《半導(dǎo)體傳感器》配套教學(xué)課件

半導(dǎo)體傳感器緒論一、課程意義

⒈專業(yè)培養(yǎng)的要求⒉傳感技術(shù)的重要性①現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一；②傳感器在人類生活中的廣泛應(yīng)用；

⒊國內(nèi)傳感器現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

信息技術(shù)是管理和處理信息所用的各種技術(shù)的總稱，現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)有三個主要方面：①信息采集——傳感器技術(shù)②信息傳輸——通信技術(shù)③信息處理——計算機技術(shù)（包括軟件和硬件）目前提到的傳感器，大多是指能輸出電信號的裝置。它在信息系統(tǒng)中處于常處于前端，它的性能如何將直接影響整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)與質(zhì)量。因此人們對傳感器在信息社會中的重要性具有相當(dāng)高的評價。傳感器的重要性體現(xiàn)在它分布于人類的眾多生活領(lǐng)域，并與各個學(xué)科的發(fā)展緊密聯(lián)系。應(yīng)用領(lǐng)域所占比例%應(yīng)用領(lǐng)域所占比例%信息處理與通訊8環(huán)保氣象安全10科學(xué)儀器儀表11.7資源與海洋開發(fā)1.4電力與能源5.3醫(yī)療衛(wèi)生11機械制造設(shè)備18.1農(nóng)業(yè)漁業(yè)0.7家用電器13.9土木建筑與工程0.7汽車7.3商業(yè)金融0.2運輸1.6其他7.3空間開發(fā)2.7表1.1傳感器的市場結(jié)構(gòu)傳感器的應(yīng)用實例——火災(zāi)報警器火災(zāi)報警器外形示意圖火災(zāi)報警器結(jié)構(gòu)和原理示意圖傳感器的應(yīng)用實例——利用光脈沖測量車速和行程測量原理示意圖光源光電接收裝置電阻式遠傳壓力表感應(yīng)式流量表稱重傳感器CCD傳感器質(zhì)子旋進式磁敏傳感器壓阻式液位傳感器光敏傳感器溫度傳感器風(fēng)力參數(shù)傳感器地震檢波器反射式光敏傳感器磁、氣、力敏傳感器超聲傳感器1.成就：

我國早在20世紀(jì)60年代就開始涉足傳感器制造業(yè)，1972年組建成中國第一批壓阻傳感器研制生產(chǎn)單位。從改革開放以來，我國傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了長足進步，主要表現(xiàn)在：建立了傳感技術(shù)國家重點實驗室、微米/納米國家重點實驗室、國家傳感技術(shù)工程中心等研究開發(fā)基地；MEMS、MOEMS等研究項目列入了國家高新技術(shù)發(fā)展重點；經(jīng)過多年的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，全國已有2000多家企事業(yè)單位從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用。目前中國市場進入“百家爭鳴”時期，傳感器行業(yè)將迎接新的機遇和挑戰(zhàn)。我國傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀2.不足

活躍在國際傳感器市場上的仍然是美國、日本、德國等老牌工業(yè)國家的企業(yè)，而我國傳感器行業(yè)總體技術(shù)水平落后于世界水平5～10年，某些核心制造工業(yè)技術(shù)嚴(yán)重滯后于國外，使我國傳感器企業(yè)在國內(nèi)與國際市場上缺少競爭力。

由于批產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性、可靠性問題沒有得到根本解決，有些高性能產(chǎn)品，不是靠工藝保證，而是靠篩選分檔，主要性能指標(biāo)和國外差1-2個數(shù)量級，壽命差2-3級。

對傳統(tǒng)傳感器的革新改進不足，微小型化步子慢，集成化、智能化和納米技術(shù)與國外差距大，科技創(chuàng)新差，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品少。從總體發(fā)展看，傳統(tǒng)硅技術(shù)將一直延續(xù)到2047年才趨達到芯片特征尺寸的極限和衰退。而當(dāng)前微電子技術(shù)仍將依循“等縮比原理”和“摩爾定律”兩條基本規(guī)律，在盡力逼近傳統(tǒng)硅技術(shù)極限中，不斷擴展硅的跨學(xué)科橫向應(yīng)用（如MEMS等）和突破“非穩(wěn)態(tài)物理器件”（量子、分子器件），這也是當(dāng)前乃至未來20年傳感器技術(shù)的主要發(fā)展方向。

結(jié)合我國的實際情況，國內(nèi)傳感器的發(fā)展趨勢將集中在以下幾個方向：我國傳感器的發(fā)展趨勢（1）傳感器的微型化、集成化和多功能化將傳感器、信號處理器、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等產(chǎn)品一體化，作為投入市場的初始產(chǎn)品，才能獲取行業(yè)的重視，滿足市場需求。利用集成電路工藝及MEMS工藝，可以實現(xiàn)微小尺寸傳感器的生產(chǎn)，在兼容的生產(chǎn)工藝條件下，傳感器的集成化和多功能化不在是夢想。已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用的多功能硅壓力/差壓傳感器是小型集成化的典型。它是在4mm＊4mm的硅片上，采用微電子平面工藝和微機械加工工藝，采用三坯雙島的復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了差壓、靜壓和溫度三參數(shù)的同時測量。

（2）新材料的研發(fā)

隨著材料行業(yè)對傳感器敏感材料進一步的開發(fā)，傳感器新敏感材料不斷推出，高新材料已廣泛用于新型傳感器制造研發(fā)中，如光纖傳感器，光纖傳感器可分為傳感型和傳光型兩大類。利用外界因素改變光纖中光波的特征參數(shù)，從而對外界因素進行計量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅鳎Q為傳感型光纖傳感器。傳光型光纖傳感器是指利用其他敏感原件測得的特征量，由光纖進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅?。與傳統(tǒng)傳傳感器相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾、靈敏度高、耐腐蝕、體積小、測量對象廣泛和使用壽命長等特性，因此已成為最優(yōu)潛力的傳感器之一。（3）傳感器的智能化

傳感器的數(shù)字化和智能化的出現(xiàn)是傳感器產(chǎn)業(yè)又一次突破，也成為當(dāng)今傳感器行業(yè)發(fā)展的重要發(fā)展方向之一。智能傳感器將微處理、通信總線接口、信息檢測、信息處理和信息傳輸?shù)裙δ芤惑w化，并自行進行補償、校正、故障排除，將只能進行單一檢測、單一功能的傳統(tǒng)傳感器與智能化技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)傳感器的多種測量、多種變量的特性。另外數(shù)字傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，利用純數(shù)字電路進行測量，抗干擾性強。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，傳感器的數(shù)字化和智能化得到了最大意義的體現(xiàn)，具有更大的發(fā)展?jié)摿涂臻g。（4）網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在作用區(qū)域內(nèi)的、具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點間距離很短，一般采用多跳（multi-hop）的無線通信方式進行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在獨立的環(huán)境下運行，也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到Internet，使用戶可以遠程訪問。傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳方式將所感知信息傳送到用戶終端，從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。課程的研究對象和主要內(nèi)容學(xué)習(xí)重點及學(xué)習(xí)方法二、課程內(nèi)容及學(xué)習(xí)重點：課程的研究對象及主要內(nèi)容研究對象：主要研究利用半導(dǎo)體材料或器件的某些物理性質(zhì)或效應(yīng)制成的對某種物理量敏感的器件。主要內(nèi)容：三大部分

第一章：傳感器的基本概念：如定義，組成，分類等；

第二章～第六章：半導(dǎo)體光傳感器、溫度傳感器、磁傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器；

第七章～第十章：介紹離子傳感器、生物傳感器、智能傳感器和MEMS傳感器的基本情況。學(xué)習(xí)重點及方法：一、掌握基本概念；二、掌握各類典型半導(dǎo)體傳感器元件的工作原理、結(jié)構(gòu)及特性；三、掌握典型傳感器的工作電路及分析方法三、參考書籍1.《半導(dǎo)體傳感器原理及其應(yīng)用》

牛德芳主編

大連理工大學(xué)出版社。2.《傳感器原理與檢測技術(shù)》

童敏明唐守鋒董海波編著

機械工業(yè)出版社。第一章傳感器的基本概念§1.1傳感器的定義、組成和分類§1.2傳感器的特性參數(shù)§1.1傳感器的定義、組成和分類一、傳感器的定義根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB7665-87)《傳感器通用術(shù)語》，傳感器(Transducer/Sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。有些國家和有些學(xué)科領(lǐng)域，將傳感器稱為換能器、變換器、探測器或檢測器等。

理解傳感器的定義，請注意以下三個方面：①輸入量即是被測量，可能是物理量也可能是化學(xué)量、生物量等；②由于電信號易于保存、放大、計算和傳輸，且是計算機唯一能夠直接處理的信號，所以傳感器的輸出一般是電信號；③輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，即其工作原理，應(yīng)有一定的精確程度。二、傳感器的組成壓力傳感器示例

通常傳感器主體部分由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分組成。其中敏感元件(Sensingelement)是指傳感器中能直接感受被測量并轉(zhuǎn)換成某種量的變化；轉(zhuǎn)換元件(Transitionelement)是指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電學(xué)量變化。下面是傳感器的組成方框圖1.1。被測信息敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源測量電路電信號圖1.1傳感器組成方框圖圖1.2壓力傳感器敏感元件轉(zhuǎn)換元件應(yīng)說明的是，并不是所有的傳感器都能明顯分清敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個部分。有的傳感器二者合二為一，例如硅光電池是將感受的被測量——光能直接轉(zhuǎn)換為電信號輸出，沒有中間轉(zhuǎn)換電路的部分。而有的傳感器，轉(zhuǎn)換元件則不止一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。測量電路：常常作為轉(zhuǎn)換元件的輔助部分，對轉(zhuǎn)換元件的輸出量起放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、修正、補償?shù)茸饔谩Ｈ?、傳感器的分?.按外界輸入的信號變換為電信號采用的效應(yīng)分類

物理型傳感器、化學(xué)型傳感器、生物型傳感器

⑴物理型傳感器

利用物理效應(yīng)進行信號變換的傳感器稱為物理型傳感器，它利用某些敏感元件的物理性質(zhì)或某些功能材料的特殊物理性能進行被測非電量的變換。如：利用半導(dǎo)體材料在被測量作用下引起電阻值變換的壓阻效應(yīng)制成的壓阻式傳感器。物理型傳感器又可以分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器兩種。①結(jié)構(gòu)型傳感器以結(jié)構(gòu)（形狀、尺寸等）為基礎(chǔ)，利用物理規(guī)律來轉(zhuǎn)換被測量。如電容式壓力傳感器（工作時兩極間距發(fā)生變化）。結(jié)構(gòu)型傳感器強調(diào)要依靠精密設(shè)計制作的結(jié)構(gòu)才能正常工作。②物性型傳感器利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)來轉(zhuǎn)換被測量。所以物性型傳感器主要依靠材料本身的物理特性、物理效應(yīng)來實現(xiàn)。⑵化學(xué)型傳感器

利用電化學(xué)反應(yīng)原理，把無機或有機化學(xué)的物質(zhì)成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。最常用的是離子敏傳感器，如離子選擇電極，核心部分是離子選擇性敏感膜。⑶生物型傳感器

這是利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。如免疫傳感器。2.按工作原理分類這種分類方法是以傳感器的工作原理（即輸入與輸出之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系）作為分類的依據(jù)，如應(yīng)變式、壓阻式、壓電式、電容式、霍爾傳感器等等，通常能從其名稱揣測該類傳感器的工作原理，有利于傳感器專業(yè)工作者從原理與設(shè)計上作歸納性的分析研究。3.按被測量對象分類

按傳感器的被測量對象——輸入信號分類，能夠很方便地表示傳感器的功能，便于用戶選擇。如溫度傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器等等名稱。這種分類方法還涉及基本量和派生量的概念，例如力派生出重力、應(yīng)力、力矩等；位移派生出長度、厚度、旋轉(zhuǎn)角等；速度派生出振動、流量、轉(zhuǎn)速、角振動等；加速度派生出沖擊、扭矩、轉(zhuǎn)動慣量等；時間派生出周期、計數(shù)、統(tǒng)計分布；溫度派生熱容量、渦流；光派生出光譜分布等。4.按外加電源分類——有源和無源⑴有源傳感器（能量轉(zhuǎn)換型傳感器）——能將非電量直接轉(zhuǎn)換成電信號，所以有時被成為“換能器”。例如壓電式（超聲波換能器）、熱電式（熱電偶）、光電式（光電池）等。⑵無源傳感器（能量控制型傳感器）——不能將被測量直接轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，由輔助電源供給電能，被測量對該電能起能量控制作用，如電容式傳感器、壓阻式傳感器等。

5.按構(gòu)成傳感器的功能材料分類

按構(gòu)成傳感器的功能材料不同，可將傳感器分為半導(dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器、光纖傳感器、高分子薄膜傳感器等等。

6.按某種高新技術(shù)命名的傳感器分類

根據(jù)某種高新技術(shù)命名，如集成傳感器、智能傳感器、機器人傳感器、仿生傳感器等?！?.2傳感器的特性參數(shù)傳感器輸出與輸入關(guān)系通常是以數(shù)學(xué)模型來體現(xiàn)，理論上當(dāng)輸入信號為靜態(tài)量、準(zhǔn)靜態(tài)量或動態(tài)量時，可以用帶隨機變量的非線性微分方程作為模型。由于輸入信號狀態(tài)不同，傳感器所表現(xiàn)的輸出特性也不同，所以實際上，傳感器的靜、動態(tài)特性可以分開來研究。傳感器的特性可分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩大類。當(dāng)輸入量為常量，或變化極慢時（即輸入量為靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)信號），這一關(guān)系稱為靜態(tài)特性；當(dāng)輸入量隨時間較快地變化時，這一關(guān)系稱為動態(tài)特性。

由于不同性質(zhì)的傳感器有不同的內(nèi)在參數(shù)關(guān)系（即有不同的數(shù)學(xué)模型），它們的靜、動態(tài)兩個數(shù)學(xué)模型也表現(xiàn)出不同的特點。為了研究各種傳感器的共性，這里我們提出傳感器的靜、動態(tài)數(shù)學(xué)模型的一般形式，然后根據(jù)各種傳感器的不同特性，再作以具體條件的簡化后給予討論。應(yīng)該指出的是，一個高性能的傳感器必須具備良好的靜態(tài)和動態(tài)特性，這樣才能完成無失真的信息轉(zhuǎn)換。一、傳感器靜態(tài)特性的方程表示方法若不考慮滯后、蠕變的條件下，傳感器靜態(tài)模型的一般形式在數(shù)學(xué)理論上可以用n次方代數(shù)方程來表示，即：

式中：y—輸出量；x—輸入量；a0—零位輸出；

a1—線性靈敏度；a2、a3、…、an—非線性項的待定常數(shù)，可正可負。各項系數(shù)不同，決定了不同傳感器特性曲線的具體形式。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn理想和非理想的線性特性差異校準(zhǔn)試驗1.2.1傳感器的靜態(tài)特性二、傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)1．線性度為了標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理的方便，總希望輸出和輸入之間是線性關(guān)系，于是采用硬軟件補償來進行線性化處理，這樣就使得輸出不可能絲毫不差的反映被測量的變化，總是存在一定的誤差，即使實際是線性關(guān)系的特性，測量的線性關(guān)系也并不完全與其重合，而常用一條擬合直線近似代表實際的特性曲線。

線性度的定義：傳感器的實測輸入輸出特性曲線與理論擬合直線（理想輸入輸出特性曲線）的最大偏差對傳感器滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示。線性度也成為“非線性誤差”或“非線性度”。δ=△maxA×100%最大偏差滿量程輸出平均值圖1.3線性度的表示方法圖

1.4

不同擬合直線下傳感器的線性度

線性度的大小是以一定的擬合直線為基準(zhǔn)直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計算是否簡便。

按擬合直線不同，線性度有以下幾類：①理論線性度；②端基線性度；③獨立線性度；④最小二乘法線性度。設(shè)擬合直線方程：0yyixy=kx+bxi圖1.5最小二乘擬合法最小二乘法線性擬合法簡介：y=kx+b若實際校準(zhǔn)測試點有n個，則第i個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與擬合直線上響應(yīng)值之間的殘差為：最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值，即Δi=yi-(kxi+b)對k和b一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，求出a和k的表達式。將k和b代入擬合直線方程，即可得到擬合直線，然后求出非線性誤差。即得到k和b的表達式2．遲滯（滯環(huán)）0yx⊿mA圖1.6傳感器的遲滯特性

如圖所示，在相同的工作條件下進行全范圍測量時，傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎胩匦郧€不重合稱為遲滯。100%式中△m—正反向特性曲線間的最大偏差。A—傳感器滿量程輸出平均值。最大滯環(huán)誤差率表示為：一般來說，輸入增加到某值時的輸出要比輸入下降到該值時的輸出值小，如果存在遲滯差，則輸入和輸出的關(guān)系就不是一一對應(yīng)了，因此必須盡量減少這個差值。3．重復(fù)性yx0⊿m2⊿m1

重復(fù)性誤差可表示為：

重復(fù)性是指在相同的工作條件下，傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次測量時所得特性曲線不一致的程度。各條曲線越靠近，重復(fù)性就越好。△Rmax1正行程的最大重復(fù)性偏差，△Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。A100%圖1.7

傳感器的重復(fù)性4．靈敏度

如果輸入輸出特性為線性的傳感器或儀表，則：K=Δy/Δx

傳感器輸出的變化量△y與引起該變化量的輸入變化量△x之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達式為K=

y

/

x

如果傳感器系統(tǒng)的輸入輸出特性為非線性，則靈敏度不是常數(shù)，應(yīng)以dy/dx表示傳感器在某一工作點的靈敏度。對于需要外加輔助電源的傳感器，其輸出與供給的電源電壓有關(guān)，所以其靈敏度的表達式往往需要包括電源電壓的因素。

對數(shù)字顯示的測試系統(tǒng)，分辨率是數(shù)字顯示的最后一位所代表的的值。對指針式測試儀表，分辨率與人們的觀察能力和儀表的靈敏度有關(guān)。5．分辨率

分辨率也稱靈敏度閾值，即引起輸出量產(chǎn)生可觀測的微小變化所需的最小輸入量的變化量。從微觀來看，傳感器的特性曲線并不是十分平滑的，而是由許多微小的起伏。當(dāng)輸入量改變Δx時，輸出量變化Δy，Δx變小，Δy也變小。但是一般來說，Δx小到某種程度，輸出量就不再變化了，這時的Δx就是分辨率或靈敏度閾值。

6．精度

傳感器的檢測裝置的精度包括精密度、準(zhǔn)確度和精確度三項。①精密度：在相同條件下，對同一個量進行重復(fù)測量時，這些測量值之間的相互接近程度。②準(zhǔn)確度：表示測量儀器指示值對真值的偏離程度。③精確度：是精密度和準(zhǔn)確度的綜合反映。圖1.8

精密度、準(zhǔn)確度和精確度的差異

7．穩(wěn)定性

傳感器的穩(wěn)定性好壞，可以觀察輸出值的漂移情況。零點漂移：在一定條件下，保持輸入信號不變，輸出信號隨時間而變化。產(chǎn)生漂移的原因很多，如環(huán)境溫度、濕度的影響，檢測電路元器件的影響等。

穩(wěn)定性是指測量值隨時間的變化程度。理想的情況是，無論何時傳感器的靈敏度等特性參數(shù)都不隨時間變化，但實際上大多數(shù)傳感器的特性都會隨時間改變，因此傳感器必須定期進行校準(zhǔn)。1.2.2傳感器的動態(tài)特性

所謂動態(tài)特性指標(biāo)，主要是指傳感器輸入信號隨時間變化時輸出信號隨之響應(yīng)的情況，比如說傳感器在測量動態(tài)壓力、振動、上升溫度時，都離不開動態(tài)指標(biāo)。被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量也將是時間的函數(shù)。通常研究動態(tài)特性是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入特性來考慮傳感器的響應(yīng)特性。對動態(tài)特性的研究，我們從以下幾個方面進行：一、數(shù)學(xué)模型與傳遞函數(shù)二、動態(tài)特性的研究示例一．?dāng)?shù)學(xué)模型與傳遞函數(shù)⑴數(shù)學(xué)模型分析傳感器動態(tài)特性，也要對輸出和輸入之間建立數(shù)學(xué)模型（方程）。比如常見的傳感器系統(tǒng)，在不考慮遲滯、蠕變的情況下，其數(shù)學(xué)模型可表示成一個常微分方程形式，即：y——輸出量y(t)；x——輸入量x(t)；t——時間a0，a1，…，an——常數(shù)；b0，b1，…，bm——常數(shù)

——輸出量對時間t的n階導(dǎo)數(shù)；

——輸入量對時間t的m階導(dǎo)數(shù)對一般的傳感器，常有b0≠0,b1～bn均為零。微分方程可以簡化為(0-1)

復(fù)雜的傳感器，其物理模型通?？煞謩e用零階、一階和二階的常微分方程或其組合來描述。比如說電位器傳感器可視為零階系統(tǒng)，熱敏傳感器可視為一階系統(tǒng)，加速度傳感器可視為二階系統(tǒng)。（見例題1）例題1：由彈簧阻尼器構(gòu)成的壓力傳感器，系統(tǒng)輸入量(壓力)F為F(t)=b0x(t)，輸出量為位移y(t)，列出其微分方程。圖1.9

某一階傳感器a1a0b0x(t)=F(t)y(t)解：根據(jù)牛頓第二定律：

{f阻力+f彈力=F(t)}阻尼系數(shù)彈性系數(shù)

對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，微分方程的求解過程也很復(fù)雜，我們可以根據(jù)《信號與系統(tǒng)》中的知識，利用傳遞函數(shù)（系統(tǒng)函數(shù)）來處理。返回在x(t)為已知的情況下，余下的問題歸結(jié)到這個一階常系數(shù)微分方程的求解問題程的求解問題。⑵傳遞函數(shù)

動態(tài)特性的傳遞函數(shù)H（S）在線性或線性化定常系統(tǒng)中是指初始條件為0時，系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比。對微分方程通式進行拉普拉斯變換，處理后即可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Ｈ(S)。Y(

S)(anSn+an-1Sn-1+an-2Sn-2+……+a1S+a0)=X(

S)(bmSm+bm-1Sm-1+bm-2Sm-2+……+b1S+b0)H(S

)=Y(

S)X(

S)=anSn+an-1Sn-1+an-2Sn-2+……+a1S+a0bmSm+bm-1Sm-1+bm-2Sm-2+……+b1S+b0圖

1.10

傳遞函數(shù)框圖H(S)xy其中S為拉氏變換的自變量,是個復(fù)數(shù)S=σ+jω

對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其看作是一些較為簡單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)，串聯(lián)系統(tǒng)與并聯(lián)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如圖所示。

對Ｙ(S)=Ｈ(S)Ｘ(S)進行反變換，即可得到Y(jié)(t)與X(t)關(guān)系。（微分方程的拉氏變換求解法）串聯(lián)系統(tǒng)：總傳遞函數(shù)為各子系統(tǒng)傳遞函數(shù)的積。并聯(lián)系統(tǒng)：總傳遞函數(shù)為各子系統(tǒng)傳遞函數(shù)的和。圖

1.11

串聯(lián)系統(tǒng)（a）和并聯(lián)系統(tǒng)（b）（a）（b）例題2：求例題1的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)輸入量(壓力)F為

F(t)=b0x(t)，輸出量為位移y(t)。圖1.12

一階傳感器a1a0b0x(t)=F(t)y(t)解：①列出微分方程②作拉普拉斯變換③令H(S)中的S=jω,即σ=0由Ｈ(jω)就可以分析該系統(tǒng)的響應(yīng)特性。二、動態(tài)特性研究示例1.一階傳感器系統(tǒng)一階傳感器系統(tǒng)又稱慣性系統(tǒng)，其運動方程為：f—阻尼系數(shù)k—常數(shù)（動力學(xué)的剛度系數(shù)）其對應(yīng)的傳遞函數(shù)為：其中的T稱為時間常數(shù)，表示傳感器的滯后程度。因此一般根據(jù)y達到穩(wěn)定值的63.2%所用的時間T（時間常數(shù)），來衡量一個傳感器系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的速度。T值越大，動態(tài)響應(yīng)越慢，動態(tài)誤差越大且存在時間越長。時間常數(shù)T是一階傳感器系統(tǒng)的主要動態(tài)特性指標(biāo)，一般希望它越小越好。一階傳感器系統(tǒng)在階躍輸入下的響應(yīng)特性如圖所示。顯然，只有當(dāng)t→∞時，y才能達到其穩(wěn)定值y0。ty0y0

輸出響應(yīng)為：T

通常響應(yīng)時間定義為輸出達到穩(wěn)定值的90%或95%所需的時間。圖1.13

一階傳感器的階躍響應(yīng)傳遞函數(shù)W（s）是個復(fù)數(shù)，把s表示成jω的形式，于是W（s）可以用e指數(shù)的形式表示：

W(jω)的實部W(jω)的虛部如果輸入時正弦信號：還以剛才的一階傳感器為例：傳遞函數(shù)：頻率響應(yīng)特性：幅頻特性：相頻特性：負號表示相位滯后2.二階傳感器系統(tǒng)二階傳感器系統(tǒng)又稱振蕩系統(tǒng)，其運動方程為：式中其對應(yīng)的傳遞函數(shù)為：ω0—系統(tǒng)固有頻率；ξ—阻尼比。二階傳感器系統(tǒng)在階躍輸入下的響應(yīng)特性如圖：yx0圖1.14

二階傳感器的階躍響應(yīng)阻尼比Ξ的大小決定了二階傳感器系統(tǒng)的響應(yīng)特性：①ξ<1（欠阻尼）時，輸出響應(yīng)呈衰減振蕩波形；②ξ=1（臨界阻尼）時，輸出響應(yīng)呈臨界振蕩狀態(tài)；③ξ>1（過阻尼）時，輸出響應(yīng)呈慣性特性。本章主要內(nèi)容小結(jié)：⒈掌握基本概念：傳感器的定義、組成、分類方法；⒉掌握傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)的含義；了解一階、二階傳感器系統(tǒng)動態(tài)特性的階躍響應(yīng)。

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的光傳感器，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，這里我們主要考慮光電元件部分。常見的半導(dǎo)體光電傳感器有光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管等器件。第二章半導(dǎo)體光電傳感器

光電傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。如果把光看做波群，則波群的能量E和頻率ν之間的關(guān)系為：不同顏色的光子因其光波頻率不同而能量不同，頻率越高，光子能量越大。光照射在物體上，一系列能量為E的光子被電子吸收產(chǎn)生光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為兩大類：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)?！?.1

光電傳感器的物理效應(yīng)（h為普朗克常數(shù)）一、外光電效應(yīng)在光線的作用下，物體表面電子吸收光子的能量，逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子，基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。外光電效應(yīng)要求入射光子的能量hν>W（電子的逸出功），所以利用外光電效應(yīng)制作的光電器件，對入射光都有一個確定的頻率限，稱為“紅限”。相應(yīng)的入射光波長λk為：式中c—光速：W—逸出功。光電管光電管結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，在一個真空泡內(nèi)裝有兩個電極：光電陰極K和光電陽極A。陰極通常用逸出功W小的光敏材料（如銫）涂覆在玻璃泡內(nèi)壁上做成，感光面對準(zhǔn)光的照射孔。圖2.1光電管的結(jié)構(gòu)示意圖圖2.2光電管測量電路陽極電位高于陰極，光照下從陰極表面逸出的電子達到陽極形成光電流。光強越大，光電流也越大，在圖2.2的測量電路中，電流和電阻上的電壓及光強成函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

陰極材料不同的光電管適用于不同的光譜范圍，且對不同頻率的入射光的靈敏度不相同，所以我們需要根據(jù)檢測對象時紫外光、可見光還是紅外光來選擇陰極材料不同的光電管，以獲得滿意的靈敏度。光電倍增管為了提高光電感的靈敏度，研制了具有電流放大能力的光電倍增管，結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。在陽極和陰極之間有若干倍增極，相鄰電極之間保持電位差。陰極電位最低，陽極電位最高。光電子在倍增電極之間被加速，轟擊倍增電極時，引起二次電子發(fā)射，一個光電子產(chǎn)生多個二次電子；再被加速，繼續(xù)轟擊產(chǎn)生新電子……于是，電子數(shù)量迅速增加，最后達到陽極時，形成很大的陽極電流，所以光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)有良好的線性，適用于微光測量。圖2.3光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖

入射光引起材料內(nèi)部產(chǎn)生新的電子或空穴，這些新載流子使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，稱之為內(nèi)光電效應(yīng)。半導(dǎo)體光傳感器多基于內(nèi)光電效應(yīng)，根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。1.光電導(dǎo)效應(yīng)

其特點為入射光能改變材料電導(dǎo)率?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體光傳感器以光敏電阻為代表，在光線的作用下，光敏電阻的阻值變小。附加電導(dǎo)率公式：二、內(nèi)光電效應(yīng)2.光生伏特效應(yīng)

在內(nèi)部存在勢壘的材料中，入射光子在勢壘區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對，光生電子和空穴在內(nèi)建電場的作用下向相反的方向移動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢，形成光電流，這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。

基于該效應(yīng)的光電器件有半導(dǎo)體光敏二極管、三極管、光電池等。光電導(dǎo)效應(yīng)型光傳感器的典型代表為光敏電阻。光敏電阻為純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體，比如硫化鎘光敏電阻、硒化銦光敏電阻等。該類光電傳感器的優(yōu)點是靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、壽命長等；但不足之處是需要外部電源，有電流時會發(fā)熱，必須考慮耗散功率的問題?！?.2光電導(dǎo)效應(yīng)型光電傳感器一、光敏電阻的工作原理

工作原理：當(dāng)光照射到光敏電阻上時，若發(fā)生光電導(dǎo)效應(yīng)，則導(dǎo)帶電子和價帶空穴數(shù)目增加，使光敏材料的電阻率變小。光照越強，阻值越低?？梢酝ㄟ^阻值的變化情況來檢測光照情況。為實現(xiàn)光電導(dǎo)效應(yīng)，對入射光的能量有一定要求。比如對本征光敏電阻，要求入射光波長λc：式中Eg為光敏材料的禁帶寬度（eV）。所以，這樣的光敏電阻檢測時有長波限λC。

以CdS光敏電阻為例，其結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。A圖2.4

金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光導(dǎo)電材料絕緣襯底引線電極引線光電導(dǎo)體由于光電導(dǎo)效應(yīng)大多發(fā)生在接受光照的表面層，所以光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案。二、光敏電阻的結(jié)構(gòu)1--光敏電阻薄膜;2--玻璃窗口;3--金屬外殼;4--電極;5--陶瓷基座;6--黑色絕緣玻璃;7--電阻引線。RG1234567(a)結(jié)構(gòu)(b)電極(c)符號它是在一定的掩模下向光敏材料薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種梳狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。圖（c）是光敏電阻的符號。

圖2.5CdS光敏電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和符號三、光敏電阻的特性⒈暗電阻和亮電阻；暗電流、亮電流和光電流光敏電阻在室溫和全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻或暗阻。此時流過的電流稱為暗電流。光敏電阻在室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻或亮阻，此時流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。

光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。實用的光敏電阻的暗電阻往往在MΩ以上，而亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。⒉光照特性圖2.6表示CdS光敏電阻的光照特性，即光電流和光照度之間的關(guān)系。光敏電阻的光照特性曲線呈非線性，因此不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處，常在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。012345I/mAL/lx10002000圖2.6CdS光敏電阻的光照特性⒊光譜特性光敏電阻對波長不同的單色光的響應(yīng)靈敏度不同，其光譜特性與光敏電阻的材料（比如材料的禁帶寬度、摻雜情況）有關(guān)。從圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值在可見光區(qū)域。204060801004080120160200240λ/μm312相對靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛圖2.7CdS光敏電阻的光譜特性如何調(diào)整峰值位置？⒋伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。如圖2.8所示，光敏電阻的伏安特性近似成直線，而且無飽和現(xiàn)象。實際使用中，受耗散功率的限制，光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓，圖中虛線為允許的功耗曲線，由此可以確定正常工作電壓。圖2.8CdS光敏電阻的伏安特性⒌頻率特性用脈沖光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性（弛豫特性）。20406080100I/%f/Hz010102103104由于不同材料的光敏電阻頻率特性不同，但隨著頻率增大靈敏度會下降，如圖2.9所示。硫化鉛的使用頻率比硫化鉈高得多，但多數(shù)光敏電阻的時延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場合。硫化鉛硫化鉈圖2.9

光敏電阻的頻率特性在階躍脈沖光照射下，光敏電阻的光電流要經(jīng)歷一段時間才達到最大飽和值；光照停止后，光電流也要經(jīng)歷一段時間才下降到零，這稱為光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象，通常用響應(yīng)時間來描述，響應(yīng)時間又包括上升時間tr（從光照到光敏電阻的時刻開始，到光電流達到穩(wěn)定值的63%為止所經(jīng)歷的時間）和衰減時間tf（從撤去光照時刻到光電流衰減到穩(wěn)定值的37%為止所經(jīng)歷的時間）。影響光敏電阻響應(yīng)特性的因素有很多，例如對CdS光敏電阻：①在暗處放置的時間越長，其響應(yīng)時間也相應(yīng)延長；②光照的越強，響應(yīng)時間越短；③增大負載電阻，光電流的上升時間縮短，衰減時間延長。⒍穩(wěn)定性圖2.10中曲線1、2分別表示兩種型號CdS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機構(gòu)工作不穩(wěn)定以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負載情況下，經(jīng)一至二周的老化，可使其性能穩(wěn)定。I/%408012016021T/h040080012001600光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無限長的。圖2.10CdS光敏電阻的穩(wěn)定性⒎溫度特性光敏電阻的性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。硫化鎘的光譜溫度特性如圖2.11所示。有時為了提高靈敏度，或為了能夠接收較長波段的輻射，將元件降溫使用。2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20oC-20oC圖2.11CdS光敏電阻的光譜溫度特性§2.3

光生伏特效應(yīng)型光電傳感器

工作原理：光生伏特效應(yīng)是在光線作用下，使敏感結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定方向的電動勢，或產(chǎn)生光電流的現(xiàn)象。光生電動勢和光電流的大小與光照強度密切相關(guān)。利用光生伏特效應(yīng)制作的半導(dǎo)體光電傳感器有半導(dǎo)體光電池、光敏二極管、光敏三極管。2.3.1半導(dǎo)體光電池應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體光電池是硅光電池，因為它有性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高、耐高溫輻射等優(yōu)點。此外，還有鍺光電池、砷化鎵光電池等。以下著重介紹硅光電池。一、光電池的結(jié)構(gòu)

在N型硅片上用擴散的方法形成P型區(qū)域得到一個大面積的PN結(jié)。當(dāng)光照射在PN結(jié)上產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)時，P區(qū)和N區(qū)之間形成光生電動勢。用導(dǎo)線連接兩個區(qū)，電路中有光電流流過。圖2.12

光電池的結(jié)構(gòu)及電路符號1.結(jié)構(gòu)示意圖2.電路符號二、光電池的特性

1.光譜特性

圖2.13

光電池的光譜特性1-硅光電池2-硒光電池

光電池對不同波長的光，其靈敏度是不同的。圖2.13是硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線?？梢?，硅光電池的適用范圍寬，對應(yīng)的入射光波長可在0.45～1.1μm之間，而硒光電池只能在0.34～0.57μm波長范圍，它適用于可見光檢測。實際使用中應(yīng)根據(jù)光源性質(zhì)來選擇光電池。但是，光電池的光譜峰值位置不僅和光電池的材料有關(guān)，也和制造工藝有關(guān)，而且隨著溫度不同會有所移動。2.光照特性光電池在不同的光照度下，光生電動勢和光電流是不同的，如圖2.14所示。開路電壓與光照度的關(guān)系式非線性的，而且在光照度為2000lx時就趨于飽和，而短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度呈線性關(guān)系，負載電阻越小，線性越好，且線性范圍越寬，在檢測連續(xù)變化的光照度時，可作電流源來使用。圖2.14

硅光電池的光電特性1-開路電壓特性曲線2-短路電流特性曲線3.溫度特性溫度特性是光電池的重要特性之一。如圖2.15所示，硅光電池的開路電壓隨著溫度的上升而明顯下降，短路電流隨溫度上升確實緩慢增加。因此，光電池作為檢測元件時，應(yīng)考慮溫度補償?shù)膯栴}。圖2.15

硅光電池溫度特性1-開路電壓2-短路電流4.頻率特性光電池的頻率特性是指輸出電流與入射光調(diào)制頻率的關(guān)系。當(dāng)入射光照度變化時，由于光生電子-空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合都需要一定時間，因此入射光調(diào)制頻率太高時，光電池輸出電流的變化幅度將下降。硅光電池的頻率特性較好，工作頻率的上限約為數(shù)萬赫茲，而硒光電池的頻率特性較差。在調(diào)制頻率較高的場合，應(yīng)采用硅光電池，并選擇面積較小的硅光電池和較小的負載電阻，可進一步減小響應(yīng)時間，改善頻率特性。

2.3.2光敏二極管（光電二極管）一、光敏二極管的結(jié)構(gòu)光敏二極管的基本結(jié)構(gòu)和普通二極管相似，只是其PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，可以使光線集中照射在PN結(jié)上，圖2.16是光敏二極管的結(jié)構(gòu)、符號及基本電路。圖2.16光敏二極管1.結(jié)構(gòu)示意圖和符號2.基本電路二、光敏二極管的工作原理

光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，反向電流的大小取決于少數(shù)載流子的濃度。無光照時，少數(shù)載流子數(shù)目很少，所以反向電流很小。當(dāng)光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)時，光生電子-空穴對分別定向運動形成光電流，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生載流子濃度相應(yīng)變動，光電流也會隨之變動，于是光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)換成了電信號。簡單來說，光敏二極管在反向偏壓下的反向電流（主要是光電流）隨光照強度的變化而變化。

三、光敏二極管的特性1.光照特性光敏二極管的光電流與光照度之間呈線性關(guān)系，其光照特性是線性的，所以適合定量檢測等方面的應(yīng)用。2.光譜特性特點是：存在長、短波限，存在峰值波長；pn結(jié)靠近硅片表面可提高短波響應(yīng)靈敏度；使用高阻單晶硅材料，可使耗盡區(qū)在反偏壓時加寬，提高長波響應(yīng)靈敏度。

3.暗電流的影響在實際應(yīng)用中，我們期望暗電流越小越好，管芯的受光面積小、所加電壓低和環(huán)境溫度降低都會使暗電流減小，從而影響光敏二極管的性能。此外，硅管的暗電流要比鍺管小幾個數(shù)量級。

四、PIN光敏二極管

PIN管是光敏二極管的改進模式。它的結(jié)構(gòu)特點是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導(dǎo)體I層，使PN結(jié)結(jié)電容變小，從而頻帶將變寬，響應(yīng)速度快。P-SiN-SiI-Si圖2.17PIN管結(jié)構(gòu)示意圖圖2.18PIN光敏二極管外形優(yōu)點：頻帶寬，可達10GHz，提高了響應(yīng)速度。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，線性輸出范圍寬。不足：I層電阻很大，PIN管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售。PIN光敏二極管可用于各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)、各種家電遙控器的接收管（紅外波段）等。PIN型光電二極管的特性：五、APD光敏二極管(雪崩式光敏二極管)

APD光敏二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。其結(jié)構(gòu)為，如圖2.19所示。N-SiP-SiP-Si+圖2.19APD管結(jié)構(gòu)示意圖圖2.20APD光敏二極管外形雪崩式光敏二極管的特性：優(yōu)點：這種管子有很高的內(nèi)增益（電流放大功能），具有高響應(yīng)度。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光敏二極管。

APD光敏二極管可廣泛應(yīng)用于微光信號檢測、長距離光纖通信、激光測距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對抗系統(tǒng)。六、光敏二極管的應(yīng)用電路

1.光敏二極管與反相器的連接

圖2.21

光敏二極管與反相器連接電路考慮：當(dāng)光照增加，輸出會怎么變化？2.光敏二極管與晶體管組合應(yīng)用電路

圖2.22

光敏二極管與晶體管組合應(yīng)用電路a圖適用于脈沖入射光電路，輸出信號與輸入信號的相位相反，輸出信號一般較大。b圖適用于模擬信號電路，電阻RB可以減小暗電流，輸出信號與輸入信號的相位相同，輸出信號一般較小。a集電極輸出b發(fā)射極輸出3.光敏二極管在路燈控制器中的應(yīng)用

圖2.23

路燈控制電路整個電路由感光器件（光敏二極管）、整形電路、放大電路和繼電器控制電路等幾部分組成。其中IC1為40106起整形作用；VT1為驅(qū)動三極管，實現(xiàn)對繼電器的控制。VR1可以調(diào)節(jié)起控亮度；VD2為續(xù)流二極管，對繼電器K起保護作用。電路原理：VD1為光敏二極管，反向偏置。光線較暗時，VD1產(chǎn)生的光電流很小，IC1輸入電壓較小，IC1輸出高電平，VT1導(dǎo)通，繼電器K得電，常開觸點閉合，被控電路導(dǎo)通工作。當(dāng)光線逐漸增強時，VD1中光電流逐漸增大，當(dāng)IC1輸入電壓超過3V時，其輸出電壓變?yōu)榈碗娖?，VT1截止，繼電器K失電，常開觸點斷開，被控電路停止工作。

2.3.3光敏三極管（光電三極管、光敏晶體管）

一、光敏三極管的結(jié)構(gòu)

光敏三極管與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負（c、e）兩個引腳，在外型上與光敏二極管很像。其外形和結(jié)構(gòu)如圖2.24.圖2.24光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號

二、光敏三極管的工作原理當(dāng)光線照射在集電結(jié)的勢壘區(qū)時，產(chǎn)生電子-空穴對，在內(nèi)電場的作用下，光生電子被拉到集電極，光生空穴流向基區(qū)形成基極電流IL（主要是光電流），于是基極與發(fā)射極間的電壓差升高使發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，光敏三極管導(dǎo)通。當(dāng)三極管處于放大狀態(tài)時，集電極電流IC為光電流IL的β倍，具有電流放大作用。圖2.25光敏三極管的工作電路三、光敏三極管的特性光敏晶體三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長，并且與具體的三極管材料有關(guān)。在圖2.26中，當(dāng)入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子空穴對。當(dāng)入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達PN結(jié)，因而使相對靈敏度下降。1.光譜特性相對靈敏度/%硅鍺入射光λ/?400080001200016000100806040200硅的峰值波長為9000?，鍺的峰值波長為15000?。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管；但對紅外線進行探測時,則采用鍺管較合適。圖2.26光敏三極管的光譜特性0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080圖2.27光敏晶體管的伏安特性2.伏安特性

光敏三極管的伏安特性曲線如圖2.27所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時的輸出特性一樣。只要把不同光照下所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看作一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。U/V圖2.28光敏晶體管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.03.光照特性光敏三極管的光照特性如圖2.28所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I（如集電極電流）和照度之間的關(guān)系。在很大的光照范圍內(nèi)，它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系；在小照度時，光電流隨照度增加較小，當(dāng)光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這是由于光敏三極管的電流放大倍數(shù)在小電流和大電流時都下降的緣故。暗電流/mA光電流/mA10203040506070T/oC2505010002003004001020304050607080T/oC圖2.29光敏晶體管的溫度特性4.溫度特性光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響較小，而對暗電流的影響很大。所以低照度時，暗電流的溫度特性嚴(yán)重。改善：①硅管；②溫度補償；③對輸出交流放大，隔直電容隔斷暗電流。5.光敏三極管的頻率特性光敏三極管的頻率特性曲線如圖2.30所示。光敏三極管的頻率特性受負載電阻的影響，減小負載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光調(diào)制頻率/HZ相對靈敏度/%

圖2.30光敏晶體管的頻率特性三、光敏三極管的應(yīng)用電路圖2.31中光敏三極管的工作原理主要也是考慮光電流的作用。VD和繼電器這樣的組合應(yīng)用主要是為了保護繼電器，VD為續(xù)流二極管，可以應(yīng)用該電路繼電器的吸合和釋放去控制后續(xù)的執(zhí)行機構(gòu)。1.光敏三極管光控繼電器電路

圖2.31

光敏三極管光控繼電器電路達林頓連接法可以得到較大的輸出電流，放大倍數(shù)可以達到β1×β2。b圖中的光電流可以直接驅(qū)動小型繼電器，c圖能獲得較大的輸出電壓。2.光電達林頓晶體管電路

圖2.32

光敏三極管的達林頓電路發(fā)光二極管或紅外發(fā)射管發(fā)出光線，照射到對面的光電三極管上，輸出低電平；當(dāng)遮擋物插入凹槽時光線被折斷，光電三極管阻值很大，輸出高電平。如果把遮擋物設(shè)計成帶孔的轉(zhuǎn)盤，可以用來檢測轉(zhuǎn)速。賓館客房的插卡式電源開關(guān)就可以采用該光電斷路器。3.光敏三極管構(gòu)成的光電斷路器圖2.33

光敏三極管構(gòu)成的光電斷路器黑色線條吸收發(fā)光二極管發(fā)出的光線，白色間隔發(fā)射光線，于是光敏三極管接收到與黑白線的位置對應(yīng)的不同光信號，并輸出高低電平脈沖列。這樣的脈沖列經(jīng)過放大、整形后就是一串01代碼，然后調(diào)動原先數(shù)據(jù)庫中的商品存儲信息，就能找到對應(yīng)產(chǎn)品。4.條形碼掃描筆圖2.34

條形碼掃描筆筆頭結(jié)構(gòu)圖2.35

掃描筆輸出的脈沖列§2.4CCD圖像傳感器一、圖像傳感器簡介圖像傳感器的功能是將拍攝的圖像轉(zhuǎn)換成電信號，整個“攝影”的過程可以用圖2.36來表示。圖2.36

攝像的概念圖1.受光產(chǎn)生電荷圖像傳感器的攝影面接受光線進行光電轉(zhuǎn)換，不同位置的像素上接受的光能不同，就在該像素上對應(yīng)轉(zhuǎn)換成數(shù)目不同的電荷，這一過程中利用了光電效應(yīng)原理。攝像管的攝影面是由在云母或玻璃燈絕緣板上涂覆光導(dǎo)電膜構(gòu)成；而CCD圖像傳感器的攝影面可由大量的光敏二極管構(gòu)成。2.光生電荷的掃描將攝影面上產(chǎn)生的電荷讀取出來，這個過程就是掃描過程。常見的掃描方式有兩種：攝像管采用的是電子掃描方式讀取，而CCD圖像傳感器則采用固體掃描方式讀取。圖2.37

攝像管的掃描攝像管掃描時，電子束一旦打中攝影面的目標(biāo)位置，則該處的光生電荷形成信號電流流出。圖2.38

CCD圖像傳感器的掃描CCD圖像傳感器利用具有電子可沿半導(dǎo)體表面移動功能的CCD，將光電轉(zhuǎn)換所得的電子，從光電二極管傳輸?shù)綀D像傳感器的輸出放大器，在此轉(zhuǎn)換出與電子數(shù)成正比的電壓后輸出信號。二、CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器的工作過程可以分解為以下四個基本步驟：①光電轉(zhuǎn)換（將光轉(zhuǎn)換成信號電荷）；②電荷的儲存（儲存信號電荷）；③電荷的轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移信號電荷：CCD功能）；④電荷的檢測（將信號電荷轉(zhuǎn)換為電信號）。結(jié)合圖2.39，①②過程是在光敏二極管進行，③是在垂直CCD和水平CCD進行，④是在FD放大器進行。圖2.39

典型的CCD圖像傳感器的大致構(gòu)造與四個過程1.光電轉(zhuǎn)換和電荷的儲存CCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換利用的是內(nèi)光電效應(yīng)，原理同前面所講，我們重點說說電荷的儲存。

大多數(shù)CCD圖像傳感器利用的光生電荷是光生電子，我們也稱它為信號電荷。只要給出合適的正電壓，信號電荷就可以在高電勢位置處集中儲存，儲存電荷的電勢分布狀態(tài)，稱為電勢阱。以MOS構(gòu)造兩端子電容器為例，介紹儲存電荷的原理，如圖2.40所示。圖2.40

MOS電容器儲存電荷的原理如果不同位置處正電壓高低不同，電子會儲存在電勢最高的位置處。2.電荷的轉(zhuǎn)移（CCD原理）CCD(ChargeCoupledDevice)稱為電荷耦合器件，原指具有電荷轉(zhuǎn)移功能的元件，現(xiàn)在習(xí)慣將CCD當(dāng)作圖像傳感器的代名詞。

CCD電荷傳輸?shù)脑?，用一句話來說就是移動儲存信號電荷的電勢阱。無論是二相CCD、三相CCD還是四相CCD，都是通過移動電勢阱來轉(zhuǎn)移電荷的。圖2.41以三相CCD為例說明電荷轉(zhuǎn)移原理。圖2.41

三相CCD電荷轉(zhuǎn)移原理3.電荷的檢測（輸出）電荷的檢測是將轉(zhuǎn)移過來的信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號的過程，進行電荷檢測的基本原理如圖2.42所示。圖2.42

CCD信號電荷檢測原理電容器兩端的電壓變化信號電荷量電容器的電容4.不同CCD圖像傳感器在轉(zhuǎn)移方式上的差異⑴幀轉(zhuǎn)移方式圖2.43

幀轉(zhuǎn)移方式⑵行間轉(zhuǎn)移方式圖2.44

行間轉(zhuǎn)移方式⑶幀行間轉(zhuǎn)移方式圖2.45

幀行間轉(zhuǎn)移方式本章重點內(nèi)容小結(jié)：⒈內(nèi)光電效應(yīng)的概念；⒉以光敏電阻為代表的光電導(dǎo)效應(yīng)型光傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理及特性；⒊光電池、光敏二極管及光敏三極管的結(jié)構(gòu)、工作原理、特性及電路分析；⒋掌握CCD圖象傳感器：電荷產(chǎn)生及儲存、轉(zhuǎn)移和檢測的工作原理。第三章半導(dǎo)體溫度傳感器§3.1半導(dǎo)體溫度傳感器的物理基礎(chǔ)§3.2半導(dǎo)體電阻式溫度傳感器§3.3半導(dǎo)體PN結(jié)型溫度傳感器§3.4半導(dǎo)體集成溫度傳感器

半導(dǎo)體材料的熱敏效應(yīng)，主要體現(xiàn)在溫度對半導(dǎo)體材料電學(xué)性質(zhì)的影響上，材料的禁帶寬度、載流子濃度和載流子的遷移率是受溫度影響較大的主要因素。⒈禁帶寬度受溫度的影響一般而言，隨溫度的升高，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度逐漸減小，基本的關(guān)系式為：§3.1半導(dǎo)體溫度傳感器的物理基礎(chǔ)⒉載流子濃度ni受溫度的影響以半導(dǎo)體材料的本征載流子濃度為例，二者之間的關(guān)系可以用下式來表示：

隨著溫度的升高，ni呈指數(shù)增大的趨勢。⒊遷移率μ受溫度的影響根據(jù)散射理論，載流子的遷移率受多種因素的影響，其中以電離雜質(zhì)散射和晶格振動散射為主，二者均受溫度的影響。

利用半導(dǎo)體材料的熱敏效應(yīng)，可以制作成各種各樣的半導(dǎo)體溫度傳感器，在本章中我們主要學(xué)習(xí)半導(dǎo)體電阻式溫度傳感器（以半導(dǎo)體熱敏電阻）、半導(dǎo)體pn結(jié)型溫度傳感器（溫敏二極管、溫敏三極管）以及集成溫度傳感器的常見實例。①電離雜質(zhì)散射：②聲學(xué)波散射：③光學(xué)波散射：幾種散射同時存在時,有:

電阻式溫度傳感器主要包括熱電阻（金屬，如鉑、銅電阻溫度計等）和半導(dǎo)體熱敏電阻。半導(dǎo)體熱敏電阻發(fā)展最為迅速，由于其性能得到不斷改進，穩(wěn)定性已大為提高，在許多場合下（-200～＋880℃）熱敏電阻已逐漸取代傳統(tǒng)的溫度傳感器。一、半導(dǎo)體熱敏電阻的結(jié)構(gòu)

熱敏電阻結(jié)構(gòu)通常采用金屬氧化物材料利用特殊的陶瓷工藝，制成燒結(jié)體，外形及結(jié)構(gòu)如圖3.1所示?！?.2半導(dǎo)體電阻式溫度傳感器圖3.1熱敏電阻外形及結(jié)構(gòu)示意圖二、熱敏電阻的工作原理

半導(dǎo)體熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化而變化的性質(zhì)進行溫度的檢測。按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系不同可分為：正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）、負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和臨界溫度熱敏電阻（CTR）。⒈PTC的工作原理(PositiveTemperatureCoefficient)

PTC熱敏電阻通常采用鈦酸鹽（BaTiO3）系列材料（摻雜后），其特點是在某一溫度Tc（居里點）附近，電阻率從負溫度系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎郎囟认禂?shù)，且電阻率急劇增大3～7個數(shù)量級，可作溫度開關(guān)使用，居里點可通過摻雜來控制。PTC熱敏半導(dǎo)體具有多晶結(jié)構(gòu)，各晶粒內(nèi)部為半導(dǎo)電性區(qū)，晶界為高阻層區(qū)，外加電壓時，電壓大部分落在高阻的晶界層上，因而電子通過晶界的難易程度將對材料的導(dǎo)電性能起主要作用，可以利用晶界勢壘模型來解釋PTC材料的工作原理：

把晶界看成存在一個電子勢壘，當(dāng)溫度在居里點以下時，高阻的晶界具有較大的介電常數(shù)，勢壘高度很小，電子很容易越過勢壘，材料的電阻率?。划?dāng)溫度高于居里點時，晶格的介電常數(shù)急劇減小，勢壘隨之急劇增高，因而電子難以越過勢壘，相應(yīng)材料的電阻率上升，表現(xiàn)出正溫度系數(shù)。⒉NTC的工作原理(NegativeTemperatureCoefficient)

NTC熱敏電阻大多數(shù)是由一些過渡金屬氧化物（主要用Mn、Co、Ni、Fe等氧化物）在一定的燒結(jié)條件下形成半導(dǎo)體金屬氧化物作為基體材料，它們常具有P型半導(dǎo)體的特性。在溫度測量中，主要采用NTC材料。

工作原理：對于具有P型半導(dǎo)體性質(zhì)的NTC材料，在室溫范圍內(nèi)可看作已全部電離，載流子濃度基本與溫度無關(guān)，主要考慮遷移率與溫度的關(guān)系，而遷移率隨著溫度的升高逐漸增大，使材料的電阻率逐漸減小，表現(xiàn)為負的溫度系數(shù)。⒊CTR熱敏電阻(CriticalTemperatureResistor)

CTR熱敏電阻可以看做是NTC的特例，可用V、Ba、Sr、P等氧化物混合燒結(jié)制成。該類電阻器的電阻值在某特定溫度處隨溫度升高而急劇降低3～4個數(shù)量級，即具有很大負溫度系數(shù)，這個急劇變化的溫度我們稱為驟變溫度。CTR熱敏電阻也可作為溫度開關(guān)使用。

CTR熱敏電阻的溫度變化時，氧化物的晶格結(jié)構(gòu)和組份常常有很大的變化，使其電阻率有大幅度的降低。⒈熱敏電阻的溫度特性（RT—T）

12340601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC圖3.2

熱敏電阻的電阻--溫度特性曲線1-NTC；2-CTR；

3-PTC三、熱敏電阻器主要特性⑴正電阻溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻的溫度特性：其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變來取得的，典型特性曲線如下圖。10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2Ω圖3.2PTC熱敏電阻器的電阻—溫度曲線T/oC電阻/ΩTp1Tp2Tc=175o