《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課件 項(xiàng)目7 環(huán)境量的檢測(cè)

項(xiàng)目7環(huán)境量的檢測(cè)任務(wù)7.1基于氣敏傳感器的有毒氣體報(bào)警器設(shè)計(jì)

任務(wù)7.2基于濕敏傳感器的嬰兒尿濕報(bào)警電路設(shè)計(jì)

任務(wù)7.3基于光電式傳感器的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)

項(xiàng)目7

環(huán)境量的檢測(cè)項(xiàng)

目

背

景

半導(dǎo)體材料的一個(gè)重要特性是對(duì)光、熱、力、磁、氣體、濕度等理化量的敏感性。利用半導(dǎo)體材料的這些特性使其成為非電量電測(cè)的轉(zhuǎn)換元件，是近代半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面。

半導(dǎo)體傳感器是一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕的物性型器件。具有功耗低、安全可靠、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快等特點(diǎn)，且易于實(shí)現(xiàn)集成化。

而輸出特性一般是非線性的，常常需要采用線性化電路，同時(shí)，受溫度影響大，往往需要采用溫度補(bǔ)償措施；其性能參數(shù)分散性較大。按輸入信息分為物理敏感、化學(xué)敏感和生物敏感半導(dǎo)體傳感器。

本節(jié)重點(diǎn)介紹氣敏傳感器、濕敏傳感器、光電式傳感器在實(shí)際案例中的應(yīng)用，通過三個(gè)任務(wù)的學(xué)習(xí)，能到相應(yīng)的知識(shí)、能力及項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)。任務(wù)7.1基于氣敏傳感器的有毒氣體報(bào)警器設(shè)計(jì)◎知識(shí)目標(biāo)1.了解半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類和工作原理。2.熟悉半導(dǎo)體氣敏傳感器的類型和結(jié)構(gòu)。3.掌握半導(dǎo)體氣敏傳感器的應(yīng)用?！蚰芰δ繕?biāo)1.能夠正確識(shí)別、選用及檢測(cè)半導(dǎo)體氣敏傳感器。2.能夠調(diào)試半導(dǎo)體氣敏傳感器測(cè)量電路。◎素質(zhì)目標(biāo)1.提高分析問題和解決問題的能力。2.樹立創(chuàng)新精神。

任務(wù)導(dǎo)入

廣州市A燃?xì)庥邢薰拒囬g為了排除可燃或有毒氣體泄露，做到一旦觸發(fā)爆炸或中毒臨界點(diǎn)時(shí)，能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒采取安全措施，并驅(qū)動(dòng)排風(fēng)、切斷噴淋系統(tǒng)，防止發(fā)生爆炸、火災(zāi)及中毒事故等。技術(shù)部老王利用半導(dǎo)體式氣敏傳感器、檢測(cè)電路、換氣報(bào)警自動(dòng)控制電路集于一體，制作了一個(gè)簡(jiǎn)易的煙霧有毒氣體檢測(cè)報(bào)警器。

你知道半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作原理是什么嗎？它有什么樣的分類？由半導(dǎo)體式氣敏傳感器制作的煙霧有毒氣體檢測(cè)報(bào)警器電路應(yīng)該怎樣設(shè)計(jì)及調(diào)試呢？相關(guān)知識(shí)

所謂半導(dǎo)體氣敏傳感器是20世紀(jì)70年代產(chǎn)生的一種新型傳感器。是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來檢測(cè)待定氣體的成分或者濃度的傳感器的總稱。

半導(dǎo)體氣敏傳感器主要材料有氧化錫（SnO2）、氧化錳（MnO2）等，其工作原理是：當(dāng)氣敏元件吸附了被測(cè)氣體時(shí)，其電導(dǎo)率發(fā)生了變化。當(dāng)半導(dǎo)體氣敏元件表面吸附氣體分子時(shí)，由于二者相互接收電子的能力不同，產(chǎn)生了正離子或負(fù)離子吸附，引起表面能帶彎曲，導(dǎo)致電導(dǎo)率變化。

半導(dǎo)體氣敏傳感器具有在低濃度下對(duì)可燃?xì)怏w和某些有毒氣體檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)快、制造使用和保養(yǎng)方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的傳感器之一。但它們的氣體選擇性差、元件性能參數(shù)分散，且時(shí)間穩(wěn)定度欠佳。7.1.1半導(dǎo)體氣敏傳感器分類半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)產(chǎn)生電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來檢測(cè)氣體的。半導(dǎo)體氣敏傳感器分類:按半導(dǎo)體與氣體相互作用時(shí)產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體表面或深入到半導(dǎo)體內(nèi)部可分為：表面控制型和體控制型。表面控制型：半導(dǎo)體表面吸附氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接收，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變。體控制型：半導(dǎo)體與氣體反應(yīng)，半導(dǎo)體內(nèi)部組成發(fā)生變化，導(dǎo)致電導(dǎo)率等參量變化。按照半導(dǎo)體變化的物理特性又可分為：電阻型和非電阻型。電阻型：通過半導(dǎo)體敏感材料接觸氣體時(shí)阻值變化來檢測(cè)氣體的成分或濃度。非電阻型：通過半導(dǎo)體氣敏元件的其它參數(shù)變化來檢測(cè)被測(cè)氣體，如二極管伏安特性和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化。表7-1為半導(dǎo)體與氣敏元件的分類。b)非電阻型圖7-1半導(dǎo)體物理特性a）電阻型

主要物理特性類型檢測(cè)氣體氣敏元件電阻型電阻表面控制型可燃性氣體SnO2ZnO等的燒結(jié)體薄膜、厚膜體控制型酒精、可燃性氣體氧氣氧化鎂、SnO2氧化鈦(燒結(jié)體)、T-Fe2O3非電阻型二級(jí)管整流特性表面控制型氫氣、一氧化碳、酒精鉑-硫化鎘、鉑-硫化鈦金屬-半導(dǎo)體結(jié)型二級(jí)管晶體管特性氫氣、硫化氫鉑柵、鈀柵MOS場(chǎng)效應(yīng)管表7-1半導(dǎo)體氣敏元件的分類氣敏傳感器在各種成分氣體中使用，由于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度變化很大，又存在大量粉塵和油霧等，所以其工作條件較惡劣，而且氣體與傳感元件的材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)物，附著在元件表面，往往會(huì)使其性能變差。對(duì)氣敏元件有下列要求：能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)產(chǎn)生影響小。用半導(dǎo)體氣敏元件組成的氣敏傳感器主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣和石油化工等部門的易燃、易爆、有毒等有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制。7.1.2半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。（1）氧化型氣體：半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時(shí)，吸附分子從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體稱為氧化型或電子接收性氣體。（2）還原型氣體：半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱?，稱為還原型氣體或電子供給性氣體。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型、還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型、氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。圖7-2表示了氣體接觸N型半導(dǎo)體時(shí)所產(chǎn)生的器件阻值變化情況。氣體濃度發(fā)生變化，阻值也變化。據(jù)此，可從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。圖7-2N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖7.1.3半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體氣敏傳感器組成：敏感元件、加熱器和外殼。按其制造工藝可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三類。1、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器（1）燒結(jié)型氣敏器件圖7-3所示，氧化物半導(dǎo)體材料為基體，鉑電極和加熱絲埋入材料中，用加熱、加壓的制陶工藝燒結(jié)成形。因此，被稱為半導(dǎo)體陶瓷，簡(jiǎn)稱半導(dǎo)瓷。半導(dǎo)瓷內(nèi)的晶粒直徑為1μm左右，晶粒的大小對(duì)電阻有一定影響，但對(duì)氣體檢測(cè)靈敏度則無很大的影響。優(yōu)點(diǎn)：燒結(jié)型器件制作方法簡(jiǎn)單，器件壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)：但由于燒結(jié)不充分，器件機(jī)械強(qiáng)度不高，電極材料較貴重，電性能一致性較差，因此應(yīng)用受到一定限制。圖7-3燒結(jié)型氣敏器件（2）薄膜型氣敏器件圖7-4所示，采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，在石英基片上形成厚度約100nm氧化物半導(dǎo)體薄膜，制作方法簡(jiǎn)單。半導(dǎo)體薄膜的氣敏特性最好，但半導(dǎo)體薄膜為物理性附著，器件間性能差異較大。（3）厚膜型器件圖7-5所示，這種器件是將氧化物半導(dǎo)體材料與硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，再把厚膜膠印刷到裝有電極的絕緣基片上，經(jīng)燒結(jié)制成的。這種工藝制成的元件機(jī)械強(qiáng)度高，離散度小，適合大批量生產(chǎn)。圖7-4薄膜型氣敏器件圖7-5厚膜型器件電阻型半導(dǎo)體氣敏器件全部附有加熱器。加熱器作用：燒掉附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等，加速氣體的吸附，從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在200~400℃左右。加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏器件。（1）直熱式氣敏器件如圖7-6所示，加熱絲、測(cè)量絲直接埋入氧化物半導(dǎo)體材料粉末中燒結(jié)而成。工作時(shí)加熱絲通電，測(cè)量絲用于測(cè)量器件阻值。優(yōu)點(diǎn)：制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、功耗小，可在高電壓回路下使用。缺點(diǎn)：熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響，測(cè)量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。圖7-6直熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)（2）旁熱式氣敏器件如圖7-7所示，加熱絲放置在一個(gè)陶瓷管內(nèi)，管外涂梳狀金電極作測(cè)量極，在金電極外涂上氧化物半導(dǎo)體材料?？朔酥睙崾浇Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，使測(cè)量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測(cè)量回路和加熱回路的相互影響，器件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對(duì)器件加熱溫度的影響。圖7-7旁熱式氣敏器件的結(jié)構(gòu)及符號(hào)2、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣敏傳感器之一。利用MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的閾值電壓的變化等物性而制成的。這類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，性能穩(wěn)定且價(jià)格便宜。利用特定材料還可使器件對(duì)某些氣體特別敏感。（1）MOS二極管氣敏器件MOS二極管氣敏器件結(jié)構(gòu)：在P型半導(dǎo)體硅片上生成一層厚度為50~100nm的SiO2層，上面再蒸鍍一層鈀金屬薄膜作為柵電極。如圖7-8(a)所示。

(a)(b)(c)圖7-8MOS二極管結(jié)構(gòu)和等效電路MOS二極管C~U特性：SiO2層電容Ca固定不變，而Si和SiO2界面電容Cs是外加電壓的函數(shù)（其等效電路見圖7-8(b))，因此總電容C也是柵偏壓的函數(shù)。函數(shù)關(guān)系稱為該類MOS二極管的C~U特性，如圖7-8(c)曲線a所示。鈀（Pd）對(duì)H2特別敏感，當(dāng)鈀吸附了H2以后，會(huì)使鈀的功函數(shù)降低，導(dǎo)致MOS管的C~U特性向負(fù)偏壓方向平移，如圖7-8(c)曲線b所示。根據(jù)這一特性可測(cè)定H2的濃度。（2）鈀—MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣敏器件MOSFET的伏~安特性：如圖7-9所示，當(dāng)鈀柵極（G）、源極（S）之間加正向偏壓UGS，且UGS>UT（閾值電壓）時(shí)，柵極氧化層下面的硅從P型變?yōu)镹型，形成導(dǎo)電通道，即為N型溝道。MOSFET進(jìn)入工作狀態(tài)。在源漏極之間加電壓UDS，則有電流IDS流通。IDS隨UDS和UGS的大小變化規(guī)律即MOSFET的伏~安特性。當(dāng)UGS<UT時(shí)，MOSFET的溝道未形成，無漏源電流。UT的大小與金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)有關(guān)。當(dāng)H2吸附在Pd柵極上時(shí)會(huì)引起Pd的功函數(shù)降低。Pd-MOSFET氣敏器件就利用這一特性來檢測(cè)H2濃度。圖7-9鈀—MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)7.1.4氣敏傳感器應(yīng)用半導(dǎo)體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快、使用壽命長(zhǎng)以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。按其用途可分為以下幾種類型：氣體泄露報(bào)警、自動(dòng)控制、自動(dòng)測(cè)試等。表7-2給出了半導(dǎo)體氣敏傳感器的應(yīng)用舉例。分類檢測(cè)對(duì)象氣體應(yīng)用場(chǎng)所爆炸性氣體液化石油氣、城市用煤氣甲烷、可燃性氣體家庭煤礦辦事處有毒氣體一氧化碳硫化氫、含硫有機(jī)化合物鹵素、鹵化物、氮?dú)饷簹庠钐厥鈭?chǎng)合特殊場(chǎng)合環(huán)境氣體氧氣（防止缺氧）二氧休碳（防止缺氧）水蒸氣（調(diào)節(jié)溫度、防止結(jié)霜）大氣污染（SOX、NOX等）家庭、辦公室家庭、辦公室電子設(shè)備、汽車溫室工業(yè)氣體氧氣（控制燃燒）一氧化碳（防止不完全燃燒）水蒸氣（食品加工）發(fā)電機(jī)、鍋爐發(fā)電機(jī)、鍋爐電炊灶其他呼出氣體中的酒精、煙等

表7-2半導(dǎo)體氣敏傳感器的各種檢測(cè)對(duì)象氣體一、

任務(wù)分析任務(wù)實(shí)施

利用半導(dǎo)體式氣敏傳感器、檢測(cè)電路、換氣報(bào)警自動(dòng)控制電路集于一體，制作了一個(gè)簡(jiǎn)易的煙霧有毒氣體檢測(cè)報(bào)警器。首先要選擇符合要求的傳感器類型，再進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)與制作，最后進(jìn)行電路的調(diào)試。二、

實(shí)施過程1.傳感器選型

霧有毒氣體報(bào)警器如圖7-10所示，其中MQ是氣敏電阻傳感器，它是N型半導(dǎo)體元件，用作煙探測(cè)頭。它是一種新型號(hào)的低功耗、高靈敏度的氣敏元件，其內(nèi)部有一個(gè)加熱絲和一對(duì)探測(cè)電極。本電路由氣敏元件、觸發(fā)及報(bào)警音響電路等組成。半導(dǎo)體氣敏元件采用MQ-2，其只需加一個(gè)穩(wěn)定的約5V的加熱電壓。該電壓值可通過調(diào)節(jié)RW、R4來實(shí)現(xiàn)。氣敏元件也可換成對(duì)某種有害氣體敏感的傳感器，不同類型傳感器的加熱電壓有差異。在調(diào)試時(shí)有約1分鐘的預(yù)熱時(shí)間。2.電路設(shè)計(jì)圖7-10有毒氣體報(bào)警器電路原理圖當(dāng)室內(nèi)空氣正常時(shí)，氣敏元件MQ的電阻值大，該電阻與R4、RW分壓后的電壓使555置位，③腳輸出高電平，報(bào)警電路斷開，不發(fā)生報(bào)警。當(dāng)氣敏元件檢測(cè)到煤氣、石油液化氣、汽油、酒精、煙霧等有毒或有害氣體時(shí)，其內(nèi)阻減小，該電阻與R2、RW分壓后的電壓升高，從而使555集成電路復(fù)位，③腳輸出低電平，使繼電器J吸合，接通報(bào)警電路，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警時(shí)LED2(紅光)閃光。電路中電位器RW用于調(diào)整555的觸發(fā)端②腳的觸發(fā)電平，正常條件下約為3.5V。本電路中繼電器還可控制機(jī)外的報(bào)警器或排氣扇等設(shè)施。MQ-2：氣敏電阻傳感器，它是N型半導(dǎo)體元件，用作探測(cè)頭。它是一種新型的低功耗、高靈敏度的氣敏元件，其內(nèi)部有一個(gè)加熱絲和一對(duì)探測(cè)電極。（1）制作步驟元件種類原理圖標(biāo)號(hào)數(shù)量標(biāo)稱值ICU11NE555二極管D11LED綠二極管D21LED紅電阻R1、R221K電阻R31130電阻R414.2可調(diào)電阻RW110K有源蜂鳴器S215V繼電器Q115V氣敏傳感器MQ1MQ-2插座SIP1、SIP22

電源開關(guān)S113.電路制作①應(yīng)用EDA軟件（如Protel

DXP

2004）畫出原理圖；

②用仿真軟件（如Proteus），驗(yàn)證電路功能；

③元件布局和布線，完成PCB設(shè)計(jì)；

④將PCB圖紙，送去PCB加工廠制作成電路板；

⑤根據(jù)電路原理圖，導(dǎo)出元器件清單（BOM），并依此采購(gòu)元器件；

⑥元件的安裝與焊接，其中傳感器可以外接。（2）元件檢測(cè)根據(jù)電路圖檢查相應(yīng)元器件，并對(duì)每個(gè)元器件進(jìn)行檢測(cè)，元件清單如表7-3所示。

表7-3有毒氣體報(bào)警器元器件清單進(jìn)行調(diào)試時(shí)，應(yīng)先通電，接入DC9V時(shí)蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲，調(diào)節(jié)RW使蜂鳴器不發(fā)出蜂鳴聲為止。經(jīng)過一定時(shí)間后，555稍微發(fā)熱。將打火機(jī)內(nèi)可燃?xì)怏w噴到氣敏傳感器上，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲；拿開打火機(jī)時(shí)，鳴聲繼續(xù)，余音還很長(zhǎng)；反復(fù)幾次操作結(jié)果依然如此，說明實(shí)驗(yàn)成功。

在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，將打火機(jī)內(nèi)可燃?xì)怏w噴在氣敏傳感器上，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲；調(diào)節(jié)RW使氣敏傳感器處于最靈敏的狀態(tài)，測(cè)量出在室內(nèi)時(shí)火機(jī)噴氣離傳感器最遠(yuǎn)的距離約為9-15cm，在室外時(shí)最遠(yuǎn)距離約為3-5cm。家用有毒氣體報(bào)警器實(shí)物電路如圖7-11所示。（3）注意要點(diǎn)圖7-11家用有毒氣體報(bào)警器實(shí)物電路（1）按照電路圖進(jìn)行元器件裝配后，不通電檢測(cè)氣敏傳感器(MQ)燈絲兩端(即2腳和5腳)之間的電阻，并記錄下來。通電大約1分鐘后，用萬用表檢測(cè)氣敏傳感器(MQ)4腳或6腳的電壓，然后用棉球沾酒精靠近氣敏傳感器(MQ)，再次用萬用表檢測(cè)氣敏傳感器(MQ)4腳或6腳的電壓，信號(hào)轉(zhuǎn)電路調(diào)試完畢。（2）U1(NE555)接入DC5V后，用螺絲刀調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RW，兩個(gè)發(fā)光二極管可分別發(fā)光。當(dāng)室內(nèi)空氣正常時(shí)，逐漸調(diào)節(jié)RW，使紅色發(fā)光二極管D2剛好熄滅，而綠色發(fā)光二極管D1發(fā)光，停止調(diào)節(jié)，用萬用表檢測(cè)U1(NE555)的2腳和3腳電壓。當(dāng)沾有酒精的棉球靠近氣敏傳感器MQ時(shí)，綠色發(fā)光二極管D1應(yīng)熄滅，而紅色發(fā)光二極管D2應(yīng)發(fā)光，迅速用萬用表檢測(cè)U1(NE555)的2腳和3的對(duì)地電壓。經(jīng)過一段時(shí)間后，紅色發(fā)光二極管D2熄滅，又轉(zhuǎn)為綠色發(fā)光二極管D1發(fā)光。當(dāng)沾有酒精的棉球多次靠近氣敏傳感器MQ后還是如此，說明觸發(fā)電路實(shí)驗(yàn)成功。（3）當(dāng)沾有酒精的棉球靠近氣敏傳感器時(shí)，不需調(diào)試，揚(yáng)聲器應(yīng)該發(fā)出火警聲，且繼電器Q1有吸合的聲音。如果沒有出現(xiàn)報(bào)警聲，需要檢查二極管D3的極性是否安裝正確，是否有虛焊、漏焊現(xiàn)象，直到出現(xiàn)上述現(xiàn)象。4.電路調(diào)試任務(wù)7.1基于氣敏傳感器的有毒氣體報(bào)警器設(shè)計(jì)

任務(wù)7.2基于濕敏傳感器的嬰兒尿濕報(bào)警電路設(shè)計(jì)

任務(wù)7.3基于光電式傳感器的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)

任務(wù)7.2基于濕敏傳感器的嬰兒尿濕報(bào)警電路設(shè)計(jì)◎知識(shí)目標(biāo)1.了解半導(dǎo)體濕敏傳感器和濕度的概念。2.熟悉半導(dǎo)體濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)、類型和工作原理。3.掌握半導(dǎo)體濕敏傳感器的現(xiàn)代測(cè)量方案。◎能力目標(biāo)1.能夠正確識(shí)別、選用及檢測(cè)半導(dǎo)體濕敏傳感器。2.能夠調(diào)試半導(dǎo)體濕敏傳感器測(cè)量電路?！蛩刭|(zhì)目標(biāo)1.提升創(chuàng)新與實(shí)踐能力。2.增強(qiáng)溝通能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

任務(wù)導(dǎo)入

為解決在嬰幼兒尿床幾分鐘內(nèi)發(fā)出報(bào)警聲，提醒媽媽們換尿布，國(guó)內(nèi)A品牌公司研發(fā)部李師傅正在利用濕敏傳感器制作嬰兒尿濕報(bào)警器。該報(bào)警器將半導(dǎo)體式濕敏傳感器、檢測(cè)電路、報(bào)警自動(dòng)控制電路集于一體，要求能有利于嬰幼兒健康，也可作為老人尿床和5歲以下幼兒生理性遺尿的一種生物反饋療法。

你知道半導(dǎo)體氣濕敏傳感器的工作原理和特點(diǎn)是什么嗎？怎樣選用合適的濕敏傳感器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及調(diào)試呢？相關(guān)知識(shí)

所謂濕度，就是空氣中所含有水蒸氣的量。與溫度相比，對(duì)濕度的測(cè)量和控制技術(shù)要落后許多。

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，在對(duì)濕度的測(cè)量提出精度高、速度快的要求的同時(shí)又要求濕度的測(cè)量適用于自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制的要求，于是半導(dǎo)體濕敏傳感器應(yīng)運(yùn)而生。

濕度檢測(cè)較之其他物理量的檢測(cè)顯得困難，首先空氣中水蒸氣含量要比空氣少得多；另外，液態(tài)水會(huì)使一些高分子材料和電解質(zhì)材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質(zhì)結(jié)合成酸或堿，使?jié)衩舨牧喜煌潭鹊厥艿礁g和老化，從而喪失其原有的性質(zhì)。再者，濕信息的傳遞必須靠水對(duì)濕敏器件直接接觸來完成，因此，濕敏器件只能直接暴露于待測(cè)環(huán)境中，不能密封。

所以，濕敏器件必須在各種氣體環(huán)境下具有穩(wěn)定要好、響應(yīng)時(shí)間短、壽命長(zhǎng)、有互換性、耐污染和受溫度影響小等特點(diǎn)。7.2.1濕度的概念濕度是表征空氣中水蒸氣含量的物理量?？諝獾母蓾癯潭冉凶觥皾穸取保Ｓ媒^對(duì)濕度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)等物理量來表示。1.絕對(duì)濕度(AH)是指大氣中水蒸氣的密度，即

大氣中所含水蒸氣的質(zhì)量(單位是)。要想直接測(cè)量大氣中的水蒸氣含量十分困難，由于水蒸氣含量與水蒸氣分壓強(qiáng)成正比，所以絕對(duì)濕度又可以用大氣中所含水蒸氣的分壓強(qiáng)來表示(單位是Pa)。2.相對(duì)濕度(RH)是指大氣中實(shí)有水汽壓與當(dāng)時(shí)溫度下飽和水汽壓的百分比，是口常生活中常用來表示濕度大小的方法。當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)100%時(shí)，稱飽和狀態(tài)。溫度越高，大氣吸收水蒸氣的能力越強(qiáng)，在某個(gè)溫度下，氣體中所能包含的水蒸氣的量達(dá)到最多時(shí)的狀態(tài)，就叫做飽和狀態(tài)。3.露點(diǎn)降低溫度可以使大氣中未飽和的水蒸氣變成飽和水蒸氣而產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，此時(shí)的溫度值稱為露點(diǎn)。形象地說，就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)的溫度叫露點(diǎn)，當(dāng)該溫度低于0℃時(shí)，又稱為霜點(diǎn)。7.2.2濕度傳感器現(xiàn)代濕度測(cè)量方案主要有兩種:干濕球測(cè)濕法、電子式濕度傳感器測(cè)濕法。1.干濕球溫度計(jì)干濕球溫度計(jì)的測(cè)量原理如圖7-12所示，它由兩支相同的普通溫度計(jì)組成，一支用于測(cè)定氣溫，稱干球溫度計(jì);另一支在球部用蒸餾水浸濕的紗布包住，紗布下端浸入蒸餾水中，稱濕球溫度計(jì)。如果空氣中水蒸氣量沒飽和，濕球的表面便不斷地蒸發(fā)水汽，并吸取汽化熱，因此濕球所表示的溫度都比干球所示要低?？諝庠礁稍?即濕度越低)，蒸發(fā)越快，使?jié)袂蛩镜臏囟冉档?，而與干球間的差增大。相反，當(dāng)空氣中的水蒸氣量呈飽和圖7-12干濕球溫度計(jì)狀態(tài)時(shí)，水便不再蒸發(fā)，也不吸取汽化熱，濕球和干球所示的溫度即會(huì)相等。使用時(shí)，應(yīng)將干濕計(jì)放置距地面1.2～1.5m的高處。讀出干、濕兩球所指示的溫度差，由該溫度計(jì)所附的對(duì)照表就可查出當(dāng)時(shí)空氣的相對(duì)濕度。

干濕球測(cè)濕法的維護(hù)相當(dāng)簡(jiǎn)單，在實(shí)際使用中，只需定期給濕球加水及更換濕球紗布即可。與電子式濕度傳感器相比，干濕球測(cè)濕法不會(huì)產(chǎn)生老化、精度下降等問題。所以干濕球測(cè)濕法更適合于在高溫及惡劣環(huán)境的場(chǎng)合使用。2.電子式濕度傳感器(1)半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻

半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻是當(dāng)今濕度傳感器發(fā)展的方向，它通常是用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷，近年來研究出許多電阻型濕敏多孔陶瓷材料，這類元件中較為成熟且具有代表性的是鉻酸鎂一二氧化欽(MgCr2O4-TiO2)陶瓷濕敏元件、五氧化二釩一二氧化欽(V2O5-TiO2)、陶瓷濕敏元件和氧化鋅一三氧化二鉻(ZnO-Cr2O3)陶瓷濕敏元件等。MgCr2O4-TiO2是用P型半導(dǎo)體MgCr204及N型半導(dǎo)體Ti02粉粒為原料，配比混合，燒結(jié)成復(fù)合型半導(dǎo)體陶瓷，其結(jié)構(gòu)如圖7-13所示。同其他陶瓷相比MgCr2O4-TiO2與空氣的接觸面積顯著增大，所以水蒸氣極易被吸附于其表層及孔隙中，使其電阻率下降，其電阻與相對(duì)濕度關(guān)系曲線如圖7-14所示。(a)吸溫單元；(b)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；(c)卸去外殼后的結(jié)構(gòu)；(d)外形；

圖7-13陶瓷濕度傳感器結(jié)構(gòu)圖7-14陶瓷濕度傳感器特性

由于多孔陶瓷置于空氣中易被灰塵油煙污染，從而堵塞氣孔，使感濕面積下降，所以在使用前需要加熱，陶瓷元件的加熱去污應(yīng)控制在450℃，就可以將污物揮發(fā)或燒掉。陶瓷濕敏電阻吸濕快而脫濕慢，當(dāng)吸附的水分子不能全部脫出時(shí)，會(huì)造成重現(xiàn)性誤差及測(cè)量誤差，可以用重新加熱脫濕的方法，即每次使用前先加熱1min左右，加熱終了應(yīng)冷卻至常溫再開始檢測(cè)濕度。(2)氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻屬于無機(jī)電解質(zhì)濕度傳感器，其感濕原理為:不揮發(fā)性鹽(氯化鋰)溶解于水，結(jié)果降低了水的蒸汽壓，同時(shí)鹽的濃度降低，電阻率增加。氯化鋰濕敏元件靈敏、準(zhǔn)確、可靠，不受測(cè)試環(huán)境風(fēng)速的影響，其主要缺點(diǎn)是在高濕的環(huán)境中，潮解性鹽的濃度會(huì)被稀釋，因此，使用壽命短，當(dāng)灰塵附著時(shí)，潮解性豁的吸濕功能降低，重復(fù)性變壞。氯化鋰濕敏電阻結(jié)構(gòu)包括引線、基片、感濕層和金屬電極，如圖7-15所示。1-引線；2-基片；3-感濕層；4-金屬極；圖7-15氯化鋰濕敏電阻結(jié)構(gòu)

氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰溶液中，Li和Cl均以正負(fù)離子的形式存在，Li+對(duì)水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定的環(huán)境下，若環(huán)境濕度較高，則溶液吸收水分，濃度下降，因此溶液電阻率下降;反之，若環(huán)境濕度較低，其電阻率增大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量，氯化鋰濕敏電阻的濕度--電阻特性曲線如圖7-16所示。圖7-16氯化鋰濕敏電阻濕度-電阻特性一、

任務(wù)分析任務(wù)實(shí)施

通過利用半導(dǎo)體式濕敏傳感器、檢測(cè)電路、報(bào)警自動(dòng)控制電路集于一體制作嬰兒尿濕報(bào)警器。首先要選擇符合要求的傳感器類型，再進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)與制作，最后進(jìn)行電路的調(diào)試。二、

實(shí)施過程1.傳感器選型

所選擇傳感器既要檢測(cè)尿布濕度又要對(duì)濕度起到一定控制作用。濕敏傳感器正是能感受外界濕度的變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將環(huán)境濕度變換為電信號(hào)的裝置。通過利用濕敏傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒是否尿濕尿布的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒身體健康的保護(hù)。

總電路圖如圖7-17所示。此電路由3個(gè)電路單元所組成，包括由濕敏傳感器SM與VT1組成電子開關(guān)電路；由555時(shí)基集成電路和阻容元件組成延時(shí)電路；IC2為軟封裝集成電路。2.電路設(shè)計(jì)圖7-17嬰兒尿濕報(bào)警電路結(jié)構(gòu)(1)檢測(cè)電路

由3v直流電源，8550型號(hào)的三極管VT1及SM型的電阻式濕敏傳感器組成。平時(shí)濕敏傳感器SM處于開路狀態(tài)，VT1(PNP型品體管)集電極無電壓輸出，這里VT1相當(dāng)于一個(gè)受濕度控制的電子開關(guān)。導(dǎo)線1、2、3分別與延時(shí)電路的左邊的導(dǎo)線1、2、3相連。當(dāng)嬰兒尿布尿濕后，濕敏傳感器被尿液短路，VT1導(dǎo)通，VT1的集電極電位升高，如圖7-18所示。圖7-18檢測(cè)電路圖7-19延時(shí)電路(2)延時(shí)電路

由一個(gè)NE555定時(shí)集成電路IC1、一個(gè)100uF電容、一個(gè)100KΩ電阻和若干導(dǎo)線組成。其中導(dǎo)線4、5、6與報(bào)警電路中導(dǎo)線4、5、6相連。該延時(shí)電路在嬰兒撒尿大約10s后，IC1(NE555)第③腳輸出高電平，才開始報(bào)警，其目的是讓嬰兒把尿撒完，如圖7-19所示。如果沒有延時(shí)電路，嬰兒一撒尿，報(bào)警器立即報(bào)警，這樣會(huì)嚇到嬰兒，造成閉尿現(xiàn)象，會(huì)危害嬰兒健康。(3)NE555定時(shí)器

由3個(gè)阻值為5kΩ的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電三極管TD和緩沖反相器G4組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-20所示。虛線邊沿標(biāo)注的數(shù)字為管腳號(hào)。其中1引腳為接地端；2引腳為低電平觸發(fā)端。由此輸入低電平觸發(fā)脈沖；3引腳為輸出端。輸出高電壓約低于電源電壓1V—3V，輸出電流可達(dá)200mA，因此可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、發(fā)光二極管、指示燈等；4引腳為復(fù)位端。輸入負(fù)脈沖，或使其電壓低于0.7V，可使NE555定時(shí)器直接復(fù)位；5引腳為電壓控制端。在此端外加電壓可以改變比較器的參考電壓，不用時(shí)經(jīng)0.01uF的電容接地，以防止引入干擾。6引腳為高電平觸發(fā)端。由此輸入高電平觸發(fā)脈沖；7引腳為放電端。NE555定時(shí)器輸出低電平時(shí)，放電晶體管TD導(dǎo)通，外接電容元件通過TD放電；8引腳為電源端?？稍?V—18V范圍內(nèi)使用。圖7-20NE555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(4)報(bào)警電路

由數(shù)模轉(zhuǎn)換器IC2、喇叭BL和9014三極管VT2組成，VT2三極管為NPN型，耐壓值較大。IC2有T端與S端，T端從555集成電路3引腳接收電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)后由S端輸出模擬信號(hào)，經(jīng)三極管VT2放大后，由喇叭輸出，提示監(jiān)護(hù)人及時(shí)給嬰兒換尿布。導(dǎo)線4、5、6分別與延時(shí)電路的4、5、6導(dǎo)線相連，如圖7-21所示。圖7-21報(bào)警電路（1）制作步驟3.電路制作①應(yīng)用EDA軟件（如Protel

DXP

2004）畫出原理圖；

②用仿真軟件（如Proteus），驗(yàn)證電路功能；

③元件布局和布線，完成PCB設(shè)計(jì)；

④將PCB圖紙，送去PCB加工廠制作成電路板；

⑤根據(jù)電路原理圖，導(dǎo)出元器件清單（BOM），并依此采購(gòu)元器件；

⑥元件的安裝與焊接，其中傳感器可以外接。（2）元件檢測(cè)根據(jù)電路圖檢查相應(yīng)元器件，并對(duì)每個(gè)元器件進(jìn)行檢測(cè)，元件清單如表7-4所示。

表7-4嬰兒尿濕報(bào)警器元器件清單元件種類原理圖標(biāo)號(hào)數(shù)量標(biāo)稱值IC1/1NE555IC2/1D/A三極管VT118550三極管VT219012濕敏傳感器/2CK、SM電容C1100uF電阻R1100K喇叭BL1音樂門鈴（成品）電源開關(guān)S1

電池DC1

3V嬰兒尿濕報(bào)警器雖然設(shè)置了延時(shí)報(bào)警功能，但揚(yáng)聲器發(fā)聲時(shí)仍然會(huì)把嬰兒吵醒。能否按圖7-17與圖7-22所示電路組合成嬰兒尿濕無線報(bào)警器，用調(diào)頻收音機(jī)接收無線報(bào)警信號(hào)。（3）注意要點(diǎn)圖7-22嬰兒尿濕報(bào)警器元件布局圖(1)嬰兒尿濕報(bào)警器所用元件比較少，制作簡(jiǎn)單，選用通用印制板進(jìn)行焊接。(2)外殼選用成品音樂門鈴，濕敏傳感器需至少兩個(gè)，交替使用。元件的排列及濕敏傳感器的制作如圖7-22所示。(3)三極管VT1的基極與電源負(fù)極用導(dǎo)線與直徑為3.5cm的插座相連，將插座固定在音樂門鈴?fù)鈿ど稀Ｊ褂脮r(shí)將濕敏傳感器的插頭插入孔內(nèi)即可。4.電路調(diào)試任務(wù)7.1基于氣敏傳感器的有毒氣體報(bào)警器設(shè)計(jì)

任務(wù)7.2基于濕敏傳感器的嬰兒尿濕報(bào)警電路設(shè)計(jì)

任務(wù)7.3基于光電式傳感器的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)

任務(wù)7.3基于光電式傳感器的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)◎知識(shí)目標(biāo)1.了解半導(dǎo)體光電式傳感器光電效應(yīng)的基本理論。2.熟悉半導(dǎo)體光電式傳感器光電器件的類型和工作原理。3.掌握半導(dǎo)體光電式傳感器的應(yīng)用?！蚰芰δ繕?biāo)1.能夠正確識(shí)別、選用及檢測(cè)半導(dǎo)體光電式傳感器。2.能夠調(diào)試半導(dǎo)體光電式傳感器測(cè)量電路?！蛩刭|(zhì)目標(biāo)1.提高分析問題和解決問題的能力。2.樹立生產(chǎn)安全意識(shí)。

任務(wù)導(dǎo)入

實(shí)驗(yàn)室張老師正在研究以紅外光電式煙霧傳感器將煙霧顆粒作為被測(cè)對(duì)象，通過煙霧顆粒對(duì)發(fā)光元件發(fā)出的紅外線的散射作用，在接收元件端產(chǎn)生電量的變化，通過判斷電量的變化確定煙霧報(bào)警器的狀態(tài)。

你知道紅外光電式煙霧傳感器的特點(diǎn)和工作原理是什么嗎？怎樣進(jìn)行簡(jiǎn)單的紅外光電式電路設(shè)計(jì)、分析及實(shí)驗(yàn)?zāi)?？相關(guān)知識(shí)1839年A.E.貝可勒爾發(fā)現(xiàn)當(dāng)光線落在浸沒于電介液中的兩個(gè)金屬電極上，它們之間就產(chǎn)生電勢(shì)，后來稱這種現(xiàn)象為光生伏特效應(yīng)。

1873年W.史密斯和Ch.梅伊發(fā)現(xiàn)硒的光電導(dǎo)效應(yīng)。1887年H.R.赫茲發(fā)現(xiàn)外光電效應(yīng)。

基于外光電效應(yīng)的光電管和光電倍增管屬真空電子管或離子管器件，曾在50～60年代廣泛應(yīng)用，直到目前仍在某些場(chǎng)合繼續(xù)使用。

雖然早在1919年T.W.凱斯就已取得硫化鉈光導(dǎo)探測(cè)器的專利權(quán)，但半導(dǎo)體光敏元件卻是在60年代以后隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而開始迅速發(fā)展的。

在此期間各種光電材料都得到了全面的研究和廣泛的應(yīng)用。它們的結(jié)構(gòu)有單晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它們的成分有元素半導(dǎo)體的和化合物半導(dǎo)體的，也有多元混晶的。其中最重要的兩種是硅和碲鎘汞。通過對(duì)光電效應(yīng)和器件原理的研究已發(fā)展了多種光電器件（如光敏電阻、光電二極管、光電三極管、場(chǎng)效應(yīng)光電管、雪崩光電二極管、電荷耦合器件等），適用于不同的場(chǎng)合。光電式傳感器是一種將被測(cè)量通過光量的變化轉(zhuǎn)換成電量的傳感器，它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件參數(shù)的變化將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。在檢測(cè)時(shí)，被測(cè)量使光源發(fā)射出的光通量變化，因而使接收光通量的光電元件的輸出電量也作相應(yīng)的變化，最后用電量來表示被測(cè)量的大小。其輸出的電量可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。光電檢測(cè)方法具有精度高、不易受電磁干擾、反應(yīng)快、非接觸、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，有多種參數(shù)都可測(cè)量，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此在檢測(cè)和控制領(lǐng)琙內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。7.3.1光電效應(yīng)光電器件的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量可表示為式中：h

—普朗克常數(shù)，h=6.626*10-34J.S;

v0

—光的頻率。根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：一個(gè)光子的能量只給一個(gè)電子。因此，如果一個(gè)電子要從物體中逸出，人射光子能量E必須大于物體表面逸出功A0，這時(shí)，逸出表面的電子具有的動(dòng)能，可用光電效應(yīng)方表示為：式中：m—電子的質(zhì)量；

v

—電子逸出的初始速度。根據(jù)光電效應(yīng)方程，當(dāng)光照射在某些物體上時(shí)，光能量作用于被測(cè)物體而釋放出電子，即物體吸收具有一定能量的光子后所產(chǎn)生的電效應(yīng)，這就是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)中所釋放出的電子叫光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的敏感材料稱作光電材料。光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。1．外光電效應(yīng)

當(dāng)光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時(shí)，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會(huì)克服正離子對(duì)它的吸引力，脫離村料表面而進(jìn)人外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也是說，外光電效應(yīng)是在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。根據(jù)外光電效應(yīng)制作的光電器件有光電管和光電倍增管。2.內(nèi)光電效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)是指物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)逸出物體的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)，可分為因光照引起半導(dǎo)體電阻變化的光電導(dǎo)效應(yīng)和因光照產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光生伏特效應(yīng)兩種。1)光電導(dǎo)效應(yīng)

物體在人射光能量的激發(fā)下，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子（電子空穴對(duì)），使物體中載流子數(shù)量顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。這種效應(yīng)在大多數(shù)半導(dǎo)體和絕緣體中都存在，但金屬因電子能態(tài)不同，不會(huì)產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。

2)光生伏特效應(yīng)

光照在半導(dǎo)體中激發(fā)出的光電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，是將光能變?yōu)殡娔艿囊环N效應(yīng)。光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸面上時(shí)，在PN結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸面的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，這是因?yàn)镻N結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸面因材料不同質(zhì)或不均勻而存在內(nèi)建電場(chǎng)，半導(dǎo)體受光照激發(fā)產(chǎn)生的電子或空穴會(huì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下向相反方向移動(dòng)和積聚，從而產(chǎn)生電位差。

基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻；基于光生伏特效應(yīng)的光電器件典型的有光電池，此外，光敏二極管、光三極管也是基于光生伏特效應(yīng)的光電器件。7.3.2光電器件1.光敏電阻當(dāng)入射光照到半導(dǎo)體上時(shí)，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，則電子受光子的激發(fā)由價(jià)帶越過禁帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中就留有空穴，在外加電壓下，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴同時(shí)參與導(dǎo)電，即載流子數(shù)增多，電阻率下降，由于光的照射，使半導(dǎo)體的電阻變化，所以稱為光敏電阻。1）光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理(a)結(jié)構(gòu)；(b)梳狀電極；(c)測(cè)量電路圖7-23光敏電阻圖7-23(a)為單晶光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖一般單晶的體積小，受光面積也小，額定電流容量低。為了加大感光面，通常采用微電子工藝在玻璃(或陶瓷)基片上均勻地涂敷一層薄薄速的光電導(dǎo)多晶材料，經(jīng)燒結(jié)后放上掩蔽膜，蒸鍍上兩個(gè)金(或銦)電極，再在光敏電阻材料表面覆蓋一層漆保護(hù)膜(用于防止周圍介質(zhì)的影響，但要求該漆膜對(duì)光敏層最敏感波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光線透射率最大)，感光面大的光敏電阻的表面大多采用圖7-23(b)所示的梳狀電極結(jié)構(gòu)，這樣可得到比較大的光電流。圖7-23(c)所示為光敏電阻的測(cè)量電路。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，電路中有電流流過，用檢流計(jì)可以檢測(cè)到該電流。如果改變照射到光敏電阻上的光度量(即照度)，發(fā)現(xiàn)流過光敏電阻的電流發(fā)生了變化，即用光照射能改變電路中電流的大小，實(shí)際上是光敏電阻的阻值隨照度發(fā)生了變化。2)光敏電阻的主要參數(shù)

暗電阻、亮電阻和光電流是光敏電阻的主要參效，光敏電阻在未受到光照時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流稱為暗電流。光電流在受到光照時(shí)的電阻稱為是亮電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差，稱為光電流。1)光敏電阻的基本特性

(1)伏安符性

在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。硫化鎘(CdS)光敏電阻的伏安特性曲線如圖7-24所示，虛線為允許功耗線或額定功耗線(使用時(shí)應(yīng)不使光敏電阻的實(shí)際功耗超過額定值)。圖7-24硫化鎘光敏電阻的伏安特性(2)光照特性光敏電阻的光照特性用于描述光電流和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性曲線是非線性的，不同光敏電阻的光照特性是不同的，硫化鎘光敏電阻的光照特性知圖7-25所示。光敏電阻一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作開關(guān)、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器，而不宜用作線性測(cè)量元件。圖7-25硫化鎘光敏電阻的光照特性(3)光譜特性

對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，不同的光敏電阻的靈度是不同的，即不同的光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的響應(yīng)特性。光敏電阻的相對(duì)靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光譜特性。幾種常用光敏電阻材料的光譜特性如圖7-26所示。圖7-26光敏電阻的光譜特性（4)響應(yīng)時(shí)間和頻率特性實(shí)驗(yàn)證明，光敏電阻的光電流不能隨著光照量的改變而立即改變，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這個(gè)惰性通常用時(shí)間常數(shù)來描述。時(shí)間常數(shù)越小，響應(yīng)越迅速。但大多數(shù)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都較大，這是它的缺點(diǎn)之一。不同材料的光敏電阻有不同的時(shí)間常數(shù)，因此其頻率特性也各不相同，與入射的輻射信號(hào)的強(qiáng)弱行關(guān)。圖7-27所示為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性。硫化鉛的使用頻率范圍最大，其它材料的光敏電阻的使用頻率范圍都較窄。目前正在通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝來改善各種材料光敏電阻的頻率特性。圖7-27光敏電阻的頻率特性(5)溫度特性光敏電阻的溫度特性與光電導(dǎo)材料有密切關(guān)系，不同材料的光敏電阻有不同的溫度特性。光敏電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度和暗電阻都要受到溫度變化的影響，受溫度影響最大的例子是硫化鉛光敏電阻，其光諧響應(yīng)的溫度特性曲線如圖

7-28所示，可見，隨著溫度的上升，其光譜響應(yīng)曲線向左(即短波長(zhǎng)的方向)移動(dòng)。因此，要求硫化鉛光敏電阻在低溫、恒溫的條件下使用。

圖7-28硫化鉛光敏電阻的溫度特性2.光敏管

大多數(shù)半導(dǎo)體二極管和三極管都是對(duì)光敏感的，當(dāng)二極管和三極管的PN結(jié)受到光照射時(shí)，通過PN的電流將增大，因此，常規(guī)的二極管和三極管都用金屬罐或其他殼體密封起來，以防光照；而光敏管(包括光敏二極管和光敏三極管)則必須使PN結(jié)能接收最大的光照射。光電池與光敏二極管、光敏三極管都是PN結(jié)，它們的主要區(qū)別在于后者的PN結(jié)處于反向偏置，無光照時(shí)反向電阻很大、反向電流很小，相當(dāng)于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)有光照時(shí)將產(chǎn)光的電子空穴對(duì)，在PN結(jié)電場(chǎng)作用下電子向N區(qū)動(dòng)，空穴向P區(qū)移動(dòng)，形成光電流。1)光敏管的結(jié)構(gòu)和工作原理光敏二極管是一種PN結(jié)型半導(dǎo)體器件?與ー般半導(dǎo)體二極管類似，其PN結(jié)裝在管的頂部，以便接收光照，上面有一個(gè)透鏡制成的窗口，可使光線集中在敏感面上。其工作原理和基本使用電路如圖7-29所示。(a)結(jié)構(gòu)原理；(b)符號(hào)；(c)基本電路圖7-29光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理和基本電路(a)(b)(c)在無光照射時(shí)，處于反偏的光敏二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓下越過阻擋層，形成微小的反向電流即暗電流。當(dāng)光敏二極管受到光照射之后，光子在半導(dǎo)體內(nèi)被吸收，使P型區(qū)的電子數(shù)增多，也使N型區(qū)的空穴增多，即產(chǎn)生新的白由載流子(即光生電子-空穴對(duì))。這些載流子在結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴向P型區(qū)移動(dòng)，電子向N型區(qū)移動(dòng)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流，處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)入射光的強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光生載流子的多少相應(yīng)發(fā)生變化，通過光敏二極管的電流也隨之變化，這樣就把光信號(hào)變成了電信號(hào)。達(dá)到平衡時(shí)，在PN結(jié)的兩端將建立起穩(wěn)定的電壓差，這就是光生電動(dòng)勢(shì)。光敏三極管(習(xí)慣上常稱為光敏晶體管)是光敏二極管和三極管放大器一體化的結(jié)果，它有NPN型和PNP型兩種基本結(jié)構(gòu)，用N型硅材料為襯底制作的光敏三極管為NPN型，用P型硅材料為襯底制作的光敏三極管為PNP型。這里以NPN型光敏三極管為例，其結(jié)構(gòu)與普通三極管很相似，只是它的基極做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且其基極往往不接引線；即相當(dāng)于在普通三極的基極和集電極之間接有光敏二極管且對(duì)電流加以放大。光敏三極管的工作原理分為光電轉(zhuǎn)換和光電流放大兩個(gè)過程。光電轉(zhuǎn)換過程與一般光敏二極管相同，在光集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電極就是反向偏壓，當(dāng)光照在基極上時(shí)，就會(huì)在基極附近光激發(fā)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，在反向偏置的PN結(jié)勢(shì)壘電場(chǎng)作用下，自由電子向集電區(qū)（N區(qū)）移動(dòng)并被集電極所收集，空穴流向基區(qū)（P區(qū)）被正向偏置的發(fā)射結(jié)發(fā)出的自由電子填充，這樣就形成一個(gè)由集電極到發(fā)射極的光電流，相當(dāng)于三極管的基極電流Ib?？昭ㄔ诨鶇^(qū)的積累提高了發(fā)射結(jié)的正向偏置，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）穿過很薄的基區(qū)向集電區(qū)移動(dòng)，在外電場(chǎng)作用下形成集電極電流Ic

，結(jié)果表現(xiàn)為基極電流將被集電結(jié)放大β倍，這一過程與普通三極管放大基極電流的作用相似。不同的是，普通三極管是由基極向發(fā)射結(jié)注入空穴載流子控制發(fā)射極的擴(kuò)散電流，而光敏三極管是由注入到發(fā)射結(jié)的光生電流控制。PNP型光敏三極管的工作與

NPN型相同，只是它以P型硅為襯底材料構(gòu)成，它工作時(shí)的電壓極性與NPN型相反，集電極的電位為負(fù)。

光敏三極管是兼有光敏二極管特性的器件，它在把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的同時(shí)又將信號(hào)電流放大，光敏三極管的光電流可達(dá)0.4～4mA,而光敏二極管的光電流只有幾十微安，因此光敏三極管有更高的靈敏度。圖7-30給出了光敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理。(a)結(jié)構(gòu)；(b)符號(hào)；(c)基本電路；(d)工作原理圖7-30光敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

2)光敏管的基本特性（1）光譜特性光譜特性是指光敏管在照度一定時(shí)，輸出的光電流（或光譜相對(duì)靈敏度）隨入射光的波長(zhǎng)而變化的關(guān)系。如圖7-31所示為硅和鍺光敏管（光敏二極管光敏三極管）的光譜特性曲線。對(duì)一定材料和工藝制成的光敏管，必須對(duì)應(yīng)一定波長(zhǎng)范圍（即光譜）的入射光才會(huì)響應(yīng)，這就是光敏管的光譜響應(yīng)。從圖中可以看出：硅光敏管適用于0.4～1.1μm波長(zhǎng)，最靈敏的響應(yīng)波長(zhǎng)為0.8～0.9μm；而鍺光敏管適用于0.6～1.8μm的波長(zhǎng)，其最靈敏的響應(yīng)波長(zhǎng)為1.4～1.5μm。

由于鍺光敏管的暗電流比硅光敏管大，故在可見光作光源時(shí)都采用硅管；但是在用紅外光源探測(cè)時(shí)，則鍺管較為合適。光敏二極管、光敏三極管幾乎全用鍺或硅材料做成。由于硅管比鍺管無論在性能上還是制造工藝上都更為優(yōu)越，所以目前硅管的發(fā)展與應(yīng)用更為廣泛。

圖7-31光譜特性(2)伏安特性伏安特性是指光敏管在照度一定的條件下，光電流與外加電壓之間的關(guān)系。圖7-32所示為光敏二極管、光敏三極管在不同照度下的伏安特性曲線。由圖可見，光敏三極管的光電流比相同管型光敏二極管的光電流大上百倍。（a）硅光敏二極管；(b)硅光敏三極管圖7-32光敏管伏安特性由圖7-32(b)可見，光敏三極管在偏置電壓為零時(shí)，無論光照度有多強(qiáng)，集電極的電流都為零，說明光敏三極管必須在一定的偏置電壓作用下才能工作，偏置電壓要保證光敏三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置；隨著偏置電壓的增高伏安特性曲線趨于平坦。由圖7-32還可看出，與光敏三極管不同的是，一方面，在零偏壓時(shí)，光敏二極管仍有光電流輸出，這是因?yàn)楣饷舳O管存在光生伏特效應(yīng)；另一方面，隨著偏置電壓的增高，光敏三極管的伏安特性曲線向上偏斜，間距增大，這是因?yàn)楣饷羧龢O管除了具有光電靈敏度外，還具有電流增益β，且β值隨光電流的增加而增大。圖7-32(b)中光敏三極管的特性曲線始端彎曲部分為飽和區(qū)，在飽和區(qū)光敏三極管的偏置電壓提供給集電結(jié)的反偏電壓太低，集電極的電子收集能力低，造成光敏三極管飽和，因此，應(yīng)使光敏三極管工作在偏置電壓大于5V的線性區(qū)域。(3)光照特性

光照特性就是光敏管的輸出電流I0和照度φ之間的關(guān)系。硅光敏管的光照特性如圖7-33所示，從圖中可以看出，光照度越大，產(chǎn)生的光電流越強(qiáng)。光敏二極管的光照特性曲線的線性較好；光敏三極管在照度較小時(shí)，光電流隨照度增加緩慢，而在照度較大時(shí)（光照度為幾千勒克斯）光電流存在飽和現(xiàn)象，這是由于光敏三極管的電流放大倍數(shù)在小電流和大電流時(shí)都有下降的緣故。（a）硅光敏二極管；(b)硅光敏三極管圖7-33光敏管光照特性（4）頻率特性光敏管的頻率特性是光敏管輸出的光電流（或相對(duì)靈敏度）與光強(qiáng)變化頻率的關(guān)系。光敏二極管的頻率特性好，其響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到8-7～8-8s，因此它適用于測(cè)量快速變化的光信號(hào)。由于光敏三極管存在發(fā)射結(jié)電容和基區(qū)渡越時(shí)間（發(fā)射極的載流子通過基區(qū)所需要的時(shí)間），所以光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差，而且和光敏二極管一樣，負(fù)載電阻越大，高頻響應(yīng)越差，因此，在高頻應(yīng)用時(shí)應(yīng)盡量降低負(fù)載電阻的阻值。圖7-34給出了硅光敏三極管的頻率特性曲線。圖7-34硅光敏三極管的頻率特性3.光電池1）結(jié)構(gòu)原理光電池實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電壓源，是利用光生伏特效應(yīng)把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的光電器件。由于它廣泛用于把太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能，因此也稱太陽能電池。一般能用于制造光電阻器件的半導(dǎo)體材料均可用于制造光電池，例如，硒光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。

硅光電池結(jié)構(gòu)如圖7-35(a)所示。硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)形成PN結(jié)。

(a)硅光電池結(jié)構(gòu)；(b)硒光電池結(jié)構(gòu)圖7-35光電池結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)入射光照射在PN結(jié)上時(shí)，若光子能量hv0大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度E，則在PN結(jié)內(nèi)附近激發(fā)出電子一空穴對(duì)，在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用下，N型區(qū)的光生空穴被拉向P型區(qū)，P型區(qū)的光生電子被拉向N型區(qū)，結(jié)果使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負(fù)電，這樣PN結(jié)就產(chǎn)生了電位差，若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來，電路中就有電流流過，電流方向由P型區(qū)流經(jīng)外電路至N型區(qū)（如圖7-36所示）。若將外電路斷開，就可以測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。圖7-36光電池工作原理硒光電池結(jié)構(gòu)如圖7-35(b)所示。硒光電池是在鋁片上涂硒（P型），再用濺射的工藝，在硒層上形成一層半透明的氧化鎘（N型）。在正、反兩面噴上低融合金作為電極。在光線照射下，鎘材料帶負(fù)電，硒材料帶正電，形成電動(dòng)勢(shì)或光電流。光電池的符號(hào)、基本電路及等效電路如圖7-37所示。(a)符號(hào)；(b)基本電路；(c)等效電路圖7-37光電池的符號(hào)及等效電路光電池的種類很多，有硅光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等，但最受人們重視的是硅光電池。這是因?yàn)樗哂行阅芊€(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高、能耐高溫輻射、價(jià)格便宜、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。2）光電池特性（1）光譜特性①光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不同的。硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.4～1.2μm，而硒光電池在0.38～0.75μm。相對(duì)而言，硅電池的光譜響應(yīng)范圍更寬。硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，適宜測(cè)可見光。②不同材料的光電池的光譜響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)也是不同的。硅光電池在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。因此，使用光電池時(shí)對(duì)光源應(yīng)有所選擇。

（2）光照特性

光電池在不同光照度（指單位面積上的光通量，表示被照射平面上某一點(diǎn)的光亮程度。單位：勒克斯，lm/m2或lx）下，其光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的，它們之間的關(guān)系稱為光照特性。從實(shí)驗(yàn)知道：對(duì)于不同的負(fù)載電阻，可在不同的照度范圍內(nèi)，使光電流與光照度保持線性關(guān)系。負(fù)載電阻越小，光電流與照度間的線性關(guān)系越好，線性范圍也越寬。因此，應(yīng)用光電池時(shí)，所用負(fù)載電阻大小，應(yīng)根據(jù)光照的具體情況來決定。（3）頻率特性光電池的PN結(jié)面積大，極間電容大，因此頻率特性較差。（4）溫度特性半導(dǎo)體材料易受溫度的影響，將直接影響光電流的值。光電池的溫度特性用于描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。溫度特性將影響測(cè)量?jī)x器的溫漂和測(cè)量或控制的精度等。

4.光電耦合器件光電耦合器件是將發(fā)光元件和光敏元件合并使用，以光為媒介實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞的光電器件。發(fā)光元件通常采用砷化鎵發(fā)光二極管，它由一個(gè)PN結(jié)組成，有單向?qū)щ娦?，隨正向電壓的提高，正向電流增加，產(chǎn)生的光通量也增加。光敏元件可以是光敏二極管或光敏三極管等。為了保證靈敏度，要求發(fā)光元件與光敏元件在光譜上要得到最佳匹配。1）光電耦合器光電耦合器件將發(fā)光元件和光敏元件集成在一起，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，如圖7-38所示。光電耦合器件的輸入電路和輸出電路在電氣上完全隔離，僅僅通過光的耦合才把二者聯(lián)系在一起。工作時(shí)，把電信號(hào)加到輸入端，使發(fā)光器件發(fā)光，光敏元件則在此光照下輸出光電流，從而實(shí)現(xiàn)電－光－電的兩次轉(zhuǎn)換。光電耦合器實(shí)際上能起到電量隔離的作用，具有抗干擾和單向信號(hào)傳輸功能。光電耦合器件廣泛應(yīng)用于電量隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點(diǎn)開關(guān)等領(lǐng)域。圖7-38光電耦合器2）光電開關(guān)光電開關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號(hào)的器件。圖7-39為典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖7-39(a)是一種透射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時(shí)，會(huì)阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣就起到了檢測(cè)作用。圖7-39(b)是一種反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點(diǎn)一般即為待測(cè)物所在處。

(a)透射式；(b)反射式圖7-39光電開關(guān)結(jié)構(gòu)

當(dāng)有物體經(jīng)過時(shí)，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時(shí)則接收不到。光電開關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸，而且與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。用光電開關(guān)檢測(cè)物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號(hào)有“高-低”(1、0)之分即可。圖7-40是光電開關(guān)的基本電路示例。圖7-40(a)、(b)表示負(fù)載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時(shí)的情況，圖7-40(c)表示用晶體管放大光電流的情況。光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作為光控制和光探測(cè)裝置。可在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作物體檢測(cè)、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、料位檢測(cè)、尺寸控制、安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等。

(a)(b)(c)圖7-40光電開關(guān)的基本電路5．電荷耦合器件電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices，CCD)以電荷轉(zhuǎn)移為核心，是一種使用非常廣泛的固體圖像傳感器。1）CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)。有人將其稱為“排列起來的MOS電容陣列”。一個(gè)MOS電容器是一個(gè)光敏單元，可以感應(yīng)一個(gè)像素點(diǎn)，如一個(gè)圖像有1024×768個(gè)像素點(diǎn)，就需要同樣多個(gè)光敏單元，即傳遞一幅圖像需要由許多MOS光敏單元大規(guī)模集成的器件。因此，CCD的基本功能是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和輸出。(a)剖面圖；(b)結(jié)構(gòu)；(c)有信號(hào)電荷勢(shì)阱圖圖7-41P型MOS光敏單元（1）CCD的MOS光敏單元結(jié)構(gòu)CCD是按照一定規(guī)律排列的MOS電容器陣列組成的移位寄存器，CCD的單元結(jié)構(gòu)是MOS電容器，如圖7-41(a)所示。

其中“金屬”為MOS結(jié)構(gòu)的電極，稱為“柵極”（此柵極材料通常不是用金屬而是用能夠透過一定波長(zhǎng)范圍光的多晶硅薄膜）；“半導(dǎo)體”作為襯底電極；在兩電極之間有一層“氧化物”（SiO2

）絕緣體，構(gòu)成電容，但它具有一般電容所不具有的耦合電荷的能力。

（2）電荷存儲(chǔ)原理

所有電容器都能存儲(chǔ)電荷，MOS電容器也不例外。例如，如果MOS電容器的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)VG正電壓時(shí)（襯底接地），金屬電極板上就會(huì)充上一些正電荷，附近的P型硅中的多數(shù)載流子－空穴被排斥到表面入地，如圖7-41(b)在襯底Si-SiO2界面處的表面勢(shì)能將發(fā)生變化，處于非平衡狀態(tài)，表面區(qū)有表面勢(shì)φs，若襯底電位為0，則表面處電子的靜電位能為-eφs(e代表單個(gè)電子的電荷量)。因?yàn)棣誷大于0，電子位能-eφs小于0，則表面處有貯存電荷的能力，半導(dǎo)體內(nèi)的電子被吸引到界面處來，從而在表面附近形成一個(gè)帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)（稱為電子勢(shì)阱或表面勢(shì)阱），電子在這里勢(shì)能較低，沉積于此，成為積累電荷的場(chǎng)所，如圖7-41(c)所示。勢(shì)阱的深度與所加電壓大小成正比關(guān)系，在一定條件下，若VG增加，柵極上充的正電荷數(shù)目增加，在Si02附近的P-Si中形成的負(fù)離子數(shù)目相應(yīng)增加，耗盡區(qū)的寬度增加，表面勢(shì)阱加深。若形成MOS電容的半導(dǎo)體材料是N-Si，則VG加負(fù)電壓時(shí)，在SiO2附近的N-Si中形成空穴勢(shì)阱。如果此時(shí)有光照射在硅片上，在光子作用下，半導(dǎo)體硅吸收光子，產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，其中的光生電子被附近的勢(shì)阱吸收，吸收的光生電子數(shù)量與勢(shì)阱附近的光強(qiáng)度成正比：光強(qiáng)度越大，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)越多，勢(shì)阱中收集的電子數(shù)就越多；反之，光越弱，收集的電子數(shù)越少。同時(shí)，產(chǎn)生的空穴被電場(chǎng)排斥出耗盡區(qū)。因此勢(shì)阱中電子數(shù)目的多少可以反映光的強(qiáng)弱和圖像的明暗程度，即這種MOS電容器可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)向電荷信號(hào)的轉(zhuǎn)變。若給光敏單元陣列同時(shí)加上VG，整個(gè)圖像的光信號(hào)將同時(shí)變?yōu)殡姾砂嚵小．?dāng)有部分電子填充到勢(shì)阱中時(shí)，耗盡層深度和表面勢(shì)將隨著電荷的增加而減小。勢(shì)阱中的電子處于被存儲(chǔ)狀態(tài)，即使停止光照，一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)光照的記憶。(3)電荷轉(zhuǎn)移原理

由于所有光敏單元共用一個(gè)電荷輸出端，因此需要進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移。為了方便進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，CCD器件基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷ㄩg距為15～20μm）的MOS光敏單元，這些光敏單元使用同一半導(dǎo)體襯底；氧化層均勻、連續(xù)；相鄰金屬電極間隔極小。

若兩個(gè)相鄰MOS光敏單元所加的柵壓分別為VG1、VG2，且VG1<VG2

（如圖7-42所示）。任何可移動(dòng)的電荷都將力圖向表面勢(shì)大的位置移動(dòng)。因VG2

高，表面圖7-42電荷轉(zhuǎn)移示意圖形成的負(fù)離子多，則表面勢(shì)φs2>φs1，電子的靜電位能-eφs2<-eφs1<0，則VG2吸引電子能力強(qiáng)，形成的勢(shì)阱深，則1中電子有向2中轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。若串聯(lián)很多光敏單元，且使VG1<VG2<…VGn，可形成一個(gè)輸運(yùn)電子的路徑，實(shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移。

由前面分析可知，MOS電容的電荷轉(zhuǎn)移原理是通過在電極上加不同的電壓（稱為驅(qū)動(dòng)脈沖）實(shí)現(xiàn)的。電極的結(jié)構(gòu)按所加電壓的相數(shù)分為二相、三相和四相系統(tǒng)。由于二相結(jié)構(gòu)要保證電荷單項(xiàng)移動(dòng)，必須使電極下形成不對(duì)稱勢(shì)阱，通過改變氧化層厚度或摻雜濃度來實(shí)現(xiàn)，這兩者都使工藝復(fù)雜化。為了保證信號(hào)電荷按確定的方向和路線轉(zhuǎn)移，在MOS光敏單元陣列上所加的各路電壓脈沖要求嚴(yán)格滿足相位要求。

以圖7-43的三相CCD器件為例說明其工作原理。設(shè)φ1、φ2、φ3為三個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，它們的順序脈沖(時(shí)鐘脈沖)為φ1→φ2→φ3→φ1，且三個(gè)脈沖的形狀完全相同，彼此間有相位差(差1/3周期)，如圖7-43(a)所示。把MOS光敏單元電極分為三組，φ1驅(qū)動(dòng)1、4電極，φ2驅(qū)動(dòng)2、5電極，φ3驅(qū)動(dòng)3、6電極，如圖7-43(b)所示。三相時(shí)鐘脈沖控制、轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)電荷的過程如下：t=t1:φ1相處于高電平，φ2、φ3相處于低電平，因此在電極1、4下面出現(xiàn)勢(shì)阱，存入電荷。t=t2:φ2相也處于高電平，電極2、5下出現(xiàn)勢(shì)阱。因相鄰電極間距離小，電極1、2及4、5下面的勢(shì)阱互相連通，形成大勢(shì)阱。原來在電極1、4下的電荷向電極2、5下的勢(shì)阱中轉(zhuǎn)移。接著φ1相電壓下降，電極1、4下的勢(shì)阱相應(yīng)變淺。

t=t3:更多的電荷轉(zhuǎn)移到電極2、5下勢(shì)阱內(nèi)。

t=t4:只有φ2相處于高電平，信號(hào)電荷全部轉(zhuǎn)移到電極2、5下的勢(shì)阱內(nèi)。

依此下去，通過脈沖電壓的變化，在半導(dǎo)體表面形成不同的勢(shì)阱，且右邊產(chǎn)生更深勢(shì)阱，左邊形成阻擋勢(shì)阱，使信號(hào)電荷自左向右作定向運(yùn)動(dòng)，在時(shí)鐘脈沖的控制下從一端移位到另一端，直到輸出。(a)三相時(shí)鐘脈沖波形；(b)電荷轉(zhuǎn)移過程圖7-43三相CCD時(shí)鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系

（4）電荷的注入①光信號(hào)注入當(dāng)光信號(hào)照射到CCD襯底硅片表面時(shí)，在電極附近的半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，空穴被排斥入地，少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢(shì)阱內(nèi)，形成信號(hào)電荷存儲(chǔ)起來。存儲(chǔ)電荷的多少與光照強(qiáng)度成正比。如圖7-44(a)所示。（a）背面光注入；

（b）電注入圖7-44CCD電荷注入方法②電信號(hào)注入CCD通過輸入結(jié)構(gòu)（如輸入二極管），將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷，注入勢(shì)阱中。如圖7-44(b)所示，二極管位于輸入柵襯底下，當(dāng)輸入柵IG加上寬度為△t的正脈沖時(shí)，輸入二極管PN結(jié)的少數(shù)載流子通過輸入柵下的溝道注入φ1電極下的勢(shì)阱中，注入電荷量為:。（5）電荷的輸出CCD信號(hào)電荷在輸出端被讀出的方法如圖7-45所示。OG為輸出柵。它實(shí)際上是CCD陣列的末端襯底上制作的一個(gè)輸出二極管，當(dāng)輸出二極管加上反向偏壓時(shí)，轉(zhuǎn)移到終端的電荷在時(shí)鐘脈沖作用下移向輸出二極管，被二極管的PN結(jié)所收集，在負(fù)載RL上形成脈沖電流Io。輸出電流的大小與信號(hào)電荷的大小成正比，并通過負(fù)載電阻LR轉(zhuǎn)換為信號(hào)電壓Uo輸出。圖7-45CCD輸出結(jié)構(gòu)2)CCD圖像傳感器的分類

CCD圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上可分為兩類：一類用于獲取線圖像的，稱為線陣CCD；另一類用于獲取面圖像，稱為面陣CCD。線陣CCD目前主要用于產(chǎn)品外部尺寸非接觸檢測(cè)或產(chǎn)品表面質(zhì)量評(píng)定、傳真和光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等方面；面陣CCD主要用于攝像領(lǐng)域。

(1)線陣型CCD圖像傳感器對(duì)于線陣CCD，它可以直接接收一維光信息，而不能將二維圖像轉(zhuǎn)換為一維的電信號(hào)輸出，為了得到整個(gè)二維圖像，就必須采取掃描的方法來實(shí)現(xiàn)。線陣CCD圖像傳感器由線陣光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵、模擬移位寄存器、偏置電荷電路、輸出柵和信號(hào)讀出電路等組成。線陣CCD圖像傳感器有兩種基本形式，即單溝道和雙溝道線陣圖像傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖7-46所示，由感光區(qū)和傳輸區(qū)兩部分組成。(a)單溝道；(b)雙溝道圖7-46線陣CCD圖像傳感器（2）面陣型CCD圖像傳感器面陣型CCD圖像器件的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測(cè)二維平面圖像。按傳輸和讀出方式不同，可分為行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。行傳輸(LineTransmission,LT)面陣型CCD的結(jié)構(gòu)如圖7-47(a)所示。它由行選址電路、感光區(qū)、輸出寄存器組成。當(dāng)感光區(qū)光積分結(jié)束后，由行選址電路一行一行地將信號(hào)電荷通過輸出寄存器轉(zhuǎn)移到輸出端。行傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快、轉(zhuǎn)移效率高。但需要行選址電路，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且在電荷轉(zhuǎn)移過程中，必須加脈沖電壓，與光積分同時(shí)進(jìn)行，會(huì)產(chǎn)生“拖影”，故采用較少。(a)行傳輸；(b)幀傳輸；(c)行間傳輸圖7-47面陣型CCD的結(jié)構(gòu)幀傳輸(FrameTransmission,FT)面陣型CCD的結(jié)構(gòu)如圖7-47(b)所示。由感光區(qū)、暫存區(qū)和輸出寄存器三部分組成。感光區(qū)由并行排列的若干電荷耦合溝道組成，各溝道之間用溝阻隔開，水平電極條橫貫各溝道。假設(shè)有M個(gè)轉(zhuǎn)移溝道，每個(gè)溝道有N個(gè)光敏單元，則整個(gè)感光區(qū)共有M*N個(gè)光敏單元。在感光區(qū)完成光積分后，先將信號(hào)電荷迅速轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)，然后再?gòu)臅捍鎱^(qū)一行一行地將信號(hào)電荷通過輸出寄存器轉(zhuǎn)移到輸出端。設(shè)置暫存區(qū)是為了消除“拖影”，以提高圖像的清晰度和與電視圖像掃描制式相匹配。

幀傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是光敏單元密度高、電極簡(jiǎn)單；但增加了暫存區(qū)，器件面積相對(duì)于行傳輸型增大了一倍。

行間傳輸(InterlineTransmission,ILT)面陣型CCD的結(jié)構(gòu)如圖7-47(c)所示。它的特點(diǎn)是感光區(qū)和暫存區(qū)行與行相間排列。在感光區(qū)結(jié)束光積分后，同時(shí)將每列信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移人相鄰的暫存區(qū)中，然后再進(jìn)行下一幀圖像的光積分，并同時(shí)將暫存區(qū)中的信號(hào)電荷逐行通過輸出寄存器轉(zhuǎn)移到輸出端。其優(yōu)點(diǎn)是不存在拖影問題，但這種結(jié)構(gòu)不適宜光從背面照射。行間傳輸特點(diǎn)：光敏單元面積小，密度高，圖像清晰。但單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。3）CCD圖像傳感器的特性參數(shù)用來評(píng)價(jià)CCD圖像傳感器的主要參數(shù)有：分辨率、光電轉(zhuǎn)移效率、靈敏度、光譜響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍、暗電流、及噪聲等。不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)特性參數(shù)的要求也各不相同。4）CCD圖像傳感器的應(yīng)用

CCD圖像傳感器的應(yīng)用主要在以下幾方面：（1）計(jì)量檢測(cè)儀器：工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的尺寸、位置、表面缺陷的非接觸在線檢測(cè)、