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1、 第八章第八章 固态传感器固态传感器传感器固态传感器课件 固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因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。这类传素作用发生变化，这一原理做成的传感器。这类传素作用发生变化，这一原理做成的传感器。这类传素作用发生变化，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。感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料。感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料。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
2、特点：与其它传感器相比有以下特点：与其它传感器相比有以下特点：与其它传感器相比有以下特点： 1. 1. 基于物性变化，无运动部件，结构简单，体基于物性变化，无运动部件，结构简单，体基于物性变化，无运动部件，结构简单，体基于物性变化，无运动部件，结构简单，体积小；积小；积小；积小； 2. 2. 动态响应好、且输出为电量；动态响应好、且输出为电量；动态响应好、且输出为电量；动态响应好、且输出为电量； 3. 3. 易于集成化、智能化；易于集成化、智能化；易于集成化、智能化；易于集成化、智能化； 4. 4. 低功耗、安全可靠；低功耗、安全可靠；低功耗、安全可靠；低功耗、安全可靠； 主要缺点有：线性度差
3、、温漂大、过载能力差、主要缺点有：线性度差、温漂大、过载能力差、主要缺点有：线性度差、温漂大、过载能力差、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。性能参数离散性大。性能参数离散性大。性能参数离散性大。传感器固态传感器课件一、霍尔元件一、霍尔元件一、霍尔元件一、霍尔元件（一）霍尔效应（一）霍尔效应（一）霍尔效应（一）霍尔效应 如图，在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流如图，在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流如图，在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流如图，在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流I I，垂直于电流方向出现电压垂直于电流方向出现电压垂直于电流方向出现电压垂直于电流方向出现电
4、压U UH H，这一现象称为霍尔效应。，这一现象称为霍尔效应。，这一现象称为霍尔效应。，这一现象称为霍尔效应。8.1 8.1 磁敏传感器磁敏传感器传感器固态传感器课件 半导体中形成电流的定向移动电荷，受洛仑兹力半导体中形成电流的定向移动电荷，受洛仑兹力半导体中形成电流的定向移动电荷，受洛仑兹力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作用，产生偏移，电荷受到的洛仑兹力作用，产生偏移，电荷受到的洛仑兹力作用，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由于电荷偏移产生霍尔电场，霍尔电场对电荷的作用由于电荷偏移产生霍尔电场，霍尔电场对
5、电荷的作用由于电荷偏移产生霍尔电场，霍尔电场对电荷的作用力为力为力为力为随着电荷在洛仑兹力作用下偏转，霍尔电场加强，最随着电荷在洛仑兹力作用下偏转，霍尔电场加强，最随着电荷在洛仑兹力作用下偏转，霍尔电场加强，最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，即终达到动态平衡，两力值相等，即终达到动态平衡，两力值相等，即终达到动态平衡，两力值相等，即又因为又因为又因为又因为传感器固态传感器课件于是电流强度可表示为于是电流强度可表示为于是电流强度可表示为于是电流强度可表示为代入前面式子得代入前面式子得代入前面式子得代入前面式子得（二）霍尔系数和灵敏度（二）霍尔系数和灵敏度
6、（二）霍尔系数和灵敏度（二）霍尔系数和灵敏度设设设设 ，则上式变为，则上式变为，则上式变为，则上式变为 称为霍尔系数，由材料性质决定。称为霍尔系数，由材料性质决定。称为霍尔系数，由材料性质决定。称为霍尔系数，由材料性质决定。由电阻率公式由电阻率公式由电阻率公式由电阻率公式 ，得，得，得，得一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此多采用一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此多采用一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此多采用一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此多采用N N型半导体材料作为霍尔元件。型半导体材料作为霍尔元件。型半导体材料作为霍尔元件。型半导体材料作为霍尔元件。传感器固态传感器课件 定
7、义霍尔元件灵敏度定义霍尔元件灵敏度定义霍尔元件灵敏度定义霍尔元件灵敏度于是于是于是于是由前面公式可看出：由前面公式可看出：由前面公式可看出：由前面公式可看出：1. 1. 由于金属的电子浓度很高，它的霍尔系数很小，不由于金属的电子浓度很高，它的霍尔系数很小，不由于金属的电子浓度很高，它的霍尔系数很小，不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；适合制作霍尔元件；适合制作霍尔元件；适合制作霍尔元件；2. 2. 元件厚度越小，灵敏度越高；元件厚度越小，灵敏度越高；元件厚度越小，灵敏度越高；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当磁感应强度与霍尔平面法线成角度
8、当磁感应强度与霍尔平面法线成角度当磁感应强度与霍尔平面法线成角度 时，时，时，时，霍尔电压为霍尔电压为霍尔电压为霍尔电压为传感器固态传感器课件 通常霍尔元件使用时两端加的电压为通常霍尔元件使用时两端加的电压为通常霍尔元件使用时两端加的电压为通常霍尔元件使用时两端加的电压为E E ，将前面，将前面，将前面，将前面公式中的电流改写为电压更方便。根据电阻公式公式中的电流改写为电压更方便。根据电阻公式公式中的电流改写为电压更方便。根据电阻公式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上面霍尔电压公式可写为上面霍尔电压公式可写为上面霍尔电压公式可写为（三）材料及结构特点（三）材料及
9、结构特点（三）材料及结构特点（三）材料及结构特点 霍尔元件一般采用霍尔元件一般采用霍尔元件一般采用霍尔元件一般采用N N型锗（型锗（型锗（型锗（GeGe）、锑化铟）、锑化铟）、锑化铟）、锑化铟（InSbInSb）和砷化铟（）和砷化铟（）和砷化铟（）和砷化铟（InAsInAs）。锑化铟元件霍尔电压输）。锑化铟元件霍尔电压输）。锑化铟元件霍尔电压输）。锑化铟元件霍尔电压输出大，但受温度影响也大；锗输出小，温度性能和线出大，但受温度影响也大；锗输出小，温度性能和线出大，但受温度影响也大；锗输出小，温度性能和线出大，但受温度影响也大；锗输出小，温度性能和线性较好。性较好。性较好。性较好。传感器固态传感
10、器课件 霍尔元件结构参见下图。霍尔元件结构参见下图。霍尔元件结构参见下图。霍尔元件结构参见下图。（四）基本电路形式（四）基本电路形式（四）基本电路形式（四）基本电路形式 基本电路图见右基本电路图见右基本电路图见右基本电路图见右图。图。图。图。2007.10.25JGLX303-2007.10.25JGLX303-传感器固态传感器课件 （五）电磁特性（五）电磁特性（五）电磁特性（五）电磁特性1. 1. U UH HI I 特性特性特性特性 当磁场恒定时，在一定温度下控制电流当磁场恒定时，在一定温度下控制电流当磁场恒定时，在一定温度下控制电流当磁场恒定时，在一定温度下控制电流I I与霍尔电与霍尔电
11、与霍尔电与霍尔电压压压压U UH H的关系，称为的关系，称为的关系，称为的关系，称为U UH HI I 特性。参见下图。特性。参见下图。特性。参见下图。特性。参见下图。 定义定义定义定义U UH HI I 特性直线的特性直线的特性直线的特性直线的斜率为控制电流灵敏度，斜率为控制电流灵敏度，斜率为控制电流灵敏度，斜率为控制电流灵敏度，即即即即由前面公式得由前面公式得由前面公式得由前面公式得传感器固态传感器课件2. U2. UH H B B特性特性特性特性 当控制电流恒定时，元件开路霍尔电压与磁感应当控制电流恒定时，元件开路霍尔电压与磁感应当控制电流恒定时，元件开路霍尔电压与磁感应当控制电流恒定时
12、，元件开路霍尔电压与磁感应强的的关系，称为强的的关系，称为强的的关系，称为强的的关系，称为U UH H B B特性。通常特性。通常特性。通常特性。通常U UH H B B 关系不关系不关系不关系不完全是线性关系。参见完全是线性关系。参见完全是线性关系。参见完全是线性关系。参见下图。下图。下图。下图。传感器固态传感器课件（六）误差分析及其补偿方法（六）误差分析及其补偿方法（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
13、前面公式推导中，在前面公式推导中，在前面公式推导中，在前面公式推导中，假设霍尔片的长度假设霍尔片的长度假设霍尔片的长度假设霍尔片的长度L L为无为无为无为无限长。实际上霍尔片具有限长。实际上霍尔片具有限长。实际上霍尔片具有限长。实际上霍尔片具有一定的长宽比一定的长宽比一定的长宽比一定的长宽比 。实。实。实。实际上，霍尔电压与际上，霍尔电压与际上，霍尔电压与际上，霍尔电压与 相关，前面公式应表示为相关，前面公式应表示为相关，前面公式应表示为相关，前面公式应表示为 称为元件的形状称为元件的形状称为元件的形状称为元件的形状系数。其曲线参见右图。系数。其曲线参见右图。系数。其曲线参见右图。系数。其曲线
14、参见右图。传感器固态传感器课件 霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响，参见下霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响，参见下霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响，参见下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图。当霍尔电极的宽度与长度比图。当霍尔电极的宽度与长度比图。当霍尔电极的宽度与长度比 时，电极宽度的影响可以忽略。时，电极宽度的影响可以忽略。时，电极宽度的影响可以忽略。时，电极宽度的影响可以忽略。传感器固态传感器课件2. 2. 不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿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在霍尔元件制造过程中，不可
15、能保证两个霍尔电在霍尔元件制造过程中，不可能保证两个霍尔电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，即极安装在等势面上，因此当控制电流流过元件时，即极安装在等势面上，因此当控制电流流过元件时，即极安装在等势面上，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，该使磁感应强度为零，在霍尔电极上仍有电压输出，该使磁感应强度为零，在霍尔电极上仍有电压输出，该使磁感应强度为零，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，电压称为不等位电势。霍尔元件可以等效为一电桥，电压称为不等位电势。霍尔元件可以等效为一
16、电桥，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。参见下图。参见下图。参见下图。传感器固态传感器课件 不等位电势可以采用补偿网络进行补偿。下面为不等位电势可以采用补偿网络进行补偿。下面为不等位电势可以采用补偿网络进行补偿。下面为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。常见的补偿电路。常见的补偿电路。常见的补偿电路。传感器固态传感器课件3. 3. 寄生直流电势寄生直流电势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欧姆接触，由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触，由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触，由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触，在控
17、制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应。当元在控制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应。当元在控制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应。当元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，件在磁感应强度为零的情况下输入交流控制电流时，件在磁感应强度为零的情况下输入交流控制电流时，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，它的输出除了交流不等位电势外，还有一直流分量，它的输出除了交流不等位电势外，还有一直流分量，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该直流
18、分量称为寄生直流电势。其大小与工作电流有该直流分量称为寄生直流电势。其大小与工作电流有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。关，随工作电流减小，直流电势将迅速减小。关，随工作电流减小，直流电势将迅速减小。关，随工作电流减小，直流电势将迅速减小。4. 4. 感应电势感应电势感应电势感应电势 霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电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，在输出回路会感流，由于霍尔元件引线布局不合理，在输出回路会感流
19、，由于霍尔元件引线布局不合理，在输出回路会感流，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。应出交流电压。通过合理布局引线可以减小感应电势。应出交流电压。通过合理布局引线可以减小感应电势。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。参见下图。参见下图。参见下图。传感器固态传感器课件5. 5. 温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差及其补偿温度误差及其补偿 霍尔元件对温度变化十分敏感，为了提高精度，霍尔元件对温度变化十分敏感，为了提高精度，霍尔元件对温度变化十分敏感，为了提高精度，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
20、补偿措施。霍尔元件温度补偿电路参见必须采取温度补偿措施。霍尔元件温度补偿电路参见必须采取温度补偿措施。霍尔元件温度补偿电路参见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下图。霍尔元件内阻与温度关系如下下图。霍尔元件内阻与温度关系如下下图。霍尔元件内阻与温度关系如下传感器固态传感器课件霍尔元件灵敏度与温度的关系为霍尔元件灵敏度与温度的关系为霍尔元件灵敏度与温度的关系为霍尔元件灵敏度与温度的关系为补偿电阻补偿电阻补偿电阻补偿电阻r r0 0的选择如下：的选择如下：的选择如下：的选择如下：设在某基准温度设在某基准温度设在某基准温度设在某基准温度 下，有下，有下，有
21、下，有由上两式得由上两式得由上两式得由上两式得当温度上升为当温度上升为当温度上升为当温度上升为 时，同理可得时，同理可得时，同理可得时，同理可得传感器固态传感器课件当温度为当温度为当温度为当温度为 时霍尔电势为时霍尔电势为时霍尔电势为时霍尔电势为当温度为当温度为当温度为当温度为 时霍尔电势为时霍尔电势为时霍尔电势为时霍尔电势为设补偿后霍尔电势不变，即设补偿后霍尔电势不变，即设补偿后霍尔电势不变，即设补偿后霍尔电势不变，即于是有于是有于是有于是有考虑考虑考虑考虑 ，将前面公式整理得，将前面公式整理得，将前面公式整理得，将前面公式整理得传感器固态传感器课件将上式展开，并略去将上式展开，并略去将上式
22、展开，并略去将上式展开，并略去 项，得项，得项，得项，得对于霍尔元件，有对于霍尔元件，有对于霍尔元件，有对于霍尔元件，有 ，上式简化为，上式简化为，上式简化为，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通过在霍尔元件控制电流输入端并联电阻的方式通过在霍尔元件控制电流输入端并联电阻的方式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。只需要通过霍可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移。只需要通过霍可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移。只需要通过霍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尔元件的内阻温度系数尔元件的内阻温度系数尔元件的内阻温度
23、系数 和灵敏度温度系数和灵敏度温度系数和灵敏度温度系数和灵敏度温度系数 即可求得补偿电阻的大小。即可求得补偿电阻的大小。即可求得补偿电阻的大小。即可求得补偿电阻的大小。传感器固态传感器课件 另外，采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件另外，采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件另外，采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件另外，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。的温度漂移。补偿电路见下图。的温度漂移。补偿电路见下图。的温度漂移。补偿电路见下图。传感器固态传感器课件（七）应用（七）应用（七）应用（七）应用 霍尔式位移传感器参见下图。霍尔式位移传感器参见下图。霍尔式位移传感器
24、参见下图。霍尔式位移传感器参见下图。传感器固态传感器课件 霍尔式压力传感器参见下图。霍尔式压力传感器参见下图。霍尔式压力传感器参见下图。霍尔式压力传感器参见下图。传感器固态传感器课件 霍尔集成电路原理框图，见下图。霍尔集成电路原理框图，见下图。霍尔集成电路原理框图，见下图。霍尔集成电路原理框图，见下图。传感器固态传感器课件二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管二、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，能识磁敏二极管和磁敏三极管具有磁灵敏度高，能识磁敏二极管和磁敏三极管具有磁灵敏度高，能识磁敏二极管和磁敏三极管具有磁灵敏度高，能识别
25、磁场极性；体积小、电路简单等特点。别磁场极性；体积小、电路简单等特点。别磁场极性；体积小、电路简单等特点。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（一）磁敏二极管的工作原理及主要特性（一）磁敏二极管的工作原理及主要特性（一）磁敏二极管的工作原理及主要特性1. 1. 磁敏二极管的结构原理磁敏二极管的结构原理磁敏二极管的结构原理磁敏二极管的结构原理 磁敏二极管采用磁敏二极管采用磁敏二极管采用磁敏二极管采用P P+ +-I-N-I-N+ +型结构，在本征区的一侧型结构，在本征区的一侧型结构，在本征区的一侧型结构，在本征区的一侧面设置高复合面设置高复合面设置高复合面设置
26、高复合r r区。参见下图。区。参见下图。区。参见下图。区。参见下图。传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件2. 2. 磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的主要特征(1)(1)伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性 在给定磁场的情况下，磁敏二极管正向偏压和通在给定磁场的情况下，磁敏二极管正向偏压和通在给定磁场的情况下，磁敏二极管正向偏压和通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。锗磁敏二极管的伏过它的电流的关系称为伏安特性。锗磁敏二极管的伏过它的电流的关系称为伏安特性。锗磁敏二极管的伏过它的电流的关系称为伏安特性。锗磁敏二极管的伏安
27、特性见下图。安特性见下图。安特性见下图。安特性见下图。2006.11.6JC204-2006.11.6JC204-传感器固态传感器课件 两种硅磁敏二极管的伏安特性见下两图。两种硅磁敏二极管的伏安特性见下两图。两种硅磁敏二极管的伏安特性见下两图。两种硅磁敏二极管的伏安特性见下两图。传感器固态传感器课件(2)(2)磁电特性磁电特性磁电特性磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与在给定条件下，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。见下图。外加磁场的关系称为磁电特性。见下图。外加磁场的关系
28、称为磁电特性。见下图。外加磁场的关系称为磁电特性。见下图。传感器固态传感器课件(3)(3)温度特性温度特性温度特性温度特性 温度特性指在标准测试条件下，输出电压变化量温度特性指在标准测试条件下，输出电压变化量温度特性指在标准测试条件下，输出电压变化量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。或无磁场作用时两端电压随温度变化规律。参见下图。或无磁场作用时两端电压随温度变化规律。参见下图。或无磁场作用时两端电压随温度变化规律。参见下图。 通常硅磁敏二通常硅磁敏二通常硅磁敏二通常硅磁敏二极管的极管的极管的极管的U Uo o温度系温度系温度系温度系数为数
29、为数为数为20mV/C20mV/C，UU的温度系数为的温度系数为的温度系数为的温度系数为0.60.6%/C%/C。锗管的。锗管的。锗管的。锗管的U Uo o温度系为温度系为温度系为温度系为-60mV/C-60mV/C， UU的的的的温度系数为温度系数为温度系数为温度系数为1.51.5%/C%/C。传感器固态传感器课件(4)(4)频率特性频率特性频率特性频率特性 硅磁敏二极管的响应时间小于硅磁敏二极管的响应时间小于硅磁敏二极管的响应时间小于硅磁敏二极管的响应时间小于1 1SS，响应频率高，响应频率高，响应频率高，响应频率高达达达达1MHz1MHz。锗管的响应频率为。锗管的响应频率为。锗管的响应频
30、率为。锗管的响应频率为10kHz10kHz。锗管的频率响。锗管的频率响。锗管的频率响。锗管的频率响应曲线见下图。应曲线见下图。应曲线见下图。应曲线见下图。传感器固态传感器课件(5)(5)磁灵敏度磁灵敏度磁灵敏度磁灵敏度 磁敏二极管磁灵敏度有三种定义方法：磁敏二极管磁灵敏度有三种定义方法：磁敏二极管磁灵敏度有三种定义方法：磁敏二极管磁灵敏度有三种定义方法： 在恒流条件下，偏压随磁场变化的电压相对灵敏在恒流条件下，偏压随磁场变化的电压相对灵敏在恒流条件下，偏压随磁场变化的电压相对灵敏在恒流条件下，偏压随磁场变化的电压相对灵敏度为度为度为度为测量电路见图。测量电路见图。测量电路见图。测量电路见图。传
31、感器固态传感器课件 在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对灵敏度在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对灵敏度在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对灵敏度在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对灵敏度为为为为测量电路见图。测量电路见图。测量电路见图。测量电路见图。 在给定电压源在给定电压源在给定电压源在给定电压源E E E E和负载电阻和负载电阻和负载电阻和负载电阻R R R R条件下，电压相对磁条件下，电压相对磁条件下，电压相对磁条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义为灵敏度和电流相对磁灵敏度定义为灵敏度和电流相对磁灵敏度定义为灵敏度和电流相对磁灵敏度定义为传感器固态传感器课件3. 3.
32、 温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施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，为提高精度需要由于磁敏二极管受温度影响大，为提高精度需要由于磁敏二极管受温度影响大，为提高精度需要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。进行温度补偿。进行温度补偿。进行温度补偿。(1)(1)互补式电路互补式电路互补式电路互补式电路 选用特性相近的两只管子，按照磁极性相反的方选用特性相近的两只管子，按照磁极性相反的方选用特性相近的两只管子，按照磁极性相反的方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。向组合，串联在一
33、起。参见下图。向组合，串联在一起。参见下图。向组合，串联在一起。参见下图。 当温度变化时，两只管子同步变当温度变化时，两只管子同步变当温度变化时，两只管子同步变当温度变化时，两只管子同步变化，分压比保持不变，输出化，分压比保持不变，输出化，分压比保持不变，输出化，分压比保持不变，输出U Umm不变。不变。不变。不变。 当存在磁场时，两只管子向相反的当存在磁场时，两只管子向相反的当存在磁场时，两只管子向相反的当存在磁场时，两只管子向相反的方向变化，一个等效电阻增加，另一个方向变化，一个等效电阻增加，另一个方向变化，一个等效电阻增加，另一个方向变化，一个等效电阻增加，另一个减小，分压比发生改变，输
34、出减小，分压比发生改变，输出减小，分压比发生改变，输出减小，分压比发生改变，输出U Umm随之该随之该随之该随之该变。变。变。变。传感器固态传感器课件(2) (2) 差分式电路差分式电路差分式电路差分式电路 差分式电路参见下图。将两只管子按磁极性相反差分式电路参见下图。将两只管子按磁极性相反差分式电路参见下图。将两只管子按磁极性相反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。的方法组合，把两只管子的输出电压差，作为输出。的方法组合，把两只管子的输出电压差，作为输出。的方法组合，把两只管子的输出电压差，作为输出。其输出电压其输出电压其输出电压其输出电压
35、传感器固态传感器课件(3) (3) 全桥式电路全桥式电路全桥式电路全桥式电路 参见下图。对于全桥电路，其输出电压为参见下图。对于全桥电路，其输出电压为参见下图。对于全桥电路，其输出电压为参见下图。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全桥电路要求四只管子特性完全全桥电路要求四只管子特性完全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。一致。给使用带来一定困难。一致。给使用带来一定困难。一致。给使用带来一定困难。传感器固态传感器课件（二）磁敏三极管工作原理和主要特性（二）磁敏三极管工作原理和主要特性（二）磁敏三极管工作原理和主要特性（二）磁敏三极管工作原理和主要特性1.
36、1. 磁敏三极管的结构原理磁敏三极管的结构原理磁敏三极管的结构原理磁敏三极管的结构原理磁敏三极管的结构参见下图。磁敏三极管的结构参见下图。磁敏三极管的结构参见下图。磁敏三极管的结构参见下图。传感器固态传感器课件2. 2. 磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性(1)(1)伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性参见下面曲线。参见下面曲线。参见下面曲线。参见下面曲线。传感器固态传感器课件(2)(2)磁电特性磁电特性磁电特性磁电特性 集电极电流变集电极电流变集电极电流变集电极电流变化量与磁感应强度化量与磁感应强度化量与磁感应强度化量与磁感应强度的关系，称为磁电的关
37、系，称为磁电的关系，称为磁电的关系，称为磁电特性。参见下面曲特性。参见下面曲特性。参见下面曲特性。参见下面曲线。线。线。线。传感器固态传感器课件(3)(3)温度特性温度特性温度特性温度特性 磁敏三极管对温度很敏感。温度系数有两种：静磁敏三极管对温度很敏感。温度系数有两种：静磁敏三极管对温度很敏感。温度系数有两种：静磁敏三极管对温度很敏感。温度系数有两种：静态集电极电流态集电极电流态集电极电流态集电极电流I Icoco的温度系数；磁灵敏度的温度系数；磁灵敏度的温度系数；磁灵敏度的温度系数；磁灵敏度h h 的温度系数。的温度系数。的温度系数。的温度系数。 静态集电极电流静态集电极电流静态集电极电流
38、静态集电极电流IcoIco的温度系数定义为的温度系数定义为的温度系数定义为的温度系数定义为 灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度hh的温度系数定义为的温度系数定义为的温度系数定义为的温度系数定义为传感器固态传感器课件(4)(4)频率特性频率特性频率特性频率特性 3BCM3BCM锗磁敏三极管响应时间为锗磁敏三极管响应时间为锗磁敏三极管响应时间为锗磁敏三极管响应时间为1 1SS，截止频，截止频，截止频，截止频率为率为率为率为500kHz500kHz左右。左右。左右。左右。3CCM3CCM硅硅硅硅磁敏三极管响应时间为磁敏三极管响应时间为磁敏三极管响应时间为磁敏三极管响应时间为0.40.4SS，截止频率为，截止频
39、率为，截止频率为，截止频率为2.5MHz2.5MHz左右。左右。左右。左右。(5)(5)磁灵敏度磁灵敏度磁灵敏度磁灵敏度 磁敏三极管的磁灵敏度有正向磁敏三极管的磁灵敏度有正向磁敏三极管的磁灵敏度有正向磁敏三极管的磁灵敏度有正向h h+ +和负向和负向和负向和负向h h- -两种，两种，两种，两种，定义如下定义如下定义如下定义如下右图电路，电压磁灵敏度为右图电路，电压磁灵敏度为右图电路，电压磁灵敏度为右图电路，电压磁灵敏度为传感器固态传感器课件(6)(6)工作电压工作电压工作电压工作电压 磁敏三极管工作电压范围较宽，从磁敏三极管工作电压范围较宽，从磁敏三极管工作电压范围较宽，从磁敏三极管工作电压
40、范围较宽，从3V3V到几十伏，到几十伏，到几十伏，到几十伏，集电极电压对灵敏度影响不大。集电极电压对灵敏度影响不大。集电极电压对灵敏度影响不大。集电极电压对灵敏度影响不大。硅硅硅硅磁敏三极管的噪磁敏三极管的噪磁敏三极管的噪磁敏三极管的噪声小于磁敏二极管，功耗较低。声小于磁敏二极管，功耗较低。声小于磁敏二极管，功耗较低。声小于磁敏二极管，功耗较低。3. 3. 温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施温度补偿及提高灵敏度的措施 电路如下。电路如下。电路如下。电路如下。2007.10.29JGLX303-2007.10.29JGLX303-传感器固态传感器课件（
41、三）磁敏管的应用（三）磁敏管的应用（三）磁敏管的应用（三）磁敏管的应用 漏磁探伤仪原理见下图。漏磁探伤仪原理见下图。漏磁探伤仪原理见下图。漏磁探伤仪原理见下图。传感器固态传感器课件探伤仪探头结构和原理框图如下。探伤仪探头结构和原理框图如下。探伤仪探头结构和原理框图如下。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（四）常用磁敏管的型号和参数（四）常用磁敏管的型号和参数（四）常用磁敏管的型号和参数 传感器固态传感器课件一、光电效应一、光电效应一、光电效应一、光电效应（一）外光电效应（一）外光电效应（一）外光电效应（一）外光电效应 在光作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外在光作用下
42、，物体内的电子逸出物体表面，向外在光作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外在光作用下，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。发射的现象称为外光电效应。发射的现象称为外光电效应。发射的现象称为外光电效应。 光子具有能量，每个光子的能量为光子具有能量，每个光子的能量为光子具有能量，每个光子的能量为光子具有能量，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若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功功功功 时，电子逸出物体表面。要使电子逸出，光时，电子逸出物体表面。要使电子逸出，光时
43、，电子逸出物体表面。要使电子逸出，光时，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，超过部分的能量转子的能量必须大于物体的逸出功，超过部分的能量转子的能量必须大于物体的逸出功，超过部分的能量转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，即化为电子的动能，即化为电子的动能，即化为电子的动能，即8.2 8.2 光敏传感器光敏传感器传感器固态传感器课件由上式可知：由上式可知：由上式可知：由上式可知：只有当光子能量大于物体的表面逸出功时，才产只有当光子能量大于物体的表面逸出功时，才产只有当光子能量大于物体的表面逸出功时，才产只有当光子能量大于物体的表面逸出功时，才
44、产生光电子。每种物体都对应一个红限频率，当入射生光电子。每种物体都对应一个红限频率，当入射生光电子。每种物体都对应一个红限频率，当入射生光电子。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。光的频率大于该频率时才会产生光电子。光的频率大于该频率时才会产生光电子。光的频率大于该频率时才会产生光电子。入射光的频谱成分不变时，产生的光电子数量与入射光的频谱成分不变时，产生的光电子数量与入射光的频谱成分不变时，产生的光电子数量与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。光强成正比。光强成正比。光强成正比。光电子逸出物体表面时具有初始动能。光电子逸出物体表面时具有初始
45、动能。光电子逸出物体表面时具有初始动能。光电子逸出物体表面时具有初始动能。（二）内光电效应（二）内光电效应（二）内光电效应（二）内光电效应 内光电效应分为两类：内光电效应分为两类：内光电效应分为两类：内光电效应分为两类：光导效应。在光线作用下电子吸收光子能量从价光导效应。在光线作用下电子吸收光子能量从价光导效应。在光线作用下电子吸收光子能量从价光导效应。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。称为光导带跃迁到导带，引起材料电阻率的变化。称为光导带跃迁到导带，引起材料电阻率的变化。称为光导带跃迁到导带，引起材料电阻率的变化。称为光导效应。效应。效应。效应。传感器固态传
46、感器课件光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一光生伏特效应。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。定方向电动势的现象称为光生伏特效应。定方向电动势的现象称为光生伏特效应。定方向电动势的现象称为光生伏特效应。二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻二、光敏电阻 光敏电阻又称为光导管。光敏电阻又称为光导管。光敏电阻又称为光导管。光敏电阻又称为光导管。（一）光敏电阻的原理和结构（一）光敏电阻的原理和结构（一）光敏电阻的原理和结构（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
47、本征当光线照射到光电导体上时，若光导体为本征当光线照射到光电导体上时，若光导体为本征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半导体，且光子能量足够高，光电导体内处于价带半导体，且光子能量足够高，光电导体内处于价带半导体，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上的电子将跃迁到导带上去，从而使光电导体的电上的电子将跃迁到导带上去，从而使光电导体的电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阻率降低。入射光子能量必须大于光导材料的禁带阻率降低。入射光子能量必须大于光导材
48、料的禁带阻率降低。入射光子能量必须大于光导材料的禁带宽度，即宽度，即宽度，即宽度，即传感器固态传感器课件从上式可看出，一种光电导体存在一个波长极限从上式可看出，一种光电导体存在一个波长极限从上式可看出，一种光电导体存在一个波长极限从上式可看出，一种光电导体存在一个波长极限 只有波长短于只有波长短于只有波长短于只有波长短于 的光线才能使光导体的电阻率降的光线才能使光导体的电阻率降的光线才能使光导体的电阻率降的光线才能使光导体的电阻率降低。低。低。低。 光敏电阻的结构参见下图。光敏电阻的结构参见下图。光敏电阻的结构参见下图。光敏电阻的结构参见下图。传感器固态传感器课件光辐射功率光谱密度光辐射功率光
49、谱密度光辐射功率光谱密度光辐射功率光谱密度 ：在单位波长间隔内，：在单位波长间隔内，：在单位波长间隔内，：在单位波长间隔内，光的实际功率光的实际功率光的实际功率光的实际功率( (以以以以ww为单位为单位为单位为单位) )。光通量光通量光通量光通量：能够被人的视觉系统所感受到的那部分光：能够被人的视觉系统所感受到的那部分光：能够被人的视觉系统所感受到的那部分光：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。单位是辐射功率的大小的量度。单位是辐射功率的大小的量度。单位是辐射功率的大小的量度。单位是Lm(Lm(流明流明流明流明) )。 式中式中式中式中 是一个转换常数，过去也曾称为光是一
50、个转换常数，过去也曾称为光是一个转换常数，过去也曾称为光是一个转换常数，过去也曾称为光功当量，现在叫最大光谱光效能，它的数值，是一功当量，现在叫最大光谱光效能，它的数值，是一功当量，现在叫最大光谱光效能，它的数值，是一功当量，现在叫最大光谱光效能，它的数值，是一个国际协议值，规定为个国际协议值，规定为个国际协议值，规定为个国际协议值，规定为 ，即表示在人眼视觉系统最敏感的波长，即表示在人眼视觉系统最敏感的波长，即表示在人眼视觉系统最敏感的波长，即表示在人眼视觉系统最敏感的波长(555nm)(555nm)上，上，上，上，每瓦光功率相应的流明数。每瓦光功率相应的流明数。每瓦光功率相应的流明数。每瓦
51、光功率相应的流明数。 为标准为标准为标准为标准明视觉函数明视觉函数明视觉函数明视觉函数。视觉函数反映了人。视觉函数反映了人。视觉函数反映了人。视觉函数反映了人眼对不同波长光线的敏感程度。眼对不同波长光线的敏感程度。眼对不同波长光线的敏感程度。眼对不同波长光线的敏感程度。传感器固态传感器课件明视觉函数，峰值明视觉函数，峰值明视觉函数，峰值明视觉函数，峰值555nm555nm暗视觉函数，峰值暗视觉函数，峰值暗视觉函数，峰值暗视觉函数，峰值505nm505nm波长波长波长波长nmnm400400500500600600700700视觉函数视觉函数视觉函数视觉函数0.80.81.01.00.60.60
52、.40.40.20.2传感器固态传感器课件照度照度照度照度：单位面积上的光通量。可表示为：单位面积上的光通量。可表示为：单位面积上的光通量。可表示为：单位面积上的光通量。可表示为照度单位为勒克斯（照度单位为勒克斯（照度单位为勒克斯（照度单位为勒克斯（lxlx，luxlux）。）。）。）。1lx=1lm/m1lx=1lm/m2 2。光通。光通。光通。光通量单位为流明（量单位为流明（量单位为流明（量单位为流明（lmlm），定义为纯铂在熔化温度（约），定义为纯铂在熔化温度（约），定义为纯铂在熔化温度（约），定义为纯铂在熔化温度（约17701770）时，其）时，其）时，其）时，其1/601/60平方米
53、的表面面积于平方米的表面面积于平方米的表面面积于平方米的表面面积于1 1球面度球面度球面度球面度的立体角内所辐射的光量。以下是各种环境照度值：的立体角内所辐射的光量。以下是各种环境照度值：的立体角内所辐射的光量。以下是各种环境照度值：的立体角内所辐射的光量。以下是各种环境照度值：单位单位单位单位 luxlux黑夜黑夜黑夜黑夜 0.001 - 0.020.001 - 0.02，月夜，月夜，月夜，月夜 0.02 - 0.30.02 - 0.3，阴天室内，阴天室内，阴天室内，阴天室内 5 5 5050，阴天室外，阴天室外，阴天室外，阴天室外 50 50050 500，晴天室内，晴天室内，晴天室内，晴
54、天室内 100 1000100 1000，夏季中午太阳光下的照度夏季中午太阳光下的照度夏季中午太阳光下的照度夏季中午太阳光下的照度 约为约为约为约为10109 9，阅读书刊时所，阅读书刊时所，阅读书刊时所，阅读书刊时所需的照度需的照度需的照度需的照度 50 6050 60。传感器固态传感器课件（二）光敏电阻的主要参数和基本特性（二）光敏电阻的主要参数和基本特性（二）光敏电阻的主要参数和基本特性（二）光敏电阻的主要参数和基本特性1. 1. 暗电阻、亮电阻、光电流暗电阻、亮电阻、光电流暗电阻、亮电阻、光电流暗电阻、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光敏电阻在标准条件下，全暗后
55、经过一段时间光敏电阻在标准条件下，全暗后经过一段时间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后测得的电阻值称为暗电阻，此时的电流称为暗电后测得的电阻值称为暗电阻，此时的电流称为暗电后测得的电阻值称为暗电阻，此时的电流称为暗电流。流。流。流。 光敏电阻在某一光照条件下的阻值，称为该光光敏电阻在某一光照条件下的阻值，称为该光光敏电阻在某一光照条件下的阻值，称为该光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。亮电流与照下的亮电阻。此时的电流称为亮电流。亮电流与照下的亮电阻。此时的电流称为亮电流。亮电流与照下的亮电阻。此时的电
56、流称为亮电流。亮电流与暗电流之差成为光电流。暗电流之差成为光电流。暗电流之差成为光电流。暗电流之差成为光电流。2. 2. 光照特性光照特性光照特性光照特性 在一定电压下，光电流与入射光照度的关系，在一定电压下，光电流与入射光照度的关系，在一定电压下，光电流与入射光照度的关系，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。称为光照特性。参见后图。称为光照特性。参见后图。称为光照特性。参见后图。3. 3. 光谱特性光谱特性光谱特性光谱特性2006.11.10JC204-2006.11.10JC204-传感器固态传感器课件光谱特性曲线参见下图。光谱特性曲线参见下图。光谱特性曲线参见
57、下图。光谱特性曲线参见下图。4.4.伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端电压与电流之间在一定照度下，光敏电阻两端电压与电流之间在一定照度下，光敏电阻两端电压与电流之间在一定照度下，光敏电阻两端电压与电流之间的关系。的关系。的关系。的关系。传感器固态传感器课件5. 5. 频率特性频率特性频率特性频率特性 硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性参见下图。硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性参见下图。硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性参见下图。硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性参见下图。6. 6. 稳定性稳定性稳定性稳定性 参见上图。参见上图。参见上图。参见上图。传感器固态传感器课件7.
58、7. 温度特性温度特性温度特性温度特性 温度特性参见下图。温度特性参见下图。温度特性参见下图。温度特性参见下图。（三）光敏电阻与负载的匹配（三）光敏电阻与负载的匹配（三）光敏电阻与负载的匹配（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每一个光敏电阻都有一个最大耗散功率每一个光敏电阻都有一个最大耗散功率每一个光敏电阻都有一个最大耗散功率 。因此，有。因此，有。因此，有。因此，有传感器固态传感器课件光敏电阻测量电路参见下图。总电流光敏电阻测量电路参见下图。总电流光敏电阻测量电路参见下图。总电流光敏电阻测量电路参见下图。总电流传感器固态传感器课件 设照度变化时，光敏电阻值的变化量为
59、设照度变化时，光敏电阻值的变化量为设照度变化时，光敏电阻值的变化量为设照度变化时，光敏电阻值的变化量为 ，则此时电流为，则此时电流为，则此时电流为，则此时电流为由上两式得由上两式得由上两式得由上两式得当电流为当电流为当电流为当电流为 时，输出电压为时，输出电压为时，输出电压为时，输出电压为电流为电流为电流为电流为 时，输出电压为时，输出电压为时，输出电压为时，输出电压为传感器固态传感器课件由上两式得由上两式得由上两式得由上两式得 光敏电阻值及电源电压为已知，选择最佳的光敏电阻值及电源电压为已知，选择最佳的光敏电阻值及电源电压为已知，选择最佳的光敏电阻值及电源电压为已知，选择最佳的 值，可以获得
60、最大的信号电压，上式对值，可以获得最大的信号电压，上式对值，可以获得最大的信号电压，上式对值，可以获得最大的信号电压，上式对 求偏导，求偏导，求偏导，求偏导，并令其为零，得并令其为零，得并令其为零，得并令其为零，得解上式得解上式得解上式得解上式得因此，当负载电阻与光敏电阻值相等时，可得到最因此，当负载电阻与光敏电阻值相等时，可得到最因此，当负载电阻与光敏电阻值相等时，可得到最因此，当负载电阻与光敏电阻值相等时，可得到最大信号电压。大信号电压。大信号电压。大信号电压。传感器固态传感器课件上面讨论，是针对直流量考虑的，当用于交流情况上面讨论，是针对直流量考虑的，当用于交流情况上面讨论，是针对直流量
61、考虑的，当用于交流情况上面讨论，是针对直流量考虑的，当用于交流情况时，时，时，时， 应选用较小的值，以提高高频响应。应选用较小的值，以提高高频响应。应选用较小的值，以提高高频响应。应选用较小的值，以提高高频响应。三、光电池三、光电池三、光电池三、光电池（一）光电池的结构原理（一）光电池的结构原理（一）光电池的结构原理（一）光电池的结构原理 硅光电池结构参见硅光电池结构参见硅光电池结构参见硅光电池结构参见右图。右图。右图。右图。 在电阻率约为在电阻率约为在电阻率约为在电阻率约为0.10.11 1cmcm的的的的N N型硅片上，扩型硅片上，扩型硅片上，扩型硅片上，扩散硼形成散硼形成散硼形成散硼形成
62、P P型层，将型层，将型层，将型层，将P P型和型和型和型和N N型层引出，作为正负极。型层引出，作为正负极。型层引出，作为正负极。型层引出，作为正负极。传感器固态传感器课件内建电场方向内建电场方向内建电场方向内建电场方向+ +- 光电池的工作原理是：光电池的工作原理是：光电池的工作原理是：光电池的工作原理是：PNPN结存在内建电场，当结存在内建电场，当结存在内建电场，当结存在内建电场，当入射光足够强时，在入射光足够强时，在入射光足够强时，在入射光足够强时，在PNPN结附近激发电子结附近激发电子结附近激发电子结附近激发电子空穴对，空穴对，空穴对，空穴对，在内建电场作用下，在内建电场作用下，在内
63、建电场作用下，在内建电场作用下，N N区的区的区的区的光生空穴被拉向光生空穴被拉向光生空穴被拉向光生空穴被拉向P P区区区区，P P区的区的区的区的光生电子被拉向光生电子被拉向光生电子被拉向光生电子被拉向N N区区区区，结果，结果，结果，结果N N区聚集负电荷，区聚集负电荷，区聚集负电荷，区聚集负电荷，P P区聚集正电荷。这样在区聚集正电荷。这样在区聚集正电荷。这样在区聚集正电荷。这样在N N区和区和区和区和P P区间出现电位差区间出现电位差区间出现电位差区间出现电位差。传感器固态传感器课件（二）基本特性（二）基本特性（二）基本特性（二）基本特性1. 1. 光照特性光照特性光照特性光照特性 即
64、光电池开路电动势和短路电流与照度的关系。即光电池开路电动势和短路电流与照度的关系。即光电池开路电动势和短路电流与照度的关系。即光电池开路电动势和短路电流与照度的关系。传感器固态传感器课件 所谓短路电流是指外接负载电阻相对光电池内所谓短路电流是指外接负载电阻相对光电池内所谓短路电流是指外接负载电阻相对光电池内所谓短路电流是指外接负载电阻相对光电池内阻很小的情况下的输出电流。负载电阻越小，输出阻很小的情况下的输出电流。负载电阻越小，输出阻很小的情况下的输出电流。负载电阻越小，输出阻很小的情况下的输出电流。负载电阻越小，输出电流与照度的线性越好。参见下图。电流与照度的线性越好。参见下图。电流与照度的
65、线性越好。参见下图。电流与照度的线性越好。参见下图。传感器固态传感器课件2. 2. 光谱特性光谱特性光谱特性光谱特性 光电池的光谱特性决定于材料。硅和硒光电池光电池的光谱特性决定于材料。硅和硒光电池光电池的光谱特性决定于材料。硅和硒光电池光电池的光谱特性决定于材料。硅和硒光电池的光谱特性参见下图。的光谱特性参见下图。的光谱特性参见下图。的光谱特性参见下图。传感器固态传感器课件3. 3. 频率响应频率响应频率响应频率响应 光电池的频率响应参见下图。光电池的频率响应参见下图。光电池的频率响应参见下图。光电池的频率响应参见下图。4. 4. 温度特性温度特性温度特性温度特性 参见右上图。从图上看出，短
66、路电流比开路电压参见右上图。从图上看出，短路电流比开路电压参见右上图。从图上看出，短路电流比开路电压参见右上图。从图上看出，短路电流比开路电压的温度特性要好。的温度特性要好。的温度特性要好。的温度特性要好。传感器固态传感器课件（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配 光电池最大输出电功率与输入光功率的比值，光电池最大输出电功率与输入光功率的比值，光电池最大输出电功率与输入光功率的比值，光电池最大输出电功率与输入光功率的比值，称为光电池的转换效率。硅光电池转换效率的理论称为光电池的转换效率。硅
67、光电池转换效率的理论称为光电池的转换效率。硅光电池转换效率的理论称为光电池的转换效率。硅光电池转换效率的理论值最大为值最大为值最大为值最大为24%24%，目前实际为，目前实际为，目前实际为，目前实际为10%15%10%15%。 光电池具有非线性内阻，因此输出电压随输出光电池具有非线性内阻，因此输出电压随输出光电池具有非线性内阻，因此输出电压随输出光电池具有非线性内阻，因此输出电压随输出电流增大而非线性减小。光电池输出电压与输出电电流增大而非线性减小。光电池输出电压与输出电电流增大而非线性减小。光电池输出电压与输出电电流增大而非线性减小。光电池输出电压与输出电流的关系称为输出特性，输出特性曲线参
68、见下图。流的关系称为输出特性，输出特性曲线参见下图。流的关系称为输出特性，输出特性曲线参见下图。流的关系称为输出特性，输出特性曲线参见下图。入射光照度不同输出特性曲线不同。入射光照度不同输出特性曲线不同。入射光照度不同输出特性曲线不同。入射光照度不同输出特性曲线不同。 参见下图，考虑负载电阻为线性电阻，显然负参见下图，考虑负载电阻为线性电阻，显然负参见下图，考虑负载电阻为线性电阻，显然负参见下图，考虑负载电阻为线性电阻，显然负载电阻的载电阻的载电阻的载电阻的U-IU-I关系为一直线，该直线的斜率为负载电关系为一直线，该直线的斜率为负载电关系为一直线，该直线的斜率为负载电关系为一直线，该直线的斜
69、率为负载电阻值，直线与光电池输出特性曲线的交点即为工作阻值，直线与光电池输出特性曲线的交点即为工作阻值，直线与光电池输出特性曲线的交点即为工作阻值，直线与光电池输出特性曲线的交点即为工作点，此时电压与电流的乘积即为光电池的输出功率。点，此时电压与电流的乘积即为光电池的输出功率。点，此时电压与电流的乘积即为光电池的输出功率。点，此时电压与电流的乘积即为光电池的输出功率。传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件 上图中阴影部分的面积即为光电池的输出功率，上图中阴影部分的面积即为光电池的输出功率，上图中阴影部分的面积即为光电池的输出功率，上图中阴影部分的面积即为光电池的输出功率，改变负载电阻的值，可
70、以使得对应阴影面积最大。改变负载电阻的值，可以使得对应阴影面积最大。改变负载电阻的值，可以使得对应阴影面积最大。改变负载电阻的值，可以使得对应阴影面积最大。此时负载电阻称为最佳负载电阻。此时负载电阻称为最佳负载电阻。此时负载电阻称为最佳负载电阻。此时负载电阻称为最佳负载电阻。 由于光照不同光电池的输出特性曲线也不同，由于光照不同光电池的输出特性曲线也不同，由于光照不同光电池的输出特性曲线也不同，由于光照不同光电池的输出特性曲线也不同，因此，不同光照下最佳负载电阻值不同。因此，不同光照下最佳负载电阻值不同。因此，不同光照下最佳负载电阻值不同。因此，不同光照下最佳负载电阻值不同。四、光敏二极管和光
71、敏三极管四、光敏二极管和光敏三极管四、光敏二极管和光敏三极管四、光敏二极管和光敏三极管（一）光敏管的结构和工作原理（一）光敏管的结构和工作原理（一）光敏管的结构和工作原理（一）光敏管的结构和工作原理 光敏二极管与一般二极管类似，其光敏二极管与一般二极管类似，其光敏二极管与一般二极管类似，其光敏二极管与一般二极管类似，其PNPN结装在管结装在管结装在管结装在管子的顶部，以便接受光照。光敏二极管在电路中通子的顶部，以便接受光照。光敏二极管在电路中通子的顶部，以便接受光照。光敏二极管在电路中通子的顶部，以便接受光照。光敏二极管在电路中通常工作在反向偏压状态。常工作在反向偏压状态。常工作在反向偏压状态
72、。常工作在反向偏压状态。 光敏二极管的原理参加下图。光敏二极管的原理参加下图。光敏二极管的原理参加下图。光敏二极管的原理参加下图。 传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件 当光敏二极管受到光照时，当光敏二极管受到光照时，当光敏二极管受到光照时，当光敏二极管受到光照时，PNPN结附近受结附近受结附近受结附近受光子轰光子轰光子轰光子轰击击击击，吸收其能量，吸收其能量，吸收其能量，吸收其能量产生电子空穴对产生电子空穴对产生电子空穴对产生电子空穴对，使，使，使，使P P区和区和区和区和N N区的区的区的区的少少少少数载流子浓度数载流子浓度数载流子浓度数载流子浓度大大增加。在外加反偏压和内建电场大大增
73、加。在外加反偏压和内建电场大大增加。在外加反偏压和内建电场大大增加。在外加反偏压和内建电场的作用下，的作用下，的作用下，的作用下，P P区少数载流子渡越阻挡层进入区少数载流子渡越阻挡层进入区少数载流子渡越阻挡层进入区少数载流子渡越阻挡层进入N N区，区，区，区，N N区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入P P区，从而使通过区，从而使通过区，从而使通过区，从而使通过PNPN结的反向电流增加，形成结的反向电流增加，形成结的反向电流增加，形成结的反向电流增加，形成光电流光电流光电流光电流。 光敏三极管与光敏二极管结构相似，内
74、部有两光敏三极管与光敏二极管结构相似，内部有两光敏三极管与光敏二极管结构相似，内部有两光敏三极管与光敏二极管结构相似，内部有两个个个个PNPN结。光敏三极管发射极做得很小，以扩大光照结。光敏三极管发射极做得很小，以扩大光照结。光敏三极管发射极做得很小，以扩大光照结。光敏三极管发射极做得很小，以扩大光照面积。面积。面积。面积。 光敏三极管工作时基极开路，基极光敏三极管工作时基极开路，基极光敏三极管工作时基极开路，基极光敏三极管工作时基极开路，基极集电极处集电极处集电极处集电极处于反偏。当光照射到于反偏。当光照射到于反偏。当光照射到于反偏。当光照射到PNPN结附近时，使结附近时，使结附近时，使结附
75、近时，使PNPN结附近产生结附近产生结附近产生结附近产生电子电子电子电子空穴对，形成空穴对，形成空穴对，形成空穴对，形成光电流光电流光电流光电流。传感器固态传感器课件 光照集电结产生的光电流相当于三极管的基极光照集电结产生的光电流相当于三极管的基极光照集电结产生的光电流相当于三极管的基极光照集电结产生的光电流相当于三极管的基极电流，因此集电极电流被放大了电流，因此集电极电流被放大了电流，因此集电极电流被放大了电流，因此集电极电流被放大了 倍，从而使光敏倍，从而使光敏倍，从而使光敏倍，从而使光敏三极管比光敏二极管灵敏度高。三极管比光敏二极管灵敏度高。三极管比光敏二极管灵敏度高。三极管比光敏二极管
76、灵敏度高。光电流光电流光电流光电流= =基极电流基极电流基极电流基极电流集电极电流集电极电流集电极电流集电极电流2006.11.13JC204-2006.11.13JC204-传感器固态传感器课件（二）光敏管的基本特征（二）光敏管的基本特征（二）光敏管的基本特征（二）光敏管的基本特征1. 1. 光谱特性光谱特性光谱特性光谱特性 在入射光功率（或光子流密度）一定时，输出在入射光功率（或光子流密度）一定时，输出在入射光功率（或光子流密度）一定时，输出在入射光功率（或光子流密度）一定时，输出光电流（或相对光谱灵敏度）随光波长的变化而变光电流（或相对光谱灵敏度）随光波长的变化而变光电流（或相对光谱灵敏
77、度）随光波长的变化而变光电流（或相对光谱灵敏度）随光波长的变化而变化，称为光敏管的光谱特性。化，称为光敏管的光谱特性。化，称为光敏管的光谱特性。化，称为光敏管的光谱特性。峰值约为峰值约为峰值约为峰值约为1.41.51.41.5mm峰值约为峰值约为峰值约为峰值约为0.80.90.80.9mm传感器固态传感器课件2. 2. 伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性 在不同照度下光电流与外加电压的关系。由图在不同照度下光电流与外加电压的关系。由图在不同照度下光电流与外加电压的关系。由图在不同照度下光电流与外加电压的关系。由图上可看出，在上可看出，在上可看出，在上可看出，在零偏压时，二极管仍有光电流输出零偏压
78、时，二极管仍有光电流输出零偏压时，二极管仍有光电流输出零偏压时，二极管仍有光电流输出，而三极管没有，这是因为二极管存在光生伏特效应。而三极管没有，这是因为二极管存在光生伏特效应。而三极管没有，这是因为二极管存在光生伏特效应。而三极管没有，这是因为二极管存在光生伏特效应。传感器固态传感器课件3. 3. 光照特性光照特性光照特性光照特性 在一定偏压下，光电流与照度的关系，称为光在一定偏压下，光电流与照度的关系，称为光在一定偏压下，光电流与照度的关系，称为光在一定偏压下，光电流与照度的关系，称为光照特性。照特性。照特性。照特性。传感器固态传感器课件4. 4. 频率响应频率响应频率响应频率响应 当入射
79、光照度受正弦幅度调制时，输出光电流当入射光照度受正弦幅度调制时，输出光电流当入射光照度受正弦幅度调制时，输出光电流当入射光照度受正弦幅度调制时，输出光电流变化幅度与调制频率的关系，称为频率响应。变化幅度与调制频率的关系，称为频率响应。变化幅度与调制频率的关系，称为频率响应。变化幅度与调制频率的关系，称为频率响应。 频率响应与管子的结构、工作状态、负载以及频率响应与管子的结构、工作状态、负载以及频率响应与管子的结构、工作状态、负载以及频率响应与管子的结构、工作状态、负载以及入射光波长有关。减小负载可提高响应频率，但输入射光波长有关。减小负载可提高响应频率，但输入射光波长有关。减小负载可提高响应频
80、率，但输入射光波长有关。减小负载可提高响应频率，但输出电压幅度要降低。出电压幅度要降低。出电压幅度要降低。出电压幅度要降低。 光敏三极管通常光敏三极管通常光敏三极管通常光敏三极管通常比光敏二极管的频率比光敏二极管的频率比光敏二极管的频率比光敏二极管的频率响应差很多。响应差很多。响应差很多。响应差很多。传感器固态传感器课件5. 5. 暗电流暗电流暗电流暗电流温度特性与光电流温度特性与光电流温度特性与光电流温度特性与光电流温度特性温度特性温度特性温度特性 暗电流随温度升高而增加。在低照度时暗电流暗电流随温度升高而增加。在低照度时暗电流暗电流随温度升高而增加。在低照度时暗电流暗电流随温度升高而增加。
81、在低照度时暗电流对测量影响较大，需要进行补偿。光电流受温度影对测量影响较大，需要进行补偿。光电流受温度影对测量影响较大，需要进行补偿。光电流受温度影对测量影响较大，需要进行补偿。光电流受温度影响较小。响较小。响较小。响较小。传感器固态传感器课件（三）光敏晶体管电路分析方法（三）光敏晶体管电路分析方法（三）光敏晶体管电路分析方法（三）光敏晶体管电路分析方法 例例例例1. 1. 传感器固态传感器课件 例例例例2. 2. 传感器固态传感器课件五、光电传感器的类型及应用五、光电传感器的类型及应用五、光电传感器的类型及应用五、光电传感器的类型及应用（一）光电传感器的类型（一）光电传感器的类型（一）光电传
82、感器的类型（一）光电传感器的类型 光电传感器测量系统按其输出量性质可分为两光电传感器测量系统按其输出量性质可分为两光电传感器测量系统按其输出量性质可分为两光电传感器测量系统按其输出量性质可分为两类。第一类是把被测量转换为连续变化的光电流。类。第一类是把被测量转换为连续变化的光电流。类。第一类是把被测量转换为连续变化的光电流。类。第一类是把被测量转换为连续变化的光电流。主要有下列几种情形。第二类是转换为断续的光电主要有下列几种情形。第二类是转换为断续的光电主要有下列几种情形。第二类是转换为断续的光电主要有下列几种情形。第二类是转换为断续的光电流。流。流。流。传感器固态传感器课件（二）应用（二）应
83、用（二）应用（二）应用1.1.光电耦合器光电耦合器光电耦合器光电耦合器 光电耦合器的作用是传送信号，同时避免电气光电耦合器的作用是传送信号，同时避免电气光电耦合器的作用是传送信号，同时避免电气光电耦合器的作用是传送信号，同时避免电气连接。光电耦合器件主要用途：连接。光电耦合器件主要用途：连接。光电耦合器件主要用途：连接。光电耦合器件主要用途：(1)(1)信号隔离，通过消除环路电流，阻塞噪声信号和信号隔离，通过消除环路电流，阻塞噪声信号和信号隔离，通过消除环路电流，阻塞噪声信号和信号隔离，通过消除环路电流，阻塞噪声信号和共模瞬变，改善信号质量共模瞬变，改善信号质量共模瞬变，改善信号质量共模瞬变，
84、改善信号质量 ；(2)(2)电气绝缘，防止光电耦合器和灵敏电路因高压电电气绝缘，防止光电耦合器和灵敏电路因高压电电气绝缘，防止光电耦合器和灵敏电路因高压电电气绝缘，防止光电耦合器和灵敏电路因高压电势而引起损坏。势而引起损坏。势而引起损坏。势而引起损坏。 下图为长距离信号传输地电位差示意图。下图为长距离信号传输地电位差示意图。下图为长距离信号传输地电位差示意图。下图为长距离信号传输地电位差示意图。地电位地电位地电位地电位1 1地电位地电位地电位地电位2 2地电位差地电位差地电位差地电位差传感器固态传感器课件采用光电隔离后，可以有效避免地电位的干扰。采用光电隔离后，可以有效避免地电位的干扰。采用光
85、电隔离后，可以有效避免地电位的干扰。采用光电隔离后，可以有效避免地电位的干扰。 光电耦合器件的结构形式参见下图。光电耦合器件的结构形式参见下图。光电耦合器件的结构形式参见下图。光电耦合器件的结构形式参见下图。地电位地电位地电位地电位1 1地电位地电位地电位地电位2 2地电位差地电位差地电位差地电位差传感器固态传感器课件 光电耦合器有多种组合方式，参见下图。光电耦合器有多种组合方式，参见下图。光电耦合器有多种组合方式，参见下图。光电耦合器有多种组合方式，参见下图。 光电耦合器件分为光电耦合器件分为光电耦合器件分为光电耦合器件分为线性和数字两种。下图线性和数字两种。下图线性和数字两种。下图线性和数
86、字两种。下图为光电耦合器的特性曲为光电耦合器的特性曲为光电耦合器的特性曲为光电耦合器的特性曲线。线。线。线。传感器固态传感器课件2 2. . 光电转速计光电转速计光电转速计光电转速计 利用光电器件测量转速，其组成见下图。利用光电器件测量转速，其组成见下图。利用光电器件测量转速，其组成见下图。利用光电器件测量转速，其组成见下图。2007.11.1 JGLX303-2007.11.1 JGLX303-传感器固态传感器课件六、六、六、六、 PINPIN型硅光敏二极管型硅光敏二极管型硅光敏二极管型硅光敏二极管 PINPIN型硅光敏二极管是一种高速光敏二极管。其型硅光敏二极管是一种高速光敏二极管。其型硅
87、光敏二极管是一种高速光敏二极管。其型硅光敏二极管是一种高速光敏二极管。其设计思想是，为了得到高速响应，需要减小二极管设计思想是，为了得到高速响应，需要减小二极管设计思想是，为了得到高速响应，需要减小二极管设计思想是，为了得到高速响应，需要减小二极管的的的的PNPN结的电容。为此在高浓度结的电容。为此在高浓度结的电容。为此在高浓度结的电容。为此在高浓度P P型和型和型和型和N N型硅片层间插型硅片层间插型硅片层间插型硅片层间插入高阻抗的本征半导体层（入高阻抗的本征半导体层（入高阻抗的本征半导体层（入高阻抗的本征半导体层（I I层），参见下图。层），参见下图。层），参见下图。层），参见下图。传感器
88、固态传感器课件 插入本征半导体层后可提高二极管的响应速度插入本征半导体层后可提高二极管的响应速度插入本征半导体层后可提高二极管的响应速度插入本征半导体层后可提高二极管的响应速度和灵敏度。通过插入本征层和限制受光面积，可以和灵敏度。通过插入本征层和限制受光面积，可以和灵敏度。通过插入本征层和限制受光面积，可以和灵敏度。通过插入本征层和限制受光面积，可以使使使使结电容减小结电容减小结电容减小结电容减小到普通到普通到普通到普通PNPN结的结的结的结的1/1001/10001/1001/1000。来自。来自。来自。来自P P层外侧光子在主要在耗尽层内被吸收，激发产生载层外侧光子在主要在耗尽层内被吸收，
89、激发产生载层外侧光子在主要在耗尽层内被吸收，激发产生载层外侧光子在主要在耗尽层内被吸收，激发产生载流子，形成光电流，由于本征层的存在，载流子在流子，形成光电流，由于本征层的存在，载流子在流子，形成光电流，由于本征层的存在，载流子在流子，形成光电流，由于本征层的存在，载流子在飘移过程中，飘移过程中，飘移过程中，飘移过程中，很少或没有再复合很少或没有再复合很少或没有再复合很少或没有再复合，因而，因而，因而，因而有较高的量有较高的量有较高的量有较高的量子效率子效率子效率子效率，从而提高灵敏度。，从而提高灵敏度。，从而提高灵敏度。，从而提高灵敏度。 另一方面另一方面另一方面另一方面PINPIN型二极管
90、可以加较高的反压，大大型二极管可以加较高的反压，大大型二极管可以加较高的反压，大大型二极管可以加较高的反压，大大加强加强加强加强PNPN结电场，使光生载流子在结电场中的运动加结电场，使光生载流子在结电场中的运动加结电场，使光生载流子在结电场中的运动加结电场，使光生载流子在结电场中的运动加速，减小飘移时间，进一步提高响应速度。通常速，减小飘移时间，进一步提高响应速度。通常速，减小飘移时间，进一步提高响应速度。通常速，减小飘移时间，进一步提高响应速度。通常PINPIN型光敏二极管响应时间可达型光敏二极管响应时间可达型光敏二极管响应时间可达型光敏二极管响应时间可达1nS1nS。传感器固态传感器课件七
91、、七、七、七、 雪崩式光敏雪崩式光敏雪崩式光敏雪崩式光敏二极管（二极管（二极管（二极管（APDAPD） 雪崩式光敏雪崩式光敏雪崩式光敏雪崩式光敏二极管具有高速响应和放大功能。二极管具有高速响应和放大功能。二极管具有高速响应和放大功能。二极管具有高速响应和放大功能。结构参见下图。在结构参见下图。在结构参见下图。在结构参见下图。在PNPN结的结的结的结的P P层一侧再设置一层掺杂层一侧再设置一层掺杂层一侧再设置一层掺杂层一侧再设置一层掺杂浓度极高的浓度极高的浓度极高的浓度极高的P P+ +层，在层，在层，在层，在PNPN结上施加较大的反偏压，利结上施加较大的反偏压，利结上施加较大的反偏压，利结上施
92、加较大的反偏压，利用用用用PNPN结处产生的雪崩效应完成电子倍增。结处产生的雪崩效应完成电子倍增。结处产生的雪崩效应完成电子倍增。结处产生的雪崩效应完成电子倍增。传感器固态传感器课件 使用时在元件两端加上近于击穿的反压。外来使用时在元件两端加上近于击穿的反压。外来使用时在元件两端加上近于击穿的反压。外来使用时在元件两端加上近于击穿的反压。外来光子通过薄的光子通过薄的光子通过薄的光子通过薄的P P+ +层，被层，被层，被层，被P P层吸收，产生载流子。由于层吸收，产生载流子。由于层吸收，产生载流子。由于层吸收，产生载流子。由于P P层存在层存在层存在层存在10105 5V/cmV/cm的的的的强
93、电场强电场强电场强电场，载流子从，载流子从，载流子从，载流子从电场获得足够电场获得足够电场获得足够电场获得足够的能量的能量的能量的能量，将价带上的，将价带上的，将价带上的，将价带上的电子激发电子激发电子激发电子激发，产生新的载流子，产生新的载流子，产生新的载流子，产生新的载流子，新的载流子在强电场作用下，再次激发出载流子，新的载流子在强电场作用下，再次激发出载流子，新的载流子在强电场作用下，再次激发出载流子，新的载流子在强电场作用下，再次激发出载流子，于是电子和空穴不断产生（于是电子和空穴不断产生（于是电子和空穴不断产生（于是电子和空穴不断产生（雪崩效应雪崩效应雪崩效应雪崩效应），使光电流），
94、使光电流），使光电流），使光电流在内部倍增。倍增的放大倍数与外加电压和材料有在内部倍增。倍增的放大倍数与外加电压和材料有在内部倍增。倍增的放大倍数与外加电压和材料有在内部倍增。倍增的放大倍数与外加电压和材料有关，通常倍增因子（倍增倍数）关，通常倍增因子（倍增倍数）关，通常倍增因子（倍增倍数）关，通常倍增因子（倍增倍数）式中式中式中式中 与材料、入射波长等有关的参数。与材料、入射波长等有关的参数。与材料、入射波长等有关的参数。与材料、入射波长等有关的参数。 为为为为击穿电压。通常击穿电压。通常击穿电压。通常击穿电压。通常 从数十到数百。从数十到数百。从数十到数百。从数十到数百。传感器固态传感器课
95、件一、图像传感器的基本原理一、图像传感器的基本原理一、图像传感器的基本原理一、图像传感器的基本原理 图像传感器的作用是将图像转换为电信号输出。图像传感器的作用是将图像转换为电信号输出。图像传感器的作用是将图像转换为电信号输出。图像传感器的作用是将图像转换为电信号输出。数字图像获取的过程参见下图。数字图像获取的过程参见下图。数字图像获取的过程参见下图。数字图像获取的过程参见下图。8.3 8.3 电荷耦合图像传感器电荷耦合图像传感器传感器固态传感器课件 图像传感器对图像是一个空间取样过程。同样图像传感器对图像是一个空间取样过程。同样图像传感器对图像是一个空间取样过程。同样图像传感器对图像是一个空间
96、取样过程。同样受取样定律约束。要从取样数据恢复原始图像，空受取样定律约束。要从取样数据恢复原始图像，空受取样定律约束。要从取样数据恢复原始图像，空受取样定律约束。要从取样数据恢复原始图像，空间采样频率必须符合取样定律。间采样频率必须符合取样定律。间采样频率必须符合取样定律。间采样频率必须符合取样定律。X X方向采样间隔方向采样间隔方向采样间隔方向采样间隔Y Y方向采样间隔方向采样间隔方向采样间隔方向采样间隔传感器固态传感器课件设设设设X X方向采样间隔为方向采样间隔为方向采样间隔为方向采样间隔为 ，Y Y方向采样间隔为方向采样间隔为方向采样间隔为方向采样间隔为 ，则，则，则，则X X、Y Y方
97、向的空间采样频率为方向的空间采样频率为方向的空间采样频率为方向的空间采样频率为 X X传感器固态传感器课件 空间采样频率等于空间空间采样频率等于空间空间采样频率等于空间空间采样频率等于空间采样间隔的倒数采样间隔的倒数采样间隔的倒数采样间隔的倒数，按照，按照，按照，按照采样定律采样定律采样定律采样定律空间采样频率必须大于图像最高空间频率空间采样频率必须大于图像最高空间频率空间采样频率必须大于图像最高空间频率空间采样频率必须大于图像最高空间频率分量的两倍分量的两倍分量的两倍分量的两倍。由于可以通过光学系统放大图像，降。由于可以通过光学系统放大图像，降。由于可以通过光学系统放大图像，降。由于可以通过
98、光学系统放大图像，降低图像的空间频率，因此对于图像传感器考虑的是低图像的空间频率，因此对于图像传感器考虑的是低图像的空间频率，因此对于图像传感器考虑的是低图像的空间频率，因此对于图像传感器考虑的是传感器传感器传感器传感器采样的点数采样的点数采样的点数采样的点数即像素多少，而不是空间采样频即像素多少，而不是空间采样频即像素多少，而不是空间采样频即像素多少，而不是空间采样频率。通常在图像传感器前加一片率。通常在图像传感器前加一片率。通常在图像传感器前加一片率。通常在图像传感器前加一片光学低通滤波器光学低通滤波器光学低通滤波器光学低通滤波器。 对于家用数码相机使用的图像传感器，其像素对于家用数码相机
99、使用的图像传感器，其像素对于家用数码相机使用的图像传感器，其像素对于家用数码相机使用的图像传感器，其像素多少的选择取决于需要输出照片的大小。通常多少的选择取决于需要输出照片的大小。通常多少的选择取决于需要输出照片的大小。通常多少的选择取决于需要输出照片的大小。通常5 5吋的吋的吋的吋的照片照片照片照片200200万（约万（约万（约万（约1600120016001200）像素就可以保证清晰了。）像素就可以保证清晰了。）像素就可以保证清晰了。）像素就可以保证清晰了。而而而而500500万（约万（约万（约万（约25801936 25801936 ）像素可以完美输出）像素可以完美输出）像素可以完美输出
100、）像素可以完美输出1414吋吋吋吋的照片的照片的照片的照片 。 由以上讨论可以看出，只要将多个光敏元件在由以上讨论可以看出，只要将多个光敏元件在由以上讨论可以看出，只要将多个光敏元件在由以上讨论可以看出，只要将多个光敏元件在平面上组成一个矩阵就构成图像传感器。但平面上组成一个矩阵就构成图像传感器。但平面上组成一个矩阵就构成图像传感器。但平面上组成一个矩阵就构成图像传感器。但数百万数百万数百万数百万个光敏元件的信号输出个光敏元件的信号输出个光敏元件的信号输出个光敏元件的信号输出，需要合适的方法才能完成。，需要合适的方法才能完成。，需要合适的方法才能完成。，需要合适的方法才能完成。传感器固态传感器
101、课件二、电荷耦合器件的结构与工作原理二、电荷耦合器件的结构与工作原理二、电荷耦合器件的结构与工作原理二、电荷耦合器件的结构与工作原理（一）电荷耦合器件的结构（一）电荷耦合器件的结构（一）电荷耦合器件的结构（一）电荷耦合器件的结构 电荷耦合器件由多个电荷耦合器件由多个电荷耦合器件由多个电荷耦合器件由多个MOSMOS电容按一定规律排列电容按一定规律排列电容按一定规律排列电容按一定规律排列而成的。而成的。而成的。而成的。MOSMOS电容结构如下图。电容结构如下图。电容结构如下图。电容结构如下图。 当当当当MOSMOS电容无外加电压时，在电容无外加电压时，在电容无外加电压时，在电容无外加电压时，在理想
102、情况理想情况理想情况理想情况下，能下，能下，能下，能带（电子能量）从表面到内部是平坦的。带（电子能量）从表面到内部是平坦的。带（电子能量）从表面到内部是平坦的。带（电子能量）从表面到内部是平坦的。 对于对于对于对于P P型型型型MOSMOS电容，当金属极加上正电压时，空电容，当金属极加上正电压时，空电容，当金属极加上正电压时，空电容，当金属极加上正电压时，空穴受排斥，离开表面，在半导体表面形成带负电的穴受排斥，离开表面，在半导体表面形成带负电的穴受排斥，离开表面，在半导体表面形成带负电的穴受排斥，离开表面，在半导体表面形成带负电的耗尽层。耗尽层。耗尽层。耗尽层。传感器固态传感器课件传感器固态传
103、感器课件 当栅压上升到当栅压上升到当栅压上升到当栅压上升到 时，半导体表面积累的电时，半导体表面积累的电时，半导体表面积累的电时，半导体表面积累的电子浓度等于体内空穴浓度时的栅压，通常子浓度等于体内空穴浓度时的栅压，通常子浓度等于体内空穴浓度时的栅压，通常子浓度等于体内空穴浓度时的栅压，通常 称称称称为为为为MOSMOS管的管的管的管的开启电压开启电压开启电压开启电压。 当栅压当栅压当栅压当栅压 大于开启电压大于开启电压大于开启电压大于开启电压 时，由于表时，由于表时，由于表时，由于表面势升高，若周围存在电子，将迅速聚集到电极下面势升高，若周围存在电子，将迅速聚集到电极下面势升高，若周围存在电
104、子，将迅速聚集到电极下面势升高，若周围存在电子，将迅速聚集到电极下的半导体表面处。此时在的半导体表面处。此时在的半导体表面处。此时在的半导体表面处。此时在半导体表面形成了半导体表面形成了半导体表面形成了半导体表面形成了势阱。势阱。势阱。势阱。传感器固态传感器课件（二）电荷耦合器件的工作原理（二）电荷耦合器件的工作原理（二）电荷耦合器件的工作原理（二）电荷耦合器件的工作原理1. 1. 电荷的定向转移电荷的定向转移电荷的定向转移电荷的定向转移 CCDCCD的基本功能是存储与转移电荷。为了实现的基本功能是存储与转移电荷。为了实现的基本功能是存储与转移电荷。为了实现的基本功能是存储与转移电荷。为了实现
105、信号转移，必须使信号转移，必须使信号转移，必须使信号转移，必须使MOSMOS电容阵列排列紧密电容阵列排列紧密电容阵列排列紧密电容阵列排列紧密，使相邻，使相邻，使相邻，使相邻MOSMOS电容的势阱沟通。通常相邻电容的势阱沟通。通常相邻电容的势阱沟通。通常相邻电容的势阱沟通。通常相邻MOSMOS电容电极间隙电容电极间隙电容电极间隙电容电极间隙小于小于小于小于3 3mm。根据。根据。根据。根据MOSMOS电容上的电压越高，势阱越深电容上的电压越高，势阱越深电容上的电压越高，势阱越深电容上的电压越高，势阱越深的原理，通过控制相邻的原理，通过控制相邻的原理，通过控制相邻的原理，通过控制相邻MOSMOS电
106、容的电压高低调节势电容的电压高低调节势电容的电压高低调节势电容的电压高低调节势阱深度，使阱深度，使阱深度，使阱深度，使电荷由势阱浅的地方向深的地方流动电荷由势阱浅的地方向深的地方流动电荷由势阱浅的地方向深的地方流动电荷由势阱浅的地方向深的地方流动。 如图，如图，如图，如图，CCDCCD的的的的MOSMOS阵列划分成以几个相邻阵列划分成以几个相邻阵列划分成以几个相邻阵列划分成以几个相邻MOSMOS电容为一单元的循环结构。每一单元称为一电容为一单元的循环结构。每一单元称为一电容为一单元的循环结构。每一单元称为一电容为一单元的循环结构。每一单元称为一位位位位，将，将，将，将每一位中对应位置上的电容栅
107、极分别连接到各自共每一位中对应位置上的电容栅极分别连接到各自共每一位中对应位置上的电容栅极分别连接到各自共每一位中对应位置上的电容栅极分别连接到各自共同的电极上，此共同电极称为同的电极上，此共同电极称为同的电极上，此共同电极称为同的电极上，此共同电极称为相相相相。每一位。每一位。每一位。每一位CCDCCD中包中包中包中包含的电容个数称为含的电容个数称为含的电容个数称为含的电容个数称为CCDCCD的的的的相数相数相数相数。通常。通常。通常。通常CCDCCD有二相、有二相、有二相、有二相、三相、四相等几种结构。三相、四相等几种结构。三相、四相等几种结构。三相、四相等几种结构。传感器固态传感器课件2
108、006.11.17JC204-2006.11.17JC204-传感器固态传感器课件2. 2. 电荷的注入电荷的注入电荷的注入电荷的注入 CCDCCD图像传感器中信号电荷由光生载流子得到，图像传感器中信号电荷由光生载流子得到，图像传感器中信号电荷由光生载流子得到，图像传感器中信号电荷由光生载流子得到，即光注入。即光注入。即光注入。即光注入。CCDCCD作为信号处理或存储器件时电荷输作为信号处理或存储器件时电荷输作为信号处理或存储器件时电荷输作为信号处理或存储器件时电荷输入采用电注入。入采用电注入。入采用电注入。入采用电注入。3. 3. 电荷的检测电荷的检测电荷的检测电荷的检测 CCDCCD输出结
109、构的作用是将输出结构的作用是将输出结构的作用是将输出结构的作用是将CCDCCD中信号电荷变换中信号电荷变换中信号电荷变换中信号电荷变换为电流或电压输出。参见后图。为电流或电压输出。参见后图。为电流或电压输出。参见后图。为电流或电压输出。参见后图。 从图上看出，从图上看出，从图上看出，从图上看出，A A点电压的变化与点电压的变化与点电压的变化与点电压的变化与CCDCCD输出电荷输出电荷输出电荷输出电荷的关系为的关系为的关系为的关系为由于由于由于由于MOSMOS管管管管V V2 2为源极跟随器，其电压增益为为源极跟随器，其电压增益为为源极跟随器，其电压增益为为源极跟随器，其电压增益为于是于是于是于
110、是传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件 上面输出包含耦合复位脉冲，为了消除复位脉上面输出包含耦合复位脉冲，为了消除复位脉上面输出包含耦合复位脉冲，为了消除复位脉上面输出包含耦合复位脉冲，为了消除复位脉冲的干扰，采用相关取样电路，参见下图。冲的干扰，采用相关取样电路，参见下图。冲的干扰，采用相关取样电路，参见下图。冲的干扰，采用相关取样电路，参见下图。传感器固态传感器课件三、三、三、三、CCDCCD图像传感器图像传感器图像传感器图像传感器（一）（一）（一）（一）CCDCCD图像传感器的原理图像传感器的原理图像传感器的原理图像传感器的原理 CCDCCD图像传感器是利用图像传感器是利用图像传感器
111、是利用图像传感器是利用CCDCCD的光电转换和电荷的光电转换和电荷的光电转换和电荷的光电转换和电荷转移功能。当波长一定的入射光照射转移功能。当波长一定的入射光照射转移功能。当波长一定的入射光照射转移功能。当波长一定的入射光照射CCDCCD后，若后，若后，若后，若CCDCCD电极下形成势阱，则光生电极下形成势阱，则光生电极下形成势阱，则光生电极下形成势阱，则光生少数载流子聚集到势少数载流子聚集到势少数载流子聚集到势少数载流子聚集到势阱中阱中阱中阱中，其，其，其，其数目与光强和时间的积分成正比数目与光强和时间的积分成正比数目与光强和时间的积分成正比数目与光强和时间的积分成正比。使用转。使用转。使用
112、转。使用转移时钟将移时钟将移时钟将移时钟将CCDCCD的每位下的光生电荷依次转移出来，的每位下的光生电荷依次转移出来，的每位下的光生电荷依次转移出来，的每位下的光生电荷依次转移出来，分别从同一输出电路上检测出，从而得到图像电信分别从同一输出电路上检测出，从而得到图像电信分别从同一输出电路上检测出，从而得到图像电信分别从同一输出电路上检测出，从而得到图像电信号。号。号。号。（二）（二）（二）（二）CCDCCD线阵线阵图像器件线阵线阵图像器件线阵线阵图像器件线阵线阵图像器件 CCD CCD线阵有光敏区、转移栅、模拟移位寄存器线阵有光敏区、转移栅、模拟移位寄存器线阵有光敏区、转移栅、模拟移位寄存器线
113、阵有光敏区、转移栅、模拟移位寄存器（即（即（即（即CCDCCD）、胖零（即偏置）电荷注入电路、信号）、胖零（即偏置）电荷注入电路、信号）、胖零（即偏置）电荷注入电路、信号）、胖零（即偏置）电荷注入电路、信号读出电路等几部分组成。读出电路等几部分组成。读出电路等几部分组成。读出电路等几部分组成。传感器固态传感器课件1. 1. 器件中各部分的结构与功能器件中各部分的结构与功能器件中各部分的结构与功能器件中各部分的结构与功能传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件2. 2. 器件工作过程器件工作过程器件工作过程器件工作过程 工作过程分为积分、转移、传输、输出、计数工作过程分为积分、转移、传输、输出、
114、计数工作过程分为积分、转移、传输、输出、计数工作过程分为积分、转移、传输、输出、计数五个环节。五个环节。五个环节。五个环节。传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件 为了缩短转移时间，还有双边传输结构的为了缩短转移时间，还有双边传输结构的为了缩短转移时间，还有双边传输结构的为了缩短转移时间，还有双边传输结构的CCDCCD图像器件，如下图所示。图像器件，如下图所示。图像器件，如下图所示。图像器件，如下图所示。传感器固态传感器课件（三）面阵（三）面阵（三）面阵（三）面阵CCDCCD图像器件图像器件图像器件图像器件 面阵图像器件的感光单元为二维矩阵排列，组成面阵图像器件的感光单元为二维矩阵排列，组成
115、面阵图像器件的感光单元为二维矩阵排列，组成面阵图像器件的感光单元为二维矩阵排列，组成感光区。根据电荷转移方式不同分为行转移、帧转感光区。根据电荷转移方式不同分为行转移、帧转感光区。根据电荷转移方式不同分为行转移、帧转感光区。根据电荷转移方式不同分为行转移、帧转移、行间转移三种结构。移、行间转移三种结构。移、行间转移三种结构。移、行间转移三种结构。传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件（四）彩色面阵（四）彩色面阵（四）彩色面阵（四）彩色面阵CCDCCD图像器件图像器件图像器件图像器件1.3CCD3CCD结构结构结构结构2.由分光棱镜和由分光棱镜和由分光棱镜和由分光棱镜和3 3片片片片CCDCC
116、D图像传感器构成。分光棱图像传感器构成。分光棱图像传感器构成。分光棱图像传感器构成。分光棱镜将入射光线分成红绿蓝三种颜色图像分别投影镜将入射光线分成红绿蓝三种颜色图像分别投影镜将入射光线分成红绿蓝三种颜色图像分别投影镜将入射光线分成红绿蓝三种颜色图像分别投影到到到到3 3片不同的片不同的片不同的片不同的CCDCCD上上上上 。传感器固态传感器课件2. Bayer Pattern 2. Bayer Pattern 结构结构结构结构该方案源于柯达科学家该方案源于柯达科学家该方案源于柯达科学家该方案源于柯达科学家Bryce BayerBryce Bayer博士在博士在博士在博士在19761976年年
117、年年的设计，是一种彩色滤镜阵列的设计，是一种彩色滤镜阵列的设计，是一种彩色滤镜阵列的设计，是一种彩色滤镜阵列(Color Filter (Color Filter Array, CFA)Array, CFA)，由绿色、红色和蓝色三种像素组成，由绿色、红色和蓝色三种像素组成，由绿色、红色和蓝色三种像素组成，由绿色、红色和蓝色三种像素组成，其中人眼最敏感、光谱位置最宽的绿色占其中人眼最敏感、光谱位置最宽的绿色占其中人眼最敏感、光谱位置最宽的绿色占其中人眼最敏感、光谱位置最宽的绿色占5050，红色和蓝色各占红色和蓝色各占红色和蓝色各占红色和蓝色各占 2525。传感器固态传感器课件Bayer Patt
118、ern Bayer Pattern 中每个象素只能感受一种色分量的灰中每个象素只能感受一种色分量的灰中每个象素只能感受一种色分量的灰中每个象素只能感受一种色分量的灰度值，其它分量的灰度值可以通过插值方法得到。度值，其它分量的灰度值可以通过插值方法得到。度值，其它分量的灰度值可以通过插值方法得到。度值，其它分量的灰度值可以通过插值方法得到。插值有多种方法，以固定插值法为例插值有多种方法，以固定插值法为例插值有多种方法，以固定插值法为例插值有多种方法，以固定插值法为例, Sensor , Sensor Array InterpolationArray Interpolation计算方法如下。计算方
119、法如下。计算方法如下。计算方法如下。 a. a. 偶数列第二行偶数列第二行偶数列第二行偶数列第二行 B10B10象素象素象素象素RGBRGB各个值为各个值为各个值为各个值为 B10(R)=(R1+R3+R17+R19)/4B10(R)=(R1+R3+R17+R19)/4 B10(G)=( G2+G9+ G11+G18)/4 B10(G)=( G2+G9+ G11+G18)/4 B10(B)=B10 B10(B)=B10 其余各行类推。其余各行类推。其余各行类推。其余各行类推。 b b. . 奇数列第三行奇数列第三行奇数列第三行奇数列第三行 G18G18象素象素象素象素RGBRGB各个值为各个值
120、为各个值为各个值为 G18(R)=(R17+R19)/2G18(R)=(R17+R19)/2 G18(G)=(G9+G11+G18+G25+G27)/5 G18(G)=(G9+G11+G18+G25+G27)/5 G18(B)=(B10+B26)/2 G18(B)=(B10+B26)/2 其余各行类推。其余各行类推。其余各行类推。其余各行类推。传感器固态传感器课件R1R1G2G2B10B10G9G9R3R3G4G4B12B12G11G11R5R5G6G6B14B14G13G13R7R7G8G8B16B16G15G15R17R17 G18G18B26B26G25G25R19R19 G20G20B
121、28B28G27G27R21R21 G22G22B30B30G29G29R23R23 G24G24B32B32G31G31传感器固态传感器课件当前可以在当前可以在当前可以在当前可以在RGBRGB的彩色滤波阵列中插入表征全色的的彩色滤波阵列中插入表征全色的的彩色滤波阵列中插入表征全色的的彩色滤波阵列中插入表征全色的白光，以改善提高彩色图像传感器在弱光下的灵白光，以改善提高彩色图像传感器在弱光下的灵白光，以改善提高彩色图像传感器在弱光下的灵白光，以改善提高彩色图像传感器在弱光下的灵敏度，减少了在弱光场景下的噪声。但是处理不敏度，减少了在弱光场景下的噪声。但是处理不敏度，减少了在弱光场景下的噪声。但
122、是处理不敏度，减少了在弱光场景下的噪声。但是处理不好会牺牲图像传感器的色彩饱和度，所以需要改好会牺牲图像传感器的色彩饱和度，所以需要改好会牺牲图像传感器的色彩饱和度，所以需要改好会牺牲图像传感器的色彩饱和度，所以需要改进彩色插值等算法。图像传感器领域正在研究这进彩色插值等算法。图像传感器领域正在研究这进彩色插值等算法。图像传感器领域正在研究这进彩色插值等算法。图像传感器领域正在研究这方面的技术。方面的技术。方面的技术。方面的技术。传感器固态传感器课件四、四、四、四、CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数（一）转移效率（一）转移效率（一）转移
123、效率（一）转移效率 电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时会产生电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时会产生电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时会产生电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时会产生损耗。假设原始电荷量为损耗。假设原始电荷量为损耗。假设原始电荷量为损耗。假设原始电荷量为 ，在一次转移中有，在一次转移中有，在一次转移中有，在一次转移中有 的电荷正确转移到下一个势阱，则转移效率为的电荷正确转移到下一个势阱，则转移效率为的电荷正确转移到下一个势阱，则转移效率为的电荷正确转移到下一个势阱，则转移效率为定义转移损耗为定义转移损耗为定义转移损耗为定义转移损耗为则信号电荷转移则信号电荷转移则信号电荷转移则信号
124、电荷转移N N个电极后的电荷量为个电极后的电荷量为个电极后的电荷量为个电极后的电荷量为 时，总时，总时，总时，总效率为效率为效率为效率为传感器固态传感器课件由上式可知，要保证总效率，转移效率必须达到由上式可知，要保证总效率，转移效率必须达到由上式可知，要保证总效率，转移效率必须达到由上式可知，要保证总效率，转移效率必须达到99.99%99.999%99.99%99.999%。（二）暗电流（二）暗电流（二）暗电流（二）暗电流 CCDCCD图像器件在既无光注入又无电注入情况下图像器件在既无光注入又无电注入情况下图像器件在既无光注入又无电注入情况下图像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称为的
125、输出信号称为的输出信号称为的输出信号称为暗电流暗电流暗电流暗电流。暗电流根本原因是半导体。暗电流根本原因是半导体。暗电流根本原因是半导体。暗电流根本原因是半导体的的的的热激发热激发热激发热激发。 由于工艺的原因，由于工艺的原因，由于工艺的原因，由于工艺的原因，CCDCCD中暗电流密度分布是不中暗电流密度分布是不中暗电流密度分布是不中暗电流密度分布是不均匀的。通常以平均暗电流密度来表征按电流大小。均匀的。通常以平均暗电流密度来表征按电流大小。均匀的。通常以平均暗电流密度来表征按电流大小。均匀的。通常以平均暗电流密度来表征按电流大小。 按电流产生需要时间，势阱存在按电流产生需要时间，势阱存在按电流
126、产生需要时间，势阱存在按电流产生需要时间，势阱存在时间越长暗电时间越长暗电时间越长暗电时间越长暗电流越大流越大流越大流越大。（三）（三）（三）（三）CCDCCD的噪声源的噪声源的噪声源的噪声源 CCD CCD的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、转移的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、转移的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、转移的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、转移噪声、热噪声。噪声、热噪声。噪声、热噪声。噪声、热噪声。传感器固态传感器课件1. 1. 散粒噪声散粒噪声散粒噪声散粒噪声 光子流的光子流的光子流的光子流的随机性随机性随机性随机性，造成了散粒噪声。它是原理，造成了散粒噪声。它是原理，造成了散粒噪声。
127、它是原理，造成了散粒噪声。它是原理性噪声。但它不会限制器件的动态范围。性噪声。但它不会限制器件的动态范围。性噪声。但它不会限制器件的动态范围。性噪声。但它不会限制器件的动态范围。2. 2. 转移噪声转移噪声转移噪声转移噪声 转移损失及界面态俘获是引起转移噪声的根本转移损失及界面态俘获是引起转移噪声的根本转移损失及界面态俘获是引起转移噪声的根本转移损失及界面态俘获是引起转移噪声的根本原因。转移噪声具有原因。转移噪声具有原因。转移噪声具有原因。转移噪声具有积累性积累性积累性积累性和和和和相关性相关性相关性相关性。3. 3. 热噪声热噪声热噪声热噪声 它是信号电荷注入及检出时产生的。它是信号电荷注入
128、及检出时产生的。它是信号电荷注入及检出时产生的。它是信号电荷注入及检出时产生的。（四）分辨能力（四）分辨能力（四）分辨能力（四）分辨能力 分辨能力是指图像传感器分辨图像细节的能力，分辨能力是指图像传感器分辨图像细节的能力，分辨能力是指图像传感器分辨图像细节的能力，分辨能力是指图像传感器分辨图像细节的能力，它是图像传感器的重要参数。它是图像传感器的重要参数。它是图像传感器的重要参数。它是图像传感器的重要参数。 调制深度与空间频率之间的关系，用它在零频调制深度与空间频率之间的关系，用它在零频调制深度与空间频率之间的关系，用它在零频调制深度与空间频率之间的关系，用它在零频率下的值归一化后，称为调制传
129、递函数（率下的值归一化后，称为调制传递函数（率下的值归一化后，称为调制传递函数（率下的值归一化后，称为调制传递函数（MTFMTF）。）。）。）。传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件（五）动态范围与线性度（五）动态范围与线性度（五）动态范围与线性度（五）动态范围与线性度 CCDCCD图像传感器动态范围的上限决定于光敏单图像传感器动态范围的上限决定于光敏单图像传感器动态范围的上限决定于光敏单图像传感器动态范围的上限决定于光敏单元元元元满阱信号容量满阱信号容量满阱信号容量满阱信号容量，下限决定于图像器件能分辨的最，下限决定于图像器件能分辨的最，下限决定于图像器件能分辨的最，下限决定于图像器件能分
130、辨的最小信号，即小信号，即小信号，即小信号，即等效噪声等效噪声等效噪声等效噪声。CCDCCD图像器件的动态范围定图像器件的动态范围定图像器件的动态范围定图像器件的动态范围定义为义为义为义为 线性度是指照射光强与产生的信号电荷之间的线性度是指照射光强与产生的信号电荷之间的线性度是指照射光强与产生的信号电荷之间的线性度是指照射光强与产生的信号电荷之间的线线线线性程度性程度性程度性程度。（六）均匀性（六）均匀性（六）均匀性（六）均匀性 均匀性是指均匀性是指均匀性是指均匀性是指CCDCCD各感光单元各感光单元各感光单元各感光单元对光强度响应的一对光强度响应的一对光强度响应的一对光强度响应的一致性致性致
131、性致性。均匀性是决定测量精度的一个重要参数。均匀性是决定测量精度的一个重要参数。均匀性是决定测量精度的一个重要参数。均匀性是决定测量精度的一个重要参数。传感器固态传感器课件四、光电阵列器件在检测中的应用四、光电阵列器件在检测中的应用四、光电阵列器件在检测中的应用四、光电阵列器件在检测中的应用（一）尺寸检测（一）尺寸检测（一）尺寸检测（一）尺寸检测1. 1. 微小尺寸的检测微小尺寸的检测微小尺寸的检测微小尺寸的检测 对微小尺寸的检测一般采用激光衍射法。用图像对微小尺寸的检测一般采用激光衍射法。用图像对微小尺寸的检测一般采用激光衍射法。用图像对微小尺寸的检测一般采用激光衍射法。用图像传感器检测衍射
132、图像，得到实际尺寸。对于细丝尺传感器检测衍射图像，得到实际尺寸。对于细丝尺传感器检测衍射图像，得到实际尺寸。对于细丝尺传感器检测衍射图像，得到实际尺寸。对于细丝尺寸检测参见图。当激光照射到细丝时，满足远场条寸检测参见图。当激光照射到细丝时，满足远场条寸检测参见图。当激光照射到细丝时，满足远场条寸检测参见图。当激光照射到细丝时，满足远场条件，在件，在件，在件，在 时，可以得到夫琅和费时，可以得到夫琅和费时，可以得到夫琅和费时，可以得到夫琅和费衍射图像，衍射图像暗纹的间距为衍射图像，衍射图像暗纹的间距为衍射图像，衍射图像暗纹的间距为衍射图像，衍射图像暗纹的间距为用线阵光电器件检测条纹间的像元数用线
133、阵光电器件检测条纹间的像元数用线阵光电器件检测条纹间的像元数用线阵光电器件检测条纹间的像元数 ，根据线，根据线，根据线，根据线阵单元的间距阵单元的间距阵单元的间距阵单元的间距 ，即可算出条纹的宽度，即可算出条纹的宽度，即可算出条纹的宽度，即可算出条纹的宽度传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件2. 2. 物体轮廓尺寸的检测物体轮廓尺寸的检测物体轮廓尺寸的检测物体轮廓尺寸的检测 物体轮廓检测有两种，投影法和成像法。参见下物体轮廓检测有两种，投影法和成像法。参见下物体轮廓检测有两种，投影法和成像法。参见下物体轮廓检测有两种，投影法和成像法。参见下图。图。图。图。传感器固态传感器课件远心光学系统远
134、心光学系统远心光学系统远心光学系统 在成像法中，物体成像的尺寸随物距改变而改变。在成像法中，物体成像的尺寸随物距改变而改变。在成像法中，物体成像的尺寸随物距改变而改变。在成像法中，物体成像的尺寸随物距改变而改变。采用远心光学系统可以避免。采用远心光学系统可以避免。采用远心光学系统可以避免。采用远心光学系统可以避免。光阑光阑光阑光阑物体物体物体物体像像像像传感器固态传感器课件（二）（二）（二）（二） 表面缺陷检测表面缺陷检测表面缺陷检测表面缺陷检测1. 1. 透射法透射法透射法透射法 透射法检测见下图。光源发出的光穿过被测物透射法检测见下图。光源发出的光穿过被测物透射法检测见下图。光源发出的光穿
135、过被测物透射法检测见下图。光源发出的光穿过被测物体后，投射到光电阵列器件上。体后，投射到光电阵列器件上。体后，投射到光电阵列器件上。体后，投射到光电阵列器件上。传感器固态传感器课件2. 2. 反射法反射法反射法反射法 反射法检测见下图。光源发出的光被被测物体反射法检测见下图。光源发出的光被被测物体反射法检测见下图。光源发出的光被被测物体反射法检测见下图。光源发出的光被被测物体反射后，投射到光电阵列器件上。反射后，投射到光电阵列器件上。反射后，投射到光电阵列器件上。反射后，投射到光电阵列器件上。传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件（三）（三）（三）（三） 其它应用其它应用其它应用其它应用1.
136、 1. 干涉图形的检测干涉图形的检测干涉图形的检测干涉图形的检测 干涉图形检测系统结构参见下图。干涉图形检测系统结构参见下图。干涉图形检测系统结构参见下图。干涉图形检测系统结构参见下图。传感器固态传感器课件2.2.光学字符识别和图像传真光学字符识别和图像传真光学字符识别和图像传真光学字符识别和图像传真 参见下图。参见下图。参见下图。参见下图。2007.11.08JGLX303-2007.11.08JGLX303-传感器固态传感器课件 气体敏感元件是能感知环境中某种气体及其浓度气体敏感元件是能感知环境中某种气体及其浓度气体敏感元件是能感知环境中某种气体及其浓度气体敏感元件是能感知环境中某种气体及
137、其浓度的一种装置或器件。的一种装置或器件。的一种装置或器件。的一种装置或器件。一、接触燃烧式气体传感器一、接触燃烧式气体传感器一、接触燃烧式气体传感器一、接触燃烧式气体传感器（一）检测原理（一）检测原理（一）检测原理（一）检测原理 可燃性气体与空气中的氧气接触，发生氧化反应，可燃性气体与空气中的氧气接触，发生氧化反应，可燃性气体与空气中的氧气接触，发生氧化反应，可燃性气体与空气中的氧气接触，发生氧化反应，产生反应热产生反应热产生反应热产生反应热（无焰接触燃烧无焰接触燃烧无焰接触燃烧无焰接触燃烧），使得敏感材料铂丝温），使得敏感材料铂丝温），使得敏感材料铂丝温），使得敏感材料铂丝温度升高，电阻值
138、增大。空气中可燃气体的浓度不太高度升高，电阻值增大。空气中可燃气体的浓度不太高度升高，电阻值增大。空气中可燃气体的浓度不太高度升高，电阻值增大。空气中可燃气体的浓度不太高时（低于时（低于时（低于时（低于10%10%），可燃气体可以完全燃烧，其发热量），可燃气体可以完全燃烧，其发热量），可燃气体可以完全燃烧，其发热量），可燃气体可以完全燃烧，其发热量与可燃气体浓度有关。因此通过检测电阻值（温度）与可燃气体浓度有关。因此通过检测电阻值（温度）与可燃气体浓度有关。因此通过检测电阻值（温度）与可燃气体浓度有关。因此通过检测电阻值（温度）可以测量出气体浓度来。可以测量出气体浓度来。可以测量出气体浓度来。
139、可以测量出气体浓度来。 参见下图，图中参见下图，图中参见下图，图中参见下图，图中F1F1为检测元件，为检测元件，为检测元件，为检测元件，F2F2为补偿元件。为补偿元件。为补偿元件。为补偿元件。8.4 8.4 气体传感器气体传感器2006.11. 20JC204-2006.11. 20JC204-传感器固态传感器课件 由于接触燃烧由于接触燃烧由于接触燃烧由于接触燃烧F1F1的电阻改变为的电阻改变为的电阻改变为的电阻改变为传感器固态传感器课件（二）接触燃烧式气敏元件的结构（二）接触燃烧式气敏元件的结构（二）接触燃烧式气敏元件的结构（二）接触燃烧式气敏元件的结构 接触式气敏元件的结构以及感应特性参见
140、下图。接触式气敏元件的结构以及感应特性参见下图。接触式气敏元件的结构以及感应特性参见下图。接触式气敏元件的结构以及感应特性参见下图。传感器固态传感器课件二、半导体气体传感器二、半导体气体传感器二、半导体气体传感器二、半导体气体传感器（一）半导体气敏原理概述（一）半导体气敏原理概述（一）半导体气敏原理概述（一）半导体气敏原理概述 粗略地说，半导体气敏元件的工作原理，是当其粗略地说，半导体气敏元件的工作原理，是当其粗略地说，半导体气敏元件的工作原理，是当其粗略地说，半导体气敏元件的工作原理，是当其氧化物氧化物氧化物氧化物半导体表面半导体表面半导体表面半导体表面一旦一旦一旦一旦吸附某些气体吸附某些气
141、体吸附某些气体吸附某些气体时，其时，其时，其时，其电导率电导率电导率电导率将将将将发生发生发生发生改变改变改变改变。但是，电导率变化的机理却因元件本身的。但是，电导率变化的机理却因元件本身的。但是，电导率变化的机理却因元件本身的。但是，电导率变化的机理却因元件本身的复杂因素而不易找出其相互间的明确规律。气敏元件复杂因素而不易找出其相互间的明确规律。气敏元件复杂因素而不易找出其相互间的明确规律。气敏元件复杂因素而不易找出其相互间的明确规律。气敏元件体积虽小，其复杂因素大致表现为如下六个方面：体积虽小，其复杂因素大致表现为如下六个方面：体积虽小，其复杂因素大致表现为如下六个方面：体积虽小，其复杂因
142、素大致表现为如下六个方面： 气敏功能材料不是单晶体；气敏功能材料不是单晶体；气敏功能材料不是单晶体；气敏功能材料不是单晶体； 为改善元件气敏选择性和灵敏度，一般要往金为改善元件气敏选择性和灵敏度，一般要往金为改善元件气敏选择性和灵敏度，一般要往金为改善元件气敏选择性和灵敏度，一般要往金属氧化物内添加催化剂和其他金属氧化物，为提高元属氧化物内添加催化剂和其他金属氧化物，为提高元属氧化物内添加催化剂和其他金属氧化物，为提高元属氧化物内添加催化剂和其他金属氧化物，为提高元件强度还需添加粘合剂；件强度还需添加粘合剂；件强度还需添加粘合剂；件强度还需添加粘合剂； 利用的是物质的表面；利用的是物质的表面；
143、利用的是物质的表面；利用的是物质的表面； 元件工作在较高温度下元件工作在较高温度下元件工作在较高温度下元件工作在较高温度下( (一般一般一般一般200200一一一一400400) )； 被测气体种类繁多，它们各具不同特性；被测气体种类繁多，它们各具不同特性；被测气体种类繁多，它们各具不同特性；被测气体种类繁多，它们各具不同特性；传感器固态传感器课件 吸附现象本身就非常复杂，既有物理型吸附，吸附现象本身就非常复杂，既有物理型吸附，吸附现象本身就非常复杂，既有物理型吸附，吸附现象本身就非常复杂，既有物理型吸附，同时还存在化学型吸附等。同时还存在化学型吸附等。同时还存在化学型吸附等。同时还存在化学型
144、吸附等。 通过长期的基础研究，将这些错综复杂的因素所通过长期的基础研究，将这些错综复杂的因素所通过长期的基础研究，将这些错综复杂的因素所通过长期的基础研究，将这些错综复杂的因素所形成的形成的形成的形成的气敏现像气敏现像气敏现像气敏现像，归纳成，归纳成，归纳成，归纳成四种解释模式四种解释模式四种解释模式四种解释模式，并从不同角，并从不同角，并从不同角，并从不同角度来解释不同类型的半导体气敏元件的工作原理。度来解释不同类型的半导体气敏元件的工作原理。度来解释不同类型的半导体气敏元件的工作原理。度来解释不同类型的半导体气敏元件的工作原理。1. 1. 能级生成理论能级生成理论能级生成理论能级生成理论
145、当还原性气体吸附到当还原性气体吸附到当还原性气体吸附到当还原性气体吸附到SnOSnO2 2和和和和ZnOZnO等等等等N N型半导体表型半导体表型半导体表型半导体表面时，面时，面时，面时，还原性气体还原性气体还原性气体还原性气体就把其就把其就把其就把其电子给予半导体电子给予半导体电子给予半导体电子给予半导体，以正离子，以正离子，以正离子，以正离子形式吸附在半导体表面。进入到形式吸附在半导体表面。进入到形式吸附在半导体表面。进入到形式吸附在半导体表面。进入到N N型半导体内的电子，型半导体内的电子，型半导体内的电子，型半导体内的电子，填充少数载流子空穴，使空穴与电子的复合率降低，填充少数载流子空
146、穴，使空穴与电子的复合率降低，填充少数载流子空穴，使空穴与电子的复合率降低，填充少数载流子空穴，使空穴与电子的复合率降低，导致导致导致导致电阻值减小电阻值减小电阻值减小电阻值减小。相反，若。相反，若。相反，若。相反，若氧化性气体氧化性气体氧化性气体氧化性气体吸附到吸附到吸附到吸附到N N型半型半型半型半导体元件表面时，将从导体元件表面时，将从导体元件表面时，将从导体元件表面时，将从半导体获取电子半导体获取电子半导体获取电子半导体获取电子，以负离子形，以负离子形，以负离子形，以负离子形式吸附在半导体表面，其结果是使导带电子数目减少式吸附在半导体表面，其结果是使导带电子数目减少式吸附在半导体表面，
147、其结果是使导带电子数目减少式吸附在半导体表面，其结果是使导带电子数目减少而使元件而使元件而使元件而使元件电阻值增加电阻值增加电阻值增加电阻值增加。传感器固态传感器课件2. 2. 接触粒界势垒理论接触粒界势垒理论接触粒界势垒理论接触粒界势垒理论 接触粒界势垒理论根据是多晶半导体能带模型。接触粒界势垒理论根据是多晶半导体能带模型。接触粒界势垒理论根据是多晶半导体能带模型。接触粒界势垒理论根据是多晶半导体能带模型。半导体气敏材料是半导体微粒的集合体，有如图所示半导体气敏材料是半导体微粒的集合体，有如图所示半导体气敏材料是半导体微粒的集合体，有如图所示半导体气敏材料是半导体微粒的集合体，有如图所示的粒
148、子接触界面势垒存在。当晶粒接触面的粒子接触界面势垒存在。当晶粒接触面的粒子接触界面势垒存在。当晶粒接触面的粒子接触界面势垒存在。当晶粒接触面吸附氧化性吸附氧化性吸附氧化性吸附氧化性气体气体气体气体时，时，时，时，势垒增高势垒增高势垒增高势垒增高；当；当；当；当吸附还原性气体吸附还原性气体吸附还原性气体吸附还原性气体时，时，时，时，势垒降低势垒降低势垒降低势垒降低。势垒高度的变化引起元件势垒高度的变化引起元件势垒高度的变化引起元件势垒高度的变化引起元件电阻的变化电阻的变化电阻的变化电阻的变化。晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒晶粒粒界粒界
149、粒界粒界粒界粒界粒界粒界粒界粒界粒界粒界氧化性气体氧化性气体氧化性气体氧化性气体还原性气体还原性气体还原性气体还原性气体导带导带导带导带禁带禁带禁带禁带价带价带价带价带导带导带导带导带禁带禁带禁带禁带价带价带价带价带价带价带价带价带禁带禁带禁带禁带导带导带导带导带 晶粒界面吸附氧晶粒界面吸附氧晶粒界面吸附氧晶粒界面吸附氧化性气体，势垒增高。化性气体，势垒增高。化性气体，势垒增高。化性气体，势垒增高。 晶粒界面吸附还原晶粒界面吸附还原晶粒界面吸附还原晶粒界面吸附还原性气体，势垒降低。性气体，势垒降低。性气体，势垒降低。性气体，势垒降低。 较紧密接触时，势较紧密接触时，势较紧密接触时，势较紧密接触
150、时，势垒不收吸附气体影响垒不收吸附气体影响垒不收吸附气体影响垒不收吸附气体影响传感器固态传感器课件 3. 3. 表面电荷层理论表面电荷层理论表面电荷层理论表面电荷层理论 表面电荷层学说认为，由于金属氧化物表面结构的表面电荷层学说认为，由于金属氧化物表面结构的表面电荷层学说认为，由于金属氧化物表面结构的表面电荷层学说认为，由于金属氧化物表面结构的不连续性不连续性不连续性不连续性或或或或晶格缺陷晶格缺陷晶格缺陷晶格缺陷，在吸附种类不同的气体之后，在吸附种类不同的气体之后，在吸附种类不同的气体之后，在吸附种类不同的气体之后，将形成不同形式的将形成不同形式的将形成不同形式的将形成不同形式的表面能级表面
151、能级表面能级表面能级，这些，这些，这些，这些表面能级表面能级表面能级表面能级与金属氧与金属氧与金属氧与金属氧化物化物化物化物本体能带本体能带本体能带本体能带之间有之间有之间有之间有电子的接受电子的接受电子的接受电子的接受关系，因而形成表面关系，因而形成表面关系，因而形成表面关系，因而形成表面的的的的空间电荷层空间电荷层空间电荷层空间电荷层。由于吸收不同种类气体后空间电荷层。由于吸收不同种类气体后空间电荷层。由于吸收不同种类气体后空间电荷层。由于吸收不同种类气体后空间电荷层的变化从而引起气敏元件的变化从而引起气敏元件的变化从而引起气敏元件的变化从而引起气敏元件电阻值的变化电阻值的变化电阻值的变化
152、电阻值的变化。4. 4. 整体原于价控制理论整体原于价控制理论整体原于价控制理论整体原于价控制理论 “ “整体原子价控制整体原子价控制整体原子价控制整体原子价控制” ”学说，适用于学说，适用于学说，适用于学说，适用于MFeOMFeO3 3形的原形的原形的原形的原于价控制复和氧化物气敏元件。于价控制复和氧化物气敏元件。于价控制复和氧化物气敏元件。于价控制复和氧化物气敏元件。 MFeO3MFeO3形复合氧化形复合氧化形复合氧化形复合氧化物的一般表达式为物的一般表达式为物的一般表达式为物的一般表达式为ABOABO 。其导电过程是通过。其导电过程是通过。其导电过程是通过。其导电过程是通过B B原素与原
153、素与原素与原素与氧的氧的氧的氧的三维网状结构三维网状结构三维网状结构三维网状结构进行的。氧的解离作用可以把进行的。氧的解离作用可以把进行的。氧的解离作用可以把进行的。氧的解离作用可以把网状网状网状网状结构的某部分切断结构的某部分切断结构的某部分切断结构的某部分切断，使复合氧化物的，使复合氧化物的，使复合氧化物的，使复合氧化物的电阻值显著增加电阻值显著增加电阻值显著增加电阻值显著增加。传感器固态传感器课件（二）半导体气敏元件的特性参数（二）半导体气敏元件的特性参数（二）半导体气敏元件的特性参数（二）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气敏元件的电阻值气敏元件的电阻
154、值 通常将电阻型气敏元件在常温洁净的空气中的电通常将电阻型气敏元件在常温洁净的空气中的电通常将电阻型气敏元件在常温洁净的空气中的电通常将电阻型气敏元件在常温洁净的空气中的电阻值，称为气敏元件的固有电阻值，用阻值，称为气敏元件的固有电阻值，用阻值，称为气敏元件的固有电阻值，用阻值，称为气敏元件的固有电阻值，用 表示。表示。表示。表示。2. 2. 气敏元件的灵敏度气敏元件的灵敏度气敏元件的灵敏度气敏元件的灵敏度（1 1）电阻比灵敏度）电阻比灵敏度）电阻比灵敏度）电阻比灵敏度（2 2）气体分离度）气体分离度）气体分离度）气体分离度传感器固态传感器课件（2 2）输出电压比灵敏度）输出电压比灵敏度）输出
155、电压比灵敏度）输出电压比灵敏度3. 3. 气敏元件的分辨力气敏元件的分辨力气敏元件的分辨力气敏元件的分辨力 表示气敏元件对被测气体的识别以及对干扰气体表示气敏元件对被测气体的识别以及对干扰气体表示气敏元件对被测气体的识别以及对干扰气体表示气敏元件对被测气体的识别以及对干扰气体的抑制能力。通常表示为的抑制能力。通常表示为的抑制能力。通常表示为的抑制能力。通常表示为4. 4. 气敏元件的响应时间气敏元件的响应时间气敏元件的响应时间气敏元件的响应时间 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应表示在工作温度下，气敏元
156、件对被测气体的响应速度。速度。速度。速度。传感器固态传感器课件5. 5. 气敏元件的恢复时间气敏元件的恢复时间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，被测气体由该元件上解吸的表示在工作温度下，被测气体由该元件上解吸的表示在工作温度下，被测气体由该元件上解吸的表示在工作温度下，被测气体由该元件上解吸的速度。速度。速度。速度。6. 6. 初期稳定时间初期稳定时间初期稳定时间初期稳定时间 处于非工作状态的气敏元件恢复到工作状态需要处于非工作状态的气敏元件恢复到工作状态需要处于非工作状态的气敏元件恢复到工作状态需要处于非工作状态的气敏元件恢复到工作状态需要的时间，成为初期稳定时间。的时
157、间，成为初期稳定时间。的时间，成为初期稳定时间。的时间，成为初期稳定时间。7. 7. 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 气敏元件一般要在高温（气敏元件一般要在高温（气敏元件一般要在高温（气敏元件一般要在高温（200200以上）工作。为以上）工作。为以上）工作。为以上）工作。为气敏元件加热的电阻，称为气敏元件加热的电阻，称为气敏元件加热的电阻，称为气敏元件加热的电阻，称为加热电阻加热电阻加热电阻加热电阻。为气敏元件正。为气敏元件正。为气敏元件正。为气敏元件正常工作加热所需的电功率，称为常工作加热所需的电功率，称为常工
158、作加热所需的电功率，称为常工作加热所需的电功率，称为加热功率加热功率加热功率加热功率。一般气敏。一般气敏。一般气敏。一般气敏元件的加热功率在元件的加热功率在元件的加热功率在元件的加热功率在0.52.0W0.52.0W范围。范围。范围。范围。传感器固态传感器课件（三）烧结型（三）烧结型（三）烧结型（三）烧结型SnOSnO2 2气敏元件气敏元件气敏元件气敏元件 目前常见的烧结型目前常见的烧结型目前常见的烧结型目前常见的烧结型SnOSnO2 2气敏元件有烧结型、薄气敏元件有烧结型、薄气敏元件有烧结型、薄气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型使用最多。膜型和厚膜型三种。烧结型使用最多。膜型和厚膜
159、型三种。烧结型使用最多。膜型和厚膜型三种。烧结型使用最多。1. 1. 直接加热式直接加热式直接加热式直接加热式SnOSnO2 2气敏元件气敏元件气敏元件气敏元件传感器固态传感器课件2. 2. 旁热式旁热式旁热式旁热式SnOSnO2 2气敏元件气敏元件气敏元件气敏元件 旁热式结构参见下图。旁热式结构参见下图。旁热式结构参见下图。旁热式结构参见下图。传感器固态传感器课件三、氧化锆氧气传感器三、氧化锆氧气传感器三、氧化锆氧气传感器三、氧化锆氧气传感器 固体电解质是具有离子导电性能的固体物质。在固体电解质是具有离子导电性能的固体物质。在固体电解质是具有离子导电性能的固体物质。在固体电解质是具有离子导电
160、性能的固体物质。在固体电解质中参与导电的主要是离子。二氧化锆在高固体电解质中参与导电的主要是离子。二氧化锆在高固体电解质中参与导电的主要是离子。二氧化锆在高固体电解质中参与导电的主要是离子。二氧化锆在高温下具有温下具有温下具有温下具有氧离子传导性氧离子传导性氧离子传导性氧离子传导性。 在在在在27002700熔融状态熔融状态熔融状态熔融状态的的的的ZrOZrO2 2中添加氧化钙等中添加氧化钙等中添加氧化钙等中添加氧化钙等杂质杂质杂质杂质后，后，后，后，形成稳定的正方晶型，称为形成稳定的正方晶型，称为形成稳定的正方晶型，称为形成稳定的正方晶型，称为稳定化二氧化锆稳定化二氧化锆稳定化二氧化锆稳定化
161、二氧化锆。 二氧化锆氧敏元件是做成二氧化锆氧敏元件是做成二氧化锆氧敏元件是做成二氧化锆氧敏元件是做成浓差电池浓差电池浓差电池浓差电池的形式。以被的形式。以被的形式。以被的形式。以被测气体作为浓差电池的一方，已知浓度的参考气体作测气体作为浓差电池的一方，已知浓度的参考气体作测气体作为浓差电池的一方，已知浓度的参考气体作测气体作为浓差电池的一方，已知浓度的参考气体作为另一方，测定固定浓差电池的电动势，判定被测气为另一方，测定固定浓差电池的电动势，判定被测气为另一方，测定固定浓差电池的电动势，判定被测气为另一方，测定固定浓差电池的电动势，判定被测气体浓度的大小。二氧化锆固体浓差电池组成如下：体浓度的
162、大小。二氧化锆固体浓差电池组成如下：体浓度的大小。二氧化锆固体浓差电池组成如下：体浓度的大小。二氧化锆固体浓差电池组成如下： + Pt+ Pt，P PO2O2I I|ZrO|ZrO2 2YY2 2OO3 3|P|PO2O2II II,Pt ,Pt 根据根据根据根据NernstNernst公式知，电池的电动势为公式知，电池的电动势为公式知，电池的电动势为公式知，电池的电动势为传感器固态传感器课件 F F为法拉第常数，等于为法拉第常数，等于为法拉第常数，等于为法拉第常数，等于2306023060卡卡卡卡/ /度度度度 克分子；克分子；克分子；克分子；R R为气体为气体为气体为气体常数，等于常数，等
163、于常数，等于常数，等于1.9871.987卡卡卡卡/ /度度度度 克当量；当温度一定时，同一克当量；当温度一定时，同一克当量；当温度一定时，同一克当量；当温度一定时，同一地点空气中的氧分压是一常数，只需测出固体浓差电地点空气中的氧分压是一常数，只需测出固体浓差电地点空气中的氧分压是一常数，只需测出固体浓差电地点空气中的氧分压是一常数，只需测出固体浓差电池的电动势，即可得到被测环境的氧分压池的电动势，即可得到被测环境的氧分压池的电动势，即可得到被测环境的氧分压池的电动势，即可得到被测环境的氧分压P PO2O2II II。传感器固态传感器课件四、气体传感器的应用四、气体传感器的应用四、气体传感器的
164、应用四、气体传感器的应用 气体传感器的工作电压一般为气体传感器的工作电压一般为气体传感器的工作电压一般为气体传感器的工作电压一般为3V10V3V10V。一般情。一般情。一般情。一般情况下需要一些辅助电路，如温度补偿、延时、加热失况下需要一些辅助电路，如温度补偿、延时、加热失况下需要一些辅助电路，如温度补偿、延时、加热失况下需要一些辅助电路，如温度补偿、延时、加热失效、元件失效等。其检测电路参见下面图。效、元件失效等。其检测电路参见下面图。效、元件失效等。其检测电路参见下面图。效、元件失效等。其检测电路参见下面图。传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件一、湿度表示法一、湿度表示法一、湿度表示法
165、一、湿度表示法 空气中水蒸气的含量称为湿度。空气中水蒸气的含量称为湿度。空气中水蒸气的含量称为湿度。空气中水蒸气的含量称为湿度。（一）质量百分比和体积百分比（一）质量百分比和体积百分比（一）质量百分比和体积百分比（一）质量百分比和体积百分比 质量为质量为质量为质量为 的混合气体中，若含水蒸气的质量的混合气体中，若含水蒸气的质量的混合气体中，若含水蒸气的质量的混合气体中，若含水蒸气的质量为为为为 ，则，则，则，则质量百分比质量百分比质量百分比质量百分比为为为为 在体积为在体积为在体积为在体积为 的混合气体中，若含水蒸气的体的混合气体中，若含水蒸气的体的混合气体中，若含水蒸气的体的混合气体中，若含
166、水蒸气的体积为积为积为积为 ，则，则，则，则体积百分比体积百分比体积百分比体积百分比为为为为这两种方法统称为这两种方法统称为这两种方法统称为这两种方法统称为水蒸气百分含量法水蒸气百分含量法水蒸气百分含量法水蒸气百分含量法。8.5 8.5 湿度传感器湿度传感器传感器固态传感器课件（二）相对湿度和绝对湿度（二）相对湿度和绝对湿度（二）相对湿度和绝对湿度（二）相对湿度和绝对湿度 水蒸气压水蒸气压水蒸气压水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中是指在一定的温度条件下，混合气体中是指在一定的温度条件下，混合气体中是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的存在的存在的存在的水蒸气分压水蒸气分压水蒸气分压水
167、蒸气分压。而。而。而。而饱和蒸气压饱和蒸气压饱和蒸气压饱和蒸气压是指在某一温度下，是指在某一温度下，是指在某一温度下，是指在某一温度下，混合气体中所含混合气体中所含混合气体中所含混合气体中所含水蒸气压的最大值水蒸气压的最大值水蒸气压的最大值水蒸气压的最大值。温度越高温度越高温度越高温度越高，饱和饱和饱和饱和蒸气压越大蒸气压越大蒸气压越大蒸气压越大。在某一温度下，水蒸气压与饱和水蒸气。在某一温度下，水蒸气压与饱和水蒸气。在某一温度下，水蒸气压与饱和水蒸气。在某一温度下，水蒸气压与饱和水蒸气压的百分比，称为压的百分比，称为压的百分比，称为压的百分比，称为相对湿度相对湿度相对湿度相对湿度，表示为，表
168、示为，表示为，表示为 绝对湿度绝对湿度绝对湿度绝对湿度表示单位体积内，空气里所含水蒸气的表示单位体积内，空气里所含水蒸气的表示单位体积内，空气里所含水蒸气的表示单位体积内，空气里所含水蒸气的质量，定义为质量，定义为质量，定义为质量，定义为传感器固态传感器课件 如果把待测空气看作是由如果把待测空气看作是由如果把待测空气看作是由如果把待测空气看作是由水蒸气和干燥空气组成水蒸气和干燥空气组成水蒸气和干燥空气组成水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合气体的二元理想混合气体的二元理想混合气体的二元理想混合气体，根据道尔顿分压定律和理想气，根据道尔顿分压定律和理想气，根据道尔顿分压定律和理想气，根据道尔顿分压
169、定律和理想气体状态方程，可以得出如下关系式体状态方程，可以得出如下关系式体状态方程，可以得出如下关系式体状态方程，可以得出如下关系式（三）露（霜）点（三）露（霜）点（三）露（霜）点（三）露（霜）点 空气中饱和蒸气压随温度降低逐渐下降空气中饱和蒸气压随温度降低逐渐下降空气中饱和蒸气压随温度降低逐渐下降空气中饱和蒸气压随温度降低逐渐下降。在同样。在同样。在同样。在同样的空气水蒸气压下，随着温度降低，水蒸气压与同温的空气水蒸气压下，随着温度降低，水蒸气压与同温的空气水蒸气压下，随着温度降低，水蒸气压与同温的空气水蒸气压下，随着温度降低，水蒸气压与同温度下的饱和蒸气压差值减小，当空气温度下降到度下的饱
170、和蒸气压差值减小，当空气温度下降到度下的饱和蒸气压差值减小，当空气温度下降到度下的饱和蒸气压差值减小，当空气温度下降到某温某温某温某温度度度度时，时，时，时，空气中的水蒸气压与同温度的饱和蒸气压相等空气中的水蒸气压与同温度的饱和蒸气压相等空气中的水蒸气压与同温度的饱和蒸气压相等空气中的水蒸气压与同温度的饱和蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转变，凝结成露珠，此时，空气中的水蒸气将向液相转变，凝结成露珠，此时，空气中的水蒸气将向液相转变，凝结成露珠，此时，空气中的水蒸气将向液相转变，凝结成露珠，空气相对湿度为空气相对湿度为空气相对湿度为空气相对湿度为100%RH100%RH。这一特定温度称
171、为空气的。这一特定温度称为空气的。这一特定温度称为空气的。这一特定温度称为空气的露点温度露点温度露点温度露点温度，简称，简称，简称，简称露点露点露点露点。传感器固态传感器课件 如果露点温度低于零度，水蒸气将结霜，可称为如果露点温度低于零度，水蒸气将结霜，可称为如果露点温度低于零度，水蒸气将结霜，可称为如果露点温度低于零度，水蒸气将结霜，可称为霜点温度霜点温度霜点温度霜点温度，通常霜点和露点不予区分。，通常霜点和露点不予区分。，通常霜点和露点不予区分。，通常霜点和露点不予区分。露点与湿度存露点与湿度存露点与湿度存露点与湿度存在对应关系在对应关系在对应关系在对应关系，参见下图。，参见下图。，参见下
172、图。，参见下图。传感器固态传感器课件二、湿度传感器的主要参数二、湿度传感器的主要参数二、湿度传感器的主要参数二、湿度传感器的主要参数（一）湿度量程（一）湿度量程（一）湿度量程（一）湿度量程 量程就是湿度传感器技术规范中所规定的量程就是湿度传感器技术规范中所规定的量程就是湿度传感器技术规范中所规定的量程就是湿度传感器技术规范中所规定的感湿范感湿范感湿范感湿范围围围围。（二）感湿特征量（二）感湿特征量（二）感湿特征量（二）感湿特征量相对湿度特性相对湿度特性相对湿度特性相对湿度特性 每种湿度传感器都有其每种湿度传感器都有其每种湿度传感器都有其每种湿度传感器都有其感湿特征量感湿特征量感湿特征量感湿特征
173、量，诸如电阻、，诸如电阻、，诸如电阻、，诸如电阻、电容等，通常用电阻比较多。在规定的工作湿度范围电容等，通常用电阻比较多。在规定的工作湿度范围电容等，通常用电阻比较多。在规定的工作湿度范围电容等，通常用电阻比较多。在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的内，湿度传感器的内，湿度传感器的内，湿度传感器的感湿量随环境湿度变化的关系曲线感湿量随环境湿度变化的关系曲线感湿量随环境湿度变化的关系曲线感湿量随环境湿度变化的关系曲线，简称简称简称简称感湿特性感湿特性感湿特性感湿特性。（三）感湿灵敏度（三）感湿灵敏度（三）感湿灵敏度（三）感湿灵敏度 在某一相对湿度范围内，在某一相对湿度范围内，在某一相对湿度范围内
174、，在某一相对湿度范围内，相对湿度改变相对湿度改变相对湿度改变相对湿度改变1%RH1%RH时时时时，湿度传感器感湿量的湿度传感器感湿量的湿度传感器感湿量的湿度传感器感湿量的变化值或相对变化率变化值或相对变化率变化值或相对变化率变化值或相对变化率。传感器固态传感器课件（四）特征量温度系数（四）特征量温度系数（四）特征量温度系数（四）特征量温度系数 特征量温度系数是反映传感器在感湿特征量特征量温度系数是反映传感器在感湿特征量特征量温度系数是反映传感器在感湿特征量特征量温度系数是反映传感器在感湿特征量相相相相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性。对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性。对湿度特性曲线随环
175、境温度而变化的特性。对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性。 在在在在环境湿度保持恒定环境湿度保持恒定环境湿度保持恒定环境湿度保持恒定的情况下，的情况下，的情况下，的情况下，湿度传感器特征湿度传感器特征湿度传感器特征湿度传感器特征量的相对变化量的相对变化量的相对变化量的相对变化与与与与对应的温度变化量对应的温度变化量对应的温度变化量对应的温度变化量之之之之比比比比，称为，称为，称为，称为特征量特征量特征量特征量温度系数温度系数温度系数温度系数。可分为电阻温度系数和电容温度系数。可分为电阻温度系数和电容温度系数。可分为电阻温度系数和电容温度系数。可分为电阻温度系数和电容温度系数。传感器固态传感器课
176、件（五）感湿温度系数（五）感湿温度系数（五）感湿温度系数（五）感湿温度系数 在两个规定温度下，湿度传感器的电阻值（或电在两个规定温度下，湿度传感器的电阻值（或电在两个规定温度下，湿度传感器的电阻值（或电在两个规定温度下，湿度传感器的电阻值（或电容值）达到相等时，其对应的相对湿度之差与两规定容值）达到相等时，其对应的相对湿度之差与两规定容值）达到相等时，其对应的相对湿度之差与两规定容值）达到相等时，其对应的相对湿度之差与两规定温度之差的比值，称为感湿温度系数。或者是温度之差的比值，称为感湿温度系数。或者是温度之差的比值，称为感湿温度系数。或者是温度之差的比值，称为感湿温度系数。或者是环境温环境温
177、环境温环境温度每变化度每变化度每变化度每变化1 1时时时时，所引起的，所引起的，所引起的，所引起的湿度传感器的湿度误差湿度传感器的湿度误差湿度传感器的湿度误差湿度传感器的湿度误差。即。即。即。即（六）响应时间（六）响应时间（六）响应时间（六）响应时间 响应时间即时间常数。在一定温度下，当相对湿响应时间即时间常数。在一定温度下，当相对湿响应时间即时间常数。在一定温度下，当相对湿响应时间即时间常数。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度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态的规定稳态的规定稳态的规定稳态的
178、规定比例比例比例比例所需要的时间。响应时间分为所需要的时间。响应时间分为所需要的时间。响应时间分为所需要的时间。响应时间分为吸湿响应时间吸湿响应时间吸湿响应时间吸湿响应时间和和和和脱脱脱脱湿响应时间湿响应时间湿响应时间湿响应时间，通常，通常，通常，通常后者大于前者后者大于前者后者大于前者后者大于前者。传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件（七）电压特性（七）电压特性（七）电压特性（七）电压特性 湿度传感器在使用时，必须加上湿度传感器在使用时，必须加上湿度传感器在使用时，必须加上湿度传感器在使用时，必须加上交流电压交流电压交流电压交流电压。电压。电压。电压。电压特性表示湿度传感器的电阻与外加交
179、流电压之间的关特性表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关特性表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关特性表示湿度传感器的电阻与外加交流电压之间的关系。参加下图。系。参加下图。系。参加下图。系。参加下图。（八）频率特性（八）频率特性（八）频率特性（八）频率特性 湿度传感器的阻值与外加电压频率的关系。参见湿度传感器的阻值与外加电压频率的关系。参见湿度传感器的阻值与外加电压频率的关系。参见湿度传感器的阻值与外加电压频率的关系。参见上图。上图。上图。上图。传感器固态传感器课件三、电解质湿度传感器三、电解质湿度传感器三、电解质湿度传感器三、电解质湿度传感器 电解质电解质电解质电解质是以是以是以是以
180、离子形式导电离子形式导电离子形式导电离子形式导电的物质。电解质分为的物质。电解质分为的物质。电解质分为的物质。电解质分为液液液液体电解质体电解质体电解质体电解质，和，和，和，和固体电解质固体电解质固体电解质固体电解质。电解质溶液的导电率与溶。电解质溶液的导电率与溶。电解质溶液的导电率与溶。电解质溶液的导电率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度在一定温度下又是环境液的浓度有关，而溶液的浓度在一定温度下又是环境液的浓度有关，而溶液的浓度在一定温度下又是环境液的浓度有关，而溶液的浓度在一定温度下又是环境相对湿度的函数。相对湿度的函数。相对湿度的函数。相对湿度的函数。 电解质氯化锂湿度传感器使用最多。其结构
181、如下电解质氯化锂湿度传感器使用最多。其结构如下电解质氯化锂湿度传感器使用最多。其结构如下电解质氯化锂湿度传感器使用最多。其结构如下图。图。图。图。2006.11. 24JC204-2006.11. 24JC204-传感器固态传感器课件四、陶瓷湿度传感器四、陶瓷湿度传感器四、陶瓷湿度传感器四、陶瓷湿度传感器 陶瓷湿度传感器主要有陶瓷湿度传感器主要有陶瓷湿度传感器主要有陶瓷湿度传感器主要有MgCrMgCr2 2OO4 4-TiO-TiO系、系、系、系、TiOTiO2 2- -V V2 2OO5 5系、系、系、系、ZnO-LiZnO-Li2 2O-VO-V2 2OO5 5系、系、系、系、ZnCrZn
182、Cr2 2OO4 4系、系、系、系、ZrOZrO2 2- -MgOMgO系、系、系、系、FeFe3 3OO4 4系、系、系、系、TaTa2 2OO5 5系，此类传感器的感湿特性系，此类传感器的感湿特性系，此类传感器的感湿特性系，此类传感器的感湿特性大多为大多为大多为大多为电阻电阻电阻电阻。除。除。除。除FeFe3 3OO4 4外，都为外，都为外，都为外，都为负特性湿度负特性湿度负特性湿度负特性湿度传感器。传感器。传感器。传感器。（一）结构（一）结构（一）结构（一）结构 陶瓷湿度陶瓷湿度陶瓷湿度陶瓷湿度传感器的结构，传感器的结构，传感器的结构，传感器的结构，如下图。如下图。如下图。如下图。传感器
183、固态传感器课件（二）主要特性与性能（二）主要特性与性能（二）主要特性与性能（二）主要特性与性能1. 1. 电阻电阻电阻电阻湿度特性湿度特性湿度特性湿度特性 MgCr2O4-TiO2 MgCr2O4-TiO2 系电阻系电阻系电阻系电阻湿度特性参见下图。湿度特性参见下图。湿度特性参见下图。湿度特性参见下图。传感器固态传感器课件2. 2. 电阻电阻电阻电阻温度特性温度特性温度特性温度特性 MgCr2O4-TiO2 MgCr2O4-TiO2 系电阻系电阻系电阻系电阻温度特性参见下图。温度特性参见下图。温度特性参见下图。温度特性参见下图。3. 3. 响应时间特性响应时间特性响应时间特性响应时间特性 响应
184、特性参见上图。响应特性参见上图。响应特性参见上图。响应特性参见上图。传感器固态传感器课件4. 4. 稳定性稳定性稳定性稳定性 目前目前目前目前MgCrMgCr2 2OO4 4-TiO-TiO2 2系陶瓷湿度传感器性能不够系陶瓷湿度传感器性能不够系陶瓷湿度传感器性能不够系陶瓷湿度传感器性能不够稳定，需要加热清洗，加速了元件的老化，对湿度不稳定，需要加热清洗，加速了元件的老化，对湿度不稳定，需要加热清洗，加速了元件的老化，对湿度不稳定，需要加热清洗，加速了元件的老化，对湿度不能进行连续测量。能进行连续测量。能进行连续测量。能进行连续测量。五、高分子湿度传感器五、高分子湿度传感器五、高分子湿度传感器
185、五、高分子湿度传感器 某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，可以制成电容式湿度传感器。某些高分子电解质吸湿可以制成电容式湿度传感器。某些高分子电解质吸湿可以制成电容式湿度传感器。某些高分子电解质吸湿可以制成电容式湿度传感器。某些高分子电解质吸湿后电阻明显变化，可以制成电阻式湿度传感器。后电阻明显变化，可以制成电阻式湿度传感器。后电阻明显变化，可以制成电阻式湿度传感器。后电阻明显变化，可以制成电阻式湿度传感器。 另外利用涨缩性高分子材料和导电粒子，在吸湿另外利用涨缩性
186、高分子材料和导电粒子，在吸湿另外利用涨缩性高分子材料和导电粒子，在吸湿另外利用涨缩性高分子材料和导电粒子，在吸湿之后的开关特性，可以制成结露传感器。之后的开关特性，可以制成结露传感器。之后的开关特性，可以制成结露传感器。之后的开关特性，可以制成结露传感器。（一）电容式湿度传感器（一）电容式湿度传感器（一）电容式湿度传感器（一）电容式湿度传感器1. 1. 结构与制法结构与制法结构与制法结构与制法 结构参见下图。结构参见下图。结构参见下图。结构参见下图。传感器固态传感器课件2. 2. 感湿机理与性能感湿机理与性能感湿机理与性能感湿机理与性能 感湿高分子材料的介电常数不大，当水分子被高感湿高分子材料
187、的介电常数不大，当水分子被高感湿高分子材料的介电常数不大，当水分子被高感湿高分子材料的介电常数不大，当水分子被高分子薄膜吸附时，介电常数发生变化。分子薄膜吸附时，介电常数发生变化。分子薄膜吸附时，介电常数发生变化。分子薄膜吸附时，介电常数发生变化。（1 1）电容）电容）电容）电容湿度特性：参见上图。湿度特性：参见上图。湿度特性：参见上图。湿度特性：参见上图。（2 2）响应特性：高分子薄膜的响应时间较短约）响应特性：高分子薄膜的响应时间较短约）响应特性：高分子薄膜的响应时间较短约）响应特性：高分子薄膜的响应时间较短约1-5S1-5S。（3 3）电容）电容）电容）电容温度特性：在温度特性：在温度特
188、性：在温度特性：在5-505-50时，电容温度系数约时，电容温度系数约时，电容温度系数约时，电容温度系数约为为为为0.06%RH/ 0.06%RH/ 。传感器固态传感器课件（二）电阻式高分子膜湿度传感器（二）电阻式高分子膜湿度传感器（二）电阻式高分子膜湿度传感器（二）电阻式高分子膜湿度传感器1. 1. 结构与制法结构与制法结构与制法结构与制法 聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器参加下图。聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器参加下图。聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器参加下图。聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器参加下图。2. 2. 主要特性主要特性主要特性主要特性参见后面图。参见后面图。参见后面图。参见后面图。（1 1）电阻）电阻）电阻
189、）电阻湿度特性湿度特性湿度特性湿度特性（2 2）温度特性）温度特性）温度特性）温度特性（3 3）其它特性）其它特性）其它特性）其它特性传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件六、湿度传感器的测量电路六、湿度传感器的测量电路六、湿度传感器的测量电路六、湿度传感器的测量电路（一）检测电路的选择（一）检测电路的选择（一）检测电路的选择（一）检测电路的选择1. 1. 电源选择电源选择电源选择电源选择 所有电阻式湿度传感器都必须使用交流电源。所有电阻式湿度传感器都必须使用交流电源。所有电阻式湿度传感器都必须使用交流电源。所有电阻式湿度传感器都必须使用交流电源。2. 2. 温度补偿温度补偿温度补偿温度补偿
190、3. 3. 线性化线性化线性化线性化（二）典型电路（二）典型电路（二）典型电路（二）典型电路传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件传感器固态传感器课件本章重点：本章重点：本章重点：本章重点：1. 1. 掌握霍尔元件、磁敏二极管、三极管原理，温度补掌握霍尔元件、磁敏二极管、三极管原理，温度补掌握霍尔元件、磁敏二极管、三极管原理，温度补掌握霍尔元件、磁敏二极管、三极管原理，温度补偿，及测量电路；偿，及测量电路；偿，及测量电路；偿，及测量电路；2. 2. 掌握外光电效应和内光电效应，光敏二极管、三极掌握外光电效应和内光电效应，光敏二极管、三极掌握外光电效应和内光电效应，光敏二极管、三极掌握外光电效
191、应和内光电效应，光敏二极管、三极管及光电池的结构原理；管及光电池的结构原理；管及光电池的结构原理；管及光电池的结构原理；3. 3. 掌握掌握掌握掌握CCDCCD结构原理，了解结构原理，了解结构原理，了解结构原理，了解CCDCCD图像传感器工作原图像传感器工作原图像传感器工作原图像传感器工作原理；理；理；理；4. 4. 了解气体传感器的工作原理，即一般特性；了解气体传感器的工作原理，即一般特性；了解气体传感器的工作原理，即一般特性；了解气体传感器的工作原理，即一般特性；5. 5. 掌握湿度的定义、湿度的表示方法；了解常见湿度掌握湿度的定义、湿度的表示方法；了解常见湿度掌握湿度的定义、湿度的表示方法；了解常见湿度掌握湿度的定义、湿度的表示方法；了解常见湿度传感器的原理及测量电路。传感器的原理及测量电路。传感器的原理及测量电路。传感器的原理及测量电路。习题：习题：习题：习题：8-18-1，8-28-2，8-48-4，8-58-5，8-68-6，8-78-7，8-88-8，8-98-9，8-108-10，8-118-11，8-128-12，8-138-13，8-148-14，8-158-15，8-168-16传感器固态传感器课件
