案例傳感器總結(jié)

1、2007傳感器靜態(tài)和動態(tài)特性 微傳感器是將敏感元件所感受到的物理量、化學(xué)量等信息，按照一定規(guī)律，轉(zhuǎn)換成便于測量和傳輸?shù)难b置。由于電信號易于傳輸和處理，所以一般概念上的微傳感器是指將非電量轉(zhuǎn)換成電信號輸出的元件或裝置。2007靜態(tài)特性:量程、線性度、靈敏度、分辨率、分辨力、遲滯、重復(fù)性、精度。動態(tài)特性：上升時間、穩(wěn)定時間（建立時間）、過沖量（超調(diào)量）、頻帶寬度。20071. 靈敏度 靈敏度是指傳感器在靜態(tài)測量時，輸出量的增量與輸入量的增量之比。即 對線性傳感器系統(tǒng)來說，靈敏度為常數(shù)。（a）線性系統(tǒng)靈敏度示意圖（b）非線性系統(tǒng)靈敏度示意圖 靈敏度示意圖2、量程 微傳感器能夠檢測的輸入量的最大值和最

2、小值.量程與靈敏度需要折中考慮.2007（1）理論線性度及其擬合直線 理論線性度也稱絕對線性度。它以測量系統(tǒng)靜態(tài)理想特性 作為擬合直線，如圖中的直線1（曲線2為系統(tǒng)全量程多次重復(fù)測量平均后獲得的實(shí)際輸出/輸入關(guān)系曲線；曲線3為系統(tǒng)全量程多次重復(fù)測量平均后獲得的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，采用根據(jù)最小二乘法方法擬合得到的直線）。此方法優(yōu)點(diǎn)是簡單、方便和直觀；缺點(diǎn)是多數(shù)測量點(diǎn)的非線性誤差相對都較大。2007最小二乘和理論線性度及其擬合直線 2007（2）最小二乘線性度及其擬合直線最小二乘法方法擬合直線方程為 。如何科學(xué)、合理地確定系數(shù)和是解決問題的關(guān)鍵。設(shè)測量系統(tǒng)實(shí)際輸出/輸入關(guān)系曲線上某點(diǎn)其輸入、輸出分別，在

3、輸入同為情況下，最小二乘法方法擬合直線上得到輸出值為 兩者偏差為 最小二乘擬合直線的原則是使確定的N個特征測量點(diǎn)的均方差 20074.遲滯遲滯，又稱滯環(huán)，它說明傳感器或檢測系統(tǒng)的正向(輸入量增大)和反向(輸入量減少)時輸出特性的不一致程度，亦即對應(yīng)于同一大小的輸入信號，傳感器或檢測系統(tǒng)在正、反行程時的輸出信號的數(shù)值不相等，見圖所示 。 遲滯特性示意圖2007遲滯誤差通常用最大遲滯引用誤差來表示，即 式中 最大遲滯引用誤差；（輸入量相同時）正反行程輸出之間最大絕對偏差；測量系統(tǒng)滿量程值。在多次重復(fù)測量時,應(yīng)以正反程輸出量平均值間的最大遲滯差值來計(jì)算。遲滯誤差通常是由于彈性元件、磁性元件以及摩擦、

4、間隙等原因所產(chǎn)生，一般需通過具體實(shí)測才能確定。 20075.重復(fù)性 重復(fù)性表示檢測系統(tǒng)或傳感器在輸入量按同一方向(同為正行程或同為反行程)作全量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致的程度(見圖)。重復(fù)性示意圖 2007特性曲線一致好, 重復(fù)性就好,誤差也小。重復(fù)性誤差是屬于隨機(jī)誤差性質(zhì)的,測量數(shù)據(jù)的離散程度是與隨機(jī)誤差的精密度相關(guān)的,因此應(yīng)該根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差來計(jì)算重復(fù)性指標(biāo)。重復(fù)性誤差可按下式計(jì)算: 式中 重復(fù)性誤差；為置信系數(shù), 對正態(tài)分布，當(dāng)Z取2時, 置信概率為0.95即95%，Z取3時,概率為99.73%。2007正、反向各測量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值；傳感器系統(tǒng)滿量程值。標(biāo)準(zhǔn)偏差 的計(jì)算方法可按

5、貝塞爾公式或級差公式計(jì)算。按貝塞爾公式計(jì)算，則通常應(yīng)先算出各個校準(zhǔn)級上的正、反行程的子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差，即 式中 第j次測量正行程和反行程測量數(shù)據(jù)的子樣標(biāo)準(zhǔn)偏差(j1M)；第j次測量上正行程和反行程的第i個測量數(shù)據(jù)(i1一n)；2007表征二階測量系統(tǒng)在階躍輸入作用下時域主要性能指標(biāo)（結(jié)合圖1-14 常見 衰減振蕩型二階系統(tǒng)的時域動態(tài)性能指標(biāo)示意圖）主要如下。 圖1-14 二階系統(tǒng)的時域動態(tài)性能指標(biāo)示意圖 2007延遲時間上升時間 響應(yīng)時間 峰值時間超調(diào)量衰減率二、 壓阻式傳感器 是利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的，是一種新的物性型傳感器。 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化等

6、。 （一） 壓阻效應(yīng) 單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。對半導(dǎo)體材料對金屬材料電阻相對變化量由于E一般都比（1+2）大幾十倍甚至上百倍，因此引起半導(dǎo)體材料電阻相對變化的主要原因是壓阻效應(yīng)，所以上式可近似寫成 式中 壓阻系數(shù)；E彈性模量； 應(yīng)力； 應(yīng)變。 上式表明壓阻傳感器的工作原理是基于壓阻效應(yīng)。 擴(kuò)散硅壓阻式傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅。單晶硅是各向異性材料，取向不同其特性不一樣。而取向是用晶向表示的，所謂晶向就是晶面的法線方向。（三）壓阻系數(shù)1、壓阻系數(shù)的定義半導(dǎo)體電阻的相對變化近似等于電阻率的相對變化，而電阻率的相對變化與應(yīng)力成正比，二者的比例系數(shù)就

7、是壓阻系數(shù)。即單晶硅的壓阻系數(shù)矩陣為（四） 固態(tài)壓阻傳感器1、固態(tài)壓阻傳感器的結(jié)構(gòu)原理 利用固體擴(kuò)散技術(shù)，將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到一片N型硅底層上，形成一層極薄的導(dǎo)電P型層，裝上引線接點(diǎn)后，即形成擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。若在圓形硅膜片上擴(kuò)散出四個P型電阻，構(gòu)成惠斯登電橋的四個臂，這樣的敏感器件通常稱為固態(tài)壓阻傳感器，如圖所示。1 N-Si膜片(硅杯) 2 P-Si導(dǎo)電層 粘貼劑 硅底座 引壓管 Si 保護(hù)膜 7 引線 當(dāng)硅單晶在任意晶向受到縱向和橫向應(yīng)力作用時，如圖 (a)所示，其阻值的相對變化為 式中 l縱向應(yīng)力； t橫向應(yīng)力； l縱向壓阻系數(shù)；t橫向壓阻系數(shù)。 （a）001100010llttR（b）

8、trlrttlt圖 力敏電阻受力情況示意圖RrRt 在硅膜片上，根據(jù)P型電阻的擴(kuò)散方向不同可分為徑向電阻和切向電阻，如圖 (b)所示。擴(kuò)散電阻的長邊平行于膜片半徑時為徑向電阻Rr；垂直于膜片半徑時為切向電阻Rt。當(dāng)圓形硅膜片半徑比P型電阻的幾何尺寸大得多時，其電阻相對變化可分別表示如下，即 （5.1-60） （5.1-61）以上各式中的l及t為任意縱向和橫向的壓阻系數(shù).若圓形硅膜片周邊固定，在均布壓力的作用下，當(dāng)膜片位移遠(yuǎn)小于膜片厚度時，其膜片的應(yīng)力分布可由推導(dǎo)得到，即 式中 r、x、h膜片的有效半徑、計(jì)算點(diǎn)半徑、厚度（m）；泊松系數(shù)，硅取=0.35；P壓力（Pa）。trrttr3P4rh23

9、P4rh23P(1+)8rh2圖 平膜片的應(yīng)力分布圖根據(jù)上兩式作出曲線（見圖）就可得圓形平膜片上各點(diǎn)的應(yīng)力分布圖。當(dāng)x=0.635r時，r=0；x0，即為拉應(yīng)力；x0.635r時，r0，即為壓應(yīng)力。當(dāng)x=0.812r時，t=0，僅有r存在，且r時鐘CLK的周期T，則在時段中，Vn(t)Vn(NT+(1/2)T)，則Vout0。在本電路中，相關(guān)雙取樣電路與前置放大器的連接關(guān)系如圖2-13所示。 圖 2-13 相關(guān)雙取樣電路與前級放大器的連接關(guān)系 2007(2)取樣保持電路取樣保持電路在本系統(tǒng)中的功能是利用與載波頻率相同的開關(guān)控制信號實(shí)現(xiàn)對高頻調(diào)制信號的同步解調(diào)。該電路的實(shí)現(xiàn)形式很簡單，只用了一個

10、開關(guān)和一個電容。開關(guān)用與載波同步的信號phase4控制，取樣保持電路的輸入輸出信號如圖2-14所示。不可避免在本電路的輸出的低頻信號上會疊加一些與開關(guān)頻率相同的高頻小信號，其主要是因?yàn)殡娙莩浞烹姾烷_關(guān)的一些非理想效應(yīng)導(dǎo)致的。20072007第3章 硅微陀螺振動式微機(jī)械陀螺石英微陀螺 3.1 靜電梳齒驅(qū)動的差分電容式微機(jī)械陀螺 微機(jī)械陀螺工作原理 微機(jī)械陀螺信號處理電路x yzXZYr0PP2POP1哥氏(Coriolis)加速度與陀螺力矩riIoP1P為質(zhì)點(diǎn)的相對運(yùn)動P1P為質(zhì)點(diǎn)的牽連位移(存在時）P1P2為絕對位移哥氏方程將哥氏方程對時間求導(dǎo)： 式中分別為相對加速度、牽連切向加速度、牽連向心

11、加速度、哥氏加速度 從哥氏加速度公式（4）知道，其方向垂直于牽連角速度與相對速度vr所組成的平面（右手法則）（1）（2）（3）（4）2007 其中 為哥氏加速度。哥氏加速度方向垂直于牽連角速度與相對速度vr所組成的平面?？稍O(shè)哥氏加速度大小為a，則：由于哥氏加速度方向與角速度方向和物體運(yùn)動速度方向正交，這樣通過檢測哥氏加速度和運(yùn)動的速度就可以得到轉(zhuǎn)動角速度 (其振幅為) 振動式微機(jī)械陀螺的工作原理 質(zhì)量塊振動式陀螺簡圖Vibratory gyroscope sketch設(shè)質(zhì)量塊沿X方向振動的位移是： 其中Ax和分別為驅(qū)動振動的振幅和角速度，當(dāng)陀螺儀沿Z方向有角速度時，質(zhì)量塊M將受到沿Y方向的哥氏

12、力Fc(t)作用。其中哥氏力為Fc(t)： 受此周期性哥氏力的作用，質(zhì)量塊將沿Y方向作簡諧振動。檢測出Y方向的振動，就可以檢測出角速度的大小。差分電容振動式微機(jī)械陀螺，可動質(zhì)量塊上的電極與固定檢測電極構(gòu)成兩個差分電容C1和C2。陀螺可動質(zhì)量塊在驅(qū)動信號作用下，沿驅(qū)動方向（X軸）作簡諧振動；當(dāng)Z軸方向有角速度0輸入時，可動質(zhì)量塊受哥氏力的作用沿檢測方向（Y軸）振動。檢測方向的振動使電容C1、C2發(fā)生差分變化。C1和C2的電容差C與檢測質(zhì)量塊在檢測方向振動的振幅成正比，且振動振幅與角速度0有關(guān)。只要檢測出C的變化幅值C0，就可以得到需要測量的角速度0。因此，對角速度的測量就可以轉(zhuǎn)化成對簡諧振動電容

13、變化幅度的測量。微機(jī)械陀螺信號處理電路 陀螺傳感器積分器高通濾波放大同步解調(diào)低通濾波放大同步解調(diào)低頻驅(qū)動移相器低通濾波放大調(diào)零輸出高頻載波參考信號微機(jī)械振動陀螺的檢測原理 YX對角速度0的測量可以轉(zhuǎn)化成測量簡諧振動的電容幅度 積分器電路 VcC1C2CpCIVo 放大器交流分析結(jié)果示意圖 the analytic result of AC about amplifier 積分器模擬輸出 相敏解調(diào)模擬結(jié)果 系統(tǒng)模擬結(jié)果 3.2由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。 穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。 1霍耳開關(guān)集成傳感

14、器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H1霍耳線性集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時,霍耳元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，為了提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；舳_關(guān)集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài)，而霍耳線性集成傳感器的輸出卻是對外加磁場的線性感應(yīng)。因此霍耳線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。霍耳線

15、性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種，其電路結(jié)構(gòu)如下圖。（六）霍耳線性集成傳感器單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675 雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖 單端輸出的傳感器是一個三端器件，它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是SL3501T。 雙端輸出的傳感器是一個8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M。 二、磁敏二極管和磁敏三極管 磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來的

16、新型磁電轉(zhuǎn)換元件。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識別磁場的極性；體積小、電路簡單等特點(diǎn)，因而正日益得到重視；并在檢測、控制等方面得到普遍應(yīng)用。 （一）磁敏二極管的工作原理和主要特性 1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理 （1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 有硅磁敏二級管和鍺磁敏二級管兩種。與普通二極管區(qū)別：普通二極管PN結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，磁敏二級管的PN結(jié)卻有很長的基區(qū)，大于載流子的擴(kuò)散長度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。一般鍺磁敏二級管用=40cm左右的P型或N型單晶做基區(qū)(鍺本征半導(dǎo)體的=50cm)，在它的兩端有P型和N型鍺，并引出，若代表長基區(qū)

17、，則其PN結(jié)實(shí)際上是由P結(jié)和N結(jié)共同組成。以2ACM1A為例，磁敏二級管的結(jié)構(gòu)是P+iN+型。+（b）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(a)結(jié)構(gòu); (b)電路符號H+H-N+區(qū)p+區(qū)i區(qū)r區(qū)電流（a）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型兩個區(qū)域，并在本征區(qū)（i）區(qū)的一個側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)合區(qū)(r區(qū))，而與r區(qū)相對的另一側(cè)面，保持為光滑無復(fù)合表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。PNPNPNH=0H+H-電流電流電流（a）（b）（c）磁敏二極管的工作原理示意圖流過二極管的電流也在變化，也就是說二極管等效電阻隨著磁場的不同而不同。 為什么磁敏二極管會有這種特性呢?下面作一下分析。

18、（2）磁敏二極管的工作原理 當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極即外加正偏壓時，隨著磁敏二極管所受磁場的變化，iii電子空穴復(fù)合區(qū)結(jié)論：隨著磁場大小和方向的變化，可產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化、特別是在較弱的磁場作用下，可獲得較大輸出電壓。若r區(qū)和r區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極管的靈敏度就越高。 磁敏二極管反向偏置時，則在 r區(qū)僅流過很微小的電流，顯得幾乎與磁場無關(guān)。因而二極管兩端電壓不會因受到磁場作用而有任何改變。 光電式傳感器 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 外光電效應(yīng)器件 第三節(jié) 內(nèi)光電效應(yīng)器件 第四節(jié) 新型光電傳感器 第五節(jié) 光敏傳感器的應(yīng)用舉例光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電

19、轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。三、光敏二極管和光敏三極管 光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾A到幾十A。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。 國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管有

20、三條引線。 1. 光敏二極管光敏二極管符號如圖。鍺光敏二極管有A，B，C，D四類；硅光敏二極管有2CU1AD系列、2DU14系列。 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。PN光光敏二極管符號RL 光PN光敏二極管接線 光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流當(dāng)光照射時，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當(dāng)光不照射時，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時，PN結(jié)附近受光子轟

21、擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，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。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。2. 光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴(kuò)大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓,基極開路時,集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時,會產(chǎn)生電

22、子-空穴對,在內(nèi)電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的倍。 PPNNNPe b bc RL Eec光敏三極管的主要特性：光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。當(dāng)入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子空穴對。當(dāng)入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達(dá)PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。（1）光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光/40008000120001600010080604020 0硅的峰值波

23、長為9000，鍺的峰值波長為15000。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進(jìn)行探測時,則采用鍺管較合適。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶體管的伏安特性（2）伏安特性 光敏三極管的伏安特性曲線如圖所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。U/V光敏晶

24、體管的光照特性I / AL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性 光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流 I 和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。 暗電流/mA光電流/mA10 203040506070T /C25 050100 02003004001020304050607080T/C光敏晶體管的溫度特性（4）溫度特性 光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很

25、小，而對暗電流的影響很大所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。（5）光敏三極管的頻率特性 光敏三極管的頻率特性曲線如圖所示。光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光調(diào)制頻率 / HZ相對靈敏度/%圖4.3-15光敏晶體管的頻率特性第五章 溫度傳感器 通過本章的學(xué)習(xí)了解溫度傳感器的作用、地位、分類和發(fā)展趨勢；掌握熱電偶三定律及

26、相關(guān)計(jì)算；掌握熱敏電阻不同類型的特點(diǎn)及應(yīng)用場合；掌握集成溫度傳感器使用方法；了解其他溫度傳感器工作原理。 第一節(jié) 概 論 第二節(jié) 熱電偶溫度傳感器 第三節(jié) 熱敏電阻溫度傳感器 第四節(jié) IC溫度傳感器 第五節(jié) 其他溫度傳感器 熱敏電阻是利用某種半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。 在溫度傳感器中應(yīng)用最多的有熱電偶、熱電阻（如鉑、銅電阻溫度計(jì)等）和熱敏電阻。熱敏電阻發(fā)展最為迅速，由于其性能得到不斷改進(jìn)，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場合下（-40350）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。 主要講述熱敏電阻的特點(diǎn)、分類，基本參數(shù)，主要特性和應(yīng)用等。 第三節(jié) 熱敏電阻溫度傳感器（一）熱敏電阻的

27、特點(diǎn) 1電阻溫度系數(shù)的范圍甚寬有正、負(fù)溫度系數(shù)和在某一特定溫度區(qū)域內(nèi)阻值突變的三種熱敏電阻元件。電阻溫度系數(shù)的絕對值比金屬大10100倍左右。 2材料加工容易、性能好 可根據(jù)使用要求加工成各種形狀，特別是能夠作到小型化。目前，最小的珠狀熱敏電阻其直徑僅為 0.2mm。 3阻值在110M之間可供自由選擇 使用時，一般可不必考慮線路引線電阻的影響；由于其功耗小、故不需采取冷端溫度補(bǔ)償，所以適合于遠(yuǎn)距離測溫和控溫使用。 一、熱敏電阻的特點(diǎn)與分類 4穩(wěn)定性好 商品化產(chǎn)品已有30多年歷史，加之近年在材料與工藝上不斷得到改進(jìn)。據(jù)報道，在0.01的小溫度范圍內(nèi)，其穩(wěn)定性可達(dá)0.0002的精度。相比之下，優(yōu)于

28、其它各種溫度傳感器。 5原料資源豐富，價格低廉 燒結(jié)表面均已經(jīng)玻璃封裝。故可用于較惡劣環(huán)境條件；另外由于熱敏電阻材料的遷移率很小，故其性能受磁場影響很小，這是十分可貴的特點(diǎn)。 熱敏電阻的種類很多，分類方法也不相同。按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性可分為： 1正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC） 電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，簡稱PTC熱敏阻器。它的主要材料是摻雜的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷。 2負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC） 電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器簡稱NTC熱敏電阻器。它的材料主要是一些過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷。 3突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTR該類電阻器的電阻值在某特定溫度范圍

29、內(nèi)隨溫度升高而降低34個數(shù)量級，即具有很大負(fù)溫度系數(shù)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。 （二）熱敏電阻的分類 （一）熱敏電阻器的電阻溫度特性（RTT） 1234鉑絲40601201600100101102103104105106RT/溫度T/C熱敏電阻的電阻-溫度特性曲線1-NTC；2-CTR； 3-4 PTC三、熱敏電阻器主要特性TT與RTT特性曲線一致。RT、RT0溫度為T、T0時熱敏電阻器的電阻值； BN NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。由測試結(jié)果表明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成的NTC熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍（小于450），都能利用該式，它僅是一個經(jīng)驗(yàn)公式。 1

30、負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器的溫度特性NTC的電阻溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：如果以lnRT、1/T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，則上式是一條斜率為BN ，通過點(diǎn)(1/T，lnRT)的一條直線,如圖。105104103102 0-101030507085100120T/C電阻/NTC熱敏電阻器的電阻-溫度曲線材料的不同或配方的比例和方法不同，則BN也不同。用lnRT1/T表示負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻溫度特性，在實(shí)際應(yīng)用中比較方便。為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25作為參考溫度（即T0=25），則NTC熱敏電阻器的電阻溫度關(guān)系式：RT/R25BN關(guān)系如下表。02550751001250.511.52

31、2.533.5(25C,1)RT / RT0-T特性曲線RT/R25T2.正電阻溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻器的電阻溫度特性其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變來取得的，典型特性曲線如圖10000100010010050100150200250R20=120R20=36.5R20=12.2PTC熱敏電阻器的電阻溫度曲線T/C電阻/Tp1Tp2Tc=175 CPTC熱敏電阻的工作溫度范圍較窄，在工作區(qū)兩端，電阻溫度曲線上有兩個拐點(diǎn)：Tp1和Tp2。當(dāng)溫度低于Tp1時，溫度靈敏度低；當(dāng)溫度升高到Tp1后，電阻值隨溫度值劇烈增高（按指數(shù)規(guī)律迅速增大）；當(dāng)溫度升到Tp2時，正溫度系數(shù)熱敏電阻器在工作溫度范圍內(nèi)存在溫度Tc，對應(yīng)有較大的溫度系數(shù)tp 。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度特性可近似用下面的實(shí)驗(yàn)公式表示：式中 RT、RT0溫度分別為T、T0時的電阻值； BP正溫度系數(shù)熱敏電阻器的材料常數(shù)。若對上式取對數(shù)，則得：以lnRT、T分別作為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，便得到下圖。 ）可見： 正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)tp ，正好等于它的材料常數(shù)BP的值。 lnRr1lnRr2BPmRBP=tg=mR/mrT1T2lnRr0mrlnRTT 表示的P