传感器与检测技术第二章

灵敏度
电子湿度计模块
封装后 的外形
电子式温湿度计
机械式、电子式温湿度计对比
应用领域 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 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 都有广泛的应用。
应用: 半导体净化车间
农业：温室栽培
气象
玉山
文物保护: 敦煌
2.6 光敏电阻传感器
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。
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
光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的 利用光电导效应制成的光电探测器件。
t
t2
t2
9、噪声特性：
热噪声、产生复合噪声 、1/f 噪声与调制频率的关系
I
2 N
1 f 躁声
产生 复合躁声
热躁声
lg f
0
（1) 红外：减小温漂，使信号放大，可调制 （2较）高制的冷f 可降低热噪 （声3）恰当的偏置电路，可使信噪
比最大
10、光谱特性：相对灵敏度与波长 的关系
可见光区光敏电阻的光谱特性 光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波 长在515～600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与 人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的， 因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度 计、光度计等。
2）按光谱特性分类： ● 可见光光敏电阻器：主要用于各种光电自动控制 系统、电子照相机、光报警等地。 ● 紫外光光敏电阻器：主要用于紫外线探测仪器。 ● 红外光光敏电阻器：主要用于天文、军事等领域 的有关自动控制系统。
光敏电阻器的主要参数 1）亮电阻（kΩ）：指光敏电阻器受到光照射时的电 阻值。 2）暗电阻(MΩ)：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(V)：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：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到 光照射时所通过的电流。
增益电流系数：光电流与入射光引起的单位时间电 荷量的比值。
G

Ip
e
U
L
G

( nn

pp
)
U L2
由上式可知：
①、减小样品长度可以大大提高增益； ②、增加载流子的寿命也可提高增益。
光敏面作成蛇形，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 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。
3、光电特性：
光电流与照度的关系：
I光 Sg Pγuα
： 光照指数
：电压指数
I E （1）弱光时， 光 与I照光度 成线E性关系
1
（2) 强光时，光电流与照度成抛物线
0.5
强光照下光电特性的分析：
光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同 时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动 加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。 （冷却可以改善）
光敏电阻器型号命名方法 光敏电阻器的型号命名分为三个部分，第 一部分用字母表示主称。第二部分用数字表示 用途或特征。第三部分用数字表示产品序号， 各部分的含义见表2-9。 例如：MG45-14（可见光敏电阻器）：M—— 敏感电阻器；G——光敏电阻器；4——可见光； 5-14——序号。
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 号，各部分的含义见表2-8。
例如：MS01-A（通用型号湿敏电阻器） M—敏感电阻器； S—湿敏电阻器； 01-A—序号
湿度传感器的主要参数
干湿温度系数 （温度系数）
湿度量程
响应时间
主ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 特性参数
感湿特性
湿滞特性
老化特性 （耐久性）
2.5 湿敏电阻传感器
湿度是什么？
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。水分子在气体中的客 观存在的。
空气
空气
Jan，2008
水
饱和状态
不饱和状态
湿度的表示方式
蒸汽浓 度 水蒸汽 压
湿度 等级
露点温 度
绝对湿度 相对湿度 水蒸气分压 露点 水分含量 潮湿度 蒸汽浓度 蒸汽浓度 热含量
⑶涂膜式 在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其结 构下图。
光
+
-
NP
光敏二极管结构简图、符号和等效电路图
二、特性参数
1、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 起的称光电流。
U
L
增益可理解为：样品中每产生一个光生载流子所 构成的流入外电路的载流子数。
G τn tr
若G>1, 即单位时间流过器件的电荷数大于器件内 光激发的电荷，从而使电流得到放大。
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， 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。 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 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 管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量 误差。
g /m3 % rH Pa td ppm g / kg g / cm3 g / kg kJ / kg
Jan，2008
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(克数)。
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 示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称 饱和状态。
2、恒流、恒压偏置电路：
（1）恒流偏置电路：采用稳压管D, 故I b不变，所 以I c不变，因此V b也不变。 （2）恒压偏置电路：
同样V b不变，故V e不变，由 于RG减小，故I e 增大。导致I c变化。而输出电压 V0不变。
光敏电阻器种类：
1）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还 可分为硫化镉（CdS）、硒化镉(CdSe) 、硫化铅 (PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb) 光敏电阻器等。
2.光电导灵敏度
S g Sgg 定义为光电导
g
p
p与输入光照度E之比。
Sg

gp E
gp Φ
gpA Φ
A
g p ： 光电导（西门子S）
： 照度（勒克斯lx）
A ：入射通量（流明lm)
注意：灵敏度与光电增益的
区别
材料特性
（1）灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力
的大小。
结构参数
（2）增益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增 强能力。
5）暗电流(mA)：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）时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到 稳定亮电流的63％时所需的时间。
7）电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变1℃ 时，其电阻值的相对变化。
8）灵敏度：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。
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 随光强的增加而变大，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 电压，也可以加交流电压。
结构：
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 有两个引线，封装在带有窗口 的金属或塑料外壳内。电极和 光电导体之间呈欧姆接触。
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
当光敏电 阻受到光照时， 光生电子—空 穴对增加，阻 值减小，电流 增大。
暗电流（越小越好）
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、 硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧 结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 壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
（3）伏安特性曲线和负载线的交点即为光敏电阻的 工作点。
5、温度特性：
温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、 光照特性、响应率等都发生变化。为了提高灵敏度， 必须采用冷却装置，尤其是杂质型半导体受温度影 响更明显。
I
200 150 100
50 T
0 20 40 60 80 100
6．前历效应
指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关 的一种现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电 阻特性的影响。
01a序号湿度量程干湿温度系数温度系数湿度传感器的主要参数感湿特性灵敏度响应时间湿滞特性主要特性参数老化特性耐久性电子湿度计模块封装后的外形电子式温湿度计机械式电子式温湿度计对比应用领域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都有广泛的应用
露点传感器外形
湿敏电阻的原理：
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 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。
2、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 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； 潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料 的霉烂。
4、伏安特性：
在一定的光照下，光电流 I光与所加电压Ｕ的
关系
I (mA)
10 1000 Lx
100 Lx
5 10Lx
E0
0
50
100
V (V )
一定的光照下，Ｉ光与电压Ｕ的关系; 相同的电压下，Ｉ光与光照Ｅ的关系
说明：
（1) 光敏电阻为纯电阻，符合欧姆定律，对多数半 导体，当 电场强度超过104伏特/厘米 （强光时）， 不遵守欧姆 定律。硫化镉例外，其伏安特性在100多 伏就不成线性了。 （2）光照使光敏电阻发热，使得在额定功耗内工 作，其最高使用电压由其耗散功率所决定，而功耗 功率又和其面积大小、散热情况有关。
光敏电阻在电路中的符号
Rp
三种形式
⑴梳状式
玻璃基底上蒸镀梳状金属膜而制成；或在玻璃基
底上面蚀刻成互相交叉的梳状槽，在槽内填入黄
金或石墨等导电物质，在表面再敷上一层光敏材
料。如图所示。
光电导体膜
绝缘基底
⑵刻线式 在玻璃基片上镀制一层薄的金属箔，将其刻划成栅 状槽，然后在槽内填入光敏电阻材料层后制成。其 结构如下图所示。
温度低于0℃时，水蒸气将结霜， 又称为霜点温露度点。
降低温度
会产生结露现象。 露点与农作物的 生长有很大关系， 结露也严重影响 电子仪器的正常 工作，必须予以 注意。
测量露点的仪器
密析尔露点传感器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“三明治” 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1微米厚（一 微米=百万分之一米），而顶部的导电层厚度比1 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速的反 应。
暗态前历效应：指光敏电阻测试或工作前处于 暗态，当它突然受到光照后光电流上升的越慢程度。 工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越 重。
1-黑暗放置3分钟后 2-黑暗放置60分钟后 3-黑暗放置24小时后
亮态前历效应：
光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与 工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后 现象。
光敏电阻的电路
1、基本偏置电路： （1） 第一种：
将第一种电路中的 RP 与R1互换位置，即另一种偏 置电路。
（2）分析两种情况下输出电压的变化：
（3）RG和电源E的选取原则：
a.光通量连续变化时，
RG

R Gmax
2
R Gmin
b.光通量跳跃变化时，
RG

（R Gmax

R
）
Gmin
c. E (4Pmax RL ) 2 Pmax 为最大允许功耗
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。
湿度传感器的分类
陶
氧化钌电极 感湿陶瓷
加热器
瓷
湿
敏
护圈电极
基板
元
件
结
电极引线
构
图
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
1、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
7、暗电阻和暗电流：
光敏电阻在黑暗时的阻值称为暗电阻，一般 情况下，暗电阻都大于10兆，受光照时的阻值称 为亮阻。暗阻与亮阻的比值也可作为衡量灵敏度 的高低，比值越大，灵敏度越高。
8、时间频率响应： 时间特性与光照度、工作温度有明显的依赖关系。
I 100Lx
1
0.63
10Lx
0.37
t1 t1
红外区光敏电阻的光谱特性
此特性与所用材料的光谱响应、制造工艺、 掺杂浓度和使用的环境温度有关。
三、光敏电阻的特点
1、优点： 灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流大，无 极性之分 光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度 所测光强范围宽，可测强光、弱光
2、不足：
强光下光电转换线性差 光电导弛豫时间长 受温度影响大 由伏安特性知，设计负载时，应考虑额 定功耗 进行动态设计时，应考虑光敏电阻的前 历效应