常用物性型傳感器

常用物性型傳感器第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日第5章常用物性型傳感器

5.2壓電式傳感器5.1壓阻式傳感器

5.3光電式傳感器第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日5.1壓阻式傳感器

5.1.3溫度補償原理與方法5.1.1工作原理5.1.2結構與類型第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日

壓阻式傳感器是利用固體的壓阻效應制成的，主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。壓阻式傳感器有兩種類型，一種是利用半導體材料的體電阻做成粘貼式的應變片，這在第四章的電阻應變式傳感器中已介紹過。另一種是在半導體的基片上用集成電路工藝制成擴散型壓敏電阻，用它作為傳感元件制成的傳感器，稱固態(tài)壓阻式傳感器，也叫擴散型壓阻式傳感器。5.1壓阻式傳感器第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日5.1.1工作原理

在第4章已講過，任何材料發(fā)生變形時電阻的變化率由下式決定：

對于半導體材料而言，R/R=(1+2)+/=(1+2)+，它由兩部分組成：前一部分(1+2)表示由尺寸變化所致，后一部分表示由半導體材料的壓阻效應所致。實驗表明：>>1+2，也即半導體材料的電阻值變化主要是由電阻率變化引起的。因此可有：

其中，表示壓阻系數(shù)。半導體電阻率隨應變所引起的變化稱為半導體的壓阻效應。第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.晶向的表示方法擴散型壓阻式傳感器的基片是半導體單晶硅，而單晶硅是各向異性材料，取向不同時特性也不一樣。取向是用晶向來表示的，所謂晶向就是晶面的法線方向，晶向的表示方法有兩種，一種是截距法，另一種是法線法。對于圖5-1所示的平面，如果用截距法，可表示為如果用法線法，可表示為第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日

半導體材料（一般是單晶硅），沿三個晶軸方向取出一微元素，單晶硅上受到作用力時，微元素上的應力分量應有9個（如圖5-3所示），但剪切應力總是兩兩相等的，即有：23=32，13=31，12=21，9個分量中只有6個是獨立的，即：11、22、33、23、31、12是獨立的3.壓阻系數(shù)第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日6個獨立應力分量可寫成：1、2、3、4、5、6。有應力存在就會產生電阻率的變化。6個獨立應力分量分別可在6個相應的方向產生獨立的電阻率的變化，若電阻率的變化率/用符號表示，則6個獨立的電阻率的變化率可寫成：1、2、3、4、5、6。電阻率的變化率與應力之間通過壓阻系數(shù)相聯(lián)系，6個獨立的電阻率的變化率與6個獨立的應力分量之間的壓阻系數(shù)關系如表5-1所示。3.壓阻系數(shù)第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)的矩陣為：返回第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日5.1.2結構與類型硅壓阻式傳感器由外殼、硅膜片和引線組成，其結構原理參見圖5-4所示。其核心部分做成杯狀的硅膜片，通常叫做硅杯。外殼則因不同用途而異。在硅膜片上，用半導體工藝中的擴散摻雜法做四個相等的電阻，經蒸鍍鋁電極及連線，接成惠斯登電橋，再用壓焊法與外引線相連。膜片的一側是和被測系統(tǒng)相連接的高壓腔，另一側是低壓腔，通常和大氣相通，也有做成真空的。壓阻式傳感器的結構原理第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日

由圖5-5可見，均布壓力P產生的應力是不均勻的，且有正應力區(qū)和負應力區(qū)。當r=0.635r0時，r=0；當r<0.635r0時，r>0，即為拉應力；當r>0.635r0時，r<0，即為壓應力。當r=0.812r0時，t=0，僅有r存在，且r<0，即為壓應力。利用這一特性，選擇適當?shù)奈恢貌贾秒娮瑁蛊浣尤腚姌虻乃谋壑?，兩兩電阻在受力時一增一減，且阻值增加的兩個電阻和阻值減小的兩個電阻分別對接，形成差動全橋。5.1.2結構與類型第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日壓阻式傳感器的基本類型壓阻式壓力傳感器壓阻式加速度傳感器返回5.1.2結構與類型第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日由于半導體材料對溫度比較敏感，壓阻式傳感器的電阻值及靈敏度系數(shù)隨溫度變化而改變，將引起零點溫度漂移和靈敏度漂移，因此必須采取溫度補償措施。1.零點溫度補償零點溫度漂移是由于擴散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致造成的。一般用串、并聯(lián)電阻法補償，如圖5-7所示。5.1.3溫度補償原理與方法第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日靈敏度溫度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起的。溫度升高時，壓阻系數(shù)變小，溫度降低時，壓阻系數(shù)變大，說明傳感器的靈敏度系數(shù)為負值。溫度升高時，若提高電橋的電源電壓，使電橋的輸出適當增大，反之，溫度降低時，若使電源電壓降低，電橋的輸出適當減小，便可以實現(xiàn)對傳感器靈敏度的溫度補償。如圖5-7所示，在電源回路中串聯(lián)二極管進行溫度補償，電源采用恒壓源，當溫度升高時，二極管的正向壓降減小，于是電橋的橋壓增加，使其輸出增大。2.靈敏度溫度補償返回首頁第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日5.2壓電式傳感器

5.2.1壓電效應及壓電材料5.2.2等效電路及測量電路

5.2.3影響壓電式傳感器性能的主要因素第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日

某些介質材料在受力作用下，其表面會有電荷產生。根據這種現(xiàn)象制成的壓電式傳感器，是一種有源的雙向機電傳感器，具有體積小、重量輕、工作頻帶寬等特點，用于各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量，并在聲學、醫(yī)學、力學、宇航等方面得到了非常廣泛的應用。5.2壓電式傳感器第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日某些晶體或多晶陶瓷，當沿著一定方向受到外力作用時，內部就產生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產生機械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應。5.2.1壓電效應及壓電材料第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.壓電材料選用合適的壓電材料是設計高性能傳感器的關鍵。一般應考慮以下幾個方面：①轉換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；②機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、機械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率；③電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；④溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點、以期望得到寬的工作溫度范圍；⑤時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間蛻變。第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日具有壓電特性的單晶體統(tǒng)稱為壓電晶體。石英晶體是最典型而常用的壓電晶體。2.壓電材料壓電晶體第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日壓電陶瓷是一種經極化處理后的人工多晶鐵電體。材料內部的晶粒由許多自發(fā)極化的“電疇”組成，每一個電疇具有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零。2.壓電材料壓電陶瓷第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日隨著科技的發(fā)展，不斷出現(xiàn)一些新型的壓電材料。20世紀70年代出現(xiàn)了半導體壓電材料，如硫化鋅（ZnS）、銻化鉻（CdTe）等，因其既具有壓電特性，又具有半導體特性，故其既可用于壓電傳感器，又可用于制作電子器件，從而研制成新型集成壓電傳感器測試系統(tǒng)；近年來研制成功的有機高分子化合物，因其質輕柔軟、抗拉強度較高、蠕變小、耐沖擊等特點可制成大面積壓電元件。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復合材料（PVF2-PZT）。2.壓電材料新型壓電材料返回第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日5.2.2等效電路及測量電路壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產生電荷量的大小來反映的，故它相當于一個電荷源。而壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當于一個以壓電材料為電介質的電容器，其電容量為：式中：S為極板面積；d為壓電片厚度；

為壓電材料的介電常數(shù)；r為壓電材料的相對介電常數(shù)；0為真空介電常數(shù)。等效電路第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日1.等效電路基于以上分析，壓電傳感器可以等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖5-14(a)所示。在開路狀態(tài)，輸出端電荷為：壓電傳感器也可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源，如圖5-14(b)所示。在開路狀態(tài)下，電容器上的電壓U為：第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日如果用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時，則應考慮連接導線的等效電容Cc、前置放大器的輸入電阻Ri、放大器的輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻R。因此，壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實際等效電路參見圖5-15所示。1.等效電路第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.測量電路根據壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路，與壓電元件配套的測量電路的前置放大器也有兩種形式：電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日

電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號進行適當放大．因此也把這種測量電路稱為阻抗變換器。2.測量電路第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日壓電式傳感器連接電壓放大器的等效電路如圖5-16(a)所示，圖5-16(b)為簡化的等效電路圖。2.測量電路第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.測量電路第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠距離測量的電荷放大器，目前它巳被公認是一種較好的沖擊測量放大器。(2)電荷放大器第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日電荷放大器是另一種專用的前置放大器，是一個具有深度負反饋的高增益放大器，其等效電路如圖5-18(a)所示。由于放大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有電流，故可略去R、Ri并聯(lián)電阻的影響，等效電路如圖5-18(b)返回(2)電荷放大器第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日

壓式電傳感器可以廣泛應用于力、以及可以轉換為力的物理量的測量，如可以制成測力傳感器、加速度傳感器、金屬切削力測量傳感器等等，也可制成玻璃破碎報警器，廣泛用于文物保管、貴重商品保管等等。5.2.3影響壓電式傳感器性能的主要因素壓電式傳感器的應用第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日

基于壓電效應的壓電傳感器，它的靈敏度、頻響特性等是衡量其工作性能的主要指標。影響壓電傳感器工作性能的因素很多，如橫向靈敏度、安裝差異、環(huán)境溫度、濕度的變化、以及傳感器重量的負載影響、電磁場、基座應變帶來的影響等等。5.2.3影響壓電式傳感器性能的主要因素第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當加速度傳感器感受到與其主軸向(軸向靈敏度方向)垂直的單位加速度振動時的靈敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來表示；稱為橫向靈敏度比。5.2.3影響壓電傳感器工作性能的主要因素橫向靈敏度第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響都很大，它將使傳感器靈敏度發(fā)生變化。壓電材料不同，溫度影響的程度也不同。當溫度低于400℃時，其壓電常數(shù)和介電常數(shù)都很穩(wěn)定。環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能的影響也很大。如果傳感器長期在高濕度環(huán)境下工作，其絕緣電阻將會減小，低頻響應變壞。5.2.3影響壓電傳感器工作性能的主要因素環(huán)境溫度和濕度的影響第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日安裝方式的不同及安裝質量的差異，對傳感器頻響特性影響很大。此外試件表面的任何受力應變，都將通過傳感器基座直接傳給壓電元件，從而產生與被測信號無關的假信號輸出。5.2.3影響壓電傳感器工作性能的主要因素安裝差異及基座應變第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日為了減小這種噪聲?？墒褂锰刂频牡驮肼曤娎|，同時將電纜固緊，以免產生相對運動。在測試系統(tǒng)中接有多種測量儀器，如果各儀器與傳感器分別接地，各接地點又有電位差，這便在測量系統(tǒng)中產生噪聲。防止這種噪聲的有效辦法是整個測量系統(tǒng)在一點接地。而且選擇指示器的輸入端為接地點。5.2.3影響壓電傳感器工作性能的主要因素噪聲返回首頁第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日

光電器件是將光信號的變化轉換為電信號的一種傳感器件，其工作的物理基礎是光電效應。5.3光電式傳感器5.3.1光電效應及光電器件5.3.2光電器件的特性5.3.3光電式傳感器與新型光電檢測器第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日

由光的粒子學說可知，光可以認為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個光子所具有的能量與其頻率大小成正比。光照射在物體上就可看成是一連串的具有能量的粒子轟擊在物體上，這時物體吸收了光子能量后將引起電效應。這種因為吸收了光能后轉換為該物體中某些電子的能量而產生的電效應就稱為光電效應，可分為外光電效應、內光電效應和阻擋層光電效應三種類型。光電效應及光電器件第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日在光的照射下，使電子逸出物體表面而產生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應?；谕夤怆娦砉ぷ鞯墓怆娖骷泄怆姽芎凸怆姳对龉堋９怆娦肮怆娖骷谌彭?，共五十七頁，2022年，8月28日2.內光電效應在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化，引起電阻率或電導改變的現(xiàn)象稱為內光電效應，也稱光電導效應。在光線作用下，半導體材料吸收了入射的光子能量，若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性能增加，阻值降低。這種因光照而使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導效應?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻和反向偏置工作的光敏二極管和光敏三極管。第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日3.阻擋層光電效應在光線作用下，物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象，稱為阻擋層光電效應，也稱為光生伏特效應。光電池是基于光生伏特效應制成的，是自發(fā)電式有源器件。它有較大面積的PN結，當光照射在PN結上時，在結的兩端出現(xiàn)電動勢。硅和硒是光電池的最常用的材料，在一塊N型硅片上用擴散方法滲入一些P型雜質,從而形成一個大面積PN結，P層極薄能使光線穿透到PN結上。光電池與外電路的連接方式有兩種，一種是開路電壓輸出，開路電壓與光照度之間呈非線性關系；另一種是把PN結的兩端通過外導線短接，形成流過外電路的電流，也稱為光電池的短路輸出電流，其大小與光強成正比；光照度大于1000Lx時呈現(xiàn)飽和特性。第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日返回3.阻擋層光電效應第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日光電器件的靈敏度可用光照特性來表征，它是指半導體光電器件產生的光電流（光電壓）與光照之間的關系。光敏電阻的光照特性一般呈非線性，如圖5-27(a)所示，因此不宜作線性檢測元件，但可在自動控制系統(tǒng)中用作開關元件。光敏晶體管的光照特性如圖5-27(b)所示。它的靈敏度和線性度較好，在軍事、工業(yè)自動控制和民用電器中應用極廣，既可作線性轉換元件，也可作開關元件。光電池的光照特性如圖5-27(c)所示。5.3.2光電器件的特性1.光照特性第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日5.3.2光電器件的特性第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日伏安特性是指光照一定時，這些光電元件的端電壓U與電流I之間的關系。2.伏安特性

第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日半導體光電元件對不同波長的光，其靈敏度是不同的，因為只有能量大于半導體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子空穴對。而光子能量的大小與光的波長有關。3.光譜特性第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日

半導體光電元件的頻率特性是指它們的輸出電信號與調制光頻率變化的關系。4.頻率特性第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日5.溫度特性半導體材料易受溫度的影響，它直接影響光電流的值。因此需要討論這些光電元件的溫度特性，以便選用合適的工作溫度。返回第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日5.3.3光電式傳感器與新型光電檢測器1.光電傳感器的類型光電傳感器按其接收狀態(tài)可分為模擬和開關式光電傳感器兩類。（1）模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性，其光通量是隨被測量而變，光電流就成為被測量的函數(shù)，故稱為光電傳感器的函數(shù)運用狀態(tài)。有吸收式、反射式、遮光式、輻射式第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日5.3.3光電式傳感器與新型光電檢測器第五十頁，共五十七頁，2022年，8月28日開關式光電傳感器利用光電元件受光照或無光照時“有/無”電信號輸出的特性，將被測量轉換成斷續(xù)變化的開關信號。開關式光電傳感器對光電元件靈敏度要求較高，而對光照特性的線性性要求不高。此類傳感器主要應用于零件或產品的自動記數(shù)、光控開關、電子計算機的光電輸入設備、光電編碼器以及光電報警裝置等方面。(2)開關式光電傳感器第五十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日(2)開關式光電傳感器第五十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日電荷耦合器件(CCD)是典型的固體圖象傳感器，它是1970年貝爾實驗室的W·S·Boyle和G·E·Smith發(fā)明的，它與光敏二極管陣列集成為一體，構成具有自掃描功能的CCD圖象傳感器。它不僅作為高質量固體化的攝象器件成功地應用于廣播電視、可視電話和無線電傳真，而且在生產過程自動檢測和控制等領域已顯示出