传感器与检测技术第二章.ppt
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1、2.5湿敏电阻传感器湿敏电阻传感器 12/22/20221Jan,2008饱和状态不饱和状态空气 水空气湿度是什么?湿度是什么?湿度是空气中含有水蒸气的量。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。含有水蒸气的空气是一种混合气体。水分子在气体中的客水分子在气体中的客观存在的。观存在的。12/22/20222Jan,2008湿度等湿度等级级绝对湿度绝对湿度相对湿度相对湿度水含量水含量水蒸汽水蒸汽压压蒸汽浓蒸汽浓度度露点温露点温度度湿度的表示方式湿度的表示方式绝对湿度绝对湿度g/m3相对湿度相对湿度%rH水蒸气分压水蒸气分压 Pa露点露点td水分含量水分含量ppm潮湿度潮湿度g/
2、kg蒸汽浓度蒸汽浓度g/cm3蒸汽浓度蒸汽浓度g/kg热含量热含量kJ/kg12/22/20223绝对湿度:是指大气中水汽的密度,即每一绝对湿度: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立方米大气中所含水汽的质量(克数克数)。相对湿度:是大气中实有水汽压与当时温度相对湿度: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。当相对湿度达示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时,称饱时,称饱和状态。和状态。12/22/20224露点露点降低温度降低温度会产生结露现象。会产生结露现象。露点与农作物的露点与农
3、作物的生长有很大关系,生长有很大关系,结露也严重影响结露也严重影响电子仪器的正常电子仪器的正常工作,必须予以工作,必须予以注意。注意。测量露点的仪器测量露点的仪器温度低于温度低于0时,水蒸气将结霜时,水蒸气将结霜,又称为霜点温度。又称为霜点温度。12/22/20225 密析尔露点传感器密析尔露点传感器的工作原理非常简单,是的工作原理非常简单,是基于水分的导电性。多孔的吸湿层如同基于水分的导电性。多孔的吸湿层如同“三明治三明治”一样被夹在陶瓷基底上的两个导电层之间。吸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收水分子后,吸湿活性层的导电特性就会发生变化。该
4、传感器的表面导电层允许水分子自由通过化。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,仅进入吸湿活性层。吸湿活性层很薄,仅1微米厚微米厚(一微米(一微米=百万分之一米),而顶部的导电层厚百万分之一米),而顶部的导电层厚度比度比1微米还要薄,这样,当周围环境的湿度发微米还要薄,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生变化的时候,传感器对湿度变化会做出极其快速的反应。速的反应。12/22/20226露点仪:能直接测出露点温度的仪露点仪:能直接测出露点温度的仪器。使一个镜面处在样品湿空气中降温,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
5、(或冰晶)的瞬间,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。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,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管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差。误差。12/22/20227露点传感器外形露点传感器外形12/22/20228湿敏电阻的原理:湿敏电阻的
6、原理:水是一种强极性的电解质。水分子极易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、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。三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。12/22/202292、湿度对电子元件的影响、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。这不仅降低附着一层水膜,并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度,还会造成漏电、击穿和短路现象;了绝缘强度,还会造成漏电、击穿和短路现象
7、;潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。的霉烂。12/22/202210 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 。12/22/202211湿度传感器的分类湿度传感器的分类 12/22/202212陶陶瓷瓷湿湿敏敏元元件件结结构构图图护圈电极感湿陶瓷氧化钌电极加热器基板电极引线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 12/22/2022131、湿敏电阻型号命名方法、湿敏电阻型号命名方法湿敏电阻的型号可分为三个部分,第一湿敏电阻的型号可分为三个部分,第一
8、部分用字母表示主称;第二部分用字母表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示用途或特征;第三部分用数字表示序号,各部分的含义见号,各部分的含义见表表2-8。12/22/202214例如:例如:MS01-A(通用型号湿敏电阻器)(通用型号湿敏电阻器)M敏感电阻器;敏感电阻器;S湿敏电阻器;湿敏电阻器;01-A序号序号12/22/202215湿度量程湿度量程干湿温度系数干湿温度系数(温度系数)(温度系数)感湿特性感湿特性灵敏度灵敏度响应时间响应时间湿滞特性湿滞特性主要特性参数 老化特性老化特性(耐久性)(耐久性)湿度传感器的主要参数湿度传感器的主要参数12/22/2
9、02216电子电子湿度计模块湿度计模块封装后封装后的外形的外形12/22/202217电子式电子式温湿度计温湿度计12/22/202218机械机械式、式、电子式电子式温湿度计对比温湿度计对比12/22/202219应用领域应用领域 精密仪器、半导体集成电路与元器件制造精密仪器、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。都有广泛的应用。12/22/202220
10、应用应用:半导体净化车间半导体净化车间12/22/202221农业:温室栽培农业:温室栽培12/22/202222气象气象玉山12/22/202223文物保护文物保护:敦煌敦煌12/22/2022242.6光敏电阻传感器光敏电阻传感器 12/22/20222512/22/202226光敏电阻是采用半导体材料制作,利用内光电效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。应工作的光电元件。12/22/202227 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管壳里就构成光敏电阻12/22/202228 光光敏敏电电阻阻阻阻值值对对光光
11、照照特特别别敏敏感感,是是一一种种典典型型的的利用利用光电导效应光电导效应制成的光电探测器件。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对于非本征型可以检测波长很长的辐射12/22/20222912/22/20223012/22/20223112/22/202232 当光敏电当光敏电阻受到光照时,阻受到光照时,光生电子光生电子空空穴对增加,阻穴对增加,阻值减小,电流值减小,电流增大。增大。暗电流(越小越好)暗电流(越小越好)12/22/202233 用于用于制造光敏电阻的材料制造光敏电阻的材料主要是主
12、要是金属的硫化物、金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体硒化物和碲化物等半导体。通常采用。通常采用涂敷、喷涂、烧涂敷、喷涂、烧结结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状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。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。光敏电阻随光强
13、的增加而变大,从而实现光电转换。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。电压,也可以加交流电压。12/22/202234组成:它由一块涂在绝缘基底组成: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,封装在带有窗口有两个引线,封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。电极和的金属或塑料外壳内。电极和光电导体之间呈欧姆接触。光电导体之间呈欧姆接触。结构:结构:光敏电阻在电路中的符号光敏电阻在电路中的符号12/22/202235三种形式三种形式梳状式梳状式玻玻璃璃基基底底上上蒸蒸镀镀梳梳
14、状状金金属属膜膜而而制制成成;或或在在玻玻璃璃基基底底上上面面蚀蚀刻刻成成互互相相交交叉叉的的梳梳状状槽槽,在在槽槽内内填填入入黄黄金金或或石石墨墨等等导导电电物物质质,在在表表面面再再敷敷上上一一层层光光敏敏材材料。如图所示。料。如图所示。绝缘基底绝缘基底光电导体膜光电导体膜12/22/202236刻线式刻线式在在玻玻璃璃基基片片上上镀镀制制一一层层薄薄的的金金属属箔箔,将将其其刻刻划划成成栅栅状状槽槽,然然后后在在槽槽内内填填入入光光敏敏电电阻阻材材料料层层后后制制成成。其其结构如下图所示。结构如下图所示。涂膜式涂膜式在在玻玻璃璃基基片片上上直直接接涂涂上上光光敏敏材材料料膜膜后后而而制制
15、成成。其其结结构下图。构下图。12/22/202237光敏二极管结构简图、符号和等效电路图光敏二极管结构简图、符号和等效电路图12/22/202238二、特性参数二、特性参数1、光电流及增益、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。起的称光电流。12/22/202239增增益益可可理理解解为为:样样品品中中每每产产生生一一个个光光生生载载流流子子所所构成的流入外电路的载流子数。构成的流入外电路的载流子数。若若G1,即即单单位位时时间间流流过过器器件件的的电电荷荷数数大大于于器器件件内内光激发的电荷,从而使电流得到放大。光激发
16、的电荷,从而使电流得到放大。12/22/202240增益增益电流电流系数:光电流与入射光引起的单位时间电系数:光电流与入射光引起的单位时间电荷量的比值。荷量的比值。12/22/202241由上式可知:由上式可知:、减小样品长度可以大大提高增益;、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。、增加载流子的寿命也可提高增益。光敏面作成光敏面作成蛇形蛇形,电极作成梳状是因为这,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,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。
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