《传感器与检测技术》课件项目7 环境量的检测.ppt

相关知识1839年A.E.贝可勒尔发现当光线落在浸没于电介液中的两个金属电极上，它们之间就产生电势，后来称这种现象为光生伏特效应。1873年W.史密斯和Ch.梅伊发现硒的光电导效应。1887年H.R.赫兹发现外光电效应。基于外光电效应的光电管和光电倍增管属真空电子管或离子管器件，曾在50～60年代广泛应用，直到目前仍在某些场合继续使用。虽然早在1919年T.W.凯斯就已取得硫化铊光导探测器的专利权，但半导体光敏元件却是在60年代以后随着半导体技术的发展而开始迅速发展的。在此期间各种光电材料都得到了全面的研究和广泛的应用。它们的结构有单晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它们的成分有元素半导体的和化合物半导体的，也有多元混晶的。其中最重要的两种是硅和碲镉汞。通过对光电效应和器件原理的研究已发展了多种光电器件（如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、场效应光电管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件等），适用于不同的场合。光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化转换成电量的传感器，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件参数的变化将光信号转换成电信号，它的物理基础是光电效应。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接收光通量的光电元件的输出电量也作相应的变化，最后用电量来表示被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。光电检测方法具有精度高、不易受电磁干扰、反应快、非接触、可靠性高等优点，有多种参数都可测量，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领琙内得到广泛应用。7.3.1光电效应光电器件的理论基础是光电效应，光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为式中：h—普朗克常数，h=6.626*10-34J.S;v0—光的频率。根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只给一个电子。因此，如果一个电子要从物体中逸出，人射光子能量E必须大于物体表面逸出功A0，这时，逸出表面的电子具有的动能，可用光电效应方表示为：式中：m—电子的质量；v—电子逸出的初始速度。根据光电效应方程，当光照射在某些物体上时，光能量作用于被测物体而释放出电子，即物体吸收具有一定能量的光子后所产生的电效应，这就是光电效应。光电效应中所释放出的电子叫光电子，能产生光电效应的敏感材料称作光电材料。光电效应一般分为外光电效应和内光电效应两大类。1．外光电效应当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离村料表面而进人外界空间，这种现象称为外光电效应，也是说，外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。根据外光电效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。2.内光电效应内光电效应是指物体受到光照后所产生的光电子只在物体内部运动，而不会逸出物体的现象。内光电效应多发生于半导体内，可分为因光照引起半导体电阻变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。1)光电导效应物体在人射光能量的激发下，其内部产生光生载流子（电子空穴对），使物体中载流子数量显著增加而电阻减小的现象。这种效应在大多数半导体和绝缘体中都存在，但金属因电子能态不同，不会产生光电导效应。2)光生伏特效应光照在半导体中激发出的光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象，是将光能变为电能的一种效应。光照在半导体PN结或金属-半导体接触面上时，在PN结或金属-半导体接触面的两侧会产生光生电动势，这是因为PN结或金属-半导体接触面因材料不同质或不均匀而存在内建电场，半导体受光照激发产生的电子或空穴会在内建电场的作用下向相反方向移动和积聚，从而产生电位差。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻；基于光生伏特效应的光电器件典型的有光电池，此外，光敏二极管、光三极管也是基于光生伏特效应的光电器件。7.3.2光电器件1.光敏电阻当入射光照到半导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，则电子受光子的激发由价带越过禁带跃迁到导带，在价带中就留有空穴，在外加电压下，导带中的电子和价带中的空穴同时参与导电，即载流子数增多，电阻率下降，由于光的照射，使半导体的电阻变化，所以称为光敏电阻。1）光敏电阻的结构和工作原理(a)结构；(b)梳状电极；(c)测量电路图7-23光敏电阻图7-23(a)为单晶光敏电阻的结构图一般单晶的体积小，受光面积也小，额定电流容量低。为了加大感光面，通常采用微电子工艺在玻璃(或陶瓷)基片上均匀地涂敷一层