[工学]第八章 固态传感器.ppt

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。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 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。 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