传感器与检测技术_第二章.ppt

1、2.5 湿敏电阻传感器,Jan，2008,饱和状态,不饱和状态,空气,水,空气,湿度是什么？,湿度是空气中含有水蒸气的量。 含有水蒸气的空气是一种混合气体。水分子在气体中的客观存在的。,Jan，2008,湿度的表示方式,绝对湿度 g /m3 相对湿度 % rH 水蒸气分压 Pa 露点 td 水分含量 ppm 潮湿度 g / kg 蒸汽浓度 g / cm3 蒸汽浓度 g / kg 热含量 kJ / kg,绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。 相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%

2、时，称饱和状态。,露点,降低温度会产生结露现象。露点与农作物的生长有很大关系，结露也严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。,测量露点的仪器,温度低于0时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。,密析尔露点传感器的工作原理非常简单，是基于水分的导电性。多孔的吸湿层如同“三明治”一样被夹在陶瓷基底上的两个导电层之间。吸收水分子后，吸湿活性层的导电特性就会发生变化。该传感器的表面导电层允许水分子自由通过进入吸湿活性层。吸湿活性层很薄，仅1微米厚（一微米=百万分之一米），而顶部的导电层厚度比1微米还要薄，这样，当周围环境的湿度发生变化的时候，传感器对湿度变化会做出极其快速的反应。,露点仪：能直接测出露点温

3、度的仪器。使一个镜面处在样品湿空气中降温，直到镜面上隐现露滴（或冰晶）的瞬间，测出镜面平均温度，即为露（霜）点温度。它测湿精度高，但需光洁度很高的镜面，精度很高的温控系统，以及灵敏度很高的露滴（冰晶）的光学探测系统。使用时必须使吸入样本空气的管道保持清洁，否则管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差。,露点传感器外形,湿敏电阻的原理： 水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。,2、湿度对电子元件的影响 当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，

4、还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。,湿敏电阻的阻值能随环境相对湿度的变化 而变化，所以它们能实时监控环境里的湿度变 化情况，从而减少环境对仪器设备带来各种危 害 。,湿度传感器的分类,陶瓷湿敏元件结构图,加热器能对元件进行加热清洗，排除恶劣气氛对元件的污染,1、湿敏电阻型号命名方法 湿敏电阻的型号可分为三个部分，第一 部分用字母表示主称；第二部分用字母表 示用途或特征；第三部分用数字表示序 号，各部分的含义见表2-8。,例如：MS01-A（通用型号湿敏电阻器） M敏感电阻器； S湿敏电阻器； 01-A序号,湿度量程,干湿温度系数 （温度系数）,感湿特

5、性,灵敏度,响应时间,湿滞特性,主要 特性参数,老化特性 （耐久性）,湿度传感器的主要参数,电子湿度计模块,封装后的外形,电子式温湿度计,机械式、电子式温湿度计对比,应用领域 精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，气象预报、医疗卫生、食品加工、湿敏防伪技术、洗衣干燥机的自控、磁带录像机和汽车窗玻璃的防止结露、尿布沾湿报警等行业都有广泛的应用。,应用: 半导体净化车间,农业：温室栽培,气象,玉山,文物保护: 敦煌,2.6 光敏电阻传感器,光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效 应工作的光电元件。,光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的

6、管壳里就构成光敏电阻,光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光电导效应制成的光电探测器件。 对于本征型，可用来检测可见光和近红外辐射 对于非本征型可以检测波长很长的辐射,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。 在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。

7、光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。,组成：它由一块涂在绝缘基底上的光电导材料薄膜和两端接有两个引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。电极和光电导体之间呈欧姆接触。,结构：,光敏电阻在电路中的符号,三种形式 梳状式 玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材料。如图所示。,绝缘基底,光电导体膜,刻线式 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其结构如下图所示。,涂膜式 在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其结构下图。,

8、光敏二极管结构简图、符号和等效电路图,二、特性参数,1、光电流及增益,无光照时流过器件的电流称暗电流，由入射光引起的称光电流。,增益可理解为：样品中每产生一个光生载流子所构成的流入外电路的载流子数。,若G1, 即单位时间流过器件的电荷数大于器件内光激发的电荷，从而使电流得到放大。,增益电流系数：光电流与入射光引起的单位时间电荷量的比值。,由上式可知：,、减小样品长度可以大大提高增益；,、增加载流子的寿命也可提高增益。,光敏面作成蛇形，电极作成梳状是因为这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。,2.光电导灵敏度,定义为光电导 g

9、p 与输入光照度E之比。,： 光电导（西门子S）,： 照度（勒克斯lx）,A ：入射通量（流明lm),S g,注意：灵敏度与光电增益的区别,材料特性,结构参数,（1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小。,（2）增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力。,3、光电特性：,光电流与照度的关系：,： 光照指数,：电压指数,（1）弱光时，I光 与照度 E 成线性关系,（2) 强光时，光电流与照度成抛物线,强光照下光电特性的分析： 光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）,4、伏安特

10、性：,在一定的光照下，光电流 I光与所加电压的关系,一定的光照下，光与电压的关系; 相同的电压下，光与光照的关系,说明：,（1) 光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半导体，当 电场强度超过104伏特/厘米 （强光时），不遵守欧姆 定律。硫化镉例外，其伏安特性在100多伏就不成线性了。,（2）光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗功率又和其面积大小、散热情况有关。,（3）伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的工作点。,5、温度特性：,温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，尤其是杂质

11、型半导体受温度影响更明显。,6前历效应,1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3-黑暗放置24小时后,指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。,暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电流上升的越慢程度。工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越重。,亮态前历效应： 光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。,7、暗电阻和暗电流：,光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻，一般情况下，暗电阻都大于10兆，受光照时的阻值称为亮阻。暗阻与亮阻的比值也可作为衡量灵敏度

12、的高低，比值越大，灵敏度越高。,8、时间频率响应：,时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。,9、噪声特性：,热噪声、产生复合噪声 、1/f 噪声与调制频率的关系,（1) 红外：减小温漂，使信号放大，可调制较高的f,（2）制冷可降低热噪声,（3）恰当的偏置电路，可使信噪比最大,10、光谱特性：相对灵敏度与波长的关系,可见光区光敏电阻的光谱特性 光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波长在515600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。,红外区光敏电阻的光谱特性,此特性与所用材料的光谱响应、制

13、造工艺、掺杂浓度和使用的环境温度有关。,三、光敏电阻的特点,1、优点：,灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流大，无极性之分 光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度 所测光强范围宽，可测强光、弱光,2、不足：,强光下光电转换线性差 光电导弛豫时间长 受温度影响大 由伏安特性知，设计负载时，应考虑额 定功耗 进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前 历效应,光敏电阻的电路,1、基本偏置电路： （1） 第一种：,将第一种电路中的 RP 与R1互换位置，即另一种偏置电路。,（2）分析两种情况下输出电压的变化：,（3）RG和电源E的选取原则：,a.光通量连续变化时，,b.光通量跳跃变化时，,c.,为最大允许

14、功耗,2、恒流、恒压偏置电路：,（1）恒流偏置电路：采用稳压管D, 故I b不变，所 以I c不变，因此V b也不变。,（2）恒压偏置电路： 同样V b不变，故V e不变，由 于RG减小，故I e 增大。导致I c变化。而输出电压 V0不变。,光敏电阻器种类： 1）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为硫化镉（CdS）、硒化镉(CdSe) 、硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb) 光敏电阻器等。 2）按光谱特性分类： 可见光光敏电阻器：主要用于各种光电自动控制系统、电子照相机、光报警等地。 紫外光光敏电阻器：主要用于紫外线探测仪器。 红外光光敏电阻器：主要用于天文、军

15、事等领域的有关自动控制系统。,光敏电阻器的主要参数 1）亮电阻（k）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。 2）暗电阻(M)：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。 3）最高工作电压(V)：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压 4）亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。,5）暗电流(mA)：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。 6）时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63时所需的时间。 7）电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变1时，其电阻值的相对变化。 8）灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。,光敏电阻器型号命名方法 光敏电阻器的型号命名分为三个部分，第一部分用字母表示主称。第二部分用数字表示用途或特征。第三部分用数字表示产品序号，各部分的含义见表2-9。 例如：MG45-14（可见光敏电阻器）：M敏感电阻器；G光敏电阻器；4