第6章磁场与成分参数测量传感器.

2019/12/181实用传感器技术教程2磁敏电阻传感器1.2第6章磁场与成分参数测量传感器6.1磁敏二极管和磁敏三极管6.3气敏传感器6.4集成磁场传感器1.26.2湿敏传感器6.43磁场以及成分参数的测量在日常生活以及工业中占据重要的地位。磁场的测量主要是磁场强度以及磁场方向的测量，成分参数测量主要是指气体参数与湿度参数的测量。在本章中，磁场主要是通过磁敏电阻器、集成磁场传感器、磁敏二极管和磁敏三极管进行测量的，而气体参数和湿度参数是通过气敏传感器和湿敏传感器进行测量的。46.1磁敏电阻传感器磁敏式传感器按其结构可分为体型和结型两大类，前者有霍尔传感器（其材料主要有InSb，InAs，Ge，Si，GaAs等）和磁敏电阻（1nSb，InAs），后者有磁敏二极管（Ge，Si）、磁敏晶体管（Si等）。它们都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成的一种磁敏传感器。56.1.1磁敏传感器原理与结构磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。当长方形半导体片受到与电流方向垂直的磁场作用时，不但产生霍尔效应，而且还会出现电流密度下降、电阻率增大的现象。若适当地选几何尺寸，还会出现电阻值增大的现象。前一种现象称为物理磁阻效应，后一种现象称为几何磁阻效应。半导体磁阻器件就是综合利用这样两种效应而制成的磁敏器件。66.1.1磁敏传感器原理与结构1.磁阻效应磁阻效应是指将一载流导体置于外磁场中，其电阻率会发生变化（增大），它是伴随霍尔效应同时发生的一种物理效应。当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。如果器件只有在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为22010.273BB76.1.1磁敏传感器原理与结构1.磁阻效应当电阻率变化为时，则电阻率的相对变化率为半导体中仅存在一种载流子时，磁阻效应很弱。若同时存在两种载流子，则磁阻效应很强，此时0B22200.273BkB20PBpnB86.1.1磁敏传感器原理与结构2.磁敏电阻的结构常见的磁敏电阻有如下三种结构，如图6-1所示。输入电流B输出电流电极电极In短路条电流方向InSbNiSb针状晶体(a)矩形栅格型磁阻元件(b)InSb-NiSb共晶磁阻元件(c)圆盘形磁阻元件图6-1常见磁敏电阻结构96.1.2磁敏电阻常用型号1.FCC/MC系列磁性传感器该传感器是一种磁电转换器件，它利用磁敏材料的固有特性，通过不同的特殊电路将磁信号转换为电信号。参数型号表6-1FCC/MC磁性传感器型号及参数磁灵敏度V/nT）分辨能力（nT）测量范围（mT）工作温度（℃）频率范围（Hz）电源（V）功耗（mW）尺寸（mm）非晶态FCC-1200.50.2-35~400~16982×62×31FCC-21050.2-35~400~2061082×56×31FCC-3500.20.04-35~400~16982×56×31FCC-4600020.3-35~400.01~161580×90磁膜mc-1550.3-30~500~25004.5382×56×31mc-2500020.3-30~500.01~16580×90106.1.2磁敏电阻常用型号2.CGC系列磁传感器该传感器可用于地磁脉动观测，它是大地磁法或电磁法勘探仪器的磁场信息接收器。参数型号表6-2CGC磁传感器型号及参数直流电阻（Ω）电感量（H）分布电容（pF）外壳等效电阻（kΩ）工作灵敏度(V/Hz·t）开路灵敏度（V/r）总长度（mm）重量（kg）CGC-A4306505505514080215036CGC-B13501050200300693012002011发光二极管常用的材料与发光波长124、激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器13所谓光电效应是指物体吸收了光能后把光能转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应按原理又分为以下3种：1、外光电效应：在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。2、内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。7.2光电效应14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光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）外光电效应15根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。02021Amh该方程称为爱因斯坦光电效应方程。16光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。17内光电效应又可分为以下两类：1）光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量后引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管等。2）光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池等。187.3光敏电阻光敏电阻又称光导管，是利用半导体光敏材料制成的一类光电器件，其作用原理基于光电导效应。当无光照时，光敏电阻具有极高的阻值；当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，其电阻阻值降低，光线越强，电阻值越低，当光照停止后，其电阻阻值在一段时间后恢复原值。191.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管，是利用半导体光敏材料制成的一类光电器件，其作用原理基于光电导效应。当无光照时，光敏电阻具有极高的阻值；当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，其电阻阻值降低，光线越强，电阻值越低，当光照停止后，其电阻阻值在一段时间后恢复原值。7.3光敏电阻207.3光敏电阻当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了光敏电阻。光敏电阻是一个纯电阻器件，没有极性，因而使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。制造光敏电阻的材料一般由金属的硫化物、硒化物、碲化物等组成。由于光电导效应只限于光照的表面薄层，因此光敏材料一般都做成薄层。同时为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，如图7-2a所示：为了避免外来干扰，光敏电阻外壳的入射孔上盖有一种能透过所要求光谱范围光的透明保护窗（如玻璃），同时为了避免光敏电阻的灵敏度受潮湿等因素的影响，通常将光敏材料严密封装在金属壳中。21）a光敏电阻外观）b光敏电阻符号电极光敏材料）c光敏电阻接线图图7-2光敏电阻外观符号及接线图IGRGRR光敏电阻外观符号及接线图222.光敏电阻的主要参数1）亮电阻：是指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。2）暗电阻：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：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：是指在有光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。7.3光敏电阻235）暗电流：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。6）光电流：在一定外加电压下亮电流与暗电流之差。7）时间常数：是指光敏电阻器的光电流从光照跃变开始到稳定亮电流的63%时所需的时间。8）温度系数：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。9）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。243.光敏电阻的基本特性(1)在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图7-3为硫化镉光敏电阻在不同照度下的伏安特性曲线。25图7-3硫化镉光敏电阻的伏安特性403020100I/mA10010001x500mW1001x功率200U/V101x261）光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为斜率不同的直线，说明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。2）光敏电阻两端电压不能过高，因为光敏电阻有最大额定功率（如图7-3中的500mW功率曲线）限制，当光敏电阻两端的电压和电流超过最大允许工作电压和最大额定电流时，可能导致光敏电阻的永久性损坏。27（2）光照特性在一定的外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量之间的关系称为光敏电阻的光照特性。材料不同，光照特性也不同，绝大多数光敏电阻的光照特性都是非线性的，这也决定了光敏电阻作为定量检测元件使用的机会不多，这是光敏电阻的不足之处，一般常用作自动控制系统中的光电开关。图7-4为硫化镉光敏电阻的光照特性曲线。28图7-4硫化镉光敏电阻的光照特性0.050.100.150.200.250.300.350.4000.20.40.60.81.01.21.4I/mA/lm29（3）光谱特性光敏电阻的相对灵敏度与入射光波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。光敏电阻对不同波长的入射光有着不同的灵敏度。图7-5为几种不同材料光敏电阻的光谱特性，可以看出：对应于不同的入射光波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。30图7-5光敏电阻的光谱特性Sr/(%)/A2040608010001.53硫化铅硫化铊硫化镉31（4）频率特性实验证明：光敏电阻的光电流不能随着光强的改变而立刻变化，称为光电驰豫现象，这是它的缺点之一。不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（从几十毫秒到几百毫秒），因而它们的频率特性也各不相同。当光敏电阻在光照快速变化的场合应用时，要考虑其频率特性的影响。图7-6为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性，纵轴S表示相对灵敏度，从图中可以看出，硫化铅的使用频率范围相对较大。光敏电阻的响应时间除了与元件的材料有关，还与光照的强弱有关，光照越强，响应时间越短。32图7-6光敏电阻的频率特性10080604020010100100010000硫化镉硫化铅S/(%)f/Hz33（5）温度特性光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。当使用环境温度变化较大时，会影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也会随之改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图7-7为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，其峰值响应随着温度的上升而向波长短的方向移动。故硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用，而对于可见光范围的光敏电阻，温度对其影响相对要小一些。34图7-7硫化铅光敏电阻的光谱温度特性1.02.03.04.0020406080100＋20℃－20℃/mS/(%)35光敏电阻器的分类和常用型号（1）按光敏电阻器的制作材料分类光敏电阻按其制作材料不同分为多晶光敏电阻和单晶光敏电阻，还可细分为硫化镉光敏电阻、硒化镉光敏电阻、硫化