元件的初期稳定时间一般电阻型称为气敏元件的初期稳定时间一般电阻型气敏元件气敏元件, ,在刚通电的瞬间在刚通电的瞬间, ,其电阻值将下降其电阻值将下降, ,然后再然后再上升上升, ,最后达到稳定。

由开始通电直到气敏元件阻值最后达到稳定由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间到达稳定所需时间, ,称为初期稳定时间初期稳定时称为初期稳定时间初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数存放时间间是敏感元件存放时间和环境状态的函数存放时间越长越长, ,其初期稳定时间也越长在一般条件下其初期稳定时间也越长在一般条件下, ,气敏元气敏元件存放两周以后件存放两周以后, ,其初期稳定时间即可达最大值其初期稳定时间即可达最大值  下表给出了半导体气敏器件的分类从表中看出,目前研究和使用的半导体气敏器件大体上可分为电阻式和非电阻式两大类电阻式又可分成表面电阻控制型和体电阻控制型非电阻式又可分为利用表面电位的、二极管整流特性的和晶体管特性的三种 2、半导体气敏传感器的种类及工作机理 半导体气敏器件的分类 l半导体电阻型气敏器件 适宜制作半导体气敏传感器的材料主要是氧化物由于半导体材料的特殊性质,气体在半导体材料颗粒表面的吸附可导致材料载流子浓度发生相应的变化,从而改变半导体元件的电导率由氧化物半导体粉末制成的气敏元件,具有很好的疏松性,有利于气体的吸附,因此其响应速度和灵敏度都较好。

通常所指的氧化物半导体气敏传感器,就是由粉末状氧化物经烧结或沉积而制成的 （1）．表面电阻控制型气敏器件 用金属氧化物半导体SnO2、ZnO等材料制作的表面电阻控制型气体传感器,为为了了加加快快气气体体分分子子在在表表面面上上的的吸吸附附作作用用, ,将将器件加热器件加热到到200200°C C以上的温度下工作以上的温度下工作 下图给出了几种表面电阻控制型气体传感器的结构,图8.48给出了氧化锡气敏传感器阻值与被测气体浓度的关系 图8.47 表面电阻控制型气体传感器的结构(a)烧结型；(b)薄膜型;(c)厚膜型;(d)多层结构型 图8.47 表面电阻控制型气体传感器的结构(a)烧结型；(b)薄膜型;(c)厚膜型;(d)多层结构型 由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元件直热式气敏器件的结构及符号如图所示直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号 旁热式气敏器件的结构及符号如图所示旁热式气敏器件的结构及符号 (a) 旁热式结构； (b) 符号图8.48 氧化锡气敏传感器阻值与被测气体浓度的关系（2）．体电阻控制型气敏器件 除了表面电阻控制型半导体气敏器件之外,目前还有体电阻控制型半导体气敏器件。

体电阻控制型半导体气敏器件与被检测气体接触时,引起器件体电阻改变的原因比较多对热敏型气敏器件而言,在600～900°Ｃ下,在半导体表面吸附可燃性气体时,由于这类器件的工作温度比较高,被吸附气体燃烧使器件的温度进一步升高,因此,半导体的体电阻发生变化 另外,很多氧化物半导体,由于化学计量比的偏离,尤其是化学反应强而且容易还原的氧化物,在比较低的温度下与气体接触时晶体中的结构缺陷就发生变化,继之体电阻发生变化,因此,可以检测各种气体比如,目前常使用的γ-Fe2O3气敏器件,其结构如图8.49所示 图8.49 γ-Fe2O3气敏器件结构 当它与气体接触时,随着气体浓度增加形成Fe+2离子,而变成为Fe3O4,使器件的体电阻下降也就是说,由γ-Fe2O3被还原成Fe3O4时形成Fe+2离子它们之间的还原-氧化反应为:还原 氧化 （8.23） γ-Fe2O3和Fe3O4都属于尖晶石结构的晶体,进行这种转变时,晶体结构并不发生变化这种转变又是可逆的当被测气体脱离后又氧化而恢复原状态这就是γ-Fe2O3气敏器件的工作原理 Fe2O3类气敏传感器不用贵金属催化剂,但也要用加热措施,通常在元件外部由电热丝烘烤。

接触还原性气体后电阻值下降典型三氧化二铁气敏特性如图8.50所示图中表明:它对异丁烷和丙烷很灵敏,适合探测液化石油气图8.50 Fe2O3气敏特性 三、三、 气敏传感器应用气敏传感器应用 半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用•1.可燃性气体泄漏报警器– 为防止煤气（H2,CO），天然气（CH4），液化石油气（C3H8、C4H10）及CO等气体泄漏引起中毒、燃烧或爆炸；–目前在该报警器上大都使用SnO2气体传感器–在湿度大的场合如厨房，使用γ-Fe2O3气体传感器，此类传感器对湿度敏感性小，稳定性好•2.汽车中应用的气体传感器–节省能源，防止环境污染，保持良好的车内环境；–控制燃空比，需用氧传感器（ZrO2传感器）；–控制污染，检测排放气体，需用CO,NO,HCL,O2等传感器；–内部空调，需用CO、烟、湿度传感器•3.在工业中应用的气体传感器–矿物冶炼过程中常使用氧传感器（ ZrO2传感器），满足耐高温，耐腐蚀；–半导体工业中需要多种气体传感器，需要使用检测极低的浓度，可靠性好的传感器，常使用电化学气体传感器。

–食品工业，对水产物的鲜度进行科学评价，使用电化学氧传感器•4.检测大气污染方面用的气体传感器–对于污染环境需要检测的气体有SO2、H2S、NOX、CO、CO2等，需要定量测量，宜选用电化学气体传感器•5.家电方面用的气体传感器–可燃气泄漏报警，换气扇，抽油烟机的自动控制•湿度传感器的基本概念–空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气中含有水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体主要有质量百分比和体积空气是一种混合气体主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等百分比、相对湿度和绝对湿度、露点（霜点）等表示法 1、质量百分比和体积百分比–质量为M的混合气体中，若含水蒸气的质量为m，则质量百分比为§ 8-5 湿湿 敏敏 传传 感感 器器m／M×100％2.绝对湿度和相对湿度–大气的干湿程度，通常是用大气中水汽的密度来表示的–每1m3大气所含水汽的克数，称为大气的绝对湿度–大气的水汽密度又可以规定为大气中所含水汽的压强，又把它称为大气的绝对湿度，用符号AH表示，常用的单位是mmHgv／V×100％这两种方法统称为水蒸气百分含量法 在体积为V的混合气体中，若含水蒸气的体积为v，则体积百分比为(Absolute Humidity)–把大气的绝对湿度跟当时气温下的饱和水汽压的百分比称为大气的相对湿度。

H--相对湿度； e--绝对湿度（mmHg）； es--当时气温下的饱和水气压（mmHg）大气的相对湿度表明了大气中的水汽离饱和状态的远近程度Relative Humidity) 3.露点水的饱和蒸汽压实随着温度的降低而逐渐下降–结露：大气中的未饱和水汽接触到温度较低的物体时，就会使大气中的未饱和水汽达到或接近饱和状态，在这些物体上凝结成水滴，这种现象称为结露–露点：就是指使大气中原来所含有的未饱和水汽变成饱和水汽所必须降低到的温度当此温度低于0℃时，又称为霜点）•湿度检测与控制的重要性–具有粉尘作业和电火工品生产的车间，当湿度小而产生静电时，容易产生爆炸；–大规模集成电路生产过程中，当相对湿度低于30%时，容易产生静电影响生产；–仓库湿度过大，会使存放的物资变质或霉烂；–纺织厂为了减少棉纱断头，车间要保持相当高的湿度；–人类的居住环境要保持一定的湿度才能舒适•湿度传感器的特点：–可以集中进行控制，便于遥测；–不需要很大的检测空间；–可方便地与数字电路相匹配；•湿度传感器的应用领域：–空调系统；–半导体制造业，计算机房；–工业生产中的湿度控制；–粮食、烟草、纸张、药材、食品等储藏管理；–图书、资料、文物的保管；–精密光学、电子、化工、机械加工的湿度控制；–农业及饲料加工厂的湿度控制；–电子仪器及家用电器的湿度控制；–气象观测；–军工产品的生产及储存；•湿度传感器的主要参数湿度传感器的主要参数1 1、湿度量程、湿度量程指指湿湿度度传传感感器器技技术术规规范范中中所所规规定定的的感感湿湿范范围围。

全全湿湿度度范范围围用用相相对对湿湿度度(0(0～～100)100)％％RHRH表表示示，，它它是是湿湿度度传传感感器器工作性能的一项重要指标工作性能的一项重要指标2 2、感湿特征量、感湿特征量————相对湿度特性相对湿度特性每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多以电阻为例，在规定的工作湿度范通常用电阻比较多以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称曲线，简称阻湿特性阻湿特性有的湿度传感器的电阻值随湿度有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器正特性湿敏电阻器，如，如FeFe3 3O O4 4湿敏湿敏电阻器有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为电阻器有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特负特性湿敏电阻器性湿敏电阻器，如，如TiOTiO2 2－－SnOSnO2 2陶瓷湿敏电阻器对于这陶瓷湿敏电阻器对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和测种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和测量系统或控制仪表相连接。

量系统或控制仪表相连接3 3、感湿灵敏度、感湿灵敏度简简称称灵灵敏敏度度，，又又叫叫湿湿度度系系数数其其定定义义是是在在某某一一相相对对湿湿度度范范围围内内，，相相对对湿湿度度改改变变1 1％％RHRH时时，，湿湿度度传传感感器器电电参参量的变化值或百分率量的变化值或百分率 各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，要求灵敏度要很高但对于全湿型湿度传感器，较窄，要求灵敏度要很高但对于全湿型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，并非灵敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当 4 4、特征量温度系数、特征量温度系数反反映映湿湿度度传传感感器器在在感感湿湿特特征征量量————相相对对湿湿度度特特性性曲曲线线随随环环境境温温度度而而变变化化的的特特性性感感湿湿特特征征量量随随环环境境温温度度的的变变化化越小，环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。

越小，环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小在在环环境境温温度度保保持持恒恒定定时时，，湿湿度度传传感感器器特特征征量量的的相相对对变变化化量与对应的温度变化量之比，称为量与对应的温度变化量之比，称为特征量温度系数特征量温度系数ΔΔT T————温度温度25℃25℃与另一规定环境温度之差；与另一规定环境温度之差；R R1 1( (C C1 1)——)——温度温度25℃25℃时湿度传感器的电阻值时湿度传感器的电阻值( (或电容值或电容值) )；；R R2 2( (C C2 2)——)——另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值( (或电容值或电容值) ) 电容温度系数电容温度系数(%/℃)=电阻温度系数电阻温度系数(%/℃)=5 5、感湿温度系数、感湿温度系数反反映映湿湿度度传传感感器器温温度度特特性性的的一一个个比比较较直直观观、、实实用用的的物物理理量量它它表表示示在在两两个个规规定定的的温温度度下下，，湿湿度度传传感感器器的的电电阻阻值值( (或或电电容容值值) )达达到到相相等等时时，，其其对对应应的的相相对对湿湿度度之之差差与与两两个个规规定定的的温温度度变变化化量量之之比比，，称称为为感感湿湿温温度度系系数数。

或或环环境境温温度度每每变变化化1℃1℃时时，，所所引引起起的的湿湿度度传传感感器器的的湿湿度度误误差差感感湿湿温度系数温度系数 ΔT——ΔT——温度温度25℃25℃与另一规定环境温度之差；与另一规定环境温度之差；H H1 1————温温度度25℃25℃时时湿湿度度传传感感器器某某一一电电阻阻值值( (或或电电容容值值) )对对应的相对湿度值；应的相对湿度值； H H2 2————另另一一规规定定环环境境温温度度下下湿湿度度传传感感器器另另一一电电阻阻值值( (或或电电容值容值) )对应的相对湿度对应的相对湿度下图为感湿温度系数示意图下图为感湿温度系数示意图 (%RH/℃)=相对湿度/%H1H2H2感湿温度系数示意图相对湿度/%H1H2H2RCT1T2T1T225℃25℃(a) 电阻型 (b)电 容型6 6、响应时间、响应时间在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。

一般电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间一般是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的是以相应的起始和终止这一相对湿度变化区间的6363％作％作为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反为相对湿度变化所需要的时间，也称时间常数，它是反映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢映湿度传感器相对湿度发生变化时，其反应速度的快慢单位是单位是s s也有规定从起始到终止也有规定从起始到终止9090％的相对湿度变化作％的相对湿度变化作为响应时间的响应时间又分为为响应时间的响应时间又分为吸湿响应时间吸湿响应时间和和脱湿响脱湿响应时间应时间大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间  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它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 n碳膜及硒膜湿度传感器n金属氧化物陶瓷湿度传感器金属氧化物陶瓷湿度传感器n金属氧化物膜湿度传感器n高分子材料湿度传感器高分子材料湿度传感器n电解质湿度传感器电解质湿度传感器n水晶振子湿度传感器水分子亲和力型n非水分子亲和力型传感器n热敏电阻式湿度传感器n红外湿度传感器n微波湿度传感器n超声波湿度传感器毛发湿度计•利用脱脂人发（或牛的肠衣）具有空气潮湿时伸长，干燥时缩短的特性，制成毛发湿度表或湿度自记仪器人的头发有一种特性，它吸收空气中水汽的多少是随相对湿度的增大而增加的，而毛发的长短又和它所含有的水分多少有关利用这一变化即可制造毛发湿度计•用酒精等物将毛发洗净除油脂，以毛发十根为一束装置在容器中，利用杠杆原理，扩大它的伸缩藉指针直接在刻度板上指出湿度 •它的测湿精度较差，毛发湿度表通常在气温低于-10℃时使用毛发湿度计干湿球湿度表•用一对并列装置的、形状完全相同的温度表，一支测气温，称干球温度表，另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布，称湿球温度表。

•当空气未饱和时，湿球因表面蒸发需要消耗热量，从而使湿球温度下降与此同时，湿球又从流经湿球的空气中不断取得热量补给当湿球因蒸发而消耗的热量和从周围空气中获得的热量相平衡时，湿球温度就不再继续下降，从而出现一个干湿球温度差•干湿球温度差值的大小，主要与当时的空气湿度有关空气湿度越小，湿球表面的水分蒸发越快，湿球温度降得越多，干湿球的温差就越大；反之，空气湿度越大，湿球表面的水分蒸发越慢，湿球温度降得越少，干湿球的温差就越小干湿球湿度表三种专业测量工具:K型温度探头,红外线和干湿球湿度计 •干湿球温差表一、一、 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电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， 如图所示  湿敏电阻结构示意图 （电解质湿度传感器）氯化锂湿度—电阻特性曲线 二、二、 陶瓷湿敏电阻陶瓷湿敏电阻 通常，是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、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(简称半导瓷)。

1. 1. 负特性湿敏半导瓷的导电机理负特性湿敏半导瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，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势下降，如果表面电势下降较多，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图9-9表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度之关系 几种半导瓷湿敏负特性 2. 2. 正特性湿敏半导瓷的导电机理正特性湿敏半导瓷的导电机理 正特性湿敏半导瓷的导电机理的解释可以认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时， 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 图9-10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9-9与图9-10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一倍  Fe3O4半导瓷的正湿敏特性 3. 3. 典型半导瓷湿敏元件典型半导瓷湿敏元件（1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件MgCr2O4-TiO2陶瓷 n生产过程：按适当比例配料—>加水研磨—>干燥—>模压成型—>放入烧结炉内高温烧结2小时—>切割成4×5×0.3mm薄片n陶瓷片气孔率为25%～30%，孔径小于1µm，表面积增大，具有良好的吸湿性 （2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构  （3）四氧化三铁（Fe3O4）湿敏器件Fe3O4湿敏元件构造三、 水分传感器工作原理：只要采用两个电极把被测介质夹紧，或者使两电极插入介质中，通过检测两极间的电阻值便可知介质的水分含量•介质的水分和电阻的关系在低水分区为指数特性，其电阻值随介质水分的增大而呈指数下降。

谷物水分传感器纸张水分传感器电容水分传感器通常检测介质的水分，常使用变介电常数式电容传感器微波水分传感器湿度传感器应用实例•1、鸡、鸭雏室湿度控制器湿度传感器应用实例2、汽车后窗玻璃自动去湿装置3、盆花缺水指示器湿度传感器应用实例。