【導(dǎo)讀】1．掌握傳感器的基本概念。2．掌握傳感器的組成框圖。3．掌握傳感器的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。4．了解傳感器的課程性質(zhì)和課程任務(wù)。5．了解傳感器的分類和發(fā)展趨勢。的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。顧名思義，傳感器的功能是一。感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。所表現(xiàn)出來的輸出響應(yīng)特性，稱靜態(tài)響應(yīng)特性。測量范圍、精度、靈敏度、穩(wěn)定性、非線性度、重復(fù)性、靈敏閾和分辨力、遲滯。靈敏閾是指傳感器能夠區(qū)分出的最小讀數(shù)變化量。輸出量的每個(gè)階梯所代表的輸入量的大小。發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。當(dāng)具有初始電阻值的應(yīng)變計(jì)粘貼于試件表面時(shí)，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變計(jì)的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化。必須指出，應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)并不等于其敏感柵整長應(yīng)變絲的靈敏度系數(shù)，響應(yīng)時(shí)，就會(huì)有時(shí)間的遲后。使應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生殘余變形，導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)輸出的不重合。次重復(fù)預(yù)加、卸載，來減小機(jī)械滯后產(chǎn)生的誤差。

　　

【正文】 小、頻率穩(wěn)定性極佳。但它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工困難、成本也高。 振梁式： 壓力傳感器的諧振器還有振梁式，也是由 AT 切型石英晶體制成，振梁橫跨于諧振器中央。在振梁的兩端上下對稱設(shè)置四個(gè)電極，用于激勵(lì)振動(dòng) 和拾取頻率信號(hào)。當(dāng)振梁受拉伸力時(shí) ,其諧振頻率提高 ,反之則頻率降低。因此輸出頻率的變化可反映輸入力的大小。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是對溫度、振動(dòng)、加速度等 外界干擾不敏感、穩(wěn)定性好、品質(zhì)因數(shù)高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等。 聲表面波傳感器 SAW 傳感器的基本原理 聲表面波― 聲表面波（ Surface Acoustic Wave， SAW）是一種沿彈性基體表面?zhèn)鞑サ穆暡?，其振幅隨壓電基體材料深度的增大按指數(shù)規(guī)律衰減。 聲表面波傳感器 —— 將被測量的變化轉(zhuǎn)換為聲表面波振蕩器振蕩頻率的變化，這樣就構(gòu)成了相應(yīng)用途的聲表面波傳感器，它是一種新型的頻率式傳感器。 1979 年 Wohltjen 和 Dessy 首次提出了將聲表面波 SAW 用作氣體傳感器，經(jīng)過 20 年的研究與發(fā)展，目前已研制出 SO NO H2S、水蒸氣、丙酮、甲醇等多種 SAW 氣體傳感器，廣泛應(yīng)用于有害氣體環(huán)境監(jiān)測、臨床分析、雷達(dá)通訊、電子對抗等軍用、民用領(lǐng)域。 SAW 壓力傳感器 原理： 當(dāng)傳感器表面有壓力作用時(shí)， SAW 壓力傳感器的壓電薄膜就會(huì)產(chǎn)生形變，薄膜材料的應(yīng)變會(huì)使得聲表面波傳播速度發(fā)生變化，從而使聲表面波的中心諧振頻率發(fā)生變化。通過檢測 SAW 壓力傳感器的中心諧振頻率變化，就能得到壓力變化的數(shù)據(jù)。 SAW 熱敏傳感器 利用 SAW 振蕩器振蕩頻率隨溫度變化的原理構(gòu)成的溫度傳感器，稱為 SAW熱敏傳感器。 SAW 氣敏傳感器 聲表面波器件之波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。 聲表面波氣敏第六章 壓電傳感器 45 傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂 覆一層 選擇性吸附氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。 SAW 電力傳感器 （了解） SAW 加速度傳感器 （了解） SAW 流量傳感器 （了解） 第七章 壓電聲傳感器 46 第七章 壓電聲傳感器 換能器及其分類：聲傳感器常稱為換能器。按照轉(zhuǎn)換原理 可將換能器分為電動(dòng)式換能器﹑電磁式換能器﹑電容式換能器﹑壓電式換能器﹑磁致伸縮換能器和電致伸縮換能器等。 第八章 半導(dǎo)體傳感器 47 第八章 半導(dǎo)體傳感器 ? 教學(xué)要求 1．掌握半導(dǎo)體溫度﹑濕度﹑氣體和磁敏傳感器的基本原理。 2．掌握霍爾效應(yīng)及其霍爾電壓的計(jì)算。 3．了解半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀。 ? 教學(xué)內(nèi)容 半導(dǎo)體溫度傳感器 熱敏電阻是根據(jù)半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率與溫度有很強(qiáng)的依賴關(guān)系而制成的一種器件 。 從使用上，熱敏電阻可分為接觸型和非接觸型。 接觸型半導(dǎo)體傳感器 1. 半導(dǎo)體熱敏電阻 特點(diǎn)： ① 靈敏度較高，其電阻溫度 系數(shù)要比金屬大 10～ 100 倍以上，能檢測出 106℃ 的溫度變化； ② 工作溫度范圍寬，常溫器件適用于 55℃ ～ 315℃ ，高溫 器件適用溫度高于 315℃ （目前最高可達(dá)到 2020℃ ），低溫器件適用于 273℃ ～55℃ ； ③ 體積小，能夠測量其他溫度計(jì)無法測量的空隙、腔體及生物體 內(nèi)血管的溫度； ④ 使用方便，電阻值可在 ～ 100kΩ 間任意選擇； ⑤ 易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)； ⑥ 穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng) 。 主要參數(shù)： 1）標(biāo)稱阻值 2）材料常數(shù)：是反應(yīng)熱敏電阻器熱靈敏度的指標(biāo)。通常，該值越大，熱敏電阻器的靈敏度 和電阻率越高。 3）電阻溫度系數(shù)：表示熱敏電阻器在零功率條件下，其溫度每變化 1℃所引起電阻值的相對變化量。 熱敏電阻的電阻值與溫度的關(guān)系為： 第八章 半導(dǎo)體傳感器 48 A， B是與半導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)， T為絕對溫度，根據(jù)定義，電阻溫度系數(shù)為： Rt是在溫度為 t時(shí)的電阻值。 4）熱時(shí)間常數(shù)：指熱敏電阻器的熱惰性。即在無功功率狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度突變時(shí)，電阻體溫度由初值變化到最終溫度之差的 ％所需的時(shí)間。 5） 散熱 系數(shù)：指熱敏電阻器的溫度每增加 1℃ 所耗散的功率。 6）最高工作溫度：指熱敏電阻器 在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下，長期連續(xù)工作時(shí)所允許承受的最高溫度。 類型： 半導(dǎo)體溫度傳感器分為兩類： 接觸型和非接觸型 。接觸型又分為 熱敏電阻與PN結(jié)型兩種。 隨著溫度的變化，半導(dǎo)體感溫器件電阻會(huì)發(fā)生較大的變化，這種器件稱為熱敏電阻。常用的熱敏電阻為陶瓷熱敏電阻 ,分為 負(fù)溫度系數(shù) (NTC)熱敏電阻、正溫度系數(shù) (PTC)熱敏電阻和臨界溫度電阻 (CTR)。 熱敏電阻一般指 NTC 熱敏電阻。 第一類用于測量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系。第二類為突變型，又稱臨界溫度型（ CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻 值突然下降。 ● 正溫度系數(shù)熱敏電阻器 結(jié)構(gòu) —— 用鈦酸鋇（ BaTiO3）、鍶（ Sr）、鋯（ Zr）等材料制成的。屬直熱式熱敏電阻器。 特性 —— 電阻值與溫度變化成正比關(guān)系，即當(dāng)溫度升高時(shí)電阻值隨之增大。在常溫下，其電阻值較小，僅有幾歐姆～幾十歐姆；當(dāng)流經(jīng)它的電流超過額定值時(shí)，其電阻值能在幾秒鐘內(nèi)迅速增大至數(shù)百歐姆～數(shù)千歐姆以上。 作用與應(yīng)用 —— 廣泛應(yīng)用于彩色電視機(jī)消磁電路、電冰箱壓縮機(jī)啟動(dòng)電路及過熱或過電流保護(hù)等電路中、還可用于電驅(qū)蚊器和卷發(fā)器、電熱墊、暖器等小家電中。 ● 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器 第八章 半導(dǎo)體傳感器 49 結(jié)構(gòu) —— 用錳（ Mn）、鈷（ Co）、鎳（ Ni）、銅（ Cu）、鋁（ Al）等金屬氧化物（具有半導(dǎo)體性質(zhì)）或碳化硅（ SiC）等材料采用陶瓷工藝制成的。 特性 —— 電阻值與溫度變化成反比關(guān)系，即當(dāng)溫度升高時(shí)，電阻值隨之減小。 作用與應(yīng)用 —— 廣泛應(yīng)用于電冰箱、空調(diào)器、微波爐、電烤箱、復(fù)印機(jī) 等家電及辦公產(chǎn)品中，作溫度檢測、溫度補(bǔ)償、溫度控制、微波功率測量及穩(wěn)壓控制用。 熱敏電阻測溫的基本電路 ：掌握 P171,圖 熱敏電阻的基本聯(lián)接法 ，并能計(jì)算橋路的輸出電壓。 2. PN 結(jié)型熱敏器件 PN 結(jié)溫度傳感器是一種利用半導(dǎo)體二極管、三極管的特性 與溫度的依賴關(guān)系制成的溫度傳感器。 PN 結(jié)作測溫器件的半導(dǎo)體傳感器具有靈敏度高、線性好、熱響應(yīng)快和體積小等特點(diǎn)，特別在溫度測量數(shù)字化、控溫應(yīng)用以及用計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)采集和處理等方面，具有其他溫度傳感器所不能相比的優(yōu)越性．因此PN結(jié)的測溫器件正逐步成為現(xiàn)代溫度測量數(shù)字化的新型測溫元件 。 3. 集成（ IC）溫度傳感器 設(shè)計(jì)原理：對于集電極電流比一定的兩個(gè)晶體管，其 BEU 之差 BEU? 與溫度有關(guān)。 12lnCbeCIkTU qI?? 4. 半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（了解） 非接觸型半導(dǎo)體溫度傳感器 原理： 非接觸型溫度傳感器可檢出被測物體發(fā)射電磁波的能量。傳感器可以是將放射能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體物質(zhì)，也可以先將放射能轉(zhuǎn)換為熱能，使溫度升高，然后將溫度變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而檢出。這可用來測量一點(diǎn)的溫度，如測溫度分布，則需進(jìn)行掃描。 半導(dǎo)體濕度傳感器 當(dāng)半導(dǎo)體表面或界面吸附氣體分子或水分子時(shí)，半導(dǎo)體表面或界面的能帶發(fā)第八章 半導(dǎo)體傳感器 50 生變化。利用這種半導(dǎo)體電阻的變化可檢測氣體或濕度。半導(dǎo)體濕度傳感器具有體積小、 重量輕的特點(diǎn) ,實(shí)用的有 ZnOCr2O3 系、 TiO2V2O5 系陶瓷濕度傳感器。ZnOCr2O3 系陶瓷濕度傳感器用于室內(nèi)空調(diào)，可精密控制濕度，與微機(jī)結(jié)合能自動(dòng)去濕 ,節(jié)省電能。 TiO2V2O5系陶瓷濕度傳感器耐熱性好 ,可測量 60℃ 以上的環(huán)境濕度 ,還可用于醫(yī)藥、合成纖維工廠中存在有機(jī)物蒸氣時(shí)的濕度測量。 濕度的定義 濕度： 也稱 絕對濕度 ， 是一定體積的空氣中含有的水蒸氣的質(zhì)量，一般其單位是克 /立方米。絕對濕度的最大限度是飽和狀態(tài)下的最高濕度。 vv mP V? 相對濕度： 相對濕度是絕對濕度與最高濕度之間的比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高。 100%vsPH P?? 露點(diǎn)溫度： 在一定的空氣壓力下，逐漸降低空氣的溫度，當(dāng)空氣中所含水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始凝結(jié)形成水滴時(shí)的溫度叫做該空氣在空氣壓力下的露點(diǎn)溫度。 半導(dǎo)體氣體傳感器 氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)，導(dǎo)致敏感元件阻值變化，如： 氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體，被稱為氧化型氣體 —— 電子接收性氣體； 氫、碳氧化合物 、醇類等具有正離子吸附傾向的氣體，被稱為還原型氣體 ——電子供給性氣體。 當(dāng)氧化型氣體吸附到 N型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升； 當(dāng)氧化型氣體吸附到 P型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降； 第八章 半導(dǎo)體傳感器 51 當(dāng)還原型氣體吸附到 N型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降； 當(dāng)還原型氣體吸附到 P型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升； N型半導(dǎo)體與氣體接觸時(shí)的氧化還原反映 按半導(dǎo)體的物理特性，氣敏傳感器可分為電阻型和非電阻型。 電阻型氣敏傳感器是目前使用較廣泛的一種氣敏元件。 結(jié)構(gòu)： 敏感元件、加熱器、外殼； 按制造工藝分為 ：燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。 氣敏電阻的材料是金屬氧化物，合成時(shí)加敏感材料和催化劑燒結(jié)，金屬氧化物有： N 型半導(dǎo)體，如： SnO2， Fe2O3， ZnO， TiO P 型半導(dǎo)體，如： CoO2， PbO， MnO2， CrO3 這些金屬氧化物在常溫下是絕 緣的，制成半導(dǎo)體后顯示氣敏特性。 通常器件工作在空氣中，由于氧化的作用，空氣中的氧被半導(dǎo)體（ N型半導(dǎo)體）材料的電子吸附負(fù)電荷，結(jié)果半導(dǎo)體材料的傳導(dǎo)電子減少，電阻增加，使器件處于高阻狀態(tài)；當(dāng)氣敏元件與被測氣體接觸時(shí)，會(huì)與吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，將束縛的電子釋放出來，敏感膜表面電導(dǎo)增加，使元件電阻減小。 空氣中 —— 氧化作用 —— 氧被電子吸附 —— 電子減少 —— 高阻狀態(tài)； 氣體接觸 —— 吸附 —— 氧發(fā)生反應(yīng) —— 電子釋放 —— 電導(dǎo)增加 —— 電阻減小。 第八章 半導(dǎo)體傳感器 52 氣敏元件的加熱作用： 電阻型氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（ 2020C— 4500C），目 的是為了加速氣體吸附和上述的氧化還原反應(yīng)，提高靈敏度和響應(yīng)速度；另外使附著在殼面上的油霧、塵埃燒掉。在常溫下，電導(dǎo)率變化不大，達(dá)不到檢測目的，因此以上結(jié)構(gòu)的氣敏元件都有電阻絲加熱器。加熱時(shí)間 2— 3 分鐘，加熱電源一般為 5V。加熱方式分為內(nèi)熱式和旁熱式。 氣敏傳感器測量電路 敏器件 非電阻型氣敏傳感器，是利用 MOS 二極管的電容 — 電壓特性變化； MOS場效應(yīng)管的閾值電壓的變化；肖特基金屬半導(dǎo)體二極管的勢壘變化進(jìn)行氣體檢測。 MOS二極管氣敏元件 在 P型硅上集成一層二氧化硅（ SiO2）層。在氧化層蒸發(fā)一層鈀（ Pd）金屬膜作電極。 氧化層（ SiO2）電容 Ca固定不變。而硅片與 SiO2層電容 Cs是外加電層的功函數(shù)?？傠娙?C 也是偏壓的函數(shù)。曲線 C— U特性中， MOS 二極管的等效電容 C隨電壓 U變化。 金屬鈀（ Pd）對氫氣（ H2）特別敏感。當(dāng) Pd吸附以后，使 Pd 的功函數(shù)下降，使 MOS 管 C— U特 性向左平移（向負(fù)方向偏移），利用這一特性用于測定的濃度。 第八章 半導(dǎo)體傳感器 53 MOS二極管氣敏元件結(jié)構(gòu)和等效電路 MOSFET 氣敏元件 鈀 Pd— MOSFET 管結(jié)構(gòu)如圖所示。 Pd對 H2 吸附性很強(qiáng)， H2吸附在 Pd柵上引起的 Pd功函數(shù)降低。 MOSFET 管當(dāng)柵極（ G）、源極（ S）間加正向偏壓 UGS， UGSUT 閥值時(shí)，柵極氧化層下的硅從 P變?yōu)?N型， N型區(qū)將 S（源）和 D（漏）連接起來，形成導(dǎo)電通道 （ N型溝道）。此時(shí) MOSFET 進(jìn)入工作狀態(tài)，在 S— D間加電壓 UDS， S— D間有電流 IDS 流過， IDS 隨 UDS、 UGS 變化。當(dāng) UGSUT 時(shí)，溝道沒形成，無漏源電流 IDS=0。 UT（閥值）電壓大小與金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)有關(guān)。 Pd— MOSFET 器件就是利用 H2在鈀柵極吸附后改變功函數(shù)使 UT 下降，檢測 H2 濃度。 鈀 Pd— MOSFET 管結(jié)構(gòu) 肖特基二極管 肖特基二極管 金屬和半導(dǎo)體接觸的界面形成肖特基勢壘，構(gòu)成金屬半導(dǎo)體二極管。管子加正偏壓，半導(dǎo)體金屬的電子流增加，加負(fù)偏壓，幾乎無 電流。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體界面有氣體時(shí)，勢壘降低，電流變化（金屬 與半導(dǎo)體界面吸附氣體，影響禁帶寬度 Eg）。在正向偏壓條件下，氣體濃度增大，電流增大，輸出電壓增大。測試電流電壓值可知?dú)怏w濃度。非電阻型半導(dǎo)體氣敏