第2章 有源传感器 2.1 磁电式式传感器 2.2 压电式传感器 压电效应和压电材料 一、物质的压电效应

Presentation on theme: "第2章 有源传感器 2.1 磁电式式传感器 2.2 压电式传感器 压电效应和压电材料 一、物质的压电效应"— Presentation transcript:

1 第2章 有源传感器 2.1 磁电式式传感器 2.2 压电式传感器 2.2.1 压电效应和压电材料 一、物质的压电效应
2.1 磁电式式传感器 2.2 压电式传感器 2.2.1 压电效应和压电材料 一、物质的压电效应 某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效应”—— 机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”——电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。 F 极化面 Q 压电介质 机械能 ｛ 电能 ｝ 正压电效应 逆压电效应 压电效应及可逆性

2 以下讨论忽略外界附加电场、力场的作用和温度、磁场的影响。 1.石英晶体的压电方程及压电常数矩阵
二、压电材料的压电常数 以下讨论忽略外界附加电场、力场的作用和温度、磁场的影响。 1.石英晶体的压电方程及压电常数矩阵 石英晶体是一种各向异性的（压电材料）介质，按X0°切型的正六面体，在三维直角坐标系内的力 —— 电作用状态如图所示： F1～F3分别为沿 x、y、z 轴的正应力（或应力分量）， F4～F6分别为绕 x、y、z轴的切向应力， σ1～σ3分别是 x、y、z 表面由于压电效应而产生的电荷面密度。其压电方程为： X0°切型石英晶体切片的力 —— 电分布 x z F3 (σ1) F2 F1 F4 F6 F5 (σ3 ) (σ2) (1) (3) (2) σi j = d i j Fj i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6 y 由此可见，di j 是矩阵[di j]上的元素。

3 压电方程的矩阵表示 压电常数矩阵 右旋石英晶体取负号； 左旋石英晶体取正号。

4 实验表明，钛酸钡压电陶瓷的压电方程及压电常数矩阵为：(沿Z 轴极化)
2.压电陶瓷的压电方程及压电常数矩阵 压电方程的矩阵形式 实验表明，钛酸钡压电陶瓷的压电方程及压电常数矩阵为：(沿Z 轴极化) 在Z 轴方向上存在d31、d32、d33(x、y、z三个方向的压电效应)，当x、y、z 三个方向的应力相等均为F 时(如在液体中)： d 3称为体积压缩压电常数。

5 如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的
三、压电效应的物理机制与表面电荷计算 1.物理机制 ⑴石英晶体： 如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的 晶体表面出现剩余电电荷而产生的。由于压电常数矩阵中只有d11、d12、d14、d25、d26不为零，并且d14、d25、d26需要切向应力作用往往不便利用，所以通常只利用d11、d12 =- d11两个相关的应力方向和这两个压电常数。 不受力 石英晶体压电模型 晶片上电荷极性与受力方向的关系 (a ) (b ) (c ) (d )

6 ⑵压电陶瓷： 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。 束缚电荷和自由电荷排列示意图 自由电荷 电极 束缚电荷

7 石英晶体：居里点温度高（高达573℃），稳定性好，无热释电现象。但压电常数小，成本高。
⑶ 两种压电材料的特点 石英晶体：居里点温度高（高达573℃），稳定性好，无热释电现象。但压电常数小，成本高。 压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低，稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会给传感器带来热干扰。利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外探测。 2.表面电荷计算 由σi j =di j Pj ，两边同乘以产生电荷表面的面积S，得 Qi j = Sσi j =Sdi j Pj，当i = j 时， Qi = di i Fj (作用力垂直于产生电荷的表面时) ，如对于石英晶体 F （F = S P）平行于 x 轴为Fx 时， Qx = d11 Fx ；如对于钛酸钡， F 平行于 Z轴为FZ 时， QZ = d33 FZ 。若i ≠ j ，如石英晶体若i =1， j =2 ， F 平行于 y 轴为Fy 时,在与 x 轴垂直的表面上产生的电荷, [Qx ]y = d12 Sx Py， 1→ x ； 2→ y 与 x 轴垂直的表面的面积 3.常用压电材料 ⑴ 压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。 ⑵ 压电陶瓷：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。 ⑶ 压电半导体和高分子压电材料（含压电薄膜）等。

8 2.2.2 压电传感器的等效电路和测量电路 一、等效电路
压电传感器的基片结构如右图(a)，几何形状有圆片、方片、圆柱、圆筒等形状，在基片的两个相互绝缘(产生电荷)的表面镀有导电金属膜(如银膜)并焊接一对电极而成。由于压电传感器的基片一般具有较大的介电常数，电极间的距离也不大，所以压电传感器可以等效为一只电容器。 等效电路 ( a ) ( b ) 导电层 根据高频电子线路的知识我们知道，石英晶体的交流等效回路是LCR电路，存在两个谐振频率：串联谐振频率ωS 和并联谐振频率ωP 。当ω<ωS 时阻抗特性为容性； ωS <ω<ωP 时阻抗特性为感性，ωS ～ωP (工作区间)很窄。常用的压电材料的弹性模量较大，惯性质量较小，所以固有频率较高，频响特性较好。但由于输出阻抗太高，所以对测量电路要求也很高。

9 压电元件是一种换能器件，属有源传感器，它在系统中有两种等效形式： ⑴ 电压源 U，与其等效电容Ce串联；
二、测量电路及系统等效电路分析 1.系统等效电路 压电元件是一种换能器件，属有源传感器，它在系统中有两种等效形式： ⑴ 电压源 U，与其等效电容Ce串联； ⑵ 电荷源 q ，与其等效电容Ce并联。

10 可以用电压、电荷放大器作为前置变换电路：从电压源 U等效的观点看可以使用电压放大器；从电荷源q 等效的观点看可以使用电荷放大器。
2.测量电路（变换电路、前置电路） ⑴ 前置电路的必要性 ① 高内阻，须作阻抗变换。 ② 输出功率小，分布参数及干扰影响大。 可以用电压、电荷放大器作为前置变换电路：从电压源 U等效的观点看可以使用电压放大器；从电荷源q 等效的观点看可以使用电荷放大器。 ⑵ 电压放大器(阻抗变换器) 根据系统等效电路的简化电路有： 当压电元件为压电陶瓷、施加的外力为交变力： 元件输出： R和C的并 联阻抗： ～

11

12 MOS管加自举 高输入阻抗运放

13 ①基本电路（ A无限大、Ri无限大的理想放大器）
⑶ 电荷放大器（电荷源等效） 用电压放大器作为前置变换电路使得输出Ui 不仅与电荷量有关，还与连接电缆等分布参数如CC有关，所以系统的互换性不好，采用电荷放大器就可以较好地解决这个问题。 ①基本电路（ A无限大、Ri无限大的理想放大器） 分压 A为运放的开环增益，一般为104～106。 结果与C无关。 ②系统的实际等效电路分析（ A有限大、C=Cc + Ce + Ci ）

14 ③ 电荷放大器的实际电路举例 设计电荷放大器时，为了基本满足Ri近似无限大的条件，所选运算放大器的输入阻抗应大于1010Ω，至少不应小于109Ω ；开环增益一般应达到90dB。本例中200MΩ和Rf 电阻是为了防止放大器饱和而加入的，22KΩ电阻可以在一定程度上实现对输入端的保护作用。

15 2.2.3 压电传感器的应用 石英晶体和压电陶瓷的应用领域中，有一个十分重要的领域就是谐振器和滤波器（电子技术的应用领域）；在传感器技术中最广泛的应用领域是声波（超声波）换能器，对此将在本课程中专门介绍。本节主要就力学量的测量方面举几个实际例子。 一、压电式力传感器 Q = d33F (压电陶瓷) 使用电荷放大器： 由于压电常数随作用力的作用方向的不同而不同，且不同的方向作用力亦可在相同及不同切面表面产生相应的电荷，所以压电式力传感器可以由同时测量不同方向上的力的测量能力。

16 S —— 受压面积），将压力转换成力来测量。（动态压力测量）
二、压电式压力传感器 可由F = PS（P —— 压力， S —— 受压面积），将压力转换成力来测量。（动态压力测量） 三、压电式加速度传感器 可由F = ma（a —— 加速度，m —— 质量块质量），将加速度转换成力来测量。 1. 工作原理(压电陶瓷)

17 [质量块的相对位移x( t ),激励为x1( t ) ]
m K C 振动体 应变式加速度传感器的物理模型 x2= x + x1 2. 动态特性 ⑴ 传感器的动态特性 应变式加速度传感器的模型 [质量块的相对位移x( t ),激励为x1( t ) ] 得系统的幅频特性[输入为a ( t ) ， x1( t )的加速度]

18 ⑵ 传感器接入测量电路的动态特性（使用电荷放大器）
幅频特性为常量，所以质量块的相对位移为， 因而作用在压电晶体上的力F(t)为 所以电荷放大器的输出与激励加速度的关系为： 电荷灵敏度： 实际应用中，由于压电式传感器的x( t )很小（x1m 很小），m也很小，而 k 很大，所以压电式加速度传感器的ωn很大（频带较宽），优于应变式传感器，所以应用较广泛。

19

20

21 热电偶属热电式传感器的一种,用于温度测量。 测温传感器还有热电阻、数字与模拟半导体温度传感器等
2.3 热电偶 热电偶属热电式传感器的一种,用于温度测量。 测温传感器还有热电阻、数字与模拟半导体温度传感器等 2.3.1 热电偶的热电效应 一、热电效应 1.赛贝尔（Seebeck）效应(热电势) 1821年赛贝尔发现了铜、铁这两种金属的温差电现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接头的中一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从铁流向铜。由于冷、热两个端（接头）存在温差而产生的电势差ε，就是温差热电势。这种由两种不同的金属构成的能产生温差热电势的装置称为热电偶。 实验指出，当A、B两种不同的金属所构成的热电偶的两端温度分别为T（热端温度）和T0（冷端温度）时，温差热电势为： mA 铜铁热电偶的温差热电势与温度关系曲线

22 多数的金属材料εAB在10-2 V～10-3 V 。而其 a 约为10-6伏/度，b 约为10-8伏/度，所以在即在。温度不太高温差不太大、精度要求不高时可以近似认为：
2.温差热电势的物理基础（经典电子论） ⑴ 接触电势（电位差）珀耳帖（Peltier）电势 产生原因： ① 不同金属的逸出功(电势)不同。 ② 不同金属单位体积内自由电子数目不同。 A B T0 T 接触电势

23 ⑵ 温差电势 ——汤姆逊（Thomoson）电势
产生原因：金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不相同，温度高的一端浓度较大（动能较大，大于逸出功的电子数目较多），因此高温端的自由电子将向低温端扩散，高温端失去电子带正电，低温端得到多余的电子带负电，从而形成温差电势差： A B T0 T 温差电势 T >T0 当这两种金属构成回路，两端的温度分别为T、T0时则两端的电势差为： 汤姆逊系数

24 根据经典电子论，总温差热电势应为接触电势与温差电势之和。
⑶ 总温差热电势 根据经典电子论，总温差热电势应为接触电势与温差电势之和。 赛贝尔（Seebeck）效应 A B T0 T 总温差热电势 T >T0 a b

25 ① 如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。
⑷ 几点讨论 ① 如果组成热电偶的两个电极的材料相同，即使是两结点的温度不同也不会产生热电势。 ② 组成热电偶的两个电极的材料虽然不相同，但是两结点的温度相同也不会产生热电势。 ③ 由不同电极材料A、B组成的热电偶，当冷端温度 T0 恒定时，产生的热电势在一定的温度范围内仅是热端温度 T 的单值函数。

26 将由A、B两种导体组成的热电偶的冷端（T0端）断开而接入的三种导体C后，只要冷、热端的T0 、T 保持不变，则回路的总热电势不变。
二、热电偶的基本定律 1.中间导体定律 将由A、B两种导体组成的热电偶的冷端（T0端）断开而接入的三种导体C后，只要冷、热端的T0 、T 保持不变，则回路的总热电势不变。 T >T0 A B T0 T C a b 此定律具有特别重要的实用意义，因为用热电偶测温时必须接入仪表(第三种材料)，根据此定律，只要仪表两接入点的温度保持一致(T0 )仪表的入就不会影响热电势。而且A、B结点的焊接方法也可以是任意的。

27 如果两种导体A、B分别与第三种导体C所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且
2.参考电极定律（标准电极定律） 如果两种导体A、B分别与第三种导体C所组成的热电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的热电偶的热电势也是已知的，且 证明： 根据此定律，可以便于给出所有热电偶材料的有关参数（与标准电极C间的aAC、bAC），方便热电偶电极的选配。

28

29 εAB(T ，Tn )与连接导线在(Tn 、T0 )
3.连接导体与中间温度定律 在热电偶回路中，如果电极A、B在热端（温度为 T ）相连接，而在温度较低的一侧分别与导线A|、B|相连接，接点温度均为Tn， A|、B|在冷端（温度为T0 ）相连接，则回路的总 热电势将等于热电偶的A、B的热电势 εAB(T ，Tn )与连接导线在(Tn 、T0 ) 下的热电势εA|B| (Tn，T0 )的代数和，即： 证明： 由于：

30 所以： 证毕。 利用这一特点可以允许热电偶的冷端不受T0=0℃的限制而成为自由端(温度可为任意的Tn < T )，测得εAB(T ，Tn )后，可以用另一个已知的电动势εA|B| (Tn，T0 )来修正 —— 由于Tn可测得，所以εA|B| (Tn，T0 ) 也是已知的，可以方便使用。因为在很多测量现场，T0=0℃的条件不能得到很好的满足，利用此规律，只要Tn可测得就可以进行精确测温。

31

32 可以根据测温范围将热电偶分为高温型和常温型两大类；也可以根据组成热电偶的材料将热电偶分为普通
三、工业热电偶的结构 1．结构 工业用热电偶是要进行封装保护的处理的，普通型工业用热电偶的封装形式如图6-5所示。主要有热电极（热电偶电极），绝缘材料，保护套管和接线盒等组成。为了便于安装，在保护套管上一般还设有安装法兰盘。 2．常用热电偶 可以根据测温范围将热电偶分为高温型和常温型两大类；也可以根据组成热电偶的材料将热电偶分为普通 金属热电偶和贵金属热电偶两大类。一般情况下，高温型热电偶大多是由贵金属材料构成的。同时贵金属热电偶的性能比较稳定，常常用来作为基准来使用。而普通金属热电偶虽然温差电系数比较大，但由于存在高温氧化等原因，测温范围一般都比较小。如康铜 —— 铜热电偶的一次项温差电系数可达40.865×10-6 V/℃，但由于二次项温差电系数达7.66×10-8 V/℃，切与一次项的温差电系数符号相反，所以当测温范围超过533.5℃后，热电势便不再是温度的单值函数了。（教材此处有误）

33 热电偶测量电路 1.测量电路基本原理 根据中间导体定律，把第三种电极C换成毫伏表及其连接线，并保持C及C的两个结点温度一致且为T0，就可以测量温度T了。此时在一定的温度范围内，热电势为的T单值函数。如右上图所示，当容器内充满冰水混合液时，T0=0℃。   单点测温的基本电路 在实际应用中，由于测量仪表常常要远离被测量的场所，即从热电偶到测量仪表的连线（如右下图中的C、D）较长。而热电偶的材料A、B往往是贵金属，所以连接导线通常不采用与热电偶相同的材料。虽然只要保证测量仪表、连接导线和连接导线与热电偶的结点温度相同（T0），测量仪表和连接导线就不会对测温产生任何影响，这种等温条件实际中是难以满足的。 测温原理示意图

34 右图所示的是一种测量两个温度T1、T2之差的实用电路。要求使用两只完全相同的热电偶，配用相同的连接导线，按图示的结线方式连接，即可测得两个
两种解决办法： ⑴ C、D采用相同的导线来连接。使用中，只要保证连接导线与热电偶的两个连接点的温度均为T1，测量仪表及仪表与连接导线结点的温度均为T0即可。（连接导体与中间温度定律） ⑵ C、D使用“补偿导线” 来连接。要求补偿导线的冷端温差热电势特性与热电偶的冷端温差热电势特性相同，即，此时测得的温差热电势为，相当于将热电偶的冷端延长到了T0端。可以利用中间温度定律证明。 3．两点间温度差的测量 右图所示的是一种测量两个温度T1、T2之差的实用电路。要求使用两只完全相同的热电偶，配用相同的连接导线，按图示的结线方式连接，即可测得两个 热电势之差，从而得到它们的温度差。仪表读数:

35 4．测量仪表 由于热电偶的热电势较小，对测量仪表的要求相应较高，不能使用内阻并不太高的普通电压表。所以实验室中常用电位差计来测量热电偶的热电势（电位差计在补偿状态下内阻为无穷大）；工业现场一般可用自动补偿式电位差计或数字式仪表，目前数字式电压表的内阻可达109Ω以上，可认为内阻是无穷大的，并具有放大功能，目前已获得广泛的应用。虽然利用中间温度定律来对自由端温度进行补偿的方法比较繁琐，但由于其补偿精确，在计算机技术普及的今天，是可以轻而易举地实现。 热电偶的温差热电势很小，如铜 — 康铜热电偶的热电势灵敏度在0℃附近约为0.039mV/℃，在25℃附近为0.041mV/℃，所以当需要对此电势进行放大时，放大器的输入失调电压和输入失调电压的漂移必须很小才行，否则将会引入较大的测温误差。所以放大器的器件应使用特殊元件。

36 斩波稳零高精度运算放大器IC7650的主要性能指标：（典型值） 失调电压：0.5μV 失调电压温漂：0.01μV/℃
失调电压时漂：0. 1μV/M 输入阻抗：1012Ω 开环增益：120dB UP UB 高精度低漂移运算放大器OP07的 主要性能指标：（典型值） 开环增益：110dB 失调电压：10μV 失调电压温漂：0. 1μV/℃ 失调电压时漂：0. 2μV/M 输入阻抗：8×107Ω 1403为精密电压基准源(8脚，现较少使用)。在本图中分别调节W2 和W1使： 设：AD590的温度灵敏度为KP ， 则： 即可。 绝对温度与摄氏温度间的换算 由于tP = 0℃时，UB = UP，所以， t = 0℃时OP07输出为零。 tP 为热电偶的自由端温度。

37 2.4 光电式传感器 光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。 2.4.1 光电效应及器件 根据爱因斯坦的光子假说：光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光于。每一个光子具有一定的能量．其大小等于普朗克常数h乘以光的频率ν。所以不同频率的光子具有不同的能量。光的频率越高，其光子能量就越大。当具有一定能量的光子作用到某些物体上转化为该物体中一些电子的能量而产生电效应，这种现象称为光电效应。 光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应三类。后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或称光敏元件)。 是无源传感器

38 光线照射在某些物体上，而使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电子发射，逸出的电子称为光电子。
一、外光电效应 光线照射在某些物体上，而使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电子发射，逸出的电子称为光电子。 光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能传递给一个电子，因此单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子。使自由电子的能量增加hν。这些能量一部分用作电子逸出物体表面的逸出功A，另一部分变电子的初动能。即 1．当光子能且大于选出功时，才会有光电广发射出来，才会产生外光电效应；当光了能量小于逸出功时，不能产生外光电效应；当光子的能量恰好等于逸出功时，光电子的初速度υ＝0，可以产生此光电子的单色光频率为ν0，则。式中ν0为该物质产生光电效应的最低频率，称其为红限频率。显然，如果入射光的频率低与于红限频率，不论入射光的强度有多大，也不会使物质发射光电子。而对于高于红限频率入射光，即使是光线很弱也会产生光电子。 2．当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。 3．由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流，为使光电流为零需加反向电压才能使其截止。

39 二、外光电效应的器件 1．光电管及其结构 根据外光电效应制成的光电管类型很多，最典型的是真空光电管。也有充气光电管，但由于线性不好在传感器中用得较少。真空光电管的结构如图所示，它由一个阴极K和一个阳极A构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相联，一个阳极A 通过负载电阻同电源正极相接，因此管内形成电场。当光照射阴极时、电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流I，该电流及负载R L上的电压将随光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为电传号的目的。

40 真空光电管的伏安特性曲线如右下图所示，其饱和光电流与入射光的强度成正比（已在物理实验课中获得验证）。 教材中的伏安特性曲线遗漏了反向区。
2．真空光电管的伏安特性 真空光电管的伏安特性曲线如右下图所示，其饱和光电流与入射光的强度成正比（已在物理实验课中获得验证）。 教材中的伏安特性曲线遗漏了反向区。 阳极饱和光电流 入射光的强度 阳极饱和光电流与入射光强度的关系

41 3．光电倍增管 当入射光很微弱时，光电管产生的光电流很小，不易检测，这时常用光电倍增管对光电流放大以提高灵敏度。如图7-5所示。在光电管的阴极与阳极之间安装若干个倍增极D1、D2、…Dn，就构成了光电倍增管。 光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础之上。工作时倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射光电阴极K时，立刻有电子逸出，选出的电子受到第一倍增极D1正电位作用，使之加速打在D1倍增极上，产 生二次电子发射。同理D1发射的电子在D2更高正电位作用下，再次被加速打在D2极上，D2又会产生二次电子发射，这样逐级前进，直到电子被阳极A收集为止。通常光电倍增管的阳极与阴极间的电压为1000～2500V，两个相邻倍增电极的电位差为50～100V，其灵敏度比普通真空光电管高几万到几百万倍，因此在很微弱的光照下也能产生很大的光电流。

42 光敏电阻未受光照时的阻值称为暗电阻，受强光照射时的阻值称为亮电阻。暗电阻越大亮电阻越小灵敏度越高。
三、光电导效应和光生伏特效应 物体受光照射后，其内部的原子释放出电子并不逸出物体表面，而仍留在内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。前者称为光电导效应，后者称为光生伏打效应。半导体材料在光线作用下电导率增加的现象就是光电导效应。 1．光敏电阻 光敏电阻是一种用光电导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管。它基于半导体光电导效应工作。由于光敏电阻没有极性，工作时可加直流偏压或交流电压。当无光照时，光敏电阻的阻值(暗电阻)很大。 电路中电流很小。当它受到一定波长范围的光照射时，其阻值(亮电阻)急剧减小，电路中电流迅速增加，用电流表可以测量出电流。根据电流值的变化，即可推算出照射光强的大小。 ⑴ 暗电阻、亮电阻 光敏电阻未受光照时的阻值称为暗电阻，受强光照射时的阻值称为亮电阻。暗电阻越大亮电阻越小灵敏度越高。

43 如下图所示。在一定光照下，所加的电压越高，电流越大；在一定的电压作用下，入射光的照度越强，电流越大，但并不一定是线性关系。
⑵ 光敏电阻的伏安特性 如下图所示。在一定光照下，所加的电压越高，电流越大；在一定的电压作用下，入射光的照度越强，电流越大，但并不一定是线性关系。 ⑶ 光敏电阻的光谱特性 对于不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。 ⑷ 光敏电阻的响应时间和（调制）频率特性 光电器件的响应时间反映它的动态特性。响应时间越短，表示动态特性越好。对于采用调制光的光电器件，调制频率的上限受相应时间的限制。光敏电阻的响应时间一般为10-1～10-3s,光敏二极管的响应时间约2×10-5s。

44 ⑸ 光敏电阻的温度特性 随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。硫化铅光敏电阻等光电器件随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动，所以红外探测器往往采取制冷措施。 2．光敏二极管和光敏三极管 ⑴ 光敏二极管 半导体光敏二极管与普通二极管相比，有许多共同之处，它们都有一个PN结，均属单向导电性的非线性元件。光敏二极管一般在负偏压情况下使用，它的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。 光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大 ，反向电流(暗电流)很小(处于载止状态)。受光照射时，结区产生电子 — 空穴对，在结电场的作用下，电子向N区运动、空穴向P区运动而形成光电流,光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系。

45 ⑵光敏三极管的结构与原理 光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管。在正常工作情况下，此二极管应反向偏置。因此，不管是P-N-P还是N-P-N型光敏三极管，一般用基极 — 集电极结作为受光结。当集电极加上相对于发射极为正电压且基极开路时，基极 — 集电极结处于反向偏压下，它的工作机理完全与反偏压的光敏二极管相同。这里，入射光子在基区及收集区被吸收而产生电子 — 空穴对，形成光生电压。由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。因此，从这点可以更明确地说，光敏三极管是一种相当于将基极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。

46 ⑶光敏三极管的光谱特性 与光敏电阻类似，光敏三极管也存在最佳灵敏度的峰值波长。硅管的峰值波长约为900nm，锗管的峰值波长约为1500nm。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都选用硅管；但对红外线进行探测时，则采用锗管较合适。 ⑷光敏三极管的伏安特性 光敏三极管在不同的照度下的伏安特性与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性类似。因此，只要将入射的强度看作是三极管的基极电流ib，就可将光敏三极管看成一般的晶体管。光敏三极管不仅能把光信号变成电信号、而且输山的电信号较大。

47 ⑸光敏三极管的光照特性 光敏三极管的光照特性如右图所示。它给出了光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。它们之间呈近似线性关系。当光照足够大(几千勒克斯)时，会出现饱和现象。因而在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。 ⑹光敏三极管的温度特性 温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从曲线看，温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。所以精密测量时，电子线路中应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。

48 ⑺光敏三极管的（调制）频率特性 光敏三极管的频率特性曲线如下图所示。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5000Hz以下，硅管的频率响应要比锗管好。实验证明，光敏三极管的截止频率和它的基区厚度成反比关系。如果要求截比频率高，那么基区就要薄；但基区变薄，光电灵敏度将降低，在制造时要适当兼顾两者。

49 光电池是根据光生伏特效应制成的将光能直接转变成电能的一种器件。其种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少使用。
4. 光电池 光电池是根据光生伏特效应制成的将光能直接转变成电能的一种器件。其种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少使用。 目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。晒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。硅光电池与其它半导体光电池相比，不仅性能稳定，还是目前转换效率最高(达到17％)的几乎接近理论极限的一种光电池。此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。紫光电池是把硅光电池的PN结减薄至结深为0.2～0.3μm，光谱响应峰值移到600nm左右，来提高短波响应，以适应外层空间使用。 异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质PN结，入射光几乎全透过宽禁带材料一侧，而在结区窄禁带材料中被吸收，产生电子 — 空穴对。利用这种“窗口”效应提高入射光的收集效率，以获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论上最大可达30％，但目前因工艺尚未成熟，转换效率仍低于硅光电池。

50 光电池核心部分是一个PN结，一般做成面积较大的薄片状，来接收更多的入射光。左下图所示的是硒光电池的结构。制造工艺是：先在铝片上覆盖一层P型硒，然后蒸发一层镉，加热后生成N型硒化镉，与原来P型硒形成一个大面积PN结，最后涂上半透明保护层，焊上电极，铝片为正极，硒化锦为镉极。 硅光电池是用单晶硅组成的（目前也有非晶硅的产品）。在一块N型硅片上扩散P型杂质(如硼)，形成一个扩散PN（P+N）结；或在P型硅片扩散N型杂质(如磷)，形成N+P的PN结，然后焊上两个电极。P端为光电池正极，N端为负极，一般在地面上应用作光电探测器的多为P+N型。如国产2CR型。N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，可作为航天的太阳能电池，如国产2DR型。

51 (1) 光电池的光谱特性 硒光电池和硅光电他的光谱特性曲线如下图所示。从曲线上可以看出，不同的光电池，光谱峰值的位置不同。例如硅光电池在800nm附近，硒光电池在540nm附近。硅光电池的光谱范围广，在450～1100nm之间，硒光电池的光谱范围在340～750nm之间。因此硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。 (2) 光电池的光照持性 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。从曲线可以看出，短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时，应把它当做电流源的形式来使用，不宜用作电压源。

52 (3) 光电池的频率特性 光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照射。光电池的频率特性就是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系，硅光电池有很高的频率响应，可用在高速计数、有声电影等方面。这是硅光电池在所有光电元件中最为突出的优点。 (4) 光电池的温度特性 光电他的温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等主要指标，因此它是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降，而短路电流随温度升高而增加。因此当光电池作测量元件时，在设计中应该考虑到温度的漂移，采取相应的措施来进行补偿。

53 返回