传感技术 7-8 压电式传感器及其应用.ppt

1、,Chapter 7 压电式传感器及其应用,压电sensors,Non-electric,q,Non-electric: 力、压力、加速度 优点有：响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、可靠、重量轻等。 广泛应用于：微机电、微压力、振动测量（工程力学）、生物医学、电声技术、超声波等领域,71 压电效应与压电材料,一、压电效应,某些电介质在一定方向上受到外力作用时，内部产生极化，在其某对表面上产生符号相反的电荷；当外力改变方向时，电荷的符号随之改变；当外力取消时，电荷也随之消失的物理现象。压电效应或正压电效应。Eg:电唱头、microphone、血压计、心率计等 反之，某些电介质在一定方向（

2、极化方向）上施加电场时，电介质产生正比于电场强度的机械形变的物理现象逆压电效应。Eg:超声波发生器、声发射sensor、压电扬声器、晶体振荡器等。,电致伸缩效应,某些电介质在电场作用下时，电介质产生正比于电场强度平方。且与电场的方向无关的机械形变的物理现象电致伸缩效应。,分类,压电效应,正压电效应,逆压电效应,电致伸缩效应,横向压电效应,纵向压电效应,切向压电效应,xkyE,QdF,xkdE,2,二、压电材料,压电单晶: SiO2,压电多晶: PZT 、BaTiO3 、LiNbO3、LiTaO3、LiGaO3,有机压电材料 : PVF2(聚二氟乙烯)、PVF、PVC（聚氯乙烯）、压电橡胶,复合

3、压电材料,压电半导体材料：ZnO、CdS、CdTe等，灵敏度高、响应快，易集成。,三、压电机理,1、单晶 以SiO2为例,天然石英晶体和人工石英晶体都属于单晶体，化学式为SiO2,外形结构呈六面体,沿各方向特征不同。 沿X方向(电轴)的力作用产生电荷的压电效应称”纵向压电效应”； 沿Y方向的(机械轴)的力作用产生电荷的压电效应称”横向压电效应”； 沿Z方向的(光轴)的力作用时不产生压电效应。,Q =dF,电偶极矩的方向？,负电荷指向正电荷,d为36矩阵,2、压电陶瓷,电畴,极化强度,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，他有一定的极化方向。,无电场作用时，电畴

4、在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。 施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场越强，电畴转向外电场的越多。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。 外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。,自由电荷束缚电荷，压电陶瓷不呈极性。当在极化方向上施加力作用，电筹偏转，P减小，束缚电荷减少，表面出现自由电荷。,52 压电传感器的等效电路和测量电路,电荷泄漏慢，则Ra大，要求后续电路的Rin大。 测试动态信号（eg：交变），电荷不断补充，更有利。,一、压电传感器的等效电路,二、在测量系统中的等

5、效电路,Ra,三、测量电路,压电传感器受力形变所产生的电荷非常微弱，其输出阻抗大，因此要求后续电路：足够的放大倍数、灵敏度高、输入阻抗大。有两类测量电路：,1、电压放大器 又由于电压放大器的输出随分布电容Cc的变化而变化，而Cc随电缆长短、形状变化，带来误差。故这里介绍电荷放大器。 2、电荷放大器,电荷放大器,Uo,Cf,Ra,Ri,A的作用？,信号放大、阻抗变换 Ro100,UoA/CT+(1+A)Cf Uo Aq/Cf,四、压电传感器的连接方式,QT=2q CT=2Ca UT =Ua,QT=q CT=Ca/2 UT =2Ua,73 压电传感器的应用,压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的

6、测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。 在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。 测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。 在军事工业，测量枪、炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。 压电式传感器也广泛应用在生 物医学测量中，比如说心室导 管式微音器就是由压电传感器 制成的。,一、测力,上盖很薄（0.10.5 mm）作为受力弹性元件，体积小重量轻10 g，固有频率高 5060 kHz，测量范围：05000 N， 分辨力0.001 N。,二、测压力,P,三、测加速度,典型应用 空气囊正面冲击系统 航空救生系统弹射加速

7、度测量 振动/冲击监测 飞行器、船舶、车辆的线性加速度测量 公路、铁路、车辆的低频振动加速度测量,单位：西安达泰电子有限责任公司,主要技术指标(1)线性：1%；(2)横向灵敏度：5%， 典型值：3%；(3)输出偏压：8-12VDC；(4)恒定电流：2-20mA， 典型值：4mA；(5)输出阻抗：150；(6)激励电压：18-30VDC，典型值：24VDC；(7)温度范围：-40+120；(8)放电时间常数：0.2秒；(9)安装力矩：约20kg.cm(M5螺纹)。,四、在线测厚仪,Chapter 8 光电式传感器及其应用,光电-sensors,nonelectric,U、I or R,特征：以光

8、电器件作为转换元件 检测直接引起光量变化的 Nonelectric：光强、光照度、辐射温度、光颜色等；还可检测能转换为光量变化的 Nonelectric：物体的形状、位移、表面粗糙度、转速、计数、应变、速度、加速度等。 特点：非接触、相应快、可靠性强。 是目前应用最广的传感器之一。,光电式传感器的组成部分,光源,光路,光电元件,测量电路,光,光,电,电,驱动电路,控制电路,将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。,8.1 光电效应,一、光子的能量,电磁波谱,

9、二、光电效应,光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。 1. 外光电效应 在光线作用下，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。 基于外光电效应的光电器件有：光电管、光电倍增管等。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。,若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量h必须超出逸出功A0 ，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即,产生光电效应的材料有：半导体材料、金属材料等。,爱因斯坦首次采用光量子理论解释了光电效应， 并因此获NOBEL物理学奖。,光电效应的规律：,1）光

10、电流入射光强度 2）光电子的初动能只与入射光频率相关 3）若 无光电效应,2.内光电效应,受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。 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，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。 2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。,光伏效应光生伏特效应,侧向光生伏特效应受光不均匀时，由载流子浓度梯度产生，构成位置敏感器件、或称为反转光敏二极管 PN结光生伏特效应，用于光

11、电池、光敏二极管、光敏三极管。 光电磁效应 光扩散电流的霍尔效应 贝克勒尔效应液体中的光生伏特效应， 用于感光电池。,8.2 光电管,一、结构与原理,8.2 光电管,二、主要性能 1、伏安特性,2、光谱特性,3、光照特性,在UA一定时，光电流I或灵敏度与入射光频率的关系，与阴极材料相关,在UA、一定时，光电流I入射光强度,氧铯,锑铯,8.3 光电倍增管,雪崩效应,Uout,一、结构与原理,二、光电倍增管的主要参数,倍增系数Mi 灵敏度： 一个h在阴极产生的e数光阴极灵敏度， 在阳极产生的平均e数总灵敏度。,光电倍增管不得用于强光照射的场合， 否则可能烧毁或老化， 灵敏度下降。,伏安特性 阴极和

12、各倍增极电压保持不变的条件下，阳极光电流IA与UAD的关系,光电特性 阳极光电流IA与光电阴极接收入射光通量的关系,8.4 光敏半导体器件,一、光敏电阻,1、结构与原理,制备方法：在玻璃衬底上涂或镀CdS，装上电极，封装即可。,2. 光敏电阻的工作原理,光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。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。 无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此

13、时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。,3、主要特性,1）暗电阻和暗电流 1100 M 2）亮电阻( k)和亮电流 3）光电流=亮电流-暗电流 4）伏安特性,5）光电特性 6）时间常数,PbS,TaS,7）光谱特性,二、光电池,光电池有硅光电池、硒、Ge、CdS、TaS、Cu2O,1、结构与原理,2、光电池的主要特性,1）光谱特性,光电池的光谱特性取决于材料,硒光电池的光谱范围380nm750nm，在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在500nm附近，适宜测可见光。 硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在800nm附近，因此可在很宽

14、的范围内应用。,I,U,2）短路电流ISC 与开路电压Uoc,3）温度特性（温漂） ISC ISC (t) 1uA/C，Uoc Uoc(t) -3mV/C,三、光敏二极管光电二极管,1.工作原理与结构 光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个PN结，两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不同之处在于光敏二极管的PN结在管壳的顶部，可直接受到光的照射，其结构和电路如图所示。,阳极-,阴极+,- + - +,光照：截止 导通,没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态, 这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。 当光

15、照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, PN结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下,P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大, 光电流越大。,光敏二极管主要技术参数,最高反向工作电压：Is0.1uA时所承受的电压 暗电流：无光照时的Is，越小越好 光电流：光照时的Is ，越大越好 灵敏度：Is/P(入射光功率) 响应时间 ：光照后产生Is所需要的时间 ， 越小越好 光谱范围：,2.光敏二极管的基本特性,1）

16、光谱特性 在入射照度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感，这就是它的光谱特性。如图所示。,2）伏安特性,3）光照特性,4）温度特性,温度变化对光敏二极管输出光电流影响较小,但对暗电流的影响却十分显著.,四、 光敏三级管,光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。 1.工作原理与结构,基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时, 在结附近产生电子-空穴对, 电子在结电场的作用下，由P区向N区运动，形成基极电流，放大倍形成集电极电流（光电流）, 所以光电三极管有放大作用。,与光

17、敏二极管工作原理相似， 灵敏度更高Ic=(1+)Is。,1、结构与原理,e -,c+,2.光敏三极管的基本特性,1）光谱特性与伏安特性 光谱特性与二极管相同，伏安特性如图。,2）温度特性与光照特性,温度特性与光敏二极管相同，光照特性如图,光,暗,五、光敏晶闸管光控晶闸管(可控硅),+,与普通晶闸管不同之处在于：光照在J2（反偏），产生的载流子在外电场作用下产生控制电流，使晶闸管导通,六、光敏集成器件,达林顿光电管 （光敏三极管与普通三极管共用集电极）,光电耦合器件 （发光器件与受光器件集成，实现电-光-电的转换），主要优点如下： 1. 电路隔离 2. 单向传输 3. 响应速度快， 可用于高频电

18、路 4. 结构简单，寿命长 5. 低噪声 6. 无触点固态开关,七、 CCD图像传感器Charge Coupled Device,固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（ 简称CCD）、MOS图像传感器（简称SSPA）和电荷注入器件（简称CID）。 目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。 在本节中仅说明CCD图像传感器的工作原理与特性,1. CCD,CCD是利用内光电效应由单个光敏元构成的IC光电传感器，集电荷存储、移位和输出于一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作

19、为信号, 基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。 广泛应用于自动控制和自动测量, 尤其适用于图像识别技术、成像技术、数据存储。,1） MOS光敏单元的结构及原理,CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属氧化物半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2 (120nm),再在 SiO2层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。,A、势阱的产生 MOS的金属电极加正压，电场排斥在Si/SiO2界面下的空穴，形成耗尽层，它是电子的势

20、阱。势阱的深浅取决于U的大小。光生eh对的光电子进入势阱，形成电荷包，即一个象素。,B、电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。 CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。,2） 读出移位寄存器,是电荷图像的输出电路,研究如何实现势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置，并依次转移并传输出来。,A、电荷的定向转移 当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。 要求： 多个MOS电容紧密

21、排列且势阱相互沟通。 金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。,B、三相CCD电极的结构 MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120时钟脉冲驱动。,C、电荷的输出,在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。,输出二极管电流法,CCD图像传感器,线阵 面阵,2.CCD图像传感器 1） 线阵电荷耦合器件,线阵CCD结构原理图,（1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中

22、，光像变为电像电荷包。（光积分） （2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出。 （3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。,图7-12 各脉冲的波形和相位,2）面阵型CCD图像传感器,面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输三种。下面主要介绍前两种。 A）行传输（LT）面阵CCD,B） 帧传输（FT）面阵CCD,光敏区和存储区分开，光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到读出寄存器。然后，整帧信号再

23、向下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出。（一帧对应光敏区MOS的数量）,3. CCD图像传感器的特性参数,1）转移效率 当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，则转移效率定义为,若转移损耗定义为,则电荷进行N次转移时，总转移效率为,要求转移效率必须达到99.9999.999%,2）分辨率,CCD图象传感器的分辨率用调制转移函数MTF表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调制转移函数MTF。 根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0的一半，即,3）暗电流,暗电流起因于热

24、激发产生的电子空穴对，是缺陷产生的主要原因。CCD器件暗电流越小越好。,4.灵敏度,图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即,8.5 光电码盘,光电码盘是由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。,结构简单、可靠性高，在空间技术、数控机械等方面得到广泛应用。,工作原理,光源,柱面镜,码盘,狭缝,光电器件,输出：亮区1暗区2编码,8.6光电红外传感器-红外探测器,红外热敏传感器 （热电式传感器） 光电红外传感器 （光电式传感器）,一、红外光的特点,非可见光(0.75um1000um) 红外光具有光的一般性质:干涉、衍射、

25、反射、散射、吸收等 红外光对金属的穿透能力弱， 但可透过一般玻璃、陶瓷、塑料、皮肤、大气等 任何物体都会发出红外辐射。 具有光热效应。,二、光电式传感器,1、结构和工作原理,组成：,2、主要技术参数,灵敏度Rv=U0/(p.Sd) 噪声等效功率NEP=VN/Rv 检测度D=1/NEP,8.7 紫外光电传感器,专门用于紫外线探测。如火灾报警， 高压线漏电放电等。 与光电管结构相似、工作原理与光电倍增管相似。,紫外线的特点？,封在石英玻璃管，,原理：紫外线照射到光阴极，发射光电子，在电场作用下被加速，高速电子与管内气体分子碰撞，使之电离，由产生电子，如此产生大量的电子，在电路中形成强电流,8.8

26、激光探测器,激光的特点： 方向性强，单色性好，相干性好。 能量集中， 亮度高。 激光探测器的用途： 军事，大地测绘，环境检测，等等。,8.9 光电式传感器的应用,灯光亮度自动控制器 声控光敏延时开关 条形码扫描笔 隔离电路 补充6例,一、灯光亮度自动控制器,光亮度大，UA ， UB，V_ ，其输出脉冲占空比，晶闸管导通，L的亮度,二、声控光敏延时开关I,白天，UA T3导通 ， T4 、 T5 截止， T6导通， UB ，晶闸管截止，L不亮。 夜晚， UA T3截止，当有声音触发B，经T1、T2 放大， T4、T5导通， T6截止， UB ，晶闸管导通，L亮。延时510S,声控光敏延时开关II,白天，DG导通 ，VD低、经IC1D反相后，V11 高， V1 高，输出低电平VA，SCR截止，L不亮。 夜晚， VD高，V1低，D1截止而隔离，若有声音触