第五章 压力传感器讲解

（a）右旋石英晶体； （b）晶轴； （c）水晶X切割
2、压电陶瓷（PZT）： 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。
特点： ①与石英晶体不同，压电陶瓷无纵向、横向压电效应之分。 ②压电常数大，灵敏度高。 ③制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要 求的性能； ④成形工艺好，成本低廉，利于广泛应用。 ⑤压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此，它可制作热 电式传感器，用于红外探测器中。但这一特性会给其用于压电传感器 时造成热干扰，降低温度稳定性。所以对高稳定的传感器，压电陶瓷 的应用受到限制。
原理：

E
式中 —半导体材料的压阻系数；
σ — 所受应力(应力是指单位面积上的平均内力) 。 ε — 应变；
E —弹性模量。
对于半导体材料，受力后压阻效应造成的电阻率变化远远大于形 状变化造成的电阻变化。半导体丝材的电阻变化为：
三、等效电路
从信号变换的角度看，压电元件相当于一个电荷发生器，从结构上 看，它又是一个电容器，因此可将压电元件等效为一个电荷源与电容 相并联的电路。
实际上，压电器件不可避免地存在漏电现象，即存在漏电阻，这使 得压电式传感器只适合动态测量。压电材料的等效电路除电荷源形式
以外，还可以等效成电压源形式：这里 ua 。qa / Ca
当明暗起伏的光线照射在这些光敏元上时，光敏元就将光强
的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包的空间分 布，。
由于CCD电荷耦合器件直接产生的是电荷信号而不是电压、 电流信号，因此还需要利用移位寄存器将光生电荷图像转移出来，
在输出电路的作用下，生成幅度与光生电荷包成正比的电脉冲序 列，从而将照射在CCD上的光学图像转换为电信号图像，实现了 CCD图像传感的功能。
1、压电效应： 力电荷。
当某些晶体（例如石英晶体）沿着一定方向受外力作用时，晶体 内部电荷分布发生变化，使得它的两个表面上产生符号相反的电荷； 当外力撤去后，又重新恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效 应。压电效应的电荷量与外作用力F 成正比，即
qa dF
式中 qa——压电晶体某个表面上的电荷量，C；
光电传感器是以光电器件作转换元件的传感器。其工作原理是： 首先把被测量的变化转换成光信号（光通量或光参数）的变化，然后 通过光电转换元件变换成电信号。
一、光电传感器的组成
光 光源
光 光通路
电 光电元件
测量电路 电
x1
x2
图中x1表示能直接引起光量变化的被测量；x2表示能在光传播过 程中调制光量的被测量。
②时间和温度稳定性极好；
③居里点（材料失去压电特性的温度）高：575℃；
石英晶体资源较少、价格高，因此石英晶体一般用于精度和稳定
性要求高的场合或制作标准传感器。
（2）晶轴： ①电轴（X轴）：得到电荷最多。 ②机械轴（Y轴）： 机械变形明显。 ③光轴（Z轴）：不会产生双折射。 沿电轴方向加作用力而产生电荷的现象称纵向压电效应；沿机械轴 方向加作用力而产生电荷的现象称横向压电效应；沿光轴方向加力时， 晶体不产生压电效应。使用时要注意切片方向（X切型或Y切型）。
2.弹性式压力计： 利用弹性元件的变形与压力之间存在一定的关系来检测压力。 常见的弹性元件有：平 膜片、 C 型弹簧管、膜盒、 波纹管。 其中波纹膜片和波纹管
多用于微压和低压测量； 单
圈和多圈弹簧管可用于高、 中、低压和真空度的测量。
3.电气式压力计：压力 电信号 1）利用弹性元件将压力弹性元件的变形（位移），再利用 位移传感器将位移电信号。 位移传感器有：电容式、电感式、电阻式、电位器式、霍尔
当红外光照射在PbS光敏元件上时，因光 电导效应，PbS光敏元件的阻值发生变化， 电阻的变化引起PbS光敏元件两电极间电 压的变化。
（2）ZnSb（锑化锌）红外光敏元件 ZnSb红外光敏元件灵敏度高于PbS红外光敏元件，能在室温下工
作也可在低温下工作。若在低温下工作可采用液态氮进行冷却。
新型传感器的典型特征 微型化，数字化，智能化，网络化，生物和化学传感器的研发
因此光电传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量如光强、
辐射温度、气体成份等；也可用来检测能转换成光量变化的其它非 电量，如零件尺寸、形状、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。
特点：非接触、精度高、分辨力高、可靠性高、响应快。
二.光电效应与光电器件
外光电效应
器件： 光电管
内光电效应
光电导效应 器件： 光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管 光生伏特效应 器件： 光电池
常见的光电器件有：光敏电阻、光电二极管、光电池、光电
三极管、光电位元件（PSD）、色敏器件、CCD图像传感器等。
光敏电阻是一种
半导体电阻器件。半
电极
光照
电极
导体受到光照射时会
产生光生电子—空穴
对，使导电性能增强；
光线越强，阻值越低。
A
光敏电阻
符号
称为光电导效应。
处于反向偏置的PN结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流 很小；当光照时，结区产生电子—空穴对，在结电场作用下，形成
第二节 压电式传感器 (piezoelectvic sensors)
一、工作原理：基于压电效应 概念：压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电 式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定 表面产生电荷的压电效应。 特点：体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动 态力学量的测量，不适于测频率太低的被测量，更不能测静态 量。 应用：目前多用于加速度和动态力或压力的测量。除此之 外，因压电传感器是一个典型的机电转换元件，它在超声、水 声换能器、拾音器、滤波器、压电引信、煤气点火具等方面已 普遍应用。
红外传感器 一、基本原理 1、红外辐射 红外辐射又称红外线，是位于可见光中红光以外的光线。其波 长范围大致在0.75～1000μm的频谱范围之内。自然界中任何本身温 度高于绝对零度（-273.16℃）的物体都向外辐射红外线。 在红外技术中，一般将红外辐射分成四个区域：即近红外、中
红外、远红外和极远红外区。此处所说的远近指红外辐射在电磁波 谱中与可见光的距离。
型场效应管（FET）、电阻、二 极管等组成。其中滤光片设置在
D
窗口
PZT
窗口处，组成红外线通过的窗口。 滤光片为6μm多层膜干涉滤光片， 它对5以下短波长光有高反射率，
热电元件
S
电路元件
Rg
Rs
而对6μm以上人体发射出来的红
E
外线热源（10μm ）有高穿透性。 （a）
（b）
2、光子型红外光敏器件 （1）PbS（硫化铅）红外光敏元件 PbS红外光敏元件对近红外光到3μm 红外光有较高灵敏度，可在室温下工作。
而且只有在外电路负载无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电 压才能长期保存下来。否则，电路以时间常数RC按指数规律放电。
+
+
+
qa -
Ca
Ra
ua ua
-
-
Ca
+
Ra -
电荷源形式
电压源形式
四、测量电路
压电器件是一个有源电容器，因此存在与电容传感器相同的弱 点：高内阻、小功率。功率小，则输出的能量微弱，电缆的分布电 容及噪声干扰将严重影响输出特性。为此必须进行前置放大。高内 阻使压电器件难以直接使用一般放大器，必须进行前置阻抗变换。
光电流，方向与反向电流一致。光的照度越大，光电流越大。由于
无光照时的反向偏流很小，一般为nA数量级，因此光照时的反向电 流基本上与光强成正比。
光敏二极管和三极管的结构如下:
光
c
e
光
NPN
+
-
b
PN
结构
光电流
符号
E
R
符号
等效电路
CCD即电荷藕合器（Charge Coupled Device），它是一种大 规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件，其基本单元 是MOS光敏元。成千上万个MOS光敏元相互独立的分布在半导体 硅片上，每一个MOS光敏元构成一个像素。
红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出的红
外线越多，红外辐射的能量就越强。因此人们又将红外辐射称为热 辐射。
二、红外传感器
1、热释电传感器
（1）热释电效应
当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反
的电荷。这种由于热变化产生的电极化现象称为热释电效应。
传感器主要由外壳滤光片、热电元件（即压电材料PZT）、结
第五章 压力传感器 （pressure sensors）
工程上的压力，实际上就是物理学中的压强，即介质（气液体） 垂直作用于单位面积上的力，它是工业生产过程中的一个重要参数， 也是一个重要的安全指标：P=F/S。
1Pa=1(N /m2) =(10-5公斤力)/cm2。还有毫米汞柱、水柱等。 低压< 107 Pa ，高压< 6×108Pa ，真空度指绝对压力低于当地大 气压。 常见的压力计有三大类： 1.液柱式压力计：利用液柱产生的压 力与被测介质压力相平衡。 即： P1-P0=hr 其中P1为被测压力，P0 为大气压力， h为液柱高度，r为液体(水、水银)比重。
压电传感器的测量电路—前置放大器，对应于电压源与电荷源 有两种形式：电压放大器、电荷放大器，且须具备两功能：信号放 大、阻抗匹配。
五、应用
1、压电式力传感器 2、压电式压力传感器 3、压电式加速度传感器 4、微振动测试仪：各种大型构件、桥梁、高层建筑、船舶等的 晃动测量。
智能家居集成是利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技 术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设备集成。
+
U
-
逆压电效应
二、压电材料
分类：
①压电晶体：单晶体，例如：石英晶体；
二
②压电陶瓷：一种人工制造的多晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅等；
③新型压电材料：压电橡胶等高分子有机压电材料，以及压电半
导体材料。
1、石英晶体：分子式为SiO2。俗称水晶，有天然和人工之分。 （1）性能特点：
①绝缘性好，机械强度，刚度大，固有频率高，动态特性好；
式、应变式等。
1.外壳；2.固定电极板； 3.绷紧的膜片
1.O型密封圈； 2.金属膜片； 3.玻璃； 4.多孔金属过滤器； 5.电镀金属表面
2）利用力敏传感器 将压力电信号。
如：压阻式、压电式
等。
第一节 压阻式传感器 (piezoresistor sensors)
一、工作原理：其原理与半导体应变片式传感器基本相同，其
F ——外加作用力，N； d——压电系数（与压电材料特性有关）。
金属电极 F +
uO
-
压电元件
F
压电效应
2、逆压电效应：电场变形。 （1）由于压电晶体是各向异性（各方向产生的压电效应不尽相 同），所以当受力方向和受力方式不同时，压电系数也不同。 （2）逆压电效应：与压电效应相反，在压电材料的极化方向施加 电场时，会在晶体的另一方向产生变形，这种现象称为逆压电效应， 也称电致伸缩效应。
R 1 2
R

注意：半导体晶体在不同方向的压阻系数不同（分为纵向 压阻系数、横向压阻系数、剪切压阻系数）。
二、应用：固态压阻式压力传感器 固态压阻式传感器示意图如下所示，其中 （b）图为硅杯。
其核心为一块园形硅膜片（作为弹性敏感元件），其膜片周围 用硅环固定，通常称作硅杯，在膜片上利用集成电路工艺方法扩 散上4个阻值相等的电阻：R1、R2、R3、R4，其中两条位于压应 力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称，再由导线接 成电桥。
Intelligent Lighting System Electrical Apparatus Control System Speakers, A/V & Home Theater Intelligent Sun shading System/Electric Curtain Thermostats & HVAC Controls Automatic Meter Reading System Cameras and Surveillance Home Alarm System Automatic Watering Circuit