(3.2.9)--测试3-8机械工程测试技术基础.ppt

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1、第八节第八节 半导体传感器半导体传感器物性型传感器物性型传感器磁敏效应磁敏效应-霍尔元件，磁阻元件霍尔元件，磁阻元件光电效应光电效应-各种光电传感器各种光电传感器热电效应热电效应-温度传感器温度传感器 优点：优点：体积小；功耗低；安全可靠，寿命长；体积小；功耗低；安全可靠，寿命长；灵敏，响应快；易于集成。灵敏，响应快；易于集成。一磁敏传感器：利用半导体材料的磁敏效应进行工作利用半导体材料的磁敏效应进行工作 霍尔元件霍尔元件磁阻元件磁阻元件磁敏管磁敏管霍尔元件：霍尔元件：2、受温度影响大，、受温度影响大，3、性能参数分散性大、性能参数分散性大。缺点：缺点：1、输出一般是非线性的。、输出一般是非线

2、性的。“霍尔效应霍尔效应”基本电路基本电路H在电路中的表示符号：在电路中的表示符号：基本电路：基本电路：应用：应用：Bx0测量磁场；检测电流；测量微小位移，压力，机械振动。测量磁场；检测电流；测量微小位移，压力，机械振动。a霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器：霍尔集成电路b霍尔式压力传感器：霍尔式压力传感器：（p205 图图9-10）弹性元件弹性元件波登管波登管 膜盒膜盒被测压力被测压力 霍尔元件的位移霍尔元件的位移 UHc霍尔效应开关霍尔效应开关二光电转换元件二光电转换元件光量光量 电量电量光电效应光电效应 内光电效应内光电效应 光电导效应光电导效应-光敏电阻光敏电阻光生伏特效应光生伏特效应-

3、光电池光电池，光电二、三光电二、三 极管极管外光电效应外光电效应 -真空光电管，光电倍增管。真空光电管，光电倍增管。n-载流子浓度；载流子浓度；e-电子电荷；电子电荷；u-载流子的迁移率（载流子的迁移率（u=；v-载流子运动速度；载流子运动速度；E-电场强度。）电场强度。）vE内光电效应：内光电效应：物质受到光照射后，激发出的光生载流子（电子空穴对）物质受到光照射后，激发出的光生载流子（电子空穴对）停留在物质内部不逸出。停留在物质内部不逸出。光电导效应光电导效应：半导体材料的电导率半导体材料的电导率 =neu 在入射光的照射下，产生光生载流子，浓度增加，在入射光的照射下，产生光生载流子，浓度增

4、加，电导率增加，电阻减小。电导率增加，电阻减小。基于光电导效应工作的典型光电器件基于光电导效应工作的典型光电器件-光敏电阻光敏电阻a基本工作电路：基本工作电路：常闭b应用举例应用举例路灯自动点熄原理路灯自动点熄原理两部分组成两部分组成电阻电阻R，电容电容C和二极管和二极管D组成半波整流滤波电路。组成半波整流滤波电路。CdS（硫化镉）光敏电阻和继电器组成光控继电器。硫化镉）光敏电阻和继电器组成光控继电器。光生伏特效应光生伏特效应E结电场PN对结型半导体，又称势垒效应。对结型半导体，又称势垒效应。PN结的形成结的形成扩散（多子，浓度差）扩散（多子，浓度差）漂移（少子，内建电场）漂移（少子，内建电场

5、）光电池光电池工作于工作于零偏状态零偏状态。光电二极管光电二极管工作于工作于反偏状态反偏状态。光电三极管光电三极管是一具有光电转换能力的晶体管。是一具有光电转换能力的晶体管。光信号是在集电结（基极、集电极之间）进行光电转光信号是在集电结（基极、集电极之间）进行光电转换的，再由集电极、基极、发射极构成的晶体三极管换的，再由集电极、基极、发射极构成的晶体三极管 放大放大而输出而输出 信号。信号。h光子光子光电子光电子外光电效应（光电子发射效应）外光电效应（光电子发射效应）爱因斯坦方程：爱因斯坦方程：阴极阳极电子聚焦系统倍增极真空光电管：真空光电管：光电倍增管：光电倍增管：三固态图象传感器三固态图象

6、传感器（Solid State Imaging Sensor-SSIS）衬底绝缘层栅极概述：概述：电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Couple Device-CCD）自扫描光电二极管自扫描光电二极管 列阵（列阵（Self Scanned Photodiode Array-SSPD）电荷注入器件（电荷注入器件（Charge Injection Device-CID）基本工作原理：基本工作原理：CCD的的MOS结构：结构：MOS电容器列阵电容器列阵。线阵（一维）线阵（一维）面阵（二维）面阵（二维）特殊列阵（环形，扇形）特殊列阵（环形，扇形）信息电荷的存贮信息电荷的存贮 在栅极上加一正向偏

7、压（在栅极上加一正向偏压（P型）。排斥多数载流子（孔穴），型）。排斥多数载流子（孔穴），在在SiO2和半导体表面形成耗尽层。由于表面电势为正，能象阱和半导体表面形成耗尽层。由于表面电势为正，能象阱一样收集电子，称为储存少数载流子的势阱（表面势阱）。一样收集电子，称为储存少数载流子的势阱（表面势阱）。势阱的深度或说势阱收集少数载流子的能力是由栅压确定的，势阱的深度或说势阱收集少数载流子的能力是由栅压确定的，栅压越大，势阱越深，收集电子的能力越强。栅压越大，势阱越深，收集电子的能力越强。a表面势阱的形成：表面势阱的形成：b热驰豫过程热驰豫过程：CCD是一种非稳态器件。是一种非稳态器件。CCD要存储

8、有用的信号电荷，要求信号电荷的存储要存储有用的信号电荷，要求信号电荷的存储时间小于热激发电子的存储时间（热驰豫时间）。时间小于热激发电子的存储时间（热驰豫时间）。在热驰豫时间内（达到饱和状态之前），栅压一定在热驰豫时间内（达到饱和状态之前），栅压一定的条件下，的条件下，MOS电容器具有一定收集电子的能力。电容器具有一定收集电子的能力。在势阱中的在势阱中的“电荷包电荷包”大小与入射光强度成正比，大小与入射光强度成正比，从而实现从光信号向电信号的转换。从而实现从光信号向电信号的转换。c光电转换，信号电荷的存贮：光电转换，信号电荷的存贮：信息电荷的传输信息电荷的传输321123（线阵（线阵 三相时钟

9、脉冲驱动）三相时钟脉冲驱动）线阵线阵CCD图象传感器的图象传感器的基本工作原理基本工作原理光敏单元光敏单元转移控制栅转移控制栅输出移位寄存器输出移位寄存器CCD的应用：的应用：可同时实现光照度和位置的测量。可同时实现光照度和位置的测量。用于热轧用于热轧 板宽度检测板宽度检测视频信号处理驱动控制器计算显示CCD工件成象透镜光源工件尺寸的高精度检测：工件尺寸的高精度检测：光栅式数字位移传感器光栅式数字位移传感器一概述：一概述：数字式位移传感器数字式位移传感器 线位移线位移 计量光栅计量光栅角位移角位移磁栅磁栅编码器编码器 直线光栅直线光栅玻璃透射光栅玻璃透射光栅金属反射光栅金属反射光栅a-刻线宽度

10、；刻线宽度；b-缝隙宽度；缝隙宽度；W=a+b栅距（光栅常数）栅距（光栅常数）感应同步器感应同步器光栅传感器的组成：光栅传感器的组成：栅距相同；相互重叠，间隙很小；栅距相同；相互重叠，间隙很小；一片固定，一片相对移动一片固定，一片相对移动（固定在机床上不动）（固定在机床上不动）指示光栅指示光栅（短）（短）（固定在移动部件上）（固定在移动部件上）光路系统光路系统光电元件光电元件标尺光栅标尺光栅（长）（长）特点：对环境要求较高；要密封，以防油污、灰尘、铁屑等。对环境要求较高；要密封，以防油污、灰尘、铁屑等。分辨力高（分辨力高（1um，0.5um）；）；测量范围大；测量范围大；动态范围宽；动态范围宽

11、；易于实现数字化测量和自动控制。易于实现数字化测量和自动控制。优点：优点：缺点：缺点：二测量原理二测量原理“Moire”莫尔条纹的形成莫尔条纹的形成：莫尔条纹的特点：莫尔条纹的特点：误差平均作用误差平均作用（）。）。莫尔条纹的移动量和移动方向与光栅相对移动量莫尔条纹的移动量和移动方向与光栅相对移动量和移动方向有确定的对应关系和移动方向有确定的对应关系。位移放大作用：位移放大作用：例：例：莫尔条纹移动时，近似正弦变化的光强信号由光电元件接受，莫尔条纹移动时，近似正弦变化的光强信号由光电元件接受，转换成相应的电压信号。转换成相应的电压信号。光栅每移动一个栅距光栅每移动一个栅距W，电压信号周期变化一次。电压信号周期变化一次。三辨向原理三辨向原理如图如图6-6，两个相隔，两个相隔1/4莫尔条纹间距的光电元件，莫尔条纹间距的光电元件，所得到的电信号所得到的电信号u1，u2相差相差/2，经整形后得到经整形后得到两个方波信号两个方波信号u1,u2。Y1Y2u1u2uu1u2u1u2_正向反向四细分：四细分：机械细分机械细分电子细分电子细分常用四倍频细分法（一个周期产生常用四倍频细分法（一个周期产生4个计数脉冲，当量为个计数脉冲，当量为W/4）光栅副的位移量光栅副的位移量=计数器的计数值计数器的计数值n 脉冲当量脉冲当量 脉冲当量脉冲当量=W/细分数细分数