《固态传感器 》PPT课件.ppt
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1、第八章第八章 固态传感器固态传感器 以半导体、电解质、铁电体等为敏感材料,在力、以半导体、电解质、铁电体等为敏感材料,在力、磁、热、射线、气体、湿度等因素作用下引起磁、热、射线、气体、湿度等因素作用下引起材料材料物理特性变化物理特性变化,通过检测其物理特性变化,来反映,通过检测其物理特性变化,来反映被测参数值。建立在这一原理基础上的传感器称为被测参数值。建立在这一原理基础上的传感器称为固态传感器固态传感器。固态传感器主要包括:磁敏传感器、光敏传感器、固态传感器主要包括:磁敏传感器、光敏传感器、电荷耦合器件、气体传感器、湿度传感器等等。电荷耦合器件、气体传感器、湿度传感器等等。固态传感器的优点:
2、物性型传感器,没有相对运动部件,无磨损,结构简单,小型轻量;半导体材料为敏感元件,易于集成化、一体化、多功能化、图像化、智能化。功耗低,安全可靠。缺点非线性,测量范围窄;易产生温飘,需要温度补偿;性能参数离散性大,互换性差。8-1 霍尔磁敏传感器霍尔磁敏传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。霍尔元件是一霍尔元件是一种四端元件种四端元件物理
3、现象观察霍尔效应一、霍尔效应一、霍尔效应 通电的导体或半导体,在垂直于电流和磁场的方通电的导体或半导体,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。在两端截面之间建立的电向上将产生电动势的现象。在两端截面之间建立的电场称为霍尔电场场称为霍尔电场EH,相应的电势称为霍尔电势相应的电势称为霍尔电势UH。+I+Lbd霍尔效应原理图UH-fLvfE 设霍尔片的长度为L,宽度为b,厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动,则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下,它受到洛仑兹力e电子电量(1.6210-19C);v电于运动速度。同时,作用于电子的电场力 二、霍尔磁敏传感器工作原理二、霍尔磁敏传感器工作原理当
4、达到动态平衡(fE+fL=0)时+I+Lbd霍尔效应原理图UH-fLvfE霍尔电势UH与 I、B的乘积成正比,而与d成反比。于是可改写成:电流密度j=-nevnN型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体 霍尔系数霍尔系数,由载流材料物理性质决定。,由载流材料物理性质决定。材料电阻率材料电阻率pP型半导体中的空穴浓度载流子迁移率载流子迁移率,=v v/E,/E,即单位电场强度作用下载流子的平均即单位电场强度作用下载流子的平均速度。速度。设 KH=-RH /d RH 霍尔系数,霍尔系数,KH称为霍尔器件的灵敏度。它与载称为霍尔器件的灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关,表示在单位磁感流材料
5、的物理性质和几何尺寸有关,表示在单位磁感应强度和单位控制电流作用下,霍尔电势的大小。应强度和单位控制电流作用下,霍尔电势的大小。对于金属而言,对于金属而言,由于金属电子浓度很高,所以它的霍尔系数或灵敏度由于金属电子浓度很高,所以它的霍尔系数或灵敏度都很小,因此不适合制作霍尔元件。都很小,因此不适合制作霍尔元件。元件的厚度元件的厚度d越小,灵敏度越高,因而制作霍尔元越小,灵敏度越高,因而制作霍尔元件时可采取减小件时可采取减小d的方法来增加灵敏度,但是不能认为的方法来增加灵敏度,但是不能认为d越小越好,因为这样会导致元件的输入和输出电阻增越小越好,因为这样会导致元件的输入和输出电阻增加。加。若磁感
6、应强度若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角的方向与霍尔器件的平面法线夹角为为时,霍尔电时,霍尔电势势应为:应为:UH KH I B cos 注意:当控制电流的方向或磁场方向换向时,输出霍注意:当控制电流的方向或磁场方向换向时,输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时换向时,尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时换向时,霍尔电势并不改变方向。霍尔电势并不改变方向。霍尔片一般采用霍尔片一般采用N型锗型锗(Ge)、锑化铟、锑化铟(InSb)和砷化和砷化铟铟(InAs)等半导体材料制成。采用砷化铟材料作霍尔等半导体材料制成。采用砷化铟材料作霍尔元件的比较多。元件的比较多。霍尔元件的结构比较
7、简单,它由霍尔片,引线和霍尔元件的结构比较简单,它由霍尔片,引线和壳体组成,如右图所示。壳体组成,如右图所示。在短边的两个端面上焊出两根控制在短边的两个端面上焊出两根控制电流端引线电流端引线(图中的图中的1、1),在长边中,在长边中点以点焊形式焊出两根霍尔电势输出点以点焊形式焊出两根霍尔电势输出端引线端引线(图中的图中的2、2),焊点要求接触,焊点要求接触电阻小电阻小(即欧姆接触即欧姆接触)。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。三、材料及结构特点三、材料及结构特点 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:基本测量电路:基本
8、测量电路:RW调节控制电流的大小。RL为负载电阻,可以是放大器的内阻或指示器内阻。霍尔效应建立的时间极短(10-1210-14S),I即 可以是直流,也可以是交流。若被测物理量是I、B或者IB乘积的函数,通过测量霍尔电势UH就可知道被测量的大小。四、测量电路四、测量电路 1、UHI特性特性 当磁场恒定时,在一定温度下测定控制电流当磁场恒定时,在一定温度下测定控制电流I与霍尔电势与霍尔电势UH,可得到良好的线性关系,如下图所示:可得到良好的线性关系,如下图所示:五、电磁特性五、电磁特性其直线的斜率称为控制电流灵敏其直线的斜率称为控制电流灵敏度,以符号度,以符号KI表示:表示:据霍尔元件的计算公式
9、,可得:据霍尔元件的计算公式,可得:可见,灵敏度可见,灵敏度KH大的元件,其控大的元件,其控制电流灵敏度一般也很大。制电流灵敏度一般也很大。2、UHB特性特性 当控制电流保持不变时,元件的开路霍尔输出随磁场强度当控制电流保持不变时,元件的开路霍尔输出随磁场强度的增加不完全呈线性关系,而有非线性偏离。如下图所示:的增加不完全呈线性关系,而有非线性偏离。如下图所示:磁场的边缘效应锑化铟砷化铟锗六、误差分析及其补偿方法六、误差分析及其补偿方法1 1元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响 在霍尔电势的表达式中,是将霍尔片的长度在霍尔电势的表达式中,是将霍尔片的
10、长度L L看作无穷大来看作无穷大来考虑的。实际上,霍尔片只有一定的长宽比考虑的。实际上,霍尔片只有一定的长宽比L Lb b,存在着霍尔,存在着霍尔电场被控制电流极短路的影响,因此应在霍尔电势的表达式中,电场被控制电流极短路的影响,因此应在霍尔电势的表达式中,增加一项与元件几何尺寸有关增加一项与元件几何尺寸有关的系数。这样的系数。这样(8(810)10)式可写成如下式可写成如下形式形式:形状系数fH(L/b)与长宽比L/b之间的关系如右图所示。由图可知,当Lb2时,形状系数接近1。因此为了提高元件的灵敏度,可适当增大Lb值,但是实际设计时取Lb2已经足够了,因为Lb过大反而使输入功耗增加了,以致
11、降低元件的效率。2、不等位电势补偿当霍尔元件B=0,I0,UH=U00。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。产生这一现象的原因有:霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;两电极电不在同一等电位面上两电极电不在同一等电位面上等电位面歪斜等电位面歪斜理想情况下,r1=r2=r3=r4,U00补偿网络3寄生直流电势寄生直流电势 由于霍尔元件的电极不可能做到完全的由于霍尔元件的电极不可能做到完全的欧姆接触欧姆接触,在控制电,在控制电流极和霍尔电势极上都可能出现整流效应。因此,流极和霍尔电势极上都可能出现整流效应。因此,当元件在不当元件在不加磁场
12、的情况下通入交流控制电流时,它的输出除了交流不等加磁场的情况下通入交流控制电流时,它的输出除了交流不等电势外,还有一直流分量电势外,还有一直流分量,这个直流分量称为:,这个直流分量称为:寄生直流电势寄生直流电势。其大小与工作电流有关,随着工作电流的减小,直流电势将迅其大小与工作电流有关,随着工作电流的减小,直流电势将迅速减小。速减小。产生寄生直流电势的原因,除上面所说的产生寄生直流电势的原因,除上面所说的因控制电流极和霍因控制电流极和霍尔电势极的尔电势极的欧姆接触不良欧姆接触不良,霍尔电势极的焊点大小不同霍尔电势极的焊点大小不同,导致,导致两焊点的热容量不同而产生温差效应,也是形成直流附加电势
13、两焊点的热容量不同而产生温差效应,也是形成直流附加电势的一个原因。的一个原因。寄生直流电势寄生直流电势很容易使输出产生漂移,很容易使输出产生漂移,为了减少其影响为了减少其影响,在,在元件的制作和安装时,元件的制作和安装时,应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件。的散热条件。4感应电势感应电势 霍霍尔尔元元件件在在交交变变磁磁场场中中工工作作时时,即即使使不不加加控控制制电电流流,由由于于霍霍尔尔电电势势的的引引线线布布局局不不合合理理,在在输输出出回回路路中中也也会会产产生生附附加加感感应应电电势势,其其大大小小不不仅仅正正比比于于磁磁场场的的变变化化频
14、频率率和和磁磁感感应应强强度度的的幅幅值值,并与并与霍尔电势极霍尔电势极引线所构成的感应面积成正比引线所构成的感应面积成正比(如下图所示如下图所示)。为了减小感应电势,除合理布线外,如下图所示,还可以为了减小感应电势,除合理布线外,如下图所示,还可以在磁路中安置另一辅助霍尔元件,如果两个元件的特性相同,在磁路中安置另一辅助霍尔元件,如果两个元件的特性相同,可以起到显著的补偿效果。可以起到显著的补偿效果。5温度误差及其补偿温度误差及其补偿 霍尔元件与一般半导体器件一样,对温度变化十分敏感。霍尔元件与一般半导体器件一样,对温度变化十分敏感。这是由于半导体材料的电阻率、迁移率、载流子浓度等随温度这是
15、由于半导体材料的电阻率、迁移率、载流子浓度等随温度变化的缘故。因此,变化的缘故。因此,霍尔元件的性能参数霍尔元件的性能参数,如内阻、霍尔电势,如内阻、霍尔电势等等都将随温度变化都将随温度变化。为了减小霍尔元件的温度误差,为了减小霍尔元件的温度误差,除选用温度系数小的元件除选用温度系数小的元件(如砷化铟如砷化铟)或采用恒温措施外,还可采用恒流源供电或采用恒温措施外,还可采用恒流源供电,这样可,这样可以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。但采用但采用恒流源供电不能完全解决霍尔电势的稳定问题,因此还应采用恒流源供电不能完全解决霍尔电势的稳定问
16、题,因此还应采用其它补偿方法其它补偿方法,如采用下图的补偿线路:,如采用下图的补偿线路:七、霍尔传感器的应用七、霍尔传感器的应用 据据前前面面讲讲解解,霍霍尔尔元元件件的的输输出出电电势势与与控控制制电电流流、磁磁感感应应强强度度的的乘乘积积成成正正比比。保保持持控控制制电电流流(或或磁磁感感应应强强度度)恒恒定定不不变变,位位移移、压压力力等等被被测测量量通通过过一一定定装装置置转转换换 ,来来改改变变磁磁感感应应强强度度(或或控控制制电电流流),引引起起霍霍尔尔电电势势的的变变化化,从而实现对被测参量的测量。从而实现对被测参量的测量。以微位移检测为基础,可以构成压力、应力、应变、机械振动、
17、加速度、重量、称重等霍尔传感器.霍尔式位移传感器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。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:尔电动势为:k位移传感器的灵敏度位移传感器的灵敏度测量测量0.5mm0.5mm的小的小位移;位移;适用于微位移、机适用于微位移、机械、振动的测量。械、振动的测量。作作为为压压力力敏敏感感元元件
18、件的的弹弹簧簧管管,其其一一端端固固定定,另另一一端端安安装装霍霍尔尔元元件件。当当输输入入压压力力增增加加时时,弹弹簧簧管管伸伸长长,使使处处于于恒恒定定磁磁场场中中的的霍霍尔尔元元件件产产生生相相应应位位移移,霍尔元件的输出即可反映被测压力的大小。霍尔元件的输出即可反映被测压力的大小。霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘,也可选取机械系统中的一个齿轮,将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化,霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁霍尔转速表原理
19、霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时,磁力线集中穿过霍尔元件,可产生较大的霍尔电动势,放大、整形后输出高电平;反之,当齿轮的空挡对准霍尔元件时,输出为低电平。8-2 光敏传感器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。物理基础 光电效应。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一。一、光电效应一、光电效应l是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的 能量,从而产生的电效应。l光敏传感器的工作原理基于光电效应。l光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。1
20、1、外光电效应、外光电效应l在光线的作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。l向外发射的电子叫做光电子。l外光电效应多发生于金属和金属氧化物,从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。l基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。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:E=hh普朗克常数,6.62610-34Js;光的频率(s-1)式中 m电子质量;v0电子逸出速度。爱因斯坦光电效应
21、方程逸出功与材料的性质有关,当材料选定后,要使物体表面电子逸出,入射光的频率有一最低限度,当h小于A0时,即使光强很大,也不可能有电子逸出,这个最低限度的频率称为红限频率,相应的波长称为红限波长。在h大于A0(入射光频率超过红限频率)的情况下,光强越大,入射光子数量越多,逸出的电子数目也越多,电路中光电流也越大。l当光照射在物体上,使物体的电阻率发生变化,或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。l多发生于半导体内。l根据工作原理的不同,内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类:(1)光电导效应 在光线作用下,电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态,而引起材料电导率的变化,这种现象被称为光电导
22、效应。l基于这种效应的光电器件有光敏电阻。2、内光电效应过过程程:当光照射到半导体材料上时,价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击,并使其由价带越过禁带跃入导带,如图,使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加,从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg材料的光导性能决定于禁带宽度,对于一种光电导材料,总存在一个照射光波上限0(临界波长),只有波长小于0的光照射在光电导体上,才能产生电子能级间的跃进,从而使光电导体的电导率增加。式中c、分别为入射光的光速、频率和波长。为了实现能级的跃迁,入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg,即(2)光生
23、伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件内光电效应器件,常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。本节重点介绍内光电效应器件。二、光敏电阻u光敏电阻又称光导管,为纯电阻元件,光敏电阻又称光导管,为纯电阻元件,常用的光敏常用的光敏电阻由硫化镉(电阻由硫化镉(CdSCdS)等等材料制成。材料制成。u其其工作原理是基于工作原理是基于光电导效应光电导效应,其阻值随光照增强,其阻值随光照增强而减小。而减小。u优点:优点:灵敏度高,光谱响应范围宽,体积小
24、、重量灵敏度高,光谱响应范围宽,体积小、重量轻、机械强度高,耐冲击、耐振动、抗过载能力强和轻、机械强度高,耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。寿命长等。u不足:不足:需要外部电源,有电流时会发热。需要外部电源,有电流时会发热。光敏电阻的工作原理和结构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,
25、可将光信号转换为电信号。光敏电阻工作示意图导带上的电子和价带的空穴在外加电场的作用下,经半导体和外部电路形成电流,直至无光照。光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应,只限于光照的表面薄层,虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去,但扩散深度有A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体限,因此光光电电导导体体一一般般都都做做成成薄薄层层。为了获得高的灵敏度,光敏电阻的电极一般采用梳梳状状图图案案,结构见下图。1-光导层;2-玻璃窗口;3-金属外壳;4-电极;5-陶瓷基座;6-黑色绝缘玻璃;7-电阻引
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