常用传感器原理及应用2007_8.pptx

会计学1常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用2007_8宁波大学信息学院一、温度传感器一、温度传感器n n1、热电阻传感器n n2、结温度传感器n n3、集成温度传感器第1页/共77页宁波大学信息学院1 1、热电阻传感器、热电阻传感器 几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化几乎所有物质的电阻率都随本身温度的变化而变化-热电阻效应热电阻效应。根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。根据电阻和温度之间的函数关系，可以将温度变化量转换为相应的电参量，从而实现温度的电测量。利用这一原理制成的温度敏感元件称为利用这一原理制成的温度敏感元件称为热电阻热电阻。热电阻材料可分为热电阻材料可分为金属热电阻金属热电阻和和半导体热电阻半导体热电阻。RTD以以0阻值作为标称值。阻值作为标称值。如：如：Pt100第2页/共77页宁波大学信息学院（1）铂电阻铂电阻与温度变化之间的关系为铂电阻与温度变化之间的关系为当当0t6600t660时，时，Rt=R0Rt=R0（1+At+Bt1+At+Bt2 2）当当-190t0-190tT2 -2mV/K1N4148/1-5mA 当正向电流一定时,二极管的正向电压与被测温度成线性关系；在一定的电流下，其正向电压随温度的升高而降低，故呈负温度系数第9页/共77页宁波大学信息学院3 3、集成温度传感器、集成温度传感器 集成温度传感器是以晶体管作为感温元件，并将温敏晶体管及辅助电路集成在同一芯片上。单个晶体管基极集成温度传感器是以晶体管作为感温元件，并将温敏晶体管及辅助电路集成在同一芯片上。单个晶体管基极 发射极之间的电压在恒定集电极电流的条件下，可以认为与温度呈单值线性关系。发射极之间的电压在恒定集电极电流的条件下，可以认为与温度呈单值线性关系。集成温度传感器的输出形式有电压型电流型。电压型的灵敏度为集成温度传感器的输出形式有电压型电流型。电压型的灵敏度为10mV/10mV/，电流型的灵敏度为，电流型的灵敏度为1A/K1A/K。第10页/共77页宁波大学信息学院AD590 （电流型）（电流型）AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（、流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度度数）等于器件所处环境的热力学温度度数2、AD590的测温范围为的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为的电源电压范围为4V30V。AD590可以承受可以承受44V正向电压和正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为、输出电阻为710M。5、精度高。有、精度高。有I、J、K、L、M五档，五档，M档精度最高，误差为档精度最高，误差为0.3。第11页/共77页宁波大学信息学院第12页/共77页宁波大学信息学院第13页/共77页宁波大学信息学院二、光电传感器二、光电传感器（1）光谱光谱光波光波：波长为波长为10106nm的电磁波的电磁波可见光可见光：波长波长380780nm紫外线紫外线：波长波长10380nm，波长波长300380nm 称为近紫外线称为近紫外线 波长波长200300nm 称为远紫外线称为远紫外线 波长波长10200nm 称为极远紫外线，称为极远紫外线，红外线红外线：波长波长780106nm 波长波长3m（即（即3000nm）以下的称近红外线）以下的称近红外线 波长超过波长超过3m 的红外线称为远红外线。的红外线称为远红外线。1、概述、概述第14页/共77页宁波大学信息学院光谱分布如图所示光谱分布如图所示颜颜色色紫紫蓝蓝青青绿绿黄黄橙橙红红波长波长（nm）430380450430500450570500600570630600780630第15页/共77页宁波大学信息学院 光电效应光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物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。光电体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应两大类。两大类。外光电效应外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光电管、光电倍增管等。（2 2）光电效应）光电效应第16页/共77页宁波大学信息学院 当光照射在物体上，使物体的当光照射在物体上，使物体的电阻率电阻率发生发生变化，或产生变化，或产生光生电动势光生电动势的现象叫做的现象叫做内光电效应内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电效应分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应两类：两类：A.光电导效应光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态在光线作用，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效应。基于这种效应的光电种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有器件有光敏电阻光敏电阻。内光电效应内光电效应第17页/共77页宁波大学信息学院过过程程：当当光光照照射射到到半半导导体体材材料料上上时时，价价带带中中的的电电子子受受到到能能量量大大于于或或等等于于禁禁带带宽宽度度的的光光子子轰轰击击，并并使使其其由由价价带带越越过过禁禁带带跃跃入入导导带带，如如图图，使使材材料料中中导导带带内内的的电电子子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带导带价带价带禁带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带Eg第18页/共77页宁波大学信息学院 材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一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长限种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能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产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。导率增加。式中式中、分别为入射光的频率和波长分别为入射光的频率和波长。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电导材料的禁带宽度Eg，即，即第19页/共77页宁波大学信息学院 B.光生伏特效应光生伏特效应 在在光光线线作作用用下下能能够够使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电电动动势的现象叫做势的现象叫做光生伏特效应光生伏特效应。基基于于该该效效应应的的光光电电器器件件有有光光电电池池和和光光敏敏二二极极管管、光敏三极管光敏三极管。势垒效应（结光电效应）。势垒效应（结光电效应）。接触的半导体和接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带结时，设光子能量大于禁带宽度宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向向N区外侧，被光激发的空穴移向区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使区外侧，从而使P区带正电，区带正电，N区带负电，形成光电动势。区带负电，形成光电动势。第20页/共77页宁波大学信息学院侧向光电效应。侧向光电效应。当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。）。第21页/共77页宁波大学信息学院2、光敏电阻、光敏电阻 光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。(1)光敏电阻器的结构与特性光敏电阻器的结构与特性:光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成.RG第22页/共77页宁波大学信息学院 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，但扩散深度有有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳子状梳子状图案图案.A金属封装的金属封装的硫化镉光敏电阻硫化镉光敏电阻结构图结构图光导电材料光导电材料绝缘衬低绝缘衬低引线引线电极电极引线引线光电导体光电导体第23页/共77页宁波大学信息学院（2）光敏电阻器的种类）光敏电阻器的种类 光敏电阻器可以根据光敏电阻器的制作材料和光谱特性来分类。光敏电阻器可以根据光敏电阻器的制作材料和光谱特性来分类。按光敏电阻器的制作材料分类按光敏电阻器的制作材料分类 光敏电阻器按其制作材料的不同可分为光敏电阻器按其制作材料的不同可分为多晶光敏电阻多晶光敏电阻器和器和单晶光敏电阻单晶光敏电阻器，器，还可分为硫化还可分为硫化镉镉(CdS)光敏电阻器、光敏电阻器、硒化硒化镉镉(CdSe)光敏电阻器、光敏电阻器、硫化硫化铅铅(PbS)光敏电阻器、光敏电阻器、硒化硒化铅铅(PbSe)光敏电阻器、光敏电阻器、锑化锑化铟铟(InSb)光敏电阻器等多种。光敏电阻器等多种。第24页/共77页宁波大学信息学院第25页/共77页宁波大学信息学院按光谱特性分类：按光谱特性分类：光敏电阻器按其光谱特性可分为光敏电阻器按其光谱特性可分为:可见光光敏电阻器可见光光敏电阻器 紫外光光敏电阻器紫外光光敏电阻器 红外光光敏电阻器。红外光光敏电阻器。可见光光敏电阻器可见光光敏电阻器主要用于各种光电自动控制系统、电子照相机和光报警器等电子产品中。主要用于各种光电自动控制系统、电子照相机和光报警器等电子产品中。紫外光光敏电阻器紫外光光敏电阻器主要用于紫外线探测仪器。主要用于紫外线探测仪器。红外光光敏电阻器红外光光敏电阻器主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统中。主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统中。第26页/共77页宁波大学信息学院（3）光敏电阻器的主要参数）光敏电阻器的主要参数 1亮电阻亮电阻（RL）是指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。是指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。2暗电阻暗电阻（RD）是指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。是指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。3最高工作电压最高工作电压（VM）是指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压。是指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压。4亮电流亮电流（IL）是指在光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压受到光照时所通过的电流。是指在光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压受到光照时所通过的电流。5暗电流暗电流（ID）是指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。是指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。第27页/共77页宁波大学信息学院 6时间常数时间常数 是指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的是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。时所需的时间。7电阻温度系数电阻温度系数 是指光敏电阻器在环境温度改变是指光敏电阻器在环境温度改变1时，其电阻值的相对变化。时，其电阻值的相对变化。8灵敏度灵敏度 是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。是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。（4）常用的光敏电阻器）常用的光敏电阻器 常用的光敏电阻器有常用的光敏电阻器有MG41MG45系列系列第28页/共77页宁波大学信息学院表表 光敏电阻器的型号命名及含义光敏电阻器的型号命名及含义 第一部分：主称第一部分：主称第二部分：用途或特征第二部分：用途或特征第三部分：序号第三部分：序号字母字母含义含义数字数字含义含义MGMG光敏电阻器光敏电阻器0 0特殊特殊用用数数字字表表示示序序号号，以以区区别别该该电电阻器的外形尺寸及性能指标阻器的外形尺寸及性能指标1 1紫外光紫外光2 2紫外光紫外光3 3紫外光紫外光4 4可见光可见光5 5可见光可见光6 6可见光可见光7 7红外光红外光8 8红外光红外光9 9红外光红外光第29页/共77页宁波大学信息学院产品产品名称：名称：cds cds光敏电阻光敏电阻4 4系列系列型号型号 最大最大 最大最大 环境环境 光谱峰值光谱峰值 亮电阻亮电阻 暗电阻暗电阻100/10100/10 响应时间响应时间 电压电压(v)(v)功率功率(mW)(mW)温度温度()(nm)(nm)10LUX/K 10LUX/K (M(M)上升上升下降下降GM4516GM4516 150 150 50 50 -30-+70 -30-+70 540 540 5-10 5-10 0.50.5 0.6 0.6 20 20 30 30GM4527GM4527 150 150 50 50 -30-+70 -30-+70 540 540 10-30 10-30 2 2 0.7 0.7 20 203030GM4538GM4538 150 150 50 50 -30-+70 -30-+70 540 540 30-50 30-50 5 5 0.8 0.8 20 203030GM4549GM4549 150 150 50 50 -30-+70 -30-+70 540 540 50-150 50-150 1010 0.90.9 20 203030河南河南南阳市信利佳南阳市信利佳电子有限子有限责任公司任公司生产的生产的光敏电阻光敏电阻4 4系列参数。系列参数。第30页/共77页宁波大学信息学院应用范围：应用范围：照相机自动测光照相机自动测光 室内光线控制室内光线控制 报警器报警器 工业控制工业控制 光控开关光控开关 电子玩具电子玩具 第31页/共77页宁波大学信息学院 光电二极管，其光电二极管，其基本结构也是一个基本结构也是一个PN结结。结面积小，因此它的频率特性特别好结面积小，因此它的频率特性特别好。输出电流一般为几输出电流一般为几A到几十到几十A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和和2DU两种系列。两种系列。2CU系列以系列以N-Si为衬底，为衬底，2DU系列以系列以P-Si为衬底。为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。系列光电二极管有三条引线。3 3、光敏二极管和光敏三极管、光敏二极管和光敏三极管第32页/共77页宁波大学信息学院 光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、系列、2DU14系列。系列。光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态反向工作状态，如图所示。，如图所示。PN光光光敏二极管符号光敏二极管符号RL 光光PN光敏二极管接线光敏二极管接线(1)(1)光敏二极管光敏二极管第33页/共77页宁波大学信息学院 光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流暗电流当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，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当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，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.受光照射时，受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使空穴对，从而使P区和区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。第34页/共77页宁波大学信息学院第35页/共77页宁波大学信息学院 A.PIN A.PIN管结光电二极管管结光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。结双电层的间距加宽，结电容变小。由式由式=CjRL与与 f=1/2知，知，Cj小，小，则小，频带将变宽。则小，频带将变宽。P-Si N-Si I-SiPIN管结构示意图管结构示意图第36页/共77页宁波大学信息学院最大特点：最大特点：频带宽，可达频带宽，可达10GHz;在反偏压下运用可承受较高的反向电压在反偏压下运用可承受较高的反向电压;线性输出范围宽。线性输出范围宽。不不 足：足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。多为零点几微安至数微安。目前有将目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。第37页/共77页宁波大学信息学院 雪崩光电二极管是利用雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子这种管子工作电压很高工作电压很高，约，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。B.B.雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(APD)第38页/共77页宁波大学信息学院光电二极管的应用光电二极管的应用第39页/共77页宁波大学信息学院第40页/共77页宁波大学信息学院 光敏三极管有光敏三极管有PNP型和型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时基极开路时,集电极处于反向偏置状态。集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时当光线照射在集电结的基区时,会产生电子会产生电子-空穴对空穴对,在内电场的作用下在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极光生电子被拉到集电极,基区留下空穴基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流形成输出电流,且集电极电流为光电流的且集电极电流为光电流的倍。倍。PPNNNPe b bc RL Eec(2)(2)光敏三极管光敏三极管第41页/共77页宁波大学信息学院第42页/共77页宁波大学信息学院光敏三极管的主要特性：光敏三极管的主要特性：光敏三极管存在一个光敏三极管存在一个最佳灵敏度最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。结，因而使相对灵敏度下降。光谱特性光谱特性入射光相相对对灵灵敏敏度度/%硅锗/4000800012000 1600010080604020 0硅硅的的峰峰值值波波长长为为9000，锗锗 的的 峰峰 值值 波波 长长 为为15000。由由于于锗锗管管的的暗暗电电流流比比硅硅管管大大，因因此此锗锗管管的的性性能能较较差差。故故在在可可见见光光或或探探测测赤赤热热状状态态物物体体时时，一一般般选选用用硅硅管管；但但对对红红外外线线进进行行探探测测时时,则采用锗管较合适。则采用锗管较合适。第43页/共77页宁波大学信息学院伏安特性伏安特性 光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极与基极b之间的之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性U/V第44页/共77页宁波大学信息学院光敏晶体管的光照特性I/AL/lx200400600800100001.02.03.0 光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流 I I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几几klx)klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。光照特性光照特性第45页/共77页宁波大学信息学院暗电流暗电流/uA光电流光电流/uA10 203040506070T/C25 050100 020030040010 20 30 40 50 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性光敏晶体管的温度特性 光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。温度特性温度特性第46页/共77页宁波大学信息学院 光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5 5k kHzHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。以下。硅管的频率响应要比锗管好。010010005005000 1000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性第47页/共77页宁波大学信息学院第48页/共77页宁波大学信息学院光电开关的结构和分类光电开关的结构和分类:遮断型遮断型 反射型反射型反射型分为两种情况：反射镜反射型反射型分为两种情况：反射镜反射型 被测物漫反射型（简称散射型）被测物漫反射型（简称散射型）4、光电开关光电开关遮断遮断型光电开关结构型光电开关结构第49页/共77页宁波大学信息学院反射型光电开关结构反射型光电开关结构反射式烟雾探测电反射式烟雾探测电路路第50页/共77页宁波大学信息学院透射式光电测速装置透射式光电测速装置第51页/共77页宁波大学信息学院5、热释电红外传感器热释电红外传感器 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。热释电效应热释电效应是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷变化的现象。是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷变化的现象。（a）在一定温度下产生极化。）在一定温度下产生极化。（b）两种电荷分别吸引大气中的正负电荷，晶体呈电中性。）两种电荷分别吸引大气中的正负电荷，晶体呈电中性。（c）温度的变化，使晶体内表面极化电荷减少，外表面电荷不能立即）温度的变化，使晶体内表面极化电荷减少，外表面电荷不能立即消失，外表面产生电压。消失，外表面产生电压。工作原理：工作原理：第52页/共77页宁波大学信息学院结构及等效电路结构及等效电路第53页/共77页宁波大学信息学院 人体温人体温37度，会发出度，会发出10um左右的红外线，该红外线通过菲泥尔透镜增强后聚集到热释电传感器上，向外释放电荷，后续电路即可检测左右的红外线，该红外线通过菲泥尔透镜增强后聚集到热释电传感器上，向外释放电荷，后续电路即可检测。第54页/共77页宁波大学信息学院第55页/共77页宁波大学信息学院三、霍尔传感器三、霍尔传感器霍尔效应简述霍尔效应简述 如图所示如图所示,将一块载流导将一块载流导电板放入垂直于它的磁场中电板放入垂直于它的磁场中,当有电流通过导电板时当有电流通过导电板时,将在将在它的上、下两侧产生一个电位它的上、下两侧产生一个电位差。实验发现差。实验发现,在磁场不太强在磁场不太强的情况下的情况下,该电位差该电位差V VH H 与电流与电流强渡强渡I I 和磁感应和磁感应B B 成正比成正比,与与导电板的厚度导电板的厚度d d 成反比成反比,即即V VH H=k(I =k(I B/d)B/d)式中式中:V VH H 为霍尔电势或电压；为霍尔电势或电压；k k 为霍尔为霍尔(灵敏度灵敏度)系数系数,V/AT,V/AT。第56页/共77页宁波大学信息学院 霍尔开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以霍尔开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。1 1、霍尔开关集成传感器、霍尔开关集成传感器第57页/共77页宁波大学信息学院 由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。（1 1）霍耳开关集成传感器的结构及工作原理）霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器内部结构框图霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出输出+稳压稳压VCC1霍耳元件霍耳元件放大放大BT整形整形地地H第58页/共77页宁波大学信息学院3020T输出输出VoutR=2k+12V123（b）应用电路）应用电路 （a）外型）外型 霍耳开关集成传感器的外型及应用电路霍耳开关集成传感器的外型及应用电路123第59页/共77页宁波大学信息学院（2 2）霍耳开关集成传感器的工作特性曲线）霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。，这对开关动作的可靠性非常有利。图中的图中的BOP为工作点为工作点“开开”的磁感应强度，的磁感应强度，BRP为释放点为释放点“关关”的磁感应强度。的磁感应强度。霍耳开关集成传感器的技术参数：霍耳开关集成传感器的技术参数：工作电压工作电压、磁感应强度、输出截止电、磁感应强度、输出截止电压、压、输出导通电流、工作温度、工作点。输出导通电流、工作温度、工作点。霍耳开关集成传感器的工作特性曲线VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB0 该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。第60页/共77页宁波大学信息学院(3)(3)霍耳开关集成传感器的应用霍耳开关集成传感器的应用 A.A.霍耳开关集成传感器的接口电路霍耳开关集成传感器的接口电路RLVACVccVccVAC第61页/共77页宁波大学信息学院VccVCCKVccKVccVCCVccMOSVOUTVCC霍耳开关集成传感器的一般接口电路霍耳开关集成传感器的一般接口电路RL第62页/共77页宁波大学信息学院磁铁轴心接近式磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L1-B关系曲线关系曲线NSAlNiCo 磁铁6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距离L1/mmB/TL1随磁铁与传感器的间隔距离的增加随磁铁与传感器的间隔距离的增加,作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时,传感器开关接通传感器开关接通,而磁铁移开到一定距离时开关关断。应用时而磁铁移开到一定距离时开关关断。应用时,如果磁铁已选定如果磁铁已选定,则应按具体的应用场合则应按具体的应用场合,对作用距离作合适的选择。对作用距离作合适的选择。（4 4）给传感器施加磁场的方式）给传感器施加磁场的方式第63页/共77页宁波大学信息学院 磁铁侧向滑近式磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动滑近移动的方式在传感器前方通过。的方式在传感器前方通过。霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L2-B关系曲线关系曲线0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空空隙隙2.05AlNiCo 磁铁磁铁6.432L2距离距离L2/mm第64页/共77页宁波大学信息学院第65页/共77页宁波大学信息学院（1 1）霍尔线性集成传感器的结构及工作原理）霍尔线性集成传感器的结构及工作原理 霍霍尔尔线线性性集集成成传传感感器器的的输输出出电电压压与与外外加加磁磁场场成成线线性性比比例例关关系系。这这类类传传感感器器一一般般由由霍霍耳耳元元件件和和放放大大器器组组成成，当当外外加加磁磁场场时时,霍霍耳耳元元件件产产生生与与磁场成线性比例变化的霍耳电压磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。经放大器放大后输出。在在实实际际电电路路设设计计中中，为为了了提提高高传传感感器器的的性性能能，往往往往在在电电路路中中设设置置稳稳压压、电电流流放放大大输输出出级级、失失调调调调整整和和线线性性度度调调整整等等电电路路。霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器的的输输出出有有低低电电平平或或高高电电平平两两种种状状态态，而而霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器的的输输出却是对外加磁场的线性感应。出却是对外加磁场的线性感应。霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器广广泛泛用用于于位位置置、力力、重重量量、厚厚度度、速速度度、磁磁场场、电流电流等的测量或控制。等的测量或