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这是固态传感器课件ppt,包括了霍尔磁敏传感器,光敏传感器,光电传感器的应用举例,气敏传感器,湿敏传感器等内容,欢迎点击下载。

第八章  固态传感器
 §8-1     霍尔磁敏传感器
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛的应用。用它们可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用?;舳骷曰舳вξ涔ぷ骰?。
霍尔器件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀。
按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出被检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测被检对象上人为设置的磁场,用这个磁场作为被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转换成电量来进行检测和控制。
二、霍尔磁敏传感器工作原理
在电路中,霍尔元件常用下图所示的符号
表示:
霍尔元件的命名法:
欧姆接触
欧姆接触是指金属与半导体的接触,而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻,使得组件操作时,大部分的电压降在于活动区(Active region)而不在接触面。 欲形成好的欧姆接触,有二个先决条件: (1)金属与半导体间有低的界面能障(Barrier Height) (2)半导体有高浓度的杂质掺入(N ≧10EXP12 cm-3) 前者可使界面电流中热激发部分(Thermionic Emission)增加;后者则使界面空乏区变窄,电子有更多的机会直接穿透(Tunneling),而同使Rc阻值降低。 若半导体不是硅晶,而是其它能量间隙(Energy Cap)较大的半导体(如GaAs),则较难形成欧姆接触 (无适当的金属可用),必须于半导体表面掺杂高浓度杂质,形成Metal-n+-n or Metal-p+-p等结构。
霍尔式位移传感器
霍尔元件与被测物体相连接,当被测物移动,产生一定位移时,穿过霍尔元件的磁场变化,引起霍尔电势发生变化,可反映被测位移的大小。
保持霍尔元件的控制电流保持不变,则输出的霍尔电动势为:
                                                         k——位移传感器的灵敏度
§8-2    光敏传感器
光电传感器是利用光敏元件将光信号转换成电信号的传感器件。
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。
敏感波长在可见光波长附近,包括红外线波长和紫外线波长。
光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一。
光子是具有能量的粒子,每个光子的能量:
根据爱因斯坦假设,一个电子只能接受一个光子的能量,所以要使一个电子从物体表面逸出,必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功A0,超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理:
光敏电阻的工作原理和结构
光敏电阻的工作原理是基于光电导效应:
在无光照时,光敏电阻具有很高的阻值;
在有光照时,当光子的能量大于材料禁带宽度,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,激发出可以导电的电子-空穴对,导电性能增强,使电阻降低;光线愈强,激发出的电子-空穴对越多,电阻值越低;
光照停止后,自由电子与空穴复合,导电性能下降,电阻恢复原值。
因此,可将光信号转换为电信号。
光敏电阻的主要参数
光敏电阻的基本特性
1、光照特性:I—L
 用于描述光电流与光照强度之间的关系——非线性;
故其不宜作线性测量元件,多用作光电式开关元件。
2、光谱特性:灵敏度—λ
对于不同的波长,光敏电阻的灵敏度不同
硫化镉——峰值在可见光域
硫化铅——峰值在红外区域
可根据光源的波长来选择光敏元件——获得最佳灵敏度。
光敏电阻的基本特性
3、伏安特性:I—U
 用于描述在一定光照下,光敏电阻两端电压与光电流之间的关系。
与普通电阻相似,电压   ,电流   ,无饱和现象,但要注意不能超过额定值。
4、频率特性:I—f(Hz)
由于时间常数的存在,光敏电阻的阻值要经过一定的时间才能达到相应的数值。
T越小,能够反映的光信号的频率越高。
大多数光敏电阻的T大,频率特性差。
伏安特性:曲线1、2分别代表照度为零几位某一值时的伏安特性。
频率特性:曲线1、2分别代表硫化镉和硫化铅的光敏电阻的频率特性。
分类(命名方式):把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如,硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。
硅光电池价格便宜,转换效率高,寿命长,适于接受红外光。
硒光电池光电转换效率低(0.02%)、寿命短,适于接收可见光(响应峰值波长0.56μm),其光谱峰值位于人眼的视觉范围,所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。最适宜制造照度计。
砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高,光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高,更耐受宇宙射线的辐射。因此,它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。
光电池的结构和工作原理
硅光电池的工作原理基于光生伏特效应,它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成的一个大面积PN结。
当光照射P区表面时,若光子能量大于硅的禁带宽度,则在P型区内每吸收一个光子便产生一个电子-空穴对,P区表面吸收的光子越多,激发的电子空穴越多,越向内部越少。这种浓度差便形成从表面向体内扩散的自然趋势。由于PN结内电场的方向是由N区指向P区的,它使扩散到PN结附近的电子—空穴对分离,光生电子被推向N区,光生空穴被留在P区。从而使N区带负电,P区带正电,形成光生电动势。
光电池的光谱特性
不同的光电池,光谱峰值的位置不同;
硅光电池:
峰值:0.85μm
光谱范围:0.4~1.1μm
硒光电池:
峰值:0.54μm
光谱范围:0.34~0.75μm
可利用光源性质选择光电池,也可根据光电池特性来选择光源。
§8-4  气敏传感器
气敏传感器是用来感知、检测气体类别,浓度和成分的传感器 。
为了?;と死嗬狄陨娴淖匀换肪?,防止不幸事故的发生,需要对各种有害、可燃性气体,在环境中存在的情况进行有效地监控。
由于气体种类繁多, 性质各不相同,不可能用一种传感器检测所有类别的气体,因此,能实现气-电转换的传感器种类很多 。
按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类.目前实际使用最多的是半导体气敏传感器.
对气敏元件的要求:能长期稳定工作,重复性好,响应速度快,共存物质产生的影响小。
应用:用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上的天然气、煤气,石油化工等部门的易燃、易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时, 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的.
按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部,可分为表面控制型和体控制型。
前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受,结果使半导体的电导率等物理性质发生变化,但内部化学组成不变;后者半导体与气体的反应,使半导体内部组成发生变化,而使电导率变化.
按照半导体变化的物理特性,又可分为电阻型和非电阻型,电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时,其阻值变化来检测气体的成分或浓度; 非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数,如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的.
下表给出了半导体气敏器件的分类。从表中看出,目前研究和使用的半导体气敏器件大体上可分为电阻式和非电阻式两大类。电阻式又可分成表面电阻控制型和体电阻控制型。非电阻式又可分为利用表面电位的、二极管整流特性的和晶体管特性的三种。
1.可燃性气体泄漏报警器
 为防止煤气(H2,CO),天然气(CH4),液化石油气(C3H8、C4H10)及CO等气体泄漏引起中毒、燃烧或爆炸;
目前在该报警器上大都使用SnO2气体传感器。
在湿度大的场合如厨房,使用γ-Fe2O3气体传感器,此类传感器对湿度敏感性小,稳定性好。
2.汽车中应用的气体传感器
节省能源,防止环境污染,保持良好的车内环境;
控制燃空比,需用氧传感器(ZrO2传感器);
控制污染,检测排放气体,需用CO,NO,HCL,O2等传感器;
内部空调,需用CO、烟、湿度传感器。
3.在工业中应用的气体传感器
矿物冶炼过程中常使用氧传感器( ZrO2传感器),满足耐高温,耐腐蚀;
半导体工业中需要多种气体传感器,需要使用检测极低的浓度,可靠性好的传感器,常使用电化学气体传感器。
食品工业,对水产物的鲜度进行科学评价,使用电化学氧传感器。
4.检测大气污染方面用的气体传感器
对于污染环境需要检测的气体有SO2、H2S、NOX、CO、CO2等,需要定量测量,宜选用电化学气体传感器。
5.家电方面用的气体传感器
可燃气泄漏报警,换气扇,抽油烟机的自动控制。
湿度传感器的基本概念
空气中含有水蒸气的量称为湿度,含有水蒸气的空气是一种混合气体。主要有质量百分比和体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点(霜点)等表示法。
   1、质量百分比和体积百分比
质量为M的混合气体中,若含水蒸气的质量为m,则质量百分比为
2.绝对湿度和相对湿度
大气的干湿程度,通常是用大气中水汽的密度来表示的。
每1m3大气所含水汽的克数,称为大气的绝对湿度。
大气的水汽密度又可以规定为大气中所含水汽的压强,又把它称为大气的绝对湿度,用符号AH表示,常用的单位是mmHg。
把大气的绝对湿度跟当时气温下的饱和水汽压的百分比称为大气的相对湿度。
3.露点
水的饱和蒸汽压实随着温度的降低而逐渐下降。
结露:大气中的未饱和水汽接触到温度较低的物体时,就会使大气中的未饱和水汽达到或接近饱和状态,在这些物体上凝结成水滴,这种现象称为结露。
露点:就是指使大气中原来所含有的未饱和水汽变成饱和水汽所必须降低到的温度。(当此温度低于0℃时,又称为霜点)
湿度检测与控制的重要性
具有粉尘作业和电火工品生产的车间,当湿度小而产生静电时,容易产生爆炸;
大规模集成电路生产过程中,当相对湿度低于30%时,容易产生静电影响生产;
仓库湿度过大,会使存放的物资变质或霉烂;
纺织厂为了减少棉纱断头,车间要保持相当高的湿度;
人类的居住环境要保持一定的湿度才能舒适。
湿度传感器的特点:
可以集中进行控制,便于遥测;
不需要很大的检测空间;
可方便地与数字电路相匹配;
湿度传感器的应用领域:
空调系统;
半导体制造业,计算机房;
工业生产中的湿度控制;
粮食、烟草、纸张、药材、食品等储藏管理;
图书、资料、文物的保管;
精密光学、电子、化工、机械加工的湿度控制;
农业及饲料加工厂的湿度控制;
电子仪器及家用电器的湿度控制;
气象观测;
军工产品的生产及储存;
毛发湿度计
利用脱脂人发(或牛的肠衣)具有空气潮湿时伸长,干燥时缩短的特性,制成毛发湿度表或湿度自记仪器。人的头发有一种特性,它吸收空气中水汽的多少是随相对湿度的增大而增加的,而毛发的长短又和它所含有的水分多少有关。利用这一变化即可制造毛发湿度计。
用酒精等物将毛发洗净除油脂,以毛发十根为一束装置在容器中,利用杠杆原理,扩大它的伸缩藉指针直接在刻度板上指出湿度。
它的测湿精度较差,毛发湿度表通常在气温低于-10℃时使用。
毛发湿度计
干湿球湿度表
用一对并列装置的、形状完全相同的温度表,一支测气温,称干球温度表,另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布,称湿球温度表。
当空气未饱和时,湿球因表面蒸发需要消耗热量,从而使湿球温度下降。与此同时,湿球又从流经湿球的空气中不断取得热量补给。当湿球因蒸发而消耗的热量和从周围空气中获得的热量相平衡时,湿球温度就不再继续下降,从而出现一个干湿球温度差。
干湿球温度差值的大小,主要与当时的空气湿度有关??掌仍叫?,湿球表面的水分蒸发越快,湿球温度降得越多,干湿球的温差就越大;反之,空气湿度越大,湿球表面的水分蒸发越慢,湿球温度降得越少,干湿球的温差就越小。
三、 水分传感器
工作原理:只要采用两个电极把被测介质夹紧,或者使两电极插入介质中,通过检测两极间的电阻值便可知介质的水分含量。
介质的水分和电阻的关系在低水分区为指数特性,其电阻值随介质水分的增大而呈指数下降。
谷物水分传感器
纸张水分传感器
电容水分传感器
微波水分传感器
湿度传感器应用实例
1、鸡、鸭雏室湿度控制器
湿度传感器应用实例
2、汽车后窗玻璃自动去湿装置
湿度传感器应用实例
湿度传感器应用实例
3、盆花缺水指示器
 

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