傳感器與檢測技術(shù)-第二章

1、傳感器與檢測技術(shù)_第二章2022/8/311第1頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日Jan，2008飽和狀態(tài)不飽和狀態(tài)空氣 水空氣濕度是什么？濕度是空氣中含有水蒸氣的量。含有水蒸氣的空氣是一種混合氣體。水分子在氣體中的客觀存在的。第2頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日Jan，2008濕度等級絕對濕度相對濕度水含量水蒸汽壓蒸汽濃度露點溫度濕度的表示方式 絕對濕度 g /m3 相對濕度 % rH 水蒸氣分壓 Pa 露點 td 水分含量 ppm 潮濕度 g / kg 蒸汽濃度 g / cm3 蒸汽濃度 g / kg 熱含量 kJ / kg第3頁，共71頁

2、，2022年，5月20日，21點21分，星期日 絕對濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大氣中所含水汽的質(zhì)量(克數(shù))。 相對濕度：是大氣中實有水汽壓與當時溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。當相對濕度達100%時，稱飽和狀態(tài)。 第4頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日露點 降低溫度會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。露點與農(nóng)作物的生長有很大關(guān)系，結(jié)露也嚴重影響電子儀器的正常工作，必須予以注意。 測量露點的儀器溫度低于0時，水蒸氣將結(jié)霜，又稱為霜點溫度。第5頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 密析爾露點傳感器的工作原理非常簡單，是基于水分

3、的導電性。多孔的吸濕層如同“三明治”一樣被夾在陶瓷基底上的兩個導電層之間。吸收水分子后，吸濕活性層的導電特性就會發(fā)生變化。該傳感器的表面導電層允許水分子自由通過進入吸濕活性層。吸濕活性層很薄，僅1微米厚（一微米=百萬分之一米），而頂部的導電層厚度比1微米還要薄，這樣，當周圍環(huán)境的濕度發(fā)生變化的時候，傳感器對濕度變化會做出極其快速的反應(yīng)。 第6頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 露點儀：能直接測出露點溫度的儀器。使一個鏡面處在樣品濕空氣中降溫，直到鏡面上隱現(xiàn)露滴（或冰晶）的瞬間，測出鏡面平均溫度，即為露（霜）點溫度。它測濕精度高，但需光潔度很高的鏡面，精度很高的溫控系統(tǒng)，

4、以及靈敏度很高的露滴（冰晶）的光學探測系統(tǒng)。使用時必須使吸入樣本空氣的管道保持清潔，否則管道內(nèi)的雜質(zhì)將吸收或放出水分造成測量誤差。 第7頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日露點傳感器外形 第8頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 濕敏電阻的原理： 水是一種強極性的電解質(zhì)。水分子極易吸附于固體表面并滲透到固體內(nèi)部，引起半導體的電阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二鋁等吸濕材料制作濕敏電阻。第9頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 2、濕度對電子元件的影響 當環(huán)境的相對濕度增大時，物體表面就會附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部。這不僅

5、降低了絕緣強度，還會造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會加速金屬材料的腐蝕并引起有機材料的霉爛。第10頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 濕敏電阻的阻值能隨環(huán)境相對濕度的變化而變化，所以它們能實時監(jiān)控環(huán)境里的濕度變化情況，從而減少環(huán)境對儀器設(shè)備帶來各種危害 。第11頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日濕度傳感器的分類 第12頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu)圖護圈電極感濕陶瓷氧化釕電極加熱器基板電極引線加熱器能對元件進行加熱清洗，排除惡劣氣氛對元件的污染 第13頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分

6、，星期日1、濕敏電阻型號命名方法 濕敏電阻的型號可分為三個部分，第一部分用字母表示主稱；第二部分用字母表示用途或特征；第三部分用數(shù)字表示序號，各部分的含義見表2-8。 第14頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日例如：MS01-A（通用型號濕敏電阻器） M敏感電阻器； S濕敏電阻器； 01-A序號第15頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日濕度量程干濕溫度系數(shù)（溫度系數(shù)）感濕特性靈敏度響應(yīng)時間濕滯特性主要特性參數(shù) 老化特性（耐久性）濕度傳感器的主要參數(shù)第16頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日電子濕度計模塊封裝后的外形第17頁，共7

7、1頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日電子式溫濕度計第18頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日機械式、電子式溫濕度計對比第19頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日應(yīng)用領(lǐng)域 精密儀器、半導體集成電路與元器件制造場所，氣象預(yù)報、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、濕敏防偽技術(shù)、洗衣干燥機的自控、磁帶錄像機和汽車窗玻璃的防止結(jié)露、尿布沾濕報警等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。 第20頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日應(yīng)用: 半導體凈化車間第21頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日農(nóng)業(yè)：溫室栽培第22頁，共71頁，2022年，5

8、月20日，21點21分，星期日氣象玉山第23頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日文物保護: 敦煌第24頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日2.6 光敏電阻傳感器 第25頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日第26頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日光敏電阻是采用半導體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。第27頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻第28頁，共71頁，2022

9、年，5月20日，21點21分，星期日 光敏電阻阻值對光照特別敏感，是一種典型的利用光電導效應(yīng)制成的光電探測器件。 對于本征型，可用來檢測可見光和近紅外輻射 對于非本征型可以檢測波長很長的輻射第29頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日第30頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日第31頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日第32頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 當光敏電阻受到光照時，光生電子空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）第33頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 用于制

10、造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，然后接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。 在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當波長的光線照射時，電流就會隨光強的增加而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。 第34頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日組成：它由一塊涂在絕緣基底上的光電導材料薄膜和兩端接有兩個引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。電極和光電導體之間呈歐姆

11、接觸。結(jié)構(gòu)：光敏電阻在電路中的符號第35頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日三種形式梳狀式 玻璃基底上蒸鍍梳狀金屬膜而制成；或在玻璃基底上面蝕刻成互相交叉的梳狀槽，在槽內(nèi)填入黃金或石墨等導電物質(zhì)，在表面再敷上一層光敏材料。如圖所示。絕緣基底光電導體膜第36頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日刻線式在玻璃基片上鍍制一層薄的金屬箔，將其刻劃成柵狀槽，然后在槽內(nèi)填入光敏電阻材料層后制成。其結(jié)構(gòu)如下圖所示。涂膜式在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其結(jié)構(gòu)下圖。第37頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日光敏二極管結(jié)構(gòu)簡圖、符號和等效電

12、路圖第38頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日二、特性參數(shù)1、光電流及增益無光照時流過器件的電流稱暗電流，由入射光引起的稱光電流。第39頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 增益可理解為：樣品中每產(chǎn)生一個光生載流子所構(gòu)成的流入外電路的載流子數(shù)。 若G1, 即單位時間流過器件的電荷數(shù)大于器件內(nèi)光激發(fā)的電荷，從而使電流得到放大。第40頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日增益電流系數(shù)：光電流與入射光引起的單位時間電荷量的比值。第41頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日由上式可知：、減小樣品長度可以大大提高增益；、

13、增加載流子的壽命也可提高增益。 光敏面作成蛇形，電極作成梳狀是因為這樣即可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，從而既可減小極間電子渡越時間，也有利于提高靈敏度。第42頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日2.光電導靈敏度定義為光電導 g p 與輸入光照度E之比。： 光電導（西門子S）： 照度（勒克斯lx）A ：入射通量（流明lm)S g第43頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日注意：靈敏度與光電增益的區(qū)別材料特性結(jié)構(gòu)參數(shù)（1）靈敏度是光電導體在光照下產(chǎn)生光電導能力的大小。（2）增益指在工作狀態(tài)下，各參數(shù)對光電導效應(yīng)的增強能力。第44頁，共7

14、1頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日3、光電特性：光電流與照度的關(guān)系： 光照指數(shù)：電壓指數(shù)（1）弱光時，I光 與照度 E 成線性關(guān)系（2) 強光時，光電流與照度成拋物線第45頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日強光照下光電特性的分析： 光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導致載流子運動加劇，因此復合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）第46頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日4、伏安特性：在一定的光照下，光電流 I光與所加電壓的關(guān)系一定的光照下，光與電壓的關(guān)系; 相同的電壓下，光與光照的關(guān)系第

15、47頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 說明：（1) 光敏電阻為純電阻，符合歐姆定律，對多數(shù)半導體，當 電場強度超過104伏特/厘米 （強光時），不遵守歐姆 定律。硫化鎘例外，其伏安特性在100多伏就不成線性了。（2）光照使光敏電阻發(fā)熱，使得在額定功耗內(nèi)工作，其最高使用電壓由其耗散功率所決定，而功耗功率又和其面積大小、散熱情況有關(guān)。（3）伏安特性曲線和負載線的交點即為光敏電阻的工作點。 第48頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日5、溫度特性： 溫度的變化，引起溫度噪聲，導致其靈敏度、光照特性、響應(yīng)率等都發(fā)生變化。為了提高靈敏度，必須采用冷卻裝置，尤

16、其是雜質(zhì)型半導體受溫度影響更明顯。第49頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日6前歷效應(yīng) 1-黑暗放置3分鐘后 2-黑暗放置60分鐘后 3-黑暗放置24小時后指光敏電阻的時間特性與工作前“歷史”有關(guān)的一種現(xiàn)象。即測試前光敏電阻所處狀態(tài)對光敏電阻特性的影響。暗態(tài)前歷效應(yīng)：指光敏電阻測試或工作前處于暗態(tài)，當它突然受到光照后光電流上升的越慢程度。工作電壓越低，光照度越低，則暗態(tài)前歷效應(yīng)就越重。第50頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日亮態(tài)前歷效應(yīng)： 光敏電阻測試或工作前已處于亮態(tài)，當照度與工作時所要達到的照度不同時，所出現(xiàn)的一種滯后現(xiàn)象。第51頁，共71頁，

17、2022年，5月20日，21點21分，星期日7、暗電阻和暗電流： 光敏電阻在黑暗時的阻值稱為暗電阻，一般情況下，暗電阻都大于10兆，受光照時的阻值稱為亮阻。暗阻與亮阻的比值也可作為衡量靈敏度的高低，比值越大，靈敏度越高。第52頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日8、時間頻率響應(yīng)：時間特性與光照度、工作溫度有明顯的依賴關(guān)系。第53頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日9、噪聲特性：熱噪聲、產(chǎn)生復合噪聲 、1/f 噪聲與調(diào)制頻率的關(guān)系（1) 紅外：減小溫漂，使信號放大，可調(diào)制較高的f （2）制冷可降低熱噪聲（3）恰當?shù)钠秒娐?，可使信噪比最?第54頁，共

18、71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日10、光譜特性：相對靈敏度與波長的關(guān)系 可見光區(qū)光敏電阻的光譜特性 光譜特性曲線覆蓋了整個可見光區(qū)，峰值波長在515600nm之間。尤其硫化鎘的峰值波長與人眼的很敏感的峰值波長（555nm）是很接近的，因此可用于與人眼有關(guān)的儀器，例如照相機、照度計、光度計等。 第55頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 紅外區(qū)光敏電阻的光譜特性此特性與所用材料的光譜響應(yīng)、制造工藝、摻雜濃度和使用的環(huán)境溫度有關(guān)。第56頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日三、光敏電阻的特點1、優(yōu)點：靈敏度高，光電導增益大于1，工作電流

19、大，無極性之分光譜響應(yīng)范圍寬，尤其對紅外有較高的靈敏度所測光強范圍寬，可測強光、弱光第57頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日2、不足： 強光下光電轉(zhuǎn)換線性差 光電導弛豫時間長 受溫度影響大 由伏安特性知，設(shè)計負載時，應(yīng)考慮額定功耗 進行動態(tài)設(shè)計時，應(yīng)考慮光敏電阻的前歷效應(yīng)第58頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 光敏電阻的電路1、基本偏置電路：（1） 第一種：第59頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 將第一種電路中的 RP 與R1互換位置，即另一種偏置電路。（2）分析兩種情況下輸出電壓的變化：（3）RG和電源E的選取原則：

20、a.光通量連續(xù)變化時， b.光通量跳躍變化時， c. 為最大允許功耗第60頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日2、恒流、恒壓偏置電路：（1）恒流偏置電路：采用穩(wěn)壓管D, 故I b不變，所以I c不變，因此V b也不變。（2）恒壓偏置電路：同樣V b不變，故V e不變，由 于RG減小，故I e增大。導致I c變化。而輸出電壓 V0不變。第61頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 光敏電阻器種類： 1）按制作材料分類：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘（CdS）、硒化鎘(CdSe) 、硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、銻化銦(InSb) 光敏電阻器

21、等。 2）按光譜特性分類： 可見光光敏電阻器：主要用于各種光電自動控制系統(tǒng)、電子照相機、光報警等地。 紫外光光敏電阻器：主要用于紫外線探測儀器。 紅外光光敏電阻器：主要用于天文、軍事等領(lǐng)域的有關(guān)自動控制系統(tǒng)。第62頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日 光敏電阻器的主要參數(shù)1）亮電阻（k）：指光敏電阻器受到光照射時的電阻值。2）暗電阻(M)：指光敏電阻器在無光照射（黑暗環(huán)境）時的電阻值。3）最高工作電壓(V)：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓4）亮電流：指光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下受到光照射時所通過的電流。第63頁，共71頁，2022年，5月20日，21點21分，星期日5）暗電流(mA)：指在無光照射時，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的電流。6）時間常數(shù)（s）：指光敏電阻器