【正文】 非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳。在正向偏壓條件下，氣體濃度增大，電流增大，輸出電壓增大。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。 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(cè) H2 濃度。當(dāng) UGSUT 時(shí)，溝道沒形成，無漏源電流 IDS=0。 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）。 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。 金屬鈀（ Pd）對(duì)氫氣（ H2）特別敏感?？傠娙?C 也是偏壓的函數(shù)。 氧化層（ SiO2）電容 Ca固定不變。 MOS二極管氣敏元件 在 P型硅上集成一層二氧化硅（ SiO2）層。加熱方式分為內(nèi)熱式和旁熱式。在常溫下，電導(dǎo)率變化不大，達(dá)不到檢測(cè)目的，因此以上結(jié)構(gòu)的氣敏元件都有電阻絲加熱器。 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。 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。 電阻型氣敏傳感器是目前使用較廣泛的一種氣敏元件。 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。 vv mP V? 相對(duì)濕度： 相對(duì)濕度是絕對(duì)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。 濕度的定義 濕度： 也稱 絕對(duì)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。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。利用這種半導(dǎo)體電阻的變化可檢測(cè)氣體或濕度。這可用來測(cè)量一點(diǎn)的溫度，如測(cè)溫度分布，則需進(jìn)行掃描。 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(cè)物體發(fā)射電磁波的能量。 PN 結(jié)作測(cè)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(cè)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(cè)溫器件正逐步成為現(xiàn)代溫度測(cè)量數(shù)字化的新型測(cè)溫元件 。 熱敏電阻測(cè)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。 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。 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。 ● 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。第二類為突變型，又稱臨界溫度型（ CTR）。 熱敏電阻一般指 NTC 熱敏電阻。 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。 類型： 半導(dǎo)體溫度傳感器分為兩類： 接觸型和非接觸型 。 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。 4）熱時(shí)間常數(shù)：指熱敏電阻器的熱惰性。 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(duì)變化量。 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)。 從使用上，熱敏電阻可分為接觸型和非接觸型。 3．了解半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀。 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。 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。 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(cè)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。 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 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。 聲表面波傳感器 —— 將被測(cè)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。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)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。當(dāng)振梁受拉伸力時(shí) ,其諧振頻率提高 ,反之則頻率降低。 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。 第六章 壓電傳感器 44 特點(diǎn)： 分離式結(jié)構(gòu)相比整體式結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是滯后 小、頻率穩(wěn)定性極佳。當(dāng)石英振子受靜態(tài)壓力作用時(shí)，振動(dòng)頻率發(fā)生變化，并且與所加壓力成線性關(guān)系。石英圓筒能有效地傳遞周圍的壓力。 原理： 振子和圓筒由一整塊石英晶體加工而成，諧振器的空腔被抽成真空，振動(dòng)兩側(cè)上各有一對(duì)電極。諧振器可制成包括圓片形振子和受力機(jī)構(gòu)的整體式或分離式結(jié)構(gòu)。 應(yīng)用： 線性石英晶體－頻率傳感器可用于熱過程流動(dòng)速度不高、間隔時(shí)間較長(zhǎng)的各種高精度溫度測(cè)量的場(chǎng)合以及多路遙控系統(tǒng)、水底探測(cè)等方面，還可用它制成高分辨率的直讀式數(shù)字自動(dòng)溫度計(jì)。兩個(gè)振蕩器的輸出經(jīng)門電路相加送往混頻器得到差頻輸出信號(hào)，它是被測(cè)溫度與基準(zhǔn)溫度（即基 準(zhǔn)振蕩器的溫度）之差與 1000赫／ ℃ （溫度系數(shù)）的乘積，因此該差頻輸出信號(hào)記錄了被測(cè)溫度的變化。 原理： 諧振器封裝于充氦氣的管殼內(nèi) ,在傳感器電路中利用它的壓電效應(yīng)和固有振動(dòng)頻率隨溫度變化的特性構(gòu)成熱敏振蕩器，它的基本諧振頻率為 28兆赫。 特點(diǎn)： 石英晶體諧振式傳感器的精度高，響應(yīng)速度較快，常用于測(cè)量溫度和壓力。 AuoCiqCaCeCr第六章 壓電傳感器 43 壓電諧振式傳感器 原理： 以石英晶體諧振器作為敏感元件的諧振式傳感器。 （ b） 等效電路 電荷放大器等效電路 （ a） 放大器電路 。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。） 前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。 （ b） 電荷源 由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。這兩種等效電路是完全等效的。 實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻 Ri、輸入電容 Ci 對(duì)電路的影響就必須一起考 慮進(jìn)去。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器，其電容量為： 等效電路為（ a）： 壓電元件的等效電路 （ a） 電壓源 ?？v向效應(yīng)是最常第六章 壓電傳感器 41 見的。 勁度系數(shù) 33A EAk S l l??，式中 E 為壓電晶片的楊氏模量。 電壓靈敏度 對(duì)式 3333Td lMaU A?? ， 當(dāng) ag? 時(shí) 即為靈敏度的電壓表示法，單位為 /Vg。 2﹑壓電加速度傳感器的參數(shù) 電荷 靈敏度 對(duì)式 33Q d Ma? ，當(dāng) ag? 時(shí)得到的電荷 Q值，稱為電荷靈敏度。 此時(shí)慣性力 F 作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷 q，當(dāng)傳感器選定后， m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為 q=d11F=d11ma 與加速度 a成正比。 2﹑壓電材料 目前壓電材料可分為三大類：一是 壓電晶體 (單晶 )，它包括壓電石英晶體和其他壓電單晶；二是 壓電陶瓷 (多晶半導(dǎo)瓷 )；三是 新型壓電材料 ，又可分為 壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料 兩種。 4. 了解各類壓電傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。 2．掌握掌握常用壓電材料。由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系 , 所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓 , 即可得知被測(cè)壓力的大小。 第五章 變磁阻式傳感器 38 圖 48 變隙電感式傳感器結(jié) 構(gòu)圖 當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入 C 形彈簧管時(shí) , C 形彈簧管產(chǎn)生變形 , 其自由端發(fā)生位移 , 帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng) , 使線圈 1 和線圈 2 中的電感發(fā)生大小相等、 符號(hào)相反的變化 , 即一個(gè)電感量增大 , 另一個(gè)電感量減小。當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí) , 膜盒的頂端在壓力 P 的作用下產(chǎn)生與壓力 P大小成正比的位移。 螺管形差動(dòng)變壓器 非電量測(cè)量中 , 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器 , 它可以測(cè)量 1～ 100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移 , 并具有測(cè)量精度高 , 靈敏度高 , 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多 , 有變隙式、 變面積式和螺線管式等 , 但其工作原理基本一樣。 第五章 變磁阻式傳感器 37 五 ﹑ 差動(dòng)變壓器式傳感器 把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。 為了使輸出特性能得到有效改善 , 構(gòu)成差動(dòng)的兩個(gè)變隙式電感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、 材料、電氣參數(shù)等方面均應(yīng)完全一致。當(dāng)銜鐵往上移動(dòng)Δδ時(shí) , 兩個(gè)線圈的電感變化量Δ LΔ L2 分別由及表示 , 當(dāng)差動(dòng)使用時(shí) , 兩個(gè)電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂 , 另兩個(gè)橋臂由電阻組成 , 電橋輸出電壓與Δ L有關(guān) , 其具體表達(dá)式為 00 2?????LL 靈敏度 K0為 000 2?? ???? LLK 比較單線圈和差動(dòng)兩種變間隙式電感傳感器的特性 , 可以得到如下結(jié)論 : ① 差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高一倍。為了減小非線性誤差 , 實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。 二、輸 出特性 設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙?0? , 初始電感量為 0L , 銜鐵位移引起的氣隙變化量為 ?? , 從式??2 0022 SwRwL m ??，可知 L 與δ之間是非線性關(guān)系 , 特性曲線如圖表示 。 通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻 , 即 111002 suLsu ??? 222002 suLsu ??? 則 磁阻 mR 可近似為 002suRm ?? 聯(lián)立式 以上各式 , 可得 第五章 變磁阻式傳感器 35 ??2 0022 SwRwL m ?? 上式表明 , 當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí) , 電感 L 僅僅是磁路中磁阻 Rm 的函數(shù) , 只要改變?chǔ)幕?S0 均可導(dǎo)致電感變化 , 因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積 S0 的傳感器。對(duì)于變隙式傳感器 , 因?yàn)闅庀逗苄?, 所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。 根據(jù)電感定義 ， 線圈中電感量可由下式確定 : IwIwIL ?????? 第五章 變磁阻式傳感器 34 式中 ： ? — 線圈總磁鏈 ； I —通過線圈的電流 ； w —線圈的匝數(shù) ； Φ —穿過線圈的磁通。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成 , 在鐵芯和銜鐵之間有氣隙 , 氣隙厚度為δ , 傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。 ? 教學(xué)內(nèi)容 一、工作原理 變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。 3．掌握 差動(dòng)變壓器式傳感器的 基 本原理。 4. 光纖 電流 傳感器 （了解） 第五章 變磁阻式傳感器 33 第五章 變磁阻式傳感器 ? 教學(xué)要求 1．掌握變磁阻式傳感器的原理。 光纖聲壓傳