哈尔滨工业大学 电能量传感器 • 第三部分 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 例2： 压电式压力传感器 电极结构 预紧力 哈尔滨工业大学 例3：压电引信 压电陶瓷：弹丸起爆装置——破甲弹 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 四、 压电式传感器的应用 哈尔滨工业大学 1. 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 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 2. 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 哈尔滨工业大学 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0.01 N，固有频率为50-60 kHz，整个传 感器重为10 g 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 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、木块被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块 加速度 产品产品 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 例8： 气体发生器输出特性测试 密封容器压力测试法 哈尔滨工业大学 例9：振动测量仪 加速度 160 ug -10 g 速度 0.4 -80 cm/s 振幅 4 um-8 cm 转换开关S A A ：： V V ：： D D ：： 积分：振动速度、幅值 哈尔滨工业大学 例10： 压电式血压传感器 例11：指套式电子血压计 哈尔滨工业大学 例12：玻璃破碎报警器 哈尔滨工业大学 例13：水深测量仪 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 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：三电极片式压电器件： 哈尔滨工业大学 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：三电极压电元件：T T 型型 LC LC 三端元件，构成振荡电路三端元件，构成振荡电路 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 光电池 哈尔滨工业大学 • 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 。
哈尔滨工业大学 光电池 硒光电池的光谱特性 0.20.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 100100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 0 电压源：将光量转变为电动势电压源：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 哈尔滨工业大学 硒光电池的 伏安特性 （2）硅光电池 硅光电池的结构 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 硅光电池结构示意图 图形符号 光电池 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 光电池外形 光敏面 哈尔滨工业大学 光电池组 光电池 光电池 常见的光电池 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 能提供较大电流的大 面积光电池外形 哈尔滨工业大学 硅光电池结构示意如图 - + RL p n 防反射膜 (SiO2） p n + - SiO2 pn结 硅光电池 哈尔滨工业大学 光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示 I U Id U I RL IΦ (a)(b)(c) 光电池符号和基本工作电路 哈尔滨工业大学 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： 哈尔滨工业大学 —— 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 哈尔滨工业大学 金属金属 金属氧化物金属氧化物 半导体半导体 光照光照 电子电子 —— 光电效应是光电传感器的基本转换原理 光照光照 半导体半导体 电子在物体内部运动电子在物体内部运动 内光电效应 金属金属 金属氧化物金属氧化物 光照光照 电子逸出物体表面电子逸出物体表面 外光电效应 1、定义及分类 哈尔滨工业大学 —— —— 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 10-9 s 2、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 哈尔滨工业大学 3、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 哈尔滨工业大学 能带理论能级（Enegy Level） • 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（Forbidden Band）：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 哈尔滨工业大学 能带理论能级（Enegy Level） • 价带（Valence Band）：原子中最外层的电子称为价电子 ，与价电带 • 导带（Conduction Band）：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 哈尔滨工业大学 —— —— 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 —— —— 入射光波长入射光波长 —— —— 禁带宽度禁带宽度 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 哈尔滨工业大学 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： 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 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 哈尔滨工业大学 • 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。
哈尔滨工业大学 出去活动一下 哈尔滨工业大学 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。