第二十四講 傳感器 3

近代信息處理（第二十四講）

——傳感器（3）趙雷2014.05.122014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷2本課程以輸入量分類介紹傳感器溫度傳感器氣體傳感器光傳感器力學(xué)量傳感器磁敏傳感器濕度傳感器電壓敏傳感器生物傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷3力學(xué)量傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷4力學(xué)量傳感器——壓力電阻效應(yīng)材料的電阻或電阻率隨外加應(yīng)力而改變的現(xiàn)象成為壓力電阻效應(yīng)利用壓力電阻效應(yīng)可以制作力敏電阻（或稱電阻應(yīng)變計(jì)）用處：荷重、扭矩、加速度、位移、壓力等測(cè)量分兩大類金屬電阻應(yīng)變計(jì)半導(dǎo)體電阻應(yīng)變計(jì)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷5應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ)金屬導(dǎo)體的電阻定律(線材)材料的泊松比μA=πr

2L可得電阻的相對(duì)變化與軸向(線)應(yīng)變的關(guān)系令2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷6應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ)金屬材料應(yīng)變電阻效應(yīng)俄國(guó)學(xué)者勃底特茲明通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：最后得到金屬絲應(yīng)變電阻效應(yīng)的靈敏系數(shù)Km

：而

V=L·A，所以：2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷7應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)史密斯等學(xué)者發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導(dǎo)體材料具有壓阻效應(yīng)，且滿足：半導(dǎo)體材料的總電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變的關(guān)系為最后得到半導(dǎo)體應(yīng)變電阻效應(yīng)的靈敏系數(shù)：σ——

單晶體的軸向應(yīng)力εx——

單晶體的軸向應(yīng)變

E

——

彈性模量π——

單晶體的壓阻系數(shù)(不是圓周率)σ=Eεx

(胡克定律)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷8力學(xué)量傳感器——金屬絲式應(yīng)變片金屬在收到拉應(yīng)力作用時(shí)，長(zhǎng)度增加，截面積減小，電阻值增大；反之，電阻值減小金屬絲制成柵形貼在彈性基片表面，

并引出引線作為電極材料：鉍、銻、鎳鉻合金、康銅等應(yīng)變方向應(yīng)變片與試件的粘結(jié)試件應(yīng)變片基片覆蓋層引線金屬絲bl柵長(zhǎng)柵寬2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷9力學(xué)量傳感器——金屬箔式應(yīng)變片工作原理基本和電阻絲式應(yīng)變片相同電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過(guò)光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵金屬箔的厚度—般為(0.003～0.010)mm，基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度一般為(0.03～0.05)mm優(yōu)點(diǎn)：表面積和截面積之比大，散熱條件好，允許通過(guò)的電流較大，可制成各種需要的形狀，便于批量生產(chǎn)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷102014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷11力學(xué)量傳感器——半導(dǎo)體應(yīng)變片基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件實(shí)驗(yàn)證明πE比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為K=πE優(yōu)點(diǎn):體積小，靈敏度高，頻率響應(yīng)范圍寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接，使測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性較嚴(yán)重2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷12電阻應(yīng)變片的重要特性（1）靈敏度系數(shù)金屬應(yīng)變絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻—應(yīng)變特性與金屬單絲情況不同應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS，原因是膠層傳遞變形失真和橫向效應(yīng)金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?chǔ)旁诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷13電阻應(yīng)變片的重要特性（2）橫向效應(yīng)金屬應(yīng)變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件的軸向應(yīng)變?chǔ)攀姑舾袞烹娮璋l(fā)生變化，其橫向應(yīng)變?chǔ)舝也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化(除了ε起作用外)應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)每個(gè)圓弧形橫柵的變形量Δl為：絲繞式應(yīng)變片敏感柵半圓弧形部分bOlεrrdldθθε0ε2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷14電阻應(yīng)變片的橫向效應(yīng)縱柵為n根的應(yīng)變片共有n-1個(gè)半圓弧橫柵，全部橫柵的變形量為應(yīng)變片敏感柵的總變形為所以：可見敏感柵電阻的相對(duì)變化分別是ε和εr作用的結(jié)果令則：橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫向效應(yīng)系數(shù)H可見r愈小，l愈大，則H愈小。即敏感柵越窄、基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷15電阻應(yīng)變片的重要特性（3）機(jī)械滯后

產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，如果敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后ΔεΔε1機(jī)械應(yīng)變?chǔ)判遁d加載指示應(yīng)變?chǔ)舏應(yīng)變片的機(jī)械滯后2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷16電阻應(yīng)變片的重要特性（4）零點(diǎn)漂移和蠕變零點(diǎn)漂移對(duì)于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等蠕變?cè)谝欢囟认?，使?yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷17電阻應(yīng)變片的重要特性（5）應(yīng)變極限在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對(duì)測(cè)試值的真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不超過(guò)規(guī)定范圍（一般為10%）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測(cè)試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力(包括機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力)時(shí)所引起的表面應(yīng)變?cè)颍赫辰Y(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量制造與安裝應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料基底和粘結(jié)劑的厚度不宜過(guò)大，并應(yīng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)墓袒幚?，才能獲得較高的應(yīng)變極限εlim真實(shí)應(yīng)變?chǔ)舲指示應(yīng)變?chǔ)舏應(yīng)變片的應(yīng)變極限±10%12014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷18電阻應(yīng)變片的重要特性（6）動(dòng)態(tài)特性當(dāng)被測(cè)應(yīng)變值隨時(shí)間變化的頻率很高時(shí)，需考慮應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時(shí)間很短(估計(jì)約0.2μs)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)變片對(duì)應(yīng)變波的動(dòng)態(tài)響應(yīng)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷19電阻應(yīng)變片動(dòng)態(tài)特性舉例應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變柵長(zhǎng)l范圍內(nèi)的平均應(yīng)變：相對(duì)誤差：相對(duì)誤差δ的大小只決定于l/λ的比值：柵長(zhǎng)與正弦應(yīng)變波的波長(zhǎng)之比愈小，相對(duì)誤差δ愈小l/λ=1/10,δ=1.62%；l/λ=1/20,δ=0.52%l/λ<1/10時(shí)，δ<2%，由f=v/λ可得：fmax=0.1v/l若已知應(yīng)變波在某材料內(nèi)傳播速度υ，可計(jì)算出柵長(zhǎng)為l的應(yīng)變片粘貼在某種材料上的可測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變最高頻率2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷20影響半導(dǎo)體力敏電阻壓阻系數(shù)的因素影響壓阻系數(shù)因素：擴(kuò)散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度擴(kuò)散雜質(zhì)濃度NS增加時(shí)，壓阻系數(shù)就會(huì)減小同一雜質(zhì)濃度下，P型硅的壓阻系數(shù)大于N型硅選用P型層有利于提高器件靈敏度120140100806040201018101910201021表面雜質(zhì)濃度NS/cm-3P型Si(π44)N型Si(-π11)

π11或π44/

×10-11m2/NT=24℃壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度NS的關(guān)系2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷21影響半導(dǎo)體力敏電阻壓阻系數(shù)的因素表面雜質(zhì)濃度低時(shí)，溫度增加，壓阻系數(shù)下降得快；表面雜質(zhì)濃度高時(shí)，溫度增加，壓阻系數(shù)下降得慢為降低溫度影響，擴(kuò)散電阻表面雜質(zhì)濃度高些較好，但擴(kuò)散表面雜質(zhì)濃度高時(shí)，壓阻系數(shù)要降低N型硅的電阻率不能太低，否則，擴(kuò)散P型硅與襯底N型硅之間，PN結(jié)的擊穿電壓就要降低，而使絕緣電阻降低因此采用多大表面雜質(zhì)濃度進(jìn)行擴(kuò)散為宜需全面考慮2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷22力學(xué)量傳感器——固態(tài)壓阻器件用集成電路工藝技術(shù)，在硅片上制造出四個(gè)等值的薄膜電阻在圓形硅膜片上擴(kuò)散出四個(gè)P型電阻，構(gòu)成惠斯登電橋的四個(gè)臂１２３４５７６1N-Si膜片2P-Si導(dǎo)電層粘貼劑硅底座引壓管Si保護(hù)膜7引線

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趙雷23力學(xué)量傳感器——固態(tài)壓阻器件四個(gè)電阻接成惠斯登電橋形式擴(kuò)散電阻硅杯式固體壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖擴(kuò)散電阻Si_n擴(kuò)散電阻Si_n2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷24力學(xué)量傳感器

——壓阻式力傳感器的測(cè)量電路應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化ΔR/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量電阻應(yīng)變片的測(cè)量線路多采用電橋測(cè)量線路

R2R4R1R3E電橋線路原理圖RgACDIgBRg→∞，開路：2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷25力學(xué)量傳感器

——壓阻式力傳感器的測(cè)量電路恒壓源供電恒流源供電多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷26力學(xué)量傳感器

——壓阻式力傳感器的測(cè)量電路多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋核心是4個(gè)電阻連接成惠斯登電橋方式，并將一對(duì)具有正增量的電阻對(duì)接，另一對(duì)具有負(fù)增量的電阻對(duì)接恒壓源供電2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷27力學(xué)量傳感器

——壓阻式力傳感器的測(cè)量電路多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋核心是4個(gè)電阻連接成惠斯登電橋方式，并將一對(duì)具有正增量的電阻對(duì)接，另一對(duì)具有負(fù)增量的電阻對(duì)接恒流源供電2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷28力學(xué)量傳感器——測(cè)量電路2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷29壓阻式力傳感器的測(cè)量電路的溫度補(bǔ)償（1）溫度誤差希望金屬應(yīng)變片阻值僅隨應(yīng)變變化，不受其它因素影響實(shí)際上阻值受環(huán)境溫度(包括被測(cè)試件的溫度)影響很大由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷30壓阻式力傳感器的測(cè)量電路的溫度補(bǔ)償（2）補(bǔ)償方法：?jiǎn)谓z自補(bǔ)償應(yīng)變片選擇應(yīng)變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)與被測(cè)試件的材料的線膨脹系數(shù)互補(bǔ)，溫度變化效應(yīng)互相抵消雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負(fù)值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償電路補(bǔ)償法焊點(diǎn)RaRb2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷31電路補(bǔ)償法（1）USCR2R4R1R3E當(dāng)R3、R4為常數(shù)時(shí)，R1和R2對(duì)輸出電壓的作用方向相反使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片(R1)貼在被測(cè)試件的表面；另一片(R2)貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上工作過(guò)程中補(bǔ)償塊不承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形補(bǔ)償應(yīng)變片粘貼示意圖R1R2造成ΔR1t與ΔR2t相同，根據(jù)電橋理論可知，其輸出電壓USC與溫度無(wú)關(guān)當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時(shí)，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷32電路補(bǔ)償法（2）R1R2FFR1R2（b）（a）F構(gòu)件受彎曲應(yīng)力構(gòu)件受單向應(yīng)力將補(bǔ)償片貼在被測(cè)試件上，這樣既能起到溫度補(bǔ)償作用，又能提高輸出的靈敏度梁受彎曲應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片R1和R2的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應(yīng)變絕對(duì)值相等，符號(hào)相反，將它們接入電橋的相鄰臂后，可使輸出電壓增加一倍當(dāng)溫度變化時(shí)，應(yīng)變片R1和R2的阻值變化的符號(hào)相同，大小相等，電橋不產(chǎn)生輸出，達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康氖軉蜗驊?yīng)力的構(gòu)件，將工作應(yīng)變片R2的軸線順著應(yīng)變方向，補(bǔ)償應(yīng)變片R1的軸線和應(yīng)變方向垂直，接入電橋相鄰臂，補(bǔ)償橫向效應(yīng)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷33力學(xué)量傳感器——零位漂移因?yàn)閿U(kuò)散電阻隨溫度的變化導(dǎo)致阻值發(fā)生變化而引起一般用串、并聯(lián)電阻的方法補(bǔ)償串聯(lián)電阻主要起調(diào)零作用；并聯(lián)電阻主要起補(bǔ)償作用由于零點(diǎn)漂移，導(dǎo)致B、D兩點(diǎn)電位不等，當(dāng)溫度升高時(shí)，R3的增加比較大，使D點(diǎn)電位低于B點(diǎn)，B、D兩點(diǎn)的電位差即為零位漂移要消除B、D兩點(diǎn)的電位差，最簡(jiǎn)單的辦法是在R3上并聯(lián)一個(gè)溫度系數(shù)為負(fù)、阻值較大的電阻RP，用來(lái)約束R3的變化。這樣，當(dāng)溫度變化時(shí)，可減小B、D點(diǎn)之間的電位差，以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康漠?dāng)然在R2上并聯(lián)一個(gè)溫度系數(shù)為負(fù)、阻值較大的電阻進(jìn)行補(bǔ)償，作用相同2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷34力學(xué)量傳感器——靈敏度漂移由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)變??；溫度降低時(shí)，壓阻系數(shù)變大傳感器的靈敏度溫度系數(shù)為負(fù)值一般用改變電源電壓大小的方法補(bǔ)償可以采用在電源回路中串聯(lián)適當(dāng)數(shù)目二極管的方法或采用熱敏電阻補(bǔ)償2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷35力學(xué)量傳感器——靈敏度漂移由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)變??；溫度降低時(shí)，壓阻系數(shù)變大傳感器的靈敏度溫度系數(shù)為負(fù)值一般用改變電源電壓大小的方法補(bǔ)償可以采用在電源回路中串聯(lián)適當(dāng)數(shù)目二極管的方法或采用熱敏電阻補(bǔ)償2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷36力學(xué)量傳感器——壓電器件在某些材料的某些特定方向上施加壓力和拉力，材料的表面上會(huì)出現(xiàn)正負(fù)束縛電荷，電荷密度與施力大小成正比天然晶體：石英壓電陶瓷：BaTiO3等有機(jī)壓電材料：聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVL）、聚碳酸酯等壓電半導(dǎo)體：ZnO、ZnS、CaS、ZnFe、CaAs等壓電式力敏傳感器類別：?jiǎn)畏至苛鞲衅麟p分量力傳感器三分量力傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷37力學(xué)量傳感器的應(yīng)用

——壓電式力學(xué)量傳感器壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)——機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苣承┪镔|(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時(shí)，隨著形變的產(chǎn)生，會(huì)在其某兩個(gè)相對(duì)的表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷（表面電荷的極性與拉、壓有關(guān)），當(dāng)外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)逆壓電效應(yīng)——電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能在極化方向上（產(chǎn)生電荷的兩個(gè)表面）施加電場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變壓電材料石英晶體、壓電陶瓷、有機(jī)壓電材料、壓電半導(dǎo)體應(yīng)用微型加速度傳感器壓電步進(jìn)位移傳感器壓電式聲傳感器FF極化面Q壓電介質(zhì)機(jī)械能｛電能｝正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷38石英晶體的壓電效應(yīng)（1）石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列圖中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-理想石英晶體的外形硅氧離子的排列示意圖2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷39石英晶體的壓電效應(yīng)（2）FX=0P1＋P2＋P3＝0FX<0(P1+P2+P3)X>0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0（P1+P2+P3）X<0FX>02014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷40壓電陶瓷的壓電效應(yīng)（1）壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷41壓電陶瓷的壓電效應(yīng)（2）但當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，卻無(wú)法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度因陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷42壓電陶瓷的壓電效應(yīng)（3）若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小因此原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀(這是一個(gè)膨脹過(guò)程)，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷43壓電陶瓷的壓電效應(yīng)（4）若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變（圖中虛線）同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷44壓電式傳感器的測(cè)量電路（1）等效電路可把壓電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器，也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路也可等效為一個(gè)電荷源q和一個(gè)電容器Ca的并聯(lián)電路如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí),則應(yīng)考慮連線的等效電容Cc,前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci，Ra為傳感器的漏電阻2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷45壓電式傳感器的測(cè)量電路（2）實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷46壓電式傳感器的測(cè)量電路（2）兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)并聯(lián)方法2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷47壓電式傳感器的測(cè)量電路（2）正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)串聯(lián)方法2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷48壓電式傳感器的測(cè)量電路（3）由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗變換后，再用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中兩個(gè)作用：把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào)兩種形式：電壓放大器電荷放大器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷49力學(xué)量傳感器——位移傳感器光電式位移傳感器光柵位移傳感器：利用莫爾條紋，主光柵固定在運(yùn)動(dòng)零件上，指示光柵與光敏元件固定；或相反磁電式位移傳感器利用磁阻元件或霍爾元件2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷50光柵與莫爾條紋示意圖主光柵指示光柵指示光柵移動(dòng)方向莫爾條紋光電式位移傳感器——莫爾條紋基本元件是主光柵和指示光柵在一塊長(zhǎng)條形光學(xué)玻璃上，均勻刻上許多明暗相間、寬度相等的刻線，常用的光柵每毫米有10、25、50、100和250條線若劃線寬度為a，縫隙寬度為b，則光柵節(jié)距或柵距W為W＝a+b，通常取a=b＝W/2將兩塊光柵(主光柵、指示光柵)疊合在一起，并且使它們的刻線之間成一個(gè)很小的角度θ由于遮光效應(yīng)，兩塊光柵的刻線相交處形成亮帶，而在一塊光柵的刻線與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶，在與光柵刻線垂直的方向，將出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋就稱為莫爾條紋2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷51光電式位移傳感器——莫爾條紋當(dāng)指示光柵沿著主光柵刻線的垂直方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將會(huì)沿著這兩個(gè)光柵刻線夾角的平分線的平行方向移動(dòng)，光柵每移動(dòng)一個(gè)W，莫爾條紋也移動(dòng)一個(gè)間距Bθ越小，B越大，θ當(dāng)小于1°以后，可使B>>W，即莫爾現(xiàn)象具有使柵距放大的作用2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷52光柵式傳感器的測(cè)量電路光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由聚光鏡和光敏元件組成兩塊光柵作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，光敏元件上的光強(qiáng)隨莫爾條紋移動(dòng)而變化a處兩光柵刻線重疊，透過(guò)的光強(qiáng)最大，光電元件輸出的電信號(hào)也最大c處由于光被遮去一半，光強(qiáng)減小d處的光全被遮去的成全黑，光強(qiáng)為零若光柵繼續(xù)移動(dòng)，透射到光敏元件上的光強(qiáng)又逐漸增大，2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷53光柵式傳感器的細(xì)分一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放置四個(gè)光電元件得到相位分別相差π/2的四個(gè)正弦周期信號(hào)用適當(dāng)電路處理，使其合并得到脈沖信號(hào)：每個(gè)脈沖分別和四個(gè)周期信號(hào)的零點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，則電脈沖的周期反應(yīng)了1/4個(gè)莫爾條紋寬度用計(jì)數(shù)器對(duì)這一列脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以讀到1/4個(gè)莫爾條紋寬度的位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷54力學(xué)量傳感器——電容式壓力傳感器利用電容器的原理，將非電量轉(zhuǎn)換成電容量，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器應(yīng)用：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷55變間隙型電容傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷56差動(dòng)式變間隙型電容傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷57電容式壓力傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷58差動(dòng)電容壓力傳感器設(shè)膜片半徑為a，球冠形固定電極的半徑為R，固定電極的實(shí)際拱底半徑為b，拱底距膜片的距離為db，當(dāng)d0<<R時(shí)：在PH-PL作用下中心膜片的上凸量h近似為:而CA為：利用脈寬調(diào)制電路，將中心膜片接地，其輸出U0

：輸出U0與差壓PH-PL成正比2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷59變面積型電容傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷60長(zhǎng)度傳感器變介質(zhì)型電容傳感器δx厚度傳感器l平板形lx圓筒式液位傳感器h2r12r2hxC1C2C3CC1C2C3CC4C1CC22014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷61電容傳感器的等效電路Rg是極間等效漏電阻，它包括極板間的漏電損耗和介質(zhì)損耗、極板與外界間的漏電損耗介質(zhì)損耗，其值在制造工藝上和材料選取上應(yīng)保證足夠大Cp為引線電纜、所接測(cè)量電路及極板與外界所形成的總寄生電容r由引線電阻、極板電阻和金屬支架電阻組成L包括引線電纜電感和電容式傳感器本身的電感2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷62電容傳感器的測(cè)量電路電橋電路將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂(另一個(gè)臂為固定電容)或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻或電容或電感，也可是變壓器的兩個(gè)二次線圈運(yùn)算放大器電路最大特點(diǎn)是能夠克服變極距型電容式傳感器的非線性二極管雙T形電路差動(dòng)脈寬調(diào)制電路調(diào)頻電路2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷63電容傳感器的電橋電路2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷64電容傳感器電橋電路的特點(diǎn)高頻交流正弦波供電電橋輸出調(diào)幅波，要求其電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施通常處于不平衡工作狀態(tài)，所以傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性增大，且在要求精度高的場(chǎng)合應(yīng)采用自動(dòng)平衡電橋輸出阻抗很高(幾MΩ至幾十MΩ)，輸出電壓低，必須后接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的處理電路2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷65電容傳感器的運(yùn)算放大器電路可見運(yùn)算放大器的輸出電壓與動(dòng)極板的板間距離δ成正比解決了單個(gè)變極距型電容傳感器的非線性問(wèn)題這是在運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)和輸入阻抗無(wú)限大的條件下得出的，實(shí)際上該測(cè)量電路仍然存在一定的非線性一般A和Zi足夠大，所以這種誤差很小2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷66電容傳感器的二極管雙T形電路供電電壓是幅值為±UE、周期為T、占空比為50％的方波在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓為：輸出電壓不僅與電源電壓的頻率和幅值有關(guān)，而且與T形網(wǎng)絡(luò)中的電容C1和C2的差值有關(guān)當(dāng)電源電壓確定后，輸出電壓只是電容C1和C2的函數(shù)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷67電容傳感器二極管雙T形電路的特點(diǎn)線路簡(jiǎn)單，可全部放在探頭內(nèi)，大大縮短了電容引線、減小了分布電容的影響電源周期、幅值直接影響靈敏度，要求它們高度穩(wěn)定輸出阻抗為R，而與電容無(wú)關(guān)，克服了電容式傳感器高內(nèi)阻的缺點(diǎn)適用于具有線性特性的單組式和差動(dòng)式電容式傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷681.電路基本結(jié)構(gòu)（R-S

觸發(fā)器）2.工作過(guò)程⑴設(shè)加電初態(tài)則C1充電。開始時(shí)刻，VC、VD<Ur，A1、A2輸出高電平。

⑵C1充電到VC>Ur→3.輸出分析R-S

觸發(fā)器高電平輸出差動(dòng)脈寬調(diào)制電路A2輸出低電平→→C1

經(jīng)D1放電→VC<Ur，A2恢復(fù)高電平。同時(shí)C2充電。C2充電時(shí)間T2⑶C2充電到VD>Ur→A1輸出低電平→→C2

經(jīng)D2放電→VD<Ur，A1恢復(fù)高電平。同時(shí)C1充電。C1充電時(shí)間T12014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷69tuAuAuBuBuABuABUCUCUDUDUrUrUrUr-U1U1T1U1-U10000000000T2U1U1U1U1T1T2ttttttttt(a)(b)U02014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷70電容傳感器差動(dòng)脈寬調(diào)制電路的特點(diǎn)適用于任何差動(dòng)式電容傳感器具有理論上的線性特性可靠性好：采用直流電源，電壓穩(wěn)定度高，不存在穩(wěn)頻、波形純度的要求，也不需要相敏檢波與解調(diào)等對(duì)元件無(wú)線性要求經(jīng)低通濾波器可輸出較大的直流電壓對(duì)輸出矩形波的純度要求也不高2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷71力學(xué)量傳感器——電感式傳感器是一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置應(yīng)用：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等測(cè)量種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式和互感式兩種根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，分氣隙型、面積型和螺管型優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量力小銜鐵為0.5～200×10-5N時(shí)，磁吸力為(1~10)×10-5N分辨力高機(jī)械位移：0.1μm，甚至更??；角位移：0.1角秒輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm重復(fù)性好，線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定缺點(diǎn)：存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷72力學(xué)量傳感器的應(yīng)用

——壓阻式傳感器的應(yīng)用壓力傳感器壓阻式加速度傳感器扭矩傳感器流體流量傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷73壓力傳感器——柱力式傳感器彈性元件分為實(shí)心和空心兩種在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動(dòng)對(duì)非軸向載荷分量被補(bǔ)償橫向粘貼的應(yīng)變片還具有溫度補(bǔ)償作用在與軸線任意夾角的α方向，其應(yīng)變?yōu)椋褐搅鞲衅?ε2+ε1截面積SFFF面積S-ε1+ε2b）a）ε1——沿軸向的應(yīng)變?chǔ)獭獜椥栽牟此杀犬?dāng)α=0時(shí)當(dāng)α=90?時(shí)E：彈性元件的楊氏模量2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷74壓力傳感器——梁力式傳感器一端固定，一端自由，厚度為h,長(zhǎng)度l，固定端寬度為b0,力F作用在三角形頂點(diǎn)，其表面應(yīng)變?yōu)椋荷舷聝蓚?cè)分別粘有4只應(yīng)變片，R1、R4同側(cè)；R3、R2同側(cè)，兩側(cè)的應(yīng)變方向剛好相反，且大小相等，可構(gòu)成全差動(dòng)電橋同時(shí)起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔玫葟?qiáng)度梁2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷75壓力傳感器——梁力式傳感器一端固定，一端自由，厚度為h,寬度為b,懸臂外端到應(yīng)變片中心的距離為l其應(yīng)變?yōu)椋旱冉孛媪?014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷76壓力傳感器——梁力式傳感器固定梁2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷77壓力傳感器——表壓傳感器測(cè)量氣體或液體壓力傳感器當(dāng)氣體或液體壓力作用硅杯上時(shí)，改變阻值，測(cè)量電路中電橋平衡被破壞，產(chǎn)生輸出電壓結(jié)構(gòu)：低壓腔高壓腔硅杯引線硅膜片2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷78力學(xué)量傳感器——固態(tài)壓阻器件四個(gè)電阻接成惠斯登電橋形式擴(kuò)散電阻硅杯式固體壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖擴(kuò)散電阻Si_n擴(kuò)散電阻Si_n2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷79壓力傳感器——絕對(duì)壓力傳感器與表壓傳感器的不同點(diǎn)在于基準(zhǔn)參考腔為真空當(dāng)流體的壓強(qiáng)作用在薄板上，薄板就會(huì)產(chǎn)生形變(應(yīng)變)，貼在另一側(cè)的應(yīng)變片隨之形變(應(yīng)變)，通過(guò)橋式等測(cè)量電路，可以測(cè)出與應(yīng)變相對(duì)應(yīng)的輸出電壓，從而得到壓力的大小圓形薄板固定形式：采用嵌固形式，或與傳感器外殼作成一體2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷80壓阻式加速度傳感器由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應(yīng)變片、基座及外殼等組成，是一種慣性式傳感器當(dāng)被測(cè)點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭所示方向懸臂梁自由端受慣性力F=ma的作用，質(zhì)量塊向箭頭a相反的方向相對(duì)于基座運(yùn)動(dòng)，使梁發(fā)生彎曲變形，應(yīng)變片電阻也發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)大小與加速度成正比L應(yīng)變片彈簧片外殼基座a應(yīng)變式加速度傳感器質(zhì)量塊2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷81扭矩傳感器由薄壁筒作為彈性元件，半導(dǎo)體力電轉(zhuǎn)換應(yīng)變膜片作為轉(zhuǎn)換元件當(dāng)薄壁圓筒一端固定，另一自由端受到扭矩T作用后，發(fā)生形變，通過(guò)粘貼在薄壁圓筒上的半導(dǎo)體力電轉(zhuǎn)換應(yīng)變膜片，使扭矩變?yōu)殡娦盘?hào)應(yīng)變片構(gòu)成一個(gè)電橋電路，并且電阻條與筒的軸線成45度角，用粘結(jié)劑貼牢2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷82流體流量傳感器流體在管道中流過(guò)時(shí)，管道內(nèi)設(shè)有節(jié)流板，流體流動(dòng)中受孔板的阻力，使流速發(fā)生變化，在孔板兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)壓力差，此壓力差可用壓阻式傳感器檢測(cè)當(dāng)流量一定時(shí)，管道的截面積與流體流速的乘積為一常數(shù)，因此流體流過(guò)節(jié)流孔板時(shí)，節(jié)流孔板兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)壓力差，流量越大，則壓力差越大，用流量傳感器通過(guò)壓力差而檢測(cè)流體的流量2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷83力學(xué)量傳感器的應(yīng)用

——壓電式力學(xué)量傳感器的應(yīng)用壓電式加速度傳感器壓電式壓力傳感器壓電步進(jìn)位移傳感器壓電式聲傳感器壓電式流量計(jì)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷84壓電式加速度傳感器有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因質(zhì)量塊相對(duì)被測(cè)體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力F＝ma慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)提高靈敏度一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片增加質(zhì)量塊質(zhì)量會(huì)影響被測(cè)振動(dòng)，同時(shí)會(huì)降低振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度

壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過(guò)螺母3對(duì)質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上測(cè)量時(shí)將傳感器基座5與被測(cè)對(duì)象牢牢地緊固在一起輸出信號(hào)由電極1引出q＝d33F＝d33ma2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷85壓電式加速度傳感器——壓電偶對(duì)在與基座相連的薄金屬圓盤上固定雙壓電晶片不使用質(zhì)量塊在外界加速度作用下，晶片撓曲，發(fā)生形變，產(chǎn)生電信號(hào)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷86壓電式壓力傳感器由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成當(dāng)膜片5受到壓強(qiáng)P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷

F——作用于壓電片上的力

d11——壓電系數(shù)

P——壓強(qiáng)，

S——膜片的有效面積2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷87壓電步進(jìn)位移傳感器也稱“壓電微螺桿”，原理為逆壓電效應(yīng)在壓電晶體上施以電壓，隨之晶體產(chǎn)生形變重復(fù)以下步驟可進(jìn)行0.006μm的微位移：先加電壓在壓電管1，使其徑向收縮，卡緊主軸再加可變階梯電壓到壓電管2，使其沿軸向伸長(zhǎng)然后加電壓到壓電管3，同時(shí)去掉管1電壓，并使管2的階梯電壓開始下降使管2復(fù)原此時(shí)由管1卡緊變?yōu)楣?卡緊，主軸彈性回縮一個(gè)微小位移2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷88壓電式聲傳感器交變信號(hào)加在壓電陶瓷片兩端面時(shí)，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，陶瓷片會(huì)在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長(zhǎng)和縮短這時(shí)聲傳感器是聲頻信號(hào)發(fā)生器一定頻率的聲頻信號(hào)加在換能器上時(shí)，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用產(chǎn)生壓縮變形，由于正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成交變電信號(hào)這時(shí)聲傳感器就是聲頻信號(hào)接收器壓電陶瓷換能器如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號(hào)即為超聲波，這樣的換能器稱為壓電超聲換能器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷89壓電式聲傳感器S1是聲頻信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦交流信號(hào)加在壓電陶瓷片兩端面時(shí)，壓電陶瓷片將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，在空氣中激發(fā)出聲波S2是聲頻信號(hào)接收器當(dāng)S發(fā)出的聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)空氣傳播到達(dá)換能器S2時(shí)，空氣振動(dòng)產(chǎn)生的壓力作用在S2的壓電陶瓷片上使之出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，在示波器上就能檢測(cè)出該交變信號(hào)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷90壓電式聲傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷91壓電式流量計(jì)利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度差進(jìn)行測(cè)量在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時(shí)間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比據(jù)這個(gè)關(guān)系，可精確測(cè)定流速流速與管道橫截面積的乘積等于流量特點(diǎn)：可測(cè)量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速不受流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)0.01%2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷92本課程以輸入量分類介紹傳感器溫度傳感器氣體傳感器光傳感器力學(xué)量傳感器磁敏傳感器濕度傳感器電壓敏傳感器生物傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷93磁敏傳感器的分類霍爾元件單晶半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體磁阻元件半導(dǎo)體材料磁敏晶體管磁敏二極管和磁敏三極管磁敏集成電路2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷94磁敏傳感器——霍爾元件長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為b、厚為d的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）薄片，被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中（平面與磁場(chǎng)垂直），在與磁場(chǎng)方向正交的兩邊通以控制電流I，則在導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH，且UH＝KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，導(dǎo)體薄片就是霍爾元件2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷95霍爾元件工作原理N型半導(dǎo)體中，設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力FL=qvB當(dāng)電場(chǎng)力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，有qEH=qvB故：霍爾電場(chǎng)的強(qiáng)度EH=vB霍爾電壓：UH=EHb=vBb流過(guò)霍爾元件的電流：I=bd*J=-bdvnq，得：v=-I/nqbd

所以UH=-IB/nqd若取RH=-1/nq，UH=RH*IB/dRH：霍爾元件的霍爾系數(shù)，由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定，反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷96霍爾元件基本電路霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料霍爾元件越薄(d越小)，KH就越大霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成VHR3VBIEIHR2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷97霍爾元件應(yīng)用——微位移測(cè)量若磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度dB/dx為一常數(shù)時(shí)，則當(dāng)霍爾元件沿x方向移動(dòng)時(shí)，霍爾電勢(shì)變化也應(yīng)是一個(gè)常數(shù)K（位移傳感器的輸出靈敏度）：磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高；磁場(chǎng)梯度越均勻，輸出線性度越好這種位移傳感器一般可測(cè)量1～2mm的微小位移，其特點(diǎn)是慣性小，響應(yīng)速度快，無(wú)接觸測(cè)量利用這一原理可以測(cè)量與之有關(guān)的非電量，如力、壓力、加速度、液位和壓差等2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷98霍爾元件應(yīng)用——轉(zhuǎn)速測(cè)量永磁體粘在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體的上部或粘在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體的邊緣將霍爾元件放在永磁體附近，當(dāng)被測(cè)旋轉(zhuǎn)體以角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)永磁體通過(guò)霍爾器件，霍爾器件便產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖霍爾電勢(shì)信號(hào)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)脈沖信號(hào)的數(shù)量可知被測(cè)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速對(duì)被測(cè)軸影響小，輸出信號(hào)幅度與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，測(cè)量精度高2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷99霍爾元件應(yīng)用——集成霍爾傳感器利用硅集成電路工藝制造霍爾器件并與硅集成電路集成在一起H為霍爾器件，對(duì)磁場(chǎng)敏感；二極管D1、D2作為溫度補(bǔ)償H的輸出信號(hào)經(jīng)差分放大器（晶體管T1、T2等），送到T3、T4、T5等構(gòu)成的觸發(fā)電路，由射極跟隨器放大輸出2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷100霍爾元件應(yīng)用——電子點(diǎn)火缺口對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁通通過(guò)霍爾器件而成閉合回路，所以電路導(dǎo)通，此時(shí)霍爾電路輸出低電平（小于等于0.4V）；當(dāng)罩邊凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時(shí)，電路截止，霍爾電路輸出高電平當(dāng)霍爾傳感器輸出低電平時(shí)，V1截止，V2、V3導(dǎo)通，點(diǎn)火線圈的初級(jí)有一恒定電流通過(guò)；當(dāng)霍爾傳感器輸出高電平時(shí)，V1導(dǎo)通，V2、V3截止，點(diǎn)火器的初級(jí)電流截?cái)?，此時(shí)儲(chǔ)存在點(diǎn)火線圈中的能量，在次級(jí)線因以高壓放電形式輸出，即放電點(diǎn)火汽車霍爾電子點(diǎn)火器，由于它無(wú)觸點(diǎn)、節(jié)油，能適用于惡劣的工作環(huán)境和各種車速，冷起動(dòng)性能好等特點(diǎn)，目前國(guó)外已廣泛采用。2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷101磁敏傳感器——磁阻元件材料電阻率隨磁場(chǎng)變化磁電阻率效應(yīng)，微弱，應(yīng)用受限制電阻值隨磁場(chǎng)變化磁電阻效應(yīng)（也稱形狀磁阻效應(yīng)）根據(jù)霍爾效應(yīng)在垂直磁場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體的電流在電極附近發(fā)生偏移，從而延長(zhǎng)了電流的路徑，使元件的電阻增加與元件形狀和結(jié)構(gòu)有關(guān)，故也稱作形狀磁阻效應(yīng)電流同時(shí)受霍爾電場(chǎng)力和洛侖茲力作用，達(dá)到平衡時(shí)，元件中部電流將重新與外電場(chǎng)平行，對(duì)元件電阻增加無(wú)貢獻(xiàn)靠近兩端電極的霍爾電勢(shì)被電極短路而消失，只存在洛侖茲力作用，隨電場(chǎng)變化的電流分布只在電極附近發(fā)生元件長(zhǎng)寬比越小，磁阻效應(yīng)越明顯2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷102磁敏傳感器——磁阻元件在長(zhǎng)方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍爾電勢(shì)同心圓狀霍爾元件理論上電阻增加率最高InSb-NiSb共晶材料，銻化鎳結(jié)晶以針狀析出，自然形成短路柵2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷103磁敏傳感器——磁阻元件迷宮形磁敏電阻器曲折形磁敏電阻器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷104磁敏傳感器——磁敏電位器一般磁敏電位器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷105磁敏傳感器——磁敏電位器核心是差分型結(jié)構(gòu)的兩個(gè)半圓形磁敏電阻；被安裝在同一旋轉(zhuǎn)軸上的半圓形永磁鋼上，其面積恰好覆蓋其中一個(gè)磁敏電阻隨著旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鋼覆蓋于磁阻元件的面積發(fā)生變化，引起磁敏電阻值發(fā)生變化旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸，即能調(diào)節(jié)其阻值一般磁敏電位器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷106銻化銦(InSb)磁阻傳感器在磁性油墨鑒偽點(diǎn)鈔機(jī)中的應(yīng)用過(guò)程紙幣上的磁性油墨沒有進(jìn)入位置1時(shí)，設(shè)輸出變化為零如果進(jìn)入位置2，由于R2電阻增大，則輸出變化為0.3mV左右如果進(jìn)入位置3時(shí)，則仍為0如果進(jìn)入位置4，則為-0.3mV如果進(jìn)入位置5，則仍為0經(jīng)過(guò)放大、比較、脈沖展寬、顯示，就能檢測(cè)偽幣2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷107磁敏傳感器——磁敏晶體管包括磁敏二極管和磁敏三極管2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷108磁敏二極管的結(jié)構(gòu)在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個(gè)區(qū)域磁敏二極管的P型和N型電極由高阻材料制成在P、N之間有一個(gè)較長(zhǎng)的本征區(qū)I本征區(qū)I的一面磨成光滑的無(wú)復(fù)合表面（為I區(qū)），另一面打毛，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（為r區(qū)）因電子—空穴對(duì)易于在粗糙表面復(fù)合而消失2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷109磁敏二極管的工作原理（1）當(dāng)磁敏二極管末受到外界磁場(chǎng)作用時(shí)外加正向偏壓后，有大量的空穴從P區(qū)通過(guò)I區(qū)進(jìn)入N區(qū)，同時(shí)也有大量電子注入P區(qū)，形成電流只有少量電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷110磁敏二極管的工作原理（2）當(dāng)磁敏二極管受到外界正向磁場(chǎng)作用時(shí)電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)r區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度比光滑面I區(qū)快形成的電流因復(fù)合速度而減小當(dāng)磁敏二極管受到外界反向磁場(chǎng)作用時(shí)電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向I區(qū)偏移電子和空穴復(fù)合率明顯變小電流變大2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷111磁敏三極管的結(jié)構(gòu)在弱P型或弱N型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極、基極和集電極基區(qū)較長(zhǎng)基區(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，有高復(fù)合速率的r區(qū)和本征I區(qū)長(zhǎng)基區(qū)分為運(yùn)輸基區(qū)和復(fù)合基區(qū)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷112磁敏三極管工作原理（1）磁敏三極管末受磁場(chǎng)作用時(shí)由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，大部分載流子通過(guò)e-I-b形成基極電流，少數(shù)載流子輸入到c極因而形成基極電流大于集電極電流的情況，使β＜12014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷113磁敏三極管工作原理（2）當(dāng)受到正向磁場(chǎng)(H+)作用時(shí)由于磁場(chǎng)的作用，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結(jié)的一側(cè)導(dǎo)致集電極電流顯著下降當(dāng)反向磁場(chǎng)(H-)作用時(shí)，在H-的作用下，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)使集電極電流增大2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷114磁敏傳感器——磁敏電位器磁敏二極管電位器兩個(gè)具有相反特性的磁敏二極管串連改變磁場(chǎng)的大小和方向，可使兩個(gè)二極管呈現(xiàn)不同的阻值比，從而改變輸出電壓的大小2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷115磁敏傳感器——漏磁探傷儀將待測(cè)物置于鐵芯之下，并使之不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，在鐵芯、線圈激磁后，鋼棒被磁化若待測(cè)鋼棒沒有損傷的部分在鐵芯之下時(shí)，鐵芯和鋼棒被磁化部分構(gòu)成閉合磁路，激勵(lì)線圈感應(yīng)的磁通為Φ，此時(shí)無(wú)泄漏磁通，磁場(chǎng)二極管探頭沒有信號(hào)輸出若鋼棒上的裂紋旋至鐵芯下，裂紋處的泄漏磁通作用于探頭，探頭將泄漏磁通量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)放大器放大輸出，根據(jù)指示儀表的示值可以得知待測(cè)鐵棒中的缺陷磁敏二報(bào)管漏磁探傷儀1裂縫；2磁敏管探頭；3鐵芯；4激勵(lì)線圈；5被測(cè)棒材2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷116磁敏傳感器——磁敏電位器磁敏三極管置于1kGs的磁場(chǎng)中，通過(guò)磁場(chǎng)改變磁敏三極管的基極電流，該電路的輸出電壓在0.7V~15V之間連續(xù)變化等效于一個(gè)電位器，且沒有觸點(diǎn)特別適合于變化頻繁、調(diào)節(jié)迅速、噪聲要求低的場(chǎng)合磁敏三極管電位器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷117本課程以輸入量分類介紹傳感器溫度傳感器氣體傳感器光傳感器力學(xué)量傳感器磁敏傳感器濕度傳感器電壓敏傳感器生物傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷118濕度傳感器濕敏電阻器金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻器元素材料濕敏電阻器化合物濕敏電阻器高分子濕敏電阻器濕敏電容器多孔材料（Al2O3等）為介質(zhì)濕敏晶體管濕敏二極管濕敏三極管2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷119濕度傳感器——濕敏電阻器利用半導(dǎo)體陶瓷材料制成的陶瓷濕度傳感器測(cè)濕范圍寬，可實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測(cè)量；工作溫度高，常溫濕度傳感器的工作溫度在150℃以下，而高溫濕度傳感器的工作溫度可達(dá)800℃，響應(yīng)時(shí)間較短，精度高，抗污染能力強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉典型產(chǎn)品是燒結(jié)型陶瓷濕敏元件是MgCr2O4－TiO2系、TiO2-V2O5系、ZnO－Li2O－V2O5系、ZnCr2O4系、ZrO2－MgO系、Fe3O4系、Ta2O5系，主要為負(fù)特性濕度傳感器工作原理：多孔型的半導(dǎo)體陶瓷，在晶粒表面及晶粒間界處，容易吸附水分子；水是強(qiáng)極性電介質(zhì)，氫原子附近有強(qiáng)正電場(chǎng)，具有大的電子親和力；水分子附著在半導(dǎo)體陶瓷表面時(shí)，將俘獲電子，在陶瓷表面形成空穴累積，導(dǎo)致電阻率降低多孔毛細(xì)管狀陶瓷在各晶粒表面和晶粒間吸附水分子使之離解出大量導(dǎo)電粒子，起到電荷輸運(yùn)作用金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷120金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻器特性電阻一濕度特性隨著相對(duì)濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降MgCr2O4－TiO2系陶瓷濕度傳感器當(dāng)相對(duì)濕度由0變?yōu)?00％RH時(shí)，阻值從107Ω下降到104Ω，變化了三個(gè)數(shù)量級(jí)電阻—溫度特性在不同的溫度環(huán)境下，測(cè)量陶瓷濕度傳感器的電阻—濕度特性從20℃到80℃各條曲線的變化規(guī)律基本一致，具有負(fù)溫度系數(shù)如果要求精確的濕度測(cè)量，需要對(duì)濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷121濕度傳感器——濕敏電阻器元素半導(dǎo)體材料或碳元素材料制成碳濕敏電阻器電阻－濕度特性為正用有機(jī)物聚丙烯塑料片或棒為基體，涂布一層含導(dǎo)電性碳粒的有機(jī)膠狀纖維素構(gòu)成有機(jī)材料吸潮后，體積膨脹，碳粒間距離增大，電阻值增大元素半導(dǎo)體濕敏電阻器特性為負(fù)在陶瓷或石英基片上蒸發(fā)Ge、Se等元素半導(dǎo)體薄膜制成碳濕敏電阻器濕度特性Ge薄膜濕度傳感器濕度特性曲線元素材料濕敏電阻器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷122濕度傳感器——濕敏電阻器以電解質(zhì)化合物為感濕材料LiCl、Fe3O4、CaSO4等電解質(zhì)是以離子形式導(dǎo)電的物質(zhì)，分為固體電解質(zhì)和液體電解質(zhì)若物質(zhì)溶于水中，在極性水分子作用下，能全部或部分地離解為自由移動(dòng)的正、負(fù)離子，稱為液體電解質(zhì)電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與溶液的濃度有關(guān)，而溶液的濃度，在一定的溫度下又是環(huán)境相對(duì)濕度的函數(shù)化合物濕敏電阻器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷123濕度傳感器——濕敏電阻器聚苯乙烯磺酸鋰等高分子材料為感濕材料優(yōu)點(diǎn)：具有良好的穩(wěn)定性存儲(chǔ)一年后，其最大變化不超過(guò)2％RH，完全可以滿足器件穩(wěn)定性的要求缺點(diǎn)：對(duì)于含有機(jī)溶媒氣體的環(huán)境下測(cè)濕時(shí)，器件易損壞不能用于80℃以上的高溫高分子濕敏電阻器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷124濕度傳感器——濕敏電容器利用多孔Al2O3為感濕膜，可采用厚膜技術(shù)、涂膜技術(shù)、硅MOS等技術(shù)其上部多孔質(zhì)的金電極可使水分子透過(guò)水的介電系數(shù)比較大，室溫時(shí)約為79感濕高分子材料的介電常數(shù)并不大當(dāng)水分子被高分子薄膜吸附時(shí)，介電常數(shù)發(fā)生變化隨著環(huán)境濕度的提高，高分子薄膜吸附的水分子增多，因而濕度傳感器的電容量增加根據(jù)電容量的變化可測(cè)得相對(duì)濕度傳感器的電容量變化很大,但線性度欠佳可外接轉(zhuǎn)換電路,使電容—濕度特性趨于理想直線2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷125濕度傳感器——濕敏晶體管在硅片上生成10nm左右的SiO2層，并在其上淀積一層SnO2作為敏感膜，并在上、下鍍膜形成Al電極該濕敏二極管處于反向偏壓并接有負(fù)載時(shí)，處于雪崩區(qū)附近，其反向電流的大小與環(huán)境濕度直接相關(guān)，隨濕度的增加反向電流減小濕度環(huán)境中，二極管的結(jié)區(qū)邊緣處將有水分子吸附，使耗盡層展寬，主要向硅襯底方向擴(kuò)展，有利于雪崩電壓升高濕敏二極管2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷126濕度傳感器——濕敏晶體管在MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極上，涂覆一層感濕薄膜，并在感濕薄膜上增置一對(duì)電極目前研究開展較少，實(shí)用化器件不多濕敏三極管2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷127濕度傳感器的應(yīng)用——濕敏電阻器的應(yīng)用必須使用交流電源，否則性能會(huì)劣化甚至失效電解質(zhì)濕度傳感器的電導(dǎo)是靠離子的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負(fù)離子必然向電源兩極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞在交流電源作用下，正負(fù)離子往返運(yùn)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會(huì)被破壞2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷128濕度傳感器的應(yīng)用——露點(diǎn)傳感器一般用高分子材料并含有導(dǎo)電粒子碳粉的感濕膜傳感器具有正濕度系數(shù)當(dāng)環(huán)境濕度導(dǎo)致結(jié)露時(shí)，傳感器電阻值增大，BG1基極電壓升高，BG1導(dǎo)通，BG2截止，BG3、BG4導(dǎo)通，結(jié)露指示燈亮并輸出控制信號(hào)錄像機(jī)結(jié)露報(bào)警控制電路2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷129濕度傳感器的應(yīng)用——露點(diǎn)傳感器加熱絲RS埋入擋風(fēng)玻璃內(nèi)，H為結(jié)露傳感器傳感器具有負(fù)濕度系數(shù)低濕度時(shí)，R1和R2電阻使BG1導(dǎo)通，BG2截止，繼電器J觸點(diǎn)釋放濕度增大到80％RH以上時(shí)，H電阻值RP下降，使BG1截止，BG2導(dǎo)通，繼電器接通加熱絲RS電源，驅(qū)散濕氣汽車擋風(fēng)玻璃自動(dòng)去霜電路2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷130濕度傳感器的應(yīng)用——電容式濕度傳感器的應(yīng)用Cu為電容濕度傳感器，IC1是方波振蕩器，Rt是熱敏電阻，C1、R1、Rt、C3、C2和Cu組成積分電路當(dāng)濕度增大到某點(diǎn)時(shí)，濕敏電容量增大，積分電路的積分時(shí)間增大，IC4輸出的脈沖寬度增寬，輸出平均電壓升高，此信號(hào)用于控制和報(bào)警2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷131本課程以輸入量分類介紹傳感器溫度傳感器氣體傳感器光傳感器力學(xué)量傳感器磁敏傳感器濕度傳感器電壓敏傳感器生物傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷132電壓敏傳感器指電阻值隨電壓變化的敏感元件不屬于非電量與電量之間變換，其主要應(yīng)用領(lǐng)域不是信息的檢測(cè)和攝取分類：碳化硅壓敏電阻器硅、鍺壓敏電阻器金屬氧化物(ZnO等)壓敏電阻器結(jié)型壓敏電阻器體型壓敏電阻器其他材料壓敏元件2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷133電壓敏傳感器——過(guò)電壓保護(hù)含感性負(fù)載的電路中，瞬時(shí)切斷電源時(shí)，由于電感中磁場(chǎng)能量的轉(zhuǎn)化，在電路的負(fù)載側(cè)和電源側(cè)產(chǎn)生過(guò)電壓，影響正常工作在電路中適當(dāng)位置裝入壓敏電阻器，可以吸收這種浪涌電壓，保護(hù)電子元器件和電子設(shè)備免受損壞電路中負(fù)荷側(cè)并入壓敏電阻MY常態(tài)下流過(guò)MY的電流很小，即電阻很大過(guò)電壓入侵時(shí)，開始使MY端電壓升高，當(dāng)電壓升高至一定值后，壓敏電阻動(dòng)態(tài)電阻值減小，流過(guò)壓敏電阻的電流急劇增大，所以使電感負(fù)荷中的磁場(chǎng)能大部分注入壓敏電阻由于壓敏電阻動(dòng)態(tài)電阻很小，使過(guò)電壓被抑制在較低的范圍內(nèi)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷134電壓敏傳感器——穩(wěn)壓利用壓敏電阻的電壓－電流非線性關(guān)系非線性系數(shù)越大，穩(wěn)壓系數(shù)越小，輸出電壓的變化就越小，穩(wěn)定電壓的效果越好穩(wěn)定電壓高（可工作于幾十kV），體積小，特別適宜精細(xì)電子設(shè)備；但功耗大2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷135電壓敏傳感器——控制從輸出端取出的交流信號(hào)經(jīng)二極管D后，變?yōu)橹绷骷拥綁好綦娮鐼Y1上輸出信號(hào)強(qiáng)，加在MY1上的控制電壓就高，使MY1的交流阻抗減小，因而使輸出到三極管BG基極的交流信號(hào)減弱，使輸出電壓變小，實(shí)現(xiàn)音量的自動(dòng)調(diào)節(jié)壓敏元件的自動(dòng)音量控制電路2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷136本課程以輸入量分類介紹傳感器溫度傳感器氣體傳感器光傳感器力學(xué)量傳感器磁敏傳感器濕度傳感器電壓敏傳感器生物傳感器2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷137生物傳感器利用某些生物活性物質(zhì)所具有的高度選擇性，來(lái)識(shí)別待測(cè)生物化學(xué)物質(zhì)一般是在基礎(chǔ)傳感器(電化學(xué)裝置)上再耦合一個(gè)生物敏感膜（稱為感受器或敏感元件）生物敏感膜緊貼在探頭表面上，再用一種半滲透膜與被測(cè)溶液隔開當(dāng)待測(cè)溶液中的成分透過(guò)半透膜有選擇地附著于敏感物質(zhì)時(shí)，形成復(fù)合體，隨之進(jìn)行生化和電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生普通電化學(xué)裝置能感知的O2、H2、NH4+、CO2等，并通過(guò)電化學(xué)裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷138生物傳感器的分類按分子識(shí)別元件分類2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷139生物傳感器——酶?jìng)鞲衅魍ㄟ^(guò)測(cè)定酶作用后H2O2（或氧）含量的變化實(shí)現(xiàn)糖的定量指示當(dāng)測(cè)量時(shí)，葡萄糖酶?jìng)鞲衅鞑迦氲奖粶y(cè)葡萄糖溶液中，由于酶的催化作用而產(chǎn)生H2O2，其反應(yīng)式為在Pt陽(yáng)極上加0.6V電壓，則H2O2在Pt電極上產(chǎn)生的氧化電流為式中，2e-為形成電流的電子C6H12O6+O2

C6H10O6+H2O2

GODH2O2O2+2H++2e-0.6VPt2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷140生物傳感器——微生物傳感器好氣性微生物傳感器由固化好氣性微生物膜和氧電極（或二氧化碳電極）組合構(gòu)成有機(jī)物向微生物膜擴(kuò)散，從而使微生物呼吸旺盛，借助密集在微生物膜上的氧電極檢測(cè)獲得與微生物呼吸量有關(guān)的電流輸出厭氣性微生物傳感器將微生物固化膜和電極組合氧的存在妨礙微生物的生長(zhǎng)，產(chǎn)生的代謝物是一種特定物，能跟電極反應(yīng)，又稱為電極活性物呼吸性檢測(cè)型電極活性物質(zhì)檢測(cè)型2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷141生物傳感器——其他類型生物電子傳感器由生物分子構(gòu)成功能膜感受器和半導(dǎo)體換能器組成由酶、抗原/抗體、微生物等構(gòu)成生物功能膜由半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管做換能器在柵極上加一層生物分子功能膜（如固化酶膜），當(dāng)測(cè)定液接觸酶膜時(shí)即發(fā)生反應(yīng)，使PH值發(fā)生變化，從而導(dǎo)致漏電流發(fā)生變化通過(guò)檢測(cè)電流的變化可知待測(cè)容易的濃度2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷142生物傳感器——其他類型光生物傳感器在硅光電二極管表面制作一層過(guò)氧化酶薄膜

葡萄糖在酶催化作用下可產(chǎn)生H2O2魯米諾＋H2O2過(guò)氧化酶氨基酞酸＋N2+H2O+hγ2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷143其它傳感器光纖傳感器激光與紅外傳感器超聲波傳感器核輻射傳感器……2014-05-12中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)快電子實(shí)驗(yàn)室劉樹彬

趙雷144光纖傳感器20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)同時(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)電絕緣性能好抗電磁干擾能力強(qiáng)非侵入性高靈敏度容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)