第五章传感器技术及机械量检测

n沟钯栅MOSFET氢气传感器 a)版图 b)剖面图
具有一个n沟氢敏钯栅MOSFET传感器的设计图形和剖面结构；氢 气钯栅MOSFET传感器是利用氢气引起金属钯功函数的改变，进而 改变MOSFET器件的阈值电压效应而作成的传感器。 (六)湿度传感器 湿度是与人们的生活 密切相关的物理现象。以 前采用人的头发和马尾在 湿度环境中引起伸缩作用 制作湿度传感器。最近研 制了采用陶瓷和固体电介 质制作湿度传感器。图 5—13是利用多孔Al302膜 制作的湿度传感器。湿度 传感器不仅用于各种空调 机，在电子灶的自动烹调 及露点检测中，也得到非 常广泛的应用。
3．光电传感器
光电传感器是目前产量最多 应用最广的传感 器之一，它包括光敏二极管、光敏三极管、半导体色敏器件、太阳 电池、电荷耦合器件、光控晶闸 管、光耦合器件等。
在位置检测传感器中，非接触式光耦合器件 用得最多。它比起接触式传感罪，具有造型 轻巧、价格便宜、而且不怕污染等优点。光 耦合器件是一种光电结合的器件。硅光敏三 极管为受光部分，砷化镓发光二极管为发光 部分构成光耦合器件。工作时，把电信号加 到输入端，使发光器件发光，而受光器件管 芯在此光辐射的作用下输出光电流，从而实 现电—光— 电两次转换，通过光进行了输入 端和输出端之间的耦合。图所示是光电三极 管型光耦合器件的图形符号。
电容转换
制造各种气体传感器，用来检测一些气体，它广 泛用于矿井、工 业、环保等领域。它将气体转换为电信号输出，实现了气—电转换。 气 体 (七)温度—电阻转换 电 半导体陶瓷 阻 (MgCr204—Ti02)材料 转 换 或多孔性绝缘薄膜 Al303(SiO2)制作在衬 底材料上，如图5—8 5—8 ， 它 度 环 ， ， 电阻 用 种 性制作 度传感器。它将 度 转 为电信号输出， 实现了 度—电阻转 换。 温度—电阻转换 -
光电三极管型光 耦合器件的图形 符号
光耦合器件有透光型与反射型两种。在透光型光耦合器件中， 发光器件与受光器件面对面安放，在它们之间有一间隔，当物体通 过这一间隔时，发射光被切断。利用这一现象可以检测出物体的有 无。采用这种方式的耦合器件后边连接的接口电路设计比较简单， 检测位置精度也高。反射型光耦合器件从发光器件来的光反射到物 体上面由受光器件来检测出，比起透光型来显得体积小，把它放在
物体的侧面就能使用。 图 为一种反射式光电传感脉搏检测电路。由发光 元件D发出的光，射入血管中流动的血液，通过受光元件 T把来自血液的反射光检出，经放大器放大后，输出到 CMOS或非门，变换成一定的脉冲波，此脉冲数据由模拟 或数字计数器读出。
高频振荡式接近开关原理示意图
2．静电电容式 接近开关 静电电容
式接近开关在检测部 分采用导体电极，当 电极与被测物一 接近， 检测部分的导体电极 与被测对象之间产生 静电电容变化。利用 这一现象制成电容式 接近开关，检测出这 一电容
静电电容式接近开关原理图。
量的变化，产生输出信号。因此，被检测的对象可以是金属、塑 料、纸、陶瓷、玻璃、水、油、溶液、木材等。
力电压转换
压电转换
(五)磁—电转换 线圈内磁芯作上下移动， 磁路中磁阻发生变化，利用 这个效应制作磁阻传感器。 它将磁 转换为交流电压的变 化，如图5—5所示。 阻 转 换 电容传感器是由介质及 被介质所分开的两个电极组 成的，变化电极间的距离或 变两 极间的介质 电容 的变化。电容传感 器将所 变 转换为电容变 ，如图5—6所示。 ( ) ， —电阻转换 化 (或 ，如Sn02 ZnO Fe203 ， 它 内) 电阻变化，如图5—7所示。利用这 磁
热电型红外 传感器(日本 三洋TTS1020) a)结构图 b)基本电路
(八)离子传感器
1970年，Bergweld 提出了利用半导体器件 作为检测溶液中的离子 活度的传感器；这种传 感器类同于MOSFET， 只要把MOSFET的金属 栅去掉，使SiO2暴露出 来与被测溶液接触，在 漏源电压恒定时，漏源 电流与溶液中离子种类 及浓度有关，因此称为 离子传感器(IS—FET)， 如图5—15所示。它将 离子活度转换为电信号 输出，实现了离子活度 的测量。
第五章 传感器技术及机械量检测
第一节 传感器技术概述
一、传感器的定义及分类
凡接受外界刺激并能产生输出信号，即可定义为传感 器。传感器就是用来对所测的量产生响应并提供可用的电 信号的器件，即把输入信号变成不同形式输出信号的装置， 如麦克风、拾音器、扩音机、光电管、门铃等。传感器的 作用是接受外界信息，并将其变为信号。传感器用来代替 人的五感，即：视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。人用来
Al2O3膜湿度传感器
(七)热电传感器 当某种物质的温度发生变 化时，表面产生和温度高低相 应的电荷现象，这种现象称为 热电效应。利用这种效应制造 热电传感器，如图5—14所示。 具有这种效应的 LiTaO8 材料有LiTaO8、 PbTiO8、BaTi08等材 料。内接场效应晶体 管FET是因为热电元 件感应电荷量比较小， 采用FET以实现在高 阻抗时接收，而最后 以适当的阻抗输出。 目前使用最多的是红 外传感器。
三、几种主要传感器工作原理
(一)光传感器 根据光生伏特效应，制造光敏二极管、光敏三极管、太阳电池、 电荷耦合器件等。当光敏二极管受光照射时，在PN结两端产生电子 空穴，在外部获得电流输出。图5—9表示光生伏特效应 的工作原 理和电压—电流特性。 电流-电压特性 (二)温度传感器 利用半导体材料的 热敏特性制造热敏电阻， 热敏电阻分为三种：电 阻随温度升高而减少的 负特性热敏电阻(NTC)， 电阻随温度升高而增大 的正特性热敏电阻(PTC) 以及达到某一温度时电 阻急剧 变化的临界特性 电 阻 温 度 特 性 的 阻 电 热 敏 种 各
热敏电阻(CTR)。图5—10表 示各种热敏电阻的电阻—温 度特性。一般热敏电阻的阻 值随温度变化的曲线是非线 性的，要使其线性化， 可 以串联或并联外接固定电阻 进行折线近似。最近，利用 硅PN结的正向压降随温度 变化特性，制造温敏二极管、 温敏三极管、温控晶闸管、 化温度 ，其性 热敏电阻， 用 各 。 (三)压 压 进行 电阻， 用 ，制 电 ， ， 图 图5—11 示。
信号的变 电量型的 输出信
二、传感器的转换原理
传感器的作用是接受外界信息，并将其变成信号输出。 因此，如果某种材料(半导体材料)受外界加热，致使这种 材料性质发生变化(电阻、电导发生变化)，通过检测电阻 变化量，就可以知道对应的温度；也就是说，这种材料具 有将热转换成电的功能，人们就利用这种热—电转换原理 来制造热敏电阻传感器等。表5—3列出了比较常见的几种 现象之间相互转换原理。
） 结 构
A
压 力 传
） 等 效 电 阻
感 器
B
N 硅 的晶 制 压
时，R1、R2电阻值增大，而R3、R4阻值减少，使电桥 失去平衡，有信号输出。半导体扩散型压力传感器可用 于电子血压计，汽车电子设备和各种压缩机控制等。 (四)磁传感器 目前利用半导体集成电路工艺技术，根据霍尔效应制 作集成化霍尔器件及MOSFET霍尔器件，已应用在汽车点 火装置及无刷电机上。利用磁场中载流子受磁场的洛伦兹 力作用而发生偏转现象，制造出磁敏二极管和磁敏三极管 等。 (五)气体传感器 人们在生活中接触到各种气体，有些气体对人体有益， 有些气体对人体有害，必须加以控制。以前利用Sn02、 ZnO、Fe2O3烧结型气体传感器来检测CO、H2、甲烷、丙 烷、异丁烷等气体。图5—12是利用半导体材料制造的，
将半导体材料或导体加 热或冷却，使它的电阻发 生变化，应用这个效应制 作热敏电阻。它将热转换 为电阻变量，如图所示。
(三)力—电压转换 外力作用在电阻应变片上，组成 电桥的四个电阻的阻值发生变化，R1、 R2电阻增大，而电阻R3、R4，阻值减 少，使电桥失去平衡，有信号输出； 输出电压与压力呈线性关系。应用 力—电压转换原理制作压力传感器， 其线路图如图5—3所示 (四)力—电荷转换 外力作用在压电晶体 (铌酸锂、石英晶体等) 上时，使其表面产生电 荷或电压变化。根 据这 个原理制作压电传感器， 它将应力转换成电荷Q 或电压U变量，如图5— 4所示。
取得这些感觉的器官是：眼、耳、鼻、舌和皮肤。 传感器按能量变换的功能可分为两大类：物理传感 器(包括温度传感器、压力传感器、光电传感器、磁传感 器、压电传感器、光纤传感器、流量传感器、声表面波传 感器、半导体致冷器)和化学传感器(包括气体传感器、湿 度传感器、离子传感器)。 根据传感器的工作原理不同，一般又可以分为物性型 传感器和结构型传感器两种。物性型传感器是利用一些材 料的物理特性的变化来实现检测的。物性型传感器又称为 固体传感器，具有体积小、反应速度快、寿命长等优点。 目前利用半导体集成电路工艺技术，将敏感器件与外围电 路集成在一起，构成所谓集成传感器，它是目前传感器研 究开发最有前途的一种。结构型传感器是利用弹性管、双 金属片、电感、电容器等结构元件进行测量的，如气压表 头就是一种结构型传感器。
(一)光—电转换
入射光照射到PN结上时，使PN结的正向压降发生变化， 利用这个特性制作光敏二极管和光敏三极管，使光转换为 电压变量。同样，当光照射到半导体材料上时，使电阻发 生变化，它将光转换为半导体材料的电阻(或电导)变量， 如图所示。
光 电 转 换 转 换 图 阻 电 光
光—电转换
(二)热—电阻转换 电 阻 转 换
离子传感器
吸尘控制电路框图 吸 尘 剖 面 图
煤 气 报 警 电 路 图
自动恒温电烙铁
第二节 机械量检测传感器
机电一体化产品中经常碰到的机械量检测传感器，包括位移、 转角、速度、加速度、角加速度、力、压力、转矩、荷重等。
一、位置检测传感器
最简单也是应用最广泛的是位置传感器，一般有位置传感器与 坐标传感器之分。位置传 感器一般使用通／断型的最多，其检测精 度可从以mm为单位的低精度到以µm为单位的高精度，而检测方式 有接触式与非接触式两种。接触式如限位开关和接触开关，而 非 接触式如接近开关和光电开关等。 (一)接触式传感器 图5—21为日本产接触传 感器原理结构图。当触头碰 到待测物体时，传感器的内 部接点由“开”转为“关”。 表 5—4绘出部分技术参数。