項目7環境量的檢測任務7.1基于氣敏傳感器的有毒氣體報警器設計

任務7.2基于濕敏傳感器的嬰兒尿濕報警電路設計

任務7.3基于光電式傳感器的煙霧報警器設計

項目7

環境量的檢測項

目

背

景

半導體材料的一個重要特性是對光、熱、力、磁、氣體、濕度等理化量的敏感性。利用半導體材料的這些特性使其成為非電量電測的轉換元件，是近代半導體技術應用的一個重要方面。

半導體傳感器是一些結構簡單、體積小、重量輕的物性型器件。具有功耗低、安全可靠、壽命長、響應快等特點，且易于實現集成化。

而輸出特性一般是非線性的，常常需要采用線性化電路，同時，受溫度影響大，往往需要采用溫度補償措施；其性能參數分散性較大。按輸入信息分為物理敏感、化學敏感和生物敏感半導體傳感器。

本節重點介紹氣敏傳感器、濕敏傳感器、光電式傳感器在實際案例中的應用，通過三個任務的學習，能到相應的知識、能力及項目學習目標。任務7.1基于氣敏傳感器的有毒氣體報警器設計◎知識目標1.了解半導體氣敏傳感器的分類和工作原理。2.熟悉半導體氣敏傳感器的類型和結構。3.掌握半導體氣敏傳感器的應用?！蚰芰δ繕?.能夠正確識別、選用及檢測半導體氣敏傳感器。2.能夠調試半導體氣敏傳感器測量電路?！蛩刭|目標1.提高分析問題和解決問題的能力。2.樹立創新精神。

任務導入

廣州市A燃氣有限公司車間為了排除可燃或有毒氣體泄露，做到一旦觸發爆炸或中毒臨界點時，能及時發出報警信號，提醒采取安全措施，并驅動排風、切斷噴淋系統，防止發生爆炸、火災及中毒事故等。技術部老王利用半導體式氣敏傳感器、檢測電路、換氣報警自動控制電路集于一體，制作了一個簡易的煙霧有毒氣體檢測報警器。

你知道半導體氣敏傳感器的工作原理是什么嗎？它有什么樣的分類？由半導體式氣敏傳感器制作的煙霧有毒氣體檢測報警器電路應該怎樣設計及調試呢？相關知識

所謂半導體氣敏傳感器是20世紀70年代產生的一種新型傳感器。是利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質變化，借此來檢測待定氣體的成分或者濃度的傳感器的總稱。

半導體氣敏傳感器主要材料有氧化錫（SnO2）、氧化錳（MnO2）等，其工作原理是：當氣敏元件吸附了被測氣體時，其電導率發生了變化。當半導體氣敏元件表面吸附氣體分子時，由于二者相互接收電子的能力不同，產生了正離子或負離子吸附，引起表面能帶彎曲，導致電導率變化。

半導體氣敏傳感器具有在低濃度下對可燃氣體和某些有毒氣體檢測靈敏度高、響應快、制造使用和保養方便、價格便宜等優點，成為世界上產量最大、使用最廣的傳感器之一。但它們的氣體選擇性差、元件性能參數分散，且時間穩定度欠佳。7.1.1半導體氣敏傳感器分類半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體表面接觸時產生電導率等物理性質變化來檢測氣體的。半導體氣敏傳感器分類:按半導體與氣體相互作用時產生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內部可分為：表面控制型和體控制型。表面控制型：半導體表面吸附氣體與半導體間發生電子接收，結果使半導體的電導率等物理性質發生變化，但內部化學組成不變。體控制型：半導體與氣體反應，半導體內部組成發生變化，導致電導率等參量變化。按照半導體變化的物理特性又可分為：電阻型和非電阻型。電阻型：通過半導體敏感材料接觸氣體時阻值變化來檢測氣體的成分或濃度。非電阻型：通過半導體氣敏元件的其它參數變化來檢測被測氣體，如二極管伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化。表7-1為半導體與氣敏元件的分類。b)非電阻型圖7-1半導體物理特性a）電阻型

主要物理特性類型檢測氣體氣敏元件電阻型電阻表面控制型可燃性氣體SnO2ZnO等的燒結體薄膜、厚膜體控制型酒精、可燃性氣體氧氣氧化鎂、SnO2氧化鈦(燒結體)、T-Fe2O3非電阻型二級管整流特性表面控制型氫氣、一氧化碳、酒精鉑-硫化鎘、鉑-硫化鈦金屬-半導體結型二級管晶體管特性氫氣、硫化氫鉑柵、鈀柵MOS場效應管表7-1半導體氣敏元件的分類氣敏傳感器在各種成分氣體中使用，由于檢測現場溫度、濕度變化很大，又存在大量粉塵和油霧等，所以其工作條件較惡劣，而且氣體與傳感元件的材料會產生化學反應物，附著在元件表面，往往會使其性能變差。對氣敏元件有下列要求：能長期穩定工作，重復性好，響應速度快，共存物質產生影響小。用半導體氣敏元件組成的氣敏傳感器主要用于工業上的天然氣、煤氣和石油化工等部門的易燃、易爆、有毒等有害氣體的監測、預報和自動控制。7.1.2半導體氣敏傳感器的機理電阻型半導體氣敏傳感器利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。當半導體器件被加熱到穩定狀態，在氣體接觸半導體表面而被吸附時，被吸附的分子先在表面物性自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發掉，另一部分殘留分子產生熱分解而固定在吸附處（化學吸附）。（1）氧化型氣體：半導體的功函數小于吸附分子的親和力時，吸附分子從器件奪得電子而變成負離子吸附，半導體表面呈現電荷層。氧氣等具有負離子吸附傾向的氣體稱為氧化型或電子接收性氣體。（2）還原型氣體：半導體的功函數大于吸附分子的離解能，吸附分子向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳氫化合物和醇類，稱為還原型氣體或電子供給性氣體。當氧化型氣體吸附到N型、還原型氣體吸附到P型半導體上時，半導體載流子減少，而使電阻值增大。當還原型氣體吸附到N型、氧化型氣體吸附到P型半導體上時，則載流子增多，使半導體電阻值下降。圖7-2表示了氣體接觸N型半導體時所產生的器件阻值變化情況。氣體濃度發生變化，阻值也變化。據此，可從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。圖7-2N型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖7.1.3半導體氣敏傳感器類型及結構半導體氣敏傳感器組成：敏感元件、加熱器和外殼。按其制造工藝可分為燒結型、薄膜型和厚膜型三類。1、電阻型半導體氣敏傳感器（1）燒結型氣敏器件圖7-3所示，氧化物半導體材料為基體，鉑電極和加熱絲埋入材料中，用加熱、加壓的制陶工藝燒結成形。因此，被稱為半導體陶瓷，簡稱半導瓷。半導瓷內的晶粒直徑為1μm左右，晶粒的大小對電阻有一定影響，但對氣體檢測靈敏度則無很大的影響。優點：燒結型器件制作方法簡單，器件壽命長；缺點：但由于燒結不充分，器件機械強度不高，電極材料較貴重，電性能一致性較差，因此應用受到一定限制。圖7-3燒結型氣敏器件（2）薄膜型氣敏器件圖7-4所示，采用蒸發或濺射工藝，在石英基片上形成厚度約100nm氧化物半導體薄膜，制作方法簡單。半導體薄膜的氣敏特性最好，但半導體薄膜為物理性附著，器件間性能差異較大。（3）厚膜型器件圖7-5所示，這種器件是將氧化物半導體材料與硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，再把厚膜膠印刷到裝有電極的絕緣基片上，經燒結制成的。這種工藝制成的元件機械強度高，離散度小，適合大批量生產。圖7-4薄膜型氣敏器件圖7-5厚膜型器件電阻型半導體氣敏器件全部附有加熱器。加熱器作用：燒掉附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等，加速氣體的吸附，從而提高器件的靈敏度和響應速度。加熱器的溫度一般控制在200~400℃左右。加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏器件。（1）直熱式氣敏器件如圖7-6所示，加熱絲、測量絲直接埋入氧化物半導體材料粉末中燒結而成。工作時加熱絲通電，測量絲用于測量器件阻值。優點：制造工藝簡單、成本低、功耗小，可在高電壓回路下使用。缺點：熱容量小，易受環境氣流的影響，測量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。圖7-6直熱式氣敏器件的結構及符號（2）旁熱式氣敏器件如圖7-7所示，加熱絲放置在一個陶瓷管內，管外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂上氧化物半導體材料。克服了直熱式結構的缺點，使測量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測量回路和加熱回路的相互影響，器件熱容量大，降低了環境溫度對器件加熱溫度的影響。圖7-7旁熱式氣敏器件的結構及符號2、非電阻型半導體氣敏傳感器非電阻型氣敏器件也是半導體氣敏傳感器之一。利用MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場效應晶體管（MOSFET）的閾值電壓的變化等物性而制成的。這類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，性能穩定且價格便宜。利用特定材料還可使器件對某些氣體特別敏感。（1）MOS二極管氣敏器件MOS二極管氣敏器件結構：在P型半導體硅片上生成一層厚度為50~100nm的SiO2層，上面再蒸鍍一層鈀金屬薄膜作為柵電極。如圖7-8(a)所示。

(a)(b)(c)圖7-8MOS二極管結構和等效電路MOS二極管C~U特性：SiO2層電容Ca固定不變，而Si和SiO2界面電容Cs是外加電壓的函數（其等效電路見圖7-8(b))，因此總電容C也是柵偏壓的函數。函數關系稱為該類MOS二極管的C~U特性，如圖7-8(c)曲線a所示。鈀（Pd）對H2特別敏感，當鈀吸附了H2以后，會使鈀的功函數降低，導致MOS管的C~U特性向負偏壓方向平移，如圖7-8(c)曲線b所示。根據這一特性可測定H2的濃度。（2）鈀—MOS場效應晶體管氣敏器件MOSFET的伏~安特性：如圖7-9所示，當鈀柵極（G）、源極（S）之間加正向偏壓UGS，且UGS>UT（閾值電壓）時，柵極氧化層下面的硅從P型變為N型，形成導電通道，即為N型溝道。MOSFET進入工作狀態。在源漏極之間加電壓UDS，則有電流IDS流通。IDS隨UDS和UGS的大小變化規律即MOSFET的伏~安特性。當UGS<UT時，MOSFET的溝道未形成，無漏源電流。UT的大小與金屬和半導體之間的功函數有關。當H2吸附在Pd柵極上時會引起Pd的功函數降低。Pd-MOSFET氣敏器件就利用這一特性來檢測H2濃度。圖7-9鈀—MOS場效應晶體管的結構7.1.4氣敏傳感器應用半導體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應時間和恢復時間快、使用壽命長以及成本低等優點，從而得到了廣泛的應用。按其用途可分為以下幾種類型：氣體泄露報警、自動控制、自動測試等。表7-2給出了半導體氣敏傳感器的應用舉例。分類檢測對象氣體應用場所爆炸性氣體液化石油氣、城市用煤氣甲烷、可燃性氣體家庭煤礦辦事處有毒氣體一氧化碳硫化氫、含硫有機化合物鹵素、鹵化物、氮氣煤氣灶特殊場合特殊場合環境氣體氧氣（防止缺氧）二氧休碳（防止缺氧）水蒸氣（調節溫度、防止結霜）大氣污染（SOX、NOX等）家庭、辦公室家庭、辦公室電子設備、汽車溫室工業氣體氧氣（控制燃燒）一氧化碳（防止不完全燃燒）水蒸氣（食品加工）發電機、鍋爐發電機、鍋爐電炊灶其他呼出氣體中的酒精、煙等

表7-2半導體氣敏傳感器的各種檢測對象氣體一、

任務分析任務實施

利用半導體式氣敏傳感器、檢測電路、換氣報警自動控制電路集于一體，制作了一個簡易的煙霧有毒氣體檢測報警器。首先要選擇符合要求的傳感器類型，再進行電路的設計與制作，最后進行電路的調試。二、

實施過程1.傳感器選型

霧有毒氣體報警器如圖7-10所示，其中MQ是氣敏電阻傳感器，它是N型半導體元件，用作煙探測頭。它是一種新型號的低功耗、高靈敏度的氣敏元件，其內部有一個加熱絲和一對探測電極。本電路由氣敏元件、觸發及報警音響電路等組成。半導體氣敏元件采用MQ-2，其只需加一個穩定的約5V的加熱電壓。該電壓值可通過調節RW、R4來實現。氣敏元件也可換成對某種有害氣體敏感的傳感器，不同類型傳感器的加熱電壓有差異。在調試時有約1分鐘的預熱時間。2.電路設計圖7-10有毒氣體報警器電路原理圖當室內空氣正常時，氣敏元件MQ的電阻值大，該電阻與R4、RW分壓后的電壓使555置位，③腳輸出高電平，報警電路斷開，不發生報警。當氣敏元件檢測到煤氣、石油液化氣、汽油、酒精、煙霧等有毒或有害氣體時，其內阻減小，該電阻與R2、RW分壓后的電壓升高，從而使555集成電路復位，③腳輸出低電平，使繼電器J吸合，接通報警電路，發出報警信號，報警時LED2(紅光)閃光。電路中電位器RW用于調整555的觸發端②腳的觸發電平，正常條件下約為3.5V。本電路中繼電器還可控制機外的報警器或排氣扇等設施。MQ-2：氣敏電阻傳感器，它是N型半導體元件，用作探測頭。它是一種新型的低功耗、高靈敏度的氣敏元件，其內部有一個加熱絲和一對探測電極。（1）制作步驟元件種類原理圖標號數量標稱值ICU11NE555二極管D11LED綠二極管D21LED紅電阻R1、R221K電阻R31130電阻R414.2可調電阻RW110K有源蜂鳴器S215V繼電器Q115V氣敏傳感器MQ1MQ-2插座SIP1、SIP22

電源開關S113.電路制作①應用EDA軟件（如Protel

DXP

2004）畫出原理圖；

②用仿真軟件（如Proteus），驗證電路功能；

③元件布局和布線，完成PCB設計；

④將PCB圖紙，送去PCB加工廠制作成電路板；

⑤根據電路原理圖，導出元器件清單（BOM），并依此采購元器件；

⑥元件的安裝與焊接，其中傳感器可以外接。（2）元件檢測根據電路圖檢查相應元器件，并對每個元器件進行檢測，元件清單如表7-3所示。

表7-3有毒氣體報警器元器件清單進行調試時，應先通電，接入DC9V時蜂鳴器發出蜂鳴聲，調節RW使蜂鳴器不發出蜂鳴聲為止。經過一定時間后，555稍微發熱。將打火機內可燃氣體噴到氣敏傳感器上，蜂鳴器發出蜂鳴聲；拿開打火機時，鳴聲繼續，余音還很長；反復幾次操作結果依然如此，說明實驗成功。

在室內進行測試時，將打火機內可燃氣體噴在氣敏傳感器上，蜂鳴器發出蜂鳴聲；調節RW使氣敏傳感器處于最靈敏的狀態，測量出在室內時火機噴氣離傳感器最遠的距離約為9-15cm，在室外時最遠距離約為3-5cm。家用有毒氣體報警器實物電路如圖7-11所示。（3）注意要點圖7-11家用有毒氣體報警器實物電路（1）按照電路圖進行元器件裝配后，不通電檢測氣敏傳感器(MQ)燈絲兩端(即2腳和5腳)之間的電阻，并記錄下來。通電大約1分鐘后，用萬用表檢測氣敏傳感器(MQ)4腳或6腳的電壓，然后用棉球沾酒精靠近氣敏傳感器(MQ)，再次用萬用表檢測氣敏傳感器(MQ)4腳或6腳的電壓，信號轉電路調試完畢。（2）U1(NE555)接入DC5V后，用螺絲刀調節可調電阻RW，兩個發光二極管可分別發光。當室內空氣正常時，逐漸調節RW，使紅色發光二極管D2剛好熄滅，而綠色發光二極管D1發光，停止調節，用萬用表檢測U1(NE555)的2腳和3腳電壓。當沾有酒精的棉球靠近氣敏傳感器MQ時，綠色發光二極管D1應熄滅，而紅色發光二極管D2應發光，迅速用萬用表檢測U1(NE555)的2腳和3的對地電壓。經過一段時間后，紅色發光二極管D2熄滅，又轉為綠色發光二極管D1發光。當沾有酒精的棉球多次靠近氣敏傳感器MQ后還是如此，說明觸發電路實驗成功。（3）當沾有酒精的棉球靠近氣敏傳感器時，不需調試，揚聲器應該發出火警聲，且繼電器Q1有吸合的聲音。如果沒有出現報警聲，需要檢查二極管D3的極性是否安裝正確，是否有虛焊、漏焊現象，直到出現上述現象。4.電路調試任務7.1基于氣敏傳感器的有毒氣體報警器設計

任務7.2基于濕敏傳感器的嬰兒尿濕報警電路設計

任務7.3基于光電式傳感器的煙霧報警器設計

任務7.2基于濕敏傳感器的嬰兒尿濕報警電路設計◎知識目標1.了解半導體濕敏傳感器和濕度的概念。2.熟悉半導體濕敏傳感器的結構、類型和工作原理。3.掌握半導體濕敏傳感器的現代測量方案?！蚰芰δ繕?.能夠正確識別、選用及檢測半導體濕敏傳感器。2.能夠調試半導體濕敏傳感器測量電路?！蛩刭|目標1.提升創新與實踐能力。2.增強溝通能力及團隊協作精神。

任務導入

為解決在嬰幼兒尿床幾分鐘內發出報警聲，提醒媽媽們換尿布，國內A品牌公司研發部李師傅正在利用濕敏傳感器制作嬰兒尿濕報警器。該報警器將半導體式濕敏傳感器、檢測電路、報警自動控制電路集于一體，要求能有利于嬰幼兒健康，也可作為老人尿床和5歲以下幼兒生理性遺尿的一種生物反饋療法。

你知道半導體氣濕敏傳感器的工作原理和特點是什么嗎？怎樣選用合適的濕敏傳感器進行電路設計及調試呢？相關知識

所謂濕度，就是空氣中所含有水蒸氣的量。與溫度相比，對濕度的測量和控制技術要落后許多。

隨著現代科技的飛速發展，在對濕度的測量提出精度高、速度快的要求的同時又要求濕度的測量適用于自動檢測、自動控制的要求，于是半導體濕敏傳感器應運而生。

濕度檢測較之其他物理量的檢測顯得困難，首先空氣中水蒸氣含量要比空氣少得多；另外，液態水會使一些高分子材料和電解質材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質結合成酸或堿，使濕敏材料不同程度地受到腐蝕和老化，從而喪失其原有的性質。再者，濕信息的傳遞必須靠水對濕敏器件直接接觸來完成，因此，濕敏器件只能直接暴露于待測環境中，不能密封。

所以，濕敏器件必須在各種氣體環境下具有穩定要好、響應時間短、壽命長、有互換性、耐污染和受溫度影響小等特點。7.2.1濕度的概念濕度是表征空氣中水蒸氣含量的物理量。空氣的干濕程度叫做“濕度”，常用絕對濕度、相對濕度和露點等物理量來表示。1.絕對濕度(AH)是指大氣中水蒸氣的密度，即

大氣中所含水蒸氣的質量(單位是)。要想直接測量大氣中的水蒸氣含量十分困難，由于水蒸氣含量與水蒸氣分壓強成正比，所以絕對濕度又可以用大氣中所含水蒸氣的分壓強來表示(單位是Pa)。2.相對濕度(RH)是指大氣中實有水汽壓與當時溫度下飽和水汽壓的百分比，是口常生活中常用來表示濕度大小的方法。當相對濕度達100%時，稱飽和狀態。溫度越高，大氣吸收水蒸氣的能力越強，在某個溫度下，氣體中所能包含的水蒸氣的量達到最多時的狀態，就叫做飽和狀態。3.露點降低溫度可以使大氣中未飽和的水蒸氣變成飽和水蒸氣而產生結露現象，此時的溫度值稱為露點。形象地說，就是空氣中的水蒸氣變為露珠時的溫度叫露點，當該溫度低于0℃時，又稱為霜點。7.2.2濕度傳感器現代濕度測量方案主要有兩種:干濕球測濕法、電子式濕度傳感器測濕法。1.干濕球溫度計干濕球溫度計的測量原理如圖7-12所示，它由兩支相同的普通溫度計組成，一支用于測定氣溫，稱干球溫度計;另一支在球部用蒸餾水浸濕的紗布包住，紗布下端浸入蒸餾水中，稱濕球溫度計。如果空氣中水蒸氣量沒飽和，濕球的表面便不斷地蒸發水汽，并吸取汽化熱，因此濕球所表示的溫度都比干球所示要低。空氣越干燥(即濕度越低)，蒸發越快，使濕球所示的溫度降低，而與干球間的差增大。相反，當空氣中的水蒸氣量呈飽和圖7-12干濕球溫度計狀態時，水便不再蒸發，也不吸取汽化熱，濕球和干球所示的溫度即會相等。使用時，應將干濕計放置距地面1.2～1.5m的高處。讀出干、濕兩球所指示的溫度差，由該溫度計所附的對照表就可查出當時空氣的相對濕度。

干濕球測濕法的維護相當簡單，在實際使用中，只需定期給濕球加水及更換濕球紗布即可。與電子式濕度傳感器相比，干濕球測濕法不會產生老化、精度下降等問題。所以干濕球測濕法更適合于在高溫及惡劣環境的場合使用。2.電子式濕度傳感器(1)半導體陶瓷濕敏電阻

半導體陶瓷濕敏電阻是當今濕度傳感器發展的方向，它通常是用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結而成的多孔陶瓷，近年來研究出許多電阻型濕敏多孔陶瓷材料，這類元件中較為成熟且具有代表性的是鉻酸鎂一二氧化欽(MgCr2O4-TiO2)陶瓷濕敏元件、五氧化二釩一二氧化欽(V2O5-TiO2)、陶瓷濕敏元件和氧化鋅一三氧化二鉻(ZnO-Cr2O3)陶瓷濕敏元件等。MgCr2O4-TiO2是用P型半導體MgCr204及N型半導體Ti02粉粒為原料，配比混合，燒結成復合型半導體陶瓷，其結構如圖7-13所示。同其他陶瓷相比MgCr2O4-TiO2與空氣的接觸面積顯著增大，所以水蒸氣極易被吸附于其表層及孔隙中，使其電阻率下降，其電阻與相對濕度關系曲線如圖7-14所示。(a)吸溫單元；(b)材料內部結構圖；(c)卸去外殼后的結構；(d)外形；

圖7-13陶瓷濕度傳感器結構圖7-14陶瓷濕度傳感器特性

由于多孔陶瓷置于空氣中易被灰塵油煙污染，從而堵塞氣孔，使感濕面積下降，所以在使用前需要加熱，陶瓷元件的加熱去污應控制在450℃，就可以將污物揮發或燒掉。陶瓷濕敏電阻吸濕快而脫濕慢，當吸附的水分子不能全部脫出時，會造成重現性誤差及測量誤差，可以用重新加熱脫濕的方法，即每次使用前先加熱1min左右，加熱終了應冷卻至常溫再開始檢測濕度。(2)氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻屬于無機電解質濕度傳感器，其感濕原理為:不揮發性鹽(氯化鋰)溶解于水，結果降低了水的蒸汽壓，同時鹽的濃度降低，電阻率增加。氯化鋰濕敏元件靈敏、準確、可靠，不受測試環境風速的影響，其主要缺點是在高濕的環境中，潮解性鹽的濃度會被稀釋，因此，使用壽命短，當灰塵附著時，潮解性豁的吸濕功能降低，重復性變壞。氯化鋰濕敏電阻結構包括引線、基片、感濕層和金屬電極，如圖7-15所示。1-引線；2-基片；3-感濕層；4-金屬極；圖7-15氯化鋰濕敏電阻結構

氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰溶液中，Li和Cl均以正負離子的形式存在，Li+對水分子的吸引力強，離子水合程度高，其溶液中的離子導電能力與濃度成正比。當溶液置于一定的環境下，若環境濕度較高，則溶液吸收水分，濃度下降，因此溶液電阻率下降;反之，若環境濕度較低，其電阻率增大，從而實現對濕度的測量，氯化鋰濕敏電阻的濕度--電阻特性曲線如圖7-16所示。圖7-16氯化鋰濕敏電阻濕度-電阻特性一、

任務分析任務實施

通過利用半導體式濕敏傳感器、檢測電路、報警自動控制電路集于一體制作嬰兒尿濕報警器。首先要選擇符合要求的傳感器類型，再進行電路的設計與制作，最后進行電路的調試。二、

實施過程1.傳感器選型

所選擇傳感器既要檢測尿布濕度又要對濕度起到一定控制作用。濕敏傳感器正是能感受外界濕度的變化，并通過器件材料的物理或化學性質變化，將環境濕度變換為電信號的裝置。通過利用濕敏傳感器來實現對嬰兒是否尿濕尿布的檢測，實現對嬰兒身體健康的保護。

總電路圖如圖7-17所示。此電路由3個電路單元所組成，包括由濕敏傳感器SM與VT1組成電子開關電路；由555時基集成電路和阻容元件組成延時電路；IC2為軟封裝集成電路。2.電路設計圖7-17嬰兒尿濕報警電路結構(1)檢測電路

由3v直流電源，8550型號的三極管VT1及SM型的電阻式濕敏傳感器組成。平時濕敏傳感器SM處于開路狀態，VT1(PNP型品體管)集電極無電壓輸出，這里VT1相當于一個受濕度控制的電子開關。導線1、2、3分別與延時電路的左邊的導線1、2、3相連。當嬰兒尿布尿濕后，濕敏傳感器被尿液短路，VT1導通，VT1的集電極電位升高，如圖7-18所示。圖7-18檢測電路圖7-19延時電路(2)延時電路

由一個NE555定時集成電路IC1、一個100uF電容、一個100KΩ電阻和若干導線組成。其中導線4、5、6與報警電路中導線4、5、6相連。該延時電路在嬰兒撒尿大約10s后，IC1(NE555)第③腳輸出高電平，才開始報警，其目的是讓嬰兒把尿撒完，如圖7-19所示。如果沒有延時電路，嬰兒一撒尿，報警器立即報警，這樣會嚇到嬰兒，造成閉尿現象，會危害嬰兒健康。(3)NE555定時器

由3個阻值為5kΩ的電阻組成的分壓器、兩個電壓比較器C1和C2、基本RS觸發器、放電三極管TD和緩沖反相器G4組成，內部結構如圖7-20所示。虛線邊沿標注的數字為管腳號。其中1引腳為接地端；2引腳為低電平觸發端。由此輸入低電平觸發脈沖；3引腳為輸出端。輸出高電壓約低于電源電壓1V—3V，輸出電流可達200mA，因此可直接驅動繼電器、發光二極管、指示燈等；4引腳為復位端。輸入負脈沖，或使其電壓低于0.7V，可使NE555定時器直接復位；5引腳為電壓控制端。在此端外加電壓可以改變比較器的參考電壓，不用時經0.01uF的電容接地，以防止引入干擾。6引腳為高電平觸發端。由此輸入高電平觸發脈沖；7引腳為放電端。NE555定時器輸出低電平時，放電晶體管TD導通，外接電容元件通過TD放電；8引腳為電源端?？稍?V—18V范圍內使用。圖7-20NE555定時器內部結構圖(4)報警電路

由數模轉換器IC2、喇叭BL和9014三極管VT2組成，VT2三極管為NPN型，耐壓值較大。IC2有T端與S端，T端從555集成電路3引腳接收電信號，轉換成聲音信號后由S端輸出模擬信號，經三極管VT2放大后，由喇叭輸出，提示監護人及時給嬰兒換尿布。導線4、5、6分別與延時電路的4、5、6導線相連，如圖7-21所示。圖7-21報警電路（1）制作步驟3.電路制作①應用EDA軟件（如Protel

DXP

2004）畫出原理圖；

②用仿真軟件（如Proteus），驗證電路功能；

③元件布局和布線，完成PCB設計；

④將PCB圖紙，送去PCB加工廠制作成電路板；

⑤根據電路原理圖，導出元器件清單（BOM），并依此采購元器件；

⑥元件的安裝與焊接，其中傳感器可以外接。（2）元件檢測根據電路圖檢查相應元器件，并對每個元器件進行檢測，元件清單如表7-4所示。

表7-4嬰兒尿濕報警器元器件清單元件種類原理圖標號數量標稱值IC1/1NE555IC2/1D/A三極管VT118550三極管VT219012濕敏傳感器/2CK、SM電容C1100uF電阻R1100K喇叭BL1音樂門鈴（成品）電源開關S1

電池DC1

3V嬰兒尿濕報警器雖然設置了延時報警功能，但揚聲器發聲時仍然會把嬰兒吵醒。能否按圖7-17與圖7-22所示電路組合成嬰兒尿濕無線報警器，用調頻收音機接收無線報警信號。（3）注意要點圖7-22嬰兒尿濕報警器元件布局圖(1)嬰兒尿濕報警器所用元件比較少，制作簡單，選用通用印制板進行焊接。(2)外殼選用成品音樂門鈴，濕敏傳感器需至少兩個，交替使用。元件的排列及濕敏傳感器的制作如圖7-22所示。(3)三極管VT1的基極與電源負極用導線與直徑為3.5cm的插座相連，將插座固定在音樂門鈴外殼上。使用時將濕敏傳感器的插頭插入孔內即可。4.電路調試任務7.1基于氣敏傳感器的有毒氣體報警器設計

任務7.2基于濕敏傳感器的嬰兒尿濕報警電路設計

任務7.3基于光電式傳感器的煙霧報警器設計

任務7.3基于光電式傳感器的煙霧報警器設計◎知識目標1.了解半導體光電式傳感器光電效應的基本理論。2.熟悉半導體光電式傳感器光電器件的類型和工作原理。3.掌握半導體光電式傳感器的應用?！蚰芰δ繕?.能夠正確識別、選用及檢測半導體光電式傳感器。2.能夠調試半導體光電式傳感器測量電路?！蛩刭|目標1.提高分析問題和解決問題的能力。2.樹立生產安全意識。

任務導入

實驗室張老師正在研究以紅外光電式煙霧傳感器將煙霧顆粒作為被測對象，通過煙霧顆粒對發光元件發出的紅外線的散射作用，在接收元件端產生電量的變化，通過判斷電量的變化確定煙霧報警器的狀態。

你知道紅外光電式煙霧傳感器的特點和工作原理是什么嗎？怎樣進行簡單的紅外光電式電路設計、分析及實驗呢？相關知識1839年A.E.貝可勒爾發現當光線落在浸沒于電介液中的兩個金屬電極上，它們之間就產生電勢，后來稱這種現象為光生伏特效應。

1873年W.史密斯和Ch.梅伊發現硒的光電導效應。1887年H.R.赫茲發現外光電效應。

基于外光電效應的光電管和光電倍增管屬真空電子管或離子管器件，曾在50～60年代廣泛應用，直到目前仍在某些場合繼續使用。

雖然早在1919年T.W.凱斯就已取得硫化鉈光導探測器的專利權，但半導體光敏元件卻是在60年代以后隨著半導體技術的發展而開始迅速發展的。

在此期間各種光電材料都得到了全面的研究和廣泛的應用。它們的結構有單晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它們的成分有元素半導體的和化合物半導體的，也有多元混晶的。其中最重要的兩種是硅和碲鎘汞。通過對光電效應和器件原理的研究已發展了多種光電器件（如光敏電阻、光電二極管、光電三極管、場效應光電管、雪崩光電二極管、電荷耦合器件等），適用于不同的場合。光電式傳感器是一種將被測量通過光量的變化轉換成電量的傳感器，它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件參數的變化將光信號轉換成電信號，它的物理基礎是光電效應。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。在檢測時，被測量使光源發射出的光通量變化，因而使接收光通量的光電元件的輸出電量也作相應的變化，最后用電量來表示被測量的大小。其輸出的電量可以是模擬量，也可以是數字量。光電檢測方法具有精度高、不易受電磁干擾、反應快、非接觸、可靠性高等優點，有多種參數都可測量，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此在檢測和控制領琙內得到廣泛應用。7.3.1光電效應光電器件的理論基礎是光電效應，光子是具有能量的粒子，每個光子的能量可表示為式中：h

—普朗克常數，h=6.626*10-34J.S;

v0

—光的頻率。根據愛因斯坦假設：一個光子的能量只給一個電子。因此，如果一個電子要從物體中逸出，人射光子能量E必須大于物體表面逸出功A0，這時，逸出表面的電子具有的動能，可用光電效應方表示為：式中：m—電子的質量；

v

—電子逸出的初始速度。根據光電效應方程，當光照射在某些物體上時，光能量作用于被測物體而釋放出電子，即物體吸收具有一定能量的光子后所產生的電效應，這就是光電效應。光電效應中所釋放出的電子叫光電子，能產生光電效應的敏感材料稱作光電材料。光電效應一般分為外光電效應和內光電效應兩大類。1．外光電效應

當光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離村料表面而進人外界空間，這種現象稱為外光電效應，也是說，外光電效應是在光線作用下，電子逸出物體表面的現象。根據外光電效應制作的光電器件有光電管和光電倍增管。2.內光電效應

內光電效應是指物體受到光照后所產生的光電子只在物體內部運動，而不會逸出物體的現象。內光電效應多發生于半導體內，可分為因光照引起半導體電阻變化的光電導效應和因光照產生電動勢的光生伏特效應兩種。1)光電導效應

物體在人射光能量的激發下，其內部產生光生載流子（電子空穴對），使物體中載流子數量顯著增加而電阻減小的現象。這種效應在大多數半導體和絕緣體中都存在，但金屬因電子能態不同，不會產生光電導效應。

2)光生伏特效應

光照在半導體中激發出的光電子和空穴在空間分開而產生電位差的現象，是將光能變為電能的一種效應。光照在半導體PN結或金屬-半導體接觸面上時，在PN結或金屬-半導體接觸面的兩側會產生光生電動勢，這是因為PN結或金屬-半導體接觸面因材料不同質或不均勻而存在內建電場，半導體受光照激發產生的電子或空穴會在內建電場的作用下向相反方向移動和積聚，從而產生電位差。

基于光電導效應的光電器件有光敏電阻；基于光生伏特效應的光電器件典型的有光電池，此外，光敏二極管、光三極管也是基于光生伏特效應的光電器件。7.3.2光電器件1.光敏電阻當入射光照到半導體上時，若光電導體為本征半導體材料，而且光輻射能量又足夠強，則電子受光子的激發由價帶越過禁帶躍遷到導帶，在價帶中就留有空穴，在外加電壓下，導帶中的電子和價帶中的空穴同時參與導電，即載流子數增多，電阻率下降，由于光的照射，使半導體的電阻變化，所以稱為光敏電阻。1）光敏電阻的結構和工作原理(a)結構；(b)梳狀電極；(c)測量電路圖7-23光敏電阻圖7-23(a)為單晶光敏電阻的結構圖一般單晶的體積小，受光面積也小，額定電流容量低。為了加大感光面，通常采用微電子工藝在玻璃(或陶瓷)基片上均勻地涂敷一層薄薄速的光電導多晶材料，經燒結后放上掩蔽膜，蒸鍍上兩個金(或銦)電極，再在光敏電阻材料表面覆蓋一層漆保護膜(用于防止周圍介質的影響，但要求該漆膜對光敏層最敏感波長范圍內的光線透射率最大)，感光面大的光敏電阻的表面大多采用圖7-23(b)所示的梳狀電極結構，這樣可得到比較大的光電流。圖7-23(c)所示為光敏電阻的測量電路。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，電路中有電流流過，用檢流計可以檢測到該電流。如果改變照射到光敏電阻上的光度量(即照度)，發現流過光敏電阻的電流發生了變化，即用光照射能改變電路中電流的大小，實際上是光敏電阻的阻值隨照度發生了變化。2)光敏電阻的主要參數

暗電阻、亮電阻和光電流是光敏電阻的主要參效，光敏電阻在未受到光照時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。光電流在受到光照時的電阻稱為是亮電阻，此時的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差，稱為光電流。1)光敏電阻的基本特性

(1)伏安符性

在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關系稱為伏安特性。硫化鎘(CdS)光敏電阻的伏安特性曲線如圖7-24所示，虛線為允許功耗線或額定功耗線(使用時應不使光敏電阻的實際功耗超過額定值)。圖7-24硫化鎘光敏電阻的伏安特性(2)光照特性光敏電阻的光照特性用于描述光電流和光照強度之間的關系，絕大多數光敏電阻光照特性曲線是非線性的，不同光敏電阻的光照特性是不同的，硫化鎘光敏電阻的光照特性知圖7-25所示。光敏電阻一般在自動控制系統中用作開關、光電信號轉換器，而不宜用作線性測量元件。圖7-25硫化鎘光敏電阻的光照特性(3)光譜特性

對于不同波長的光，不同的光敏電阻的靈度是不同的，即不同的光敏電阻對不同波長的入射光有不同的響應特性。光敏電阻的相對靈敏度與入射波長的關系稱為光譜特性。幾種常用光敏電阻材料的光譜特性如圖7-26所示。圖7-26光敏電阻的光譜特性（4)響應時間和頻率特性實驗證明，光敏電阻的光電流不能隨著光照量的改變而立即改變，即光敏電阻產生的光電流有一定的惰性，這個惰性通常用時間常數來描述。時間常數越小，響應越迅速。但大多數光敏電阻的時間常數都較大，這是它的缺點之一。不同材料的光敏電阻有不同的時間常數，因此其頻率特性也各不相同，與入射的輻射信號的強弱行關。圖7-27所示為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性。硫化鉛的使用頻率范圍最大，其它材料的光敏電阻的使用頻率范圍都較窄。目前正在通過改進生產工藝來改善各種材料光敏電阻的頻率特性。圖7-27光敏電阻的頻率特性(5)溫度特性光敏電阻的溫度特性與光電導材料有密切關系，不同材料的光敏電阻有不同的溫度特性。光敏電阻的光譜響應、靈敏度和暗電阻都要受到溫度變化的影響，受溫度影響最大的例子是硫化鉛光敏電阻，其光諧響應的溫度特性曲線如圖

7-28所示，可見，隨著溫度的上升，其光譜響應曲線向左(即短波長的方向)移動。因此，要求硫化鉛光敏電阻在低溫、恒溫的條件下使用。

圖7-28硫化鉛光敏電阻的溫度特性2.光敏管

大多數半導體二極管和三極管都是對光敏感的，當二極管和三極管的PN結受到光照射時，通過PN的電流將增大，因此，常規的二極管和三極管都用金屬罐或其他殼體密封起來，以防光照；而光敏管(包括光敏二極管和光敏三極管)則必須使PN結能接收最大的光照射。光電池與光敏二極管、光敏三極管都是PN結，它們的主要區別在于后者的PN結處于反向偏置，無光照時反向電阻很大、反向電流很小，相當于截止狀態，當有光照時將產光的電子空穴對，在PN結電場作用下電子向N區動，空穴向P區移動，形成光電流。1)光敏管的結構和工作原理光敏二極管是一種PN結型半導體器件?與ー般半導體二極管類似，其PN結裝在管的頂部，以便接收光照，上面有一個透鏡制成的窗口，可使光線集中在敏感面上。其工作原理和基本使用電路如圖7-29所示。(a)結構原理；(b)符號；(c)基本電路圖7-29光敏二極管的結構原理和基本電路(a)(b)(c)在無光照射時，處于反偏的光敏二極管工作在截止狀態，這時只有少數載流子在反向偏壓下越過阻擋層，形成微小的反向電流即暗電流。當光敏二極管受到光照射之后，光子在半導體內被吸收，使P型區的電子數增多，也使N型區的空穴增多，即產生新的白由載流子(即光生電子-空穴對)。這些載流子在結電場的作用下，空穴向P型區移動，電子向N型區移動，從而使通過PN結的反向電流大為增加，這就形成了光電流，處于導通狀態。當入射光的強度發生變化時，光生載流子的多少相應發生變化，通過光敏二極管的電流也隨之變化，這樣就把光信號變成了電信號。達到平衡時，在PN結的兩端將建立起穩定的電壓差，這就是光生電動勢。光敏三極管(習慣上常稱為光敏晶體管)是光敏二極管和三極管放大器一體化的結果，它有NPN型和PNP型兩種基本結構，用N型硅材料為襯底制作的光敏三極管為NPN型，用P型硅材料為襯底制作的光敏三極管為PNP型。這里以NPN型光敏三極管為例，其結構與普通三極管很相似，只是它的基極做得很大，以擴大光的照射面積，且其基極往往不接引線；即相當于在普通三極的基極和集電極之間接有光敏二極管且對電流加以放大。光敏三極管的工作原理分為光電轉換和光電流放大兩個過程。光電轉換過程與一般光敏二極管相同，在光集電極加上相對于發射極為正的電壓而不接基極時，集電極就是反向偏壓，當光照在基極上時，就會在基極附近光激發產生電子－空穴對，在反向偏置的PN結勢壘電場作用下，自由電子向集電區（N區）移動并被集電極所收集，空穴流向基區（P區）被正向偏置的發射結發出的自由電子填充，這樣就形成一個由集電極到發射極的光電流，相當于三極管的基極電流Ib?？昭ㄔ诨鶇^的積累提高了發射結的正向偏置，發射區的多數載流子（電子）穿過很薄的基區向集電區移動，在外電場作用下形成集電極電流Ic

，結果表現為基極電流將被集電結放大β倍，這一過程與普通三極管放大基極電流的作用相似。不同的是，普通三極管是由基極向發射結注入空穴載流子控制發射極的擴散電流，而光敏三極管是由注入到發射結的光生電流控制。PNP型光敏三極管的工作與

NPN型相同，只是它以P型硅為襯底材料構成，它工作時的電壓極性與NPN型相反，集電極的電位為負。

光敏三極管是兼有光敏二極管特性的器件，它在把光信號變為電信號的同時又將信號電流放大，光敏三極管的光電流可達0.4～4mA,而光敏二極管的光電流只有幾十微安，因此光敏三極管有更高的靈敏度。圖7-30給出了光敏三極管的結構和工作原理。(a)結構；(b)符號；(c)基本電路；(d)工作原理圖7-30光敏三極管的結構和工作原理

2)光敏管的基本特性（1）光譜特性光譜特性是指光敏管在照度一定時，輸出的光電流（或光譜相對靈敏度）隨入射光的波長而變化的關系。如圖7-31所示為硅和鍺光敏管（光敏二極管光敏三極管）的光譜特性曲線。對一定材料和工藝制成的光敏管，必須對應一定波長范圍（即光譜）的入射光才會響應，這就是光敏管的光譜響應。從圖中可以看出：硅光敏管適用于0.4～1.1μm波長，最靈敏的響應波長為0.8～0.9μm；而鍺光敏管適用于0.6～1.8μm的波長，其最靈敏的響應波長為1.4～1.5μm。

由于鍺光敏管的暗電流比硅光敏管大，故在可見光作光源時都采用硅管；但是在用紅外光源探測時，則鍺管較為合適。光敏二極管、光敏三極管幾乎全用鍺或硅材料做成。由于硅管比鍺管無論在性能上還是制造工藝上都更為優越，所以目前硅管的發展與應用更為廣泛。

圖7-31光譜特性(2)伏安特性伏安特性是指光敏管在照度一定的條件下，光電流與外加電壓之間的關系。圖7-32所示為光敏二極管、光敏三極管在不同照度下的伏安特性曲線。由圖可見，光敏三極管的光電流比相同管型光敏二極管的光電流大上百倍。（a）硅光敏二極管；(b)硅光敏三極管圖7-32光敏管伏安特性由圖7-32(b)可見，光敏三極管在偏置電壓為零時，無論光照度有多強，集電極的電流都為零，說明光敏三極管必須在一定的偏置電壓作用下才能工作，偏置電壓要保證光敏三極管的發射結處于正向偏置、集電結處于反向偏置；隨著偏置電壓的增高伏安特性曲線趨于平坦。由圖7-32還可看出，與光敏三極管不同的是，一方面，在零偏壓時，光敏二極管仍有光電流輸出，這是因為光敏二極管存在光生伏特效應；另一方面，隨著偏置電壓的增高，光敏三極管的伏安特性曲線向上偏斜，間距增大，這是因為光敏三極管除了具有光電靈敏度外，還具有電流增益β，且β值隨光電流的增加而增大。圖7-32(b)中光敏三極管的特性曲線始端彎曲部分為飽和區，在飽和區光敏三極管的偏置電壓提供給集電結的反偏電壓太低，集電極的電子收集能力低，造成光敏三極管飽和，因此，應使光敏三極管工作在偏置電壓大于5V的線性區域。(3)光照特性

光照特性就是光敏管的輸出電流I0和照度φ之間的關系。硅光敏管的光照特性如圖7-33所示，從圖中可以看出，光照度越大，產生的光電流越強。光敏二極管的光照特性曲線的線性較好；光敏三極管在照度較小時，光電流隨照度增加緩慢，而在照度較大時（光照度為幾千勒克斯）光電流存在飽和現象，這是由于光敏三極管的電流放大倍數在小電流和大電流時都有下降的緣故。（a）硅光敏二極管；(b)硅光敏三極管圖7-33光敏管光照特性（4）頻率特性光敏管的頻率特性是光敏管輸出的光電流（或相對靈敏度）與光強變化頻率的關系。光敏二極管的頻率特性好，其響應時間可以達到8-7～8-8s，因此它適用于測量快速變化的光信號。由于光敏三極管存在發射結電容和基區渡越時間（發射極的載流子通過基區所需要的時間），所以光敏三極管的頻率響應比光敏二極管差，而且和光敏二極管一樣，負載電阻越大，高頻響應越差，因此，在高頻應用時應盡量降低負載電阻的阻值。圖7-34給出了硅光敏三極管的頻率特性曲線。圖7-34硅光敏三極管的頻率特性3.光電池1）結構原理光電池實質上是一個電壓源，是利用光生伏特效應把光能直接轉換成電能的光電器件。由于它廣泛用于把太陽能直接轉變成電能，因此也稱太陽能電池。一般能用于制造光電阻器件的半導體材料均可用于制造光電池，例如，硒光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。

硅光電池結構如圖7-35(a)所示。硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴散的方法摻入一些P型雜質形成PN結。

(a)硅光電池結構；(b)硒光電池結構圖7-35光電池結構示意圖

當入射光照射在PN結上時，若光子能量hv0大于半導體材料的禁帶寬度E，則在PN結內附近激發出電子一空穴對，在PN結內電場的作用下，N型區的光生空穴被拉向P型區，P型區的光生電子被拉向N型區，結果使P型區帶正電，N型區帶負電，這樣PN結就產生了電位差，若將PN結兩端用導線連接起來，電路中就有電流流過，電流方向由P型區流經外電路至N型區（如圖7-36所示）。若將外電路斷開，就可以測出光生電動勢。圖7-36光電池工作原理硒光電池結構如圖7-35(b)所示。硒光電池是在鋁片上涂硒（P型），再用濺射的工藝，在硒層上形成一層半透明的氧化鎘（N型）。在正、反兩面噴上低融合金作為電極。在光線照射下，鎘材料帶負電，硒材料帶正電，形成電動勢或光電流。光電池的符號、基本電路及等效電路如圖7-37所示。(a)符號；(b)基本電路；(c)等效電路圖7-37光電池的符號及等效電路光電池的種類很多，有硅光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等，但最受人們重視的是硅光電池。這是因為它具有性能穩定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉換效率高、能耐高溫輻射、價格便宜、壽命長等特點。2）光電池特性（1）光譜特性①光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。硅光電池的光譜響應波長范圍為0.4～1.2μm，而硒光電池在0.38～0.75μm。相對而言，硅電池的光譜響應范圍更寬。硒光電池在可見光譜范圍內有較高的靈敏度，適宜測可見光。②不同材料的光電池的光譜響應峰值所對應的入射光波長也是不同的。硅光電池在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。因此，使用光電池時對光源應有所選擇。

（2）光照特性

光電池在不同光照度（指單位面積上的光通量，表示被照射平面上某一點的光亮程度。單位：勒克斯，lm/m2或lx）下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關系稱為光照特性。從實驗知道：對于不同的負載電阻，可在不同的照度范圍內，使光電流與光照度保持線性關系。負載電阻越小，光電流與照度間的線性關系越好，線性范圍也越寬。因此，應用光電池時，所用負載電阻大小，應根據光照的具體情況來決定。（3）頻率特性光電池的PN結面積大，極間電容大，因此頻率特性較差。（4）溫度特性半導體材料易受溫度的影響，將直接影響光電流的值。光電池的溫度特性用于描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。溫度特性將影響測量儀器的溫漂和測量或控制的精度等。

4.光電耦合器件光電耦合器件是將發光元件和光敏元件合并使用，以光為媒介實現信號傳遞的光電器件。發光元件通常采用砷化鎵發光二極管，它由一個PN結組成，有單向導電性，隨正向電壓的提高，正向電流增加，產生的光通量也增加。光敏元件可以是光敏二極管或光敏三極管等。為了保證靈敏度，要求發光元件與光敏元件在光譜上要得到最佳匹配。1）光電耦合器光電耦合器件將發光元件和光敏元件集成在一起，封裝在一個外殼內，如圖7-38所示。光電耦合器件的輸入電路和輸出電路在電氣上完全隔離，僅僅通過光的耦合才把二者聯系在一起。工作時，把電信號加到輸入端，使發光器件發光，光敏元件則在此光照下輸出光電流，從而實現電－光－電的兩次轉換。光電耦合器實際上能起到電量隔離的作用，具有抗干擾和單向信號傳輸功能。光電耦合器件廣泛應用于電量隔離、電平轉換、噪聲抑制、無觸點開關等領域。圖7-38光電耦合器2）光電開關光電開關是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關”信號的器件。圖7-39為典型的光電開關結構圖。圖7-39(a)是一種透射式的光電開關，它的發光元件和接收元件的光軸是重合的。當不透明的物體位于或經過它們之間時，會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發光元件的光，這樣就起到了檢測作用。圖7-39(b)是一種反射式的光電開關，它的發光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。

(a)透射式；(b)反射式圖7-39光電開關結構

當有物體經過時，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時則接收不到。光電開關的特點是小型、高速、非接觸，而且與TTL、MOS等電路容易結合。用光電開關檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高-低”(1、0)之分即可。圖7-40是光電開關的基本電路示例。圖7-40(a)、(b)表示負載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時的情況，圖7-40(c)表示用晶體管放大光電流的情況。光電開關廣泛應用于工業控制、自動化包裝線及安全裝置中作為光控制和光探測裝置?？稍谧詣涌刂葡到y中用作物體檢測、產品計數、料位檢測、尺寸控制、安全報警及計算機輸入接口等。

(a)(b)(c)圖7-40光電開關的基本電路5．電荷耦合器件電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices，CCD)以電荷轉移為核心，是一種使用非常廣泛的固體圖像傳感器。1）CCD的結構及工作原理CCD的突出特點是以電荷作為信號。有人將其稱為“排列起來的MOS電容陣列”。一個MOS電容器是一個光敏單元，可以感應一個像素點，如一個圖像有1024×768個像素點，就需要同樣多個光敏單元，即傳遞一幅圖像需要由許多MOS光敏單元大規模集成的器件。因此，CCD的基本功能是信號電荷的產生、存儲、傳輸和輸出。(a)剖面圖；(b)結構；(c)有信號電荷勢阱圖圖7-41P型MOS光敏單元（1）CCD的MOS光敏單元結構CCD是按照一定規律排列的MOS電容器陣列組成的移位寄存器，CCD的單元結構是MOS電容器，如圖7-41(a)所示。

其中“金屬”為MOS結構的電極，稱為“柵極”（此柵極材料通常不是用金屬而是用能夠透過一定波長范圍光的多晶硅薄膜）；“半導體”作為襯底電極；在兩電極之間有一層“氧化物”（SiO2

）絕緣體，構成電容，但它具有一般電容所不具有的耦合電荷的能力。

（2）電荷存儲原理

所有電容器都能存儲電荷，MOS電容器也不例外。例如，如果MOS電容器的半導體是P型硅，當在金屬電極上施加一個VG正電壓時（襯底接地），金屬電極板上就會充上一些正電荷，附近的P型硅中的多數載流子－空穴被排斥到表面入地，如圖7-41(b)在襯底Si-SiO2界面處的表面勢能將發生變化，處于非平衡狀態，表面區有表面勢φs，若襯底電位為0，則表面處電子的靜電位能為-eφs(e代表單個電子的電荷量)。因為φs大于0，電子位能-eφs小于0，則表面處有貯存電荷的能力，半導體內的電子被吸引到界面處來，從而在表面附近形成一個帶負電荷的耗盡區（稱為電子勢阱或表面勢阱），電子在這里勢能較低，沉積于此，成為積累電荷的場所，如圖7-41(c)所示。勢阱的深度與所加電壓大小成正比關系，在一定條件下，若VG增加，柵極上充的正電荷數目增加，在Si02附近的P-Si中形成的負離子數目相應增加，耗盡區的寬度增加，表面勢阱加深。若形成MOS電容的半導體材料是N-Si，則VG加負電壓時，在SiO2附近的N-Si中形成空穴勢阱。如果此時有光照射在硅片上，在光子作用下，半導體硅吸收光子，產生電子－空穴對，其中的光生電子被附近的勢阱吸收，吸收的光生電子數量與勢阱附近的光強度成正比：光強度越大，產生電子-空穴對越多，勢阱中收集的電子數就越多；反之，光越弱，收集的電子數越少。同時，產生的空穴被電場排斥出耗盡區。因此勢阱中電子數目的多少可以反映光的強弱和圖像的明暗程度，即這種MOS電容器可實現光信號向電荷信號的轉變。若給光敏單元陣列同時加上VG，整個圖像的光信號將同時變為電荷包陣列。當有部分電子填充到勢阱中時，耗盡層深度和表面勢將隨著電荷的增加而減小。勢阱中的電子處于被存儲狀態，即使停止光照，一定時間內也不會損失，這就實現了對光照的記憶。(3)電荷轉移原理

由于所有光敏單元共用一個電荷輸出端，因此需要進行電荷轉移。為了方便進行電荷轉移，CCD器件基本結構是一系列彼此非常靠近（間距為15～20μm）的MOS光敏單元，這些光敏單元使用同一半導體襯底；氧化層均勻、連續；相鄰金屬電極間隔極小。

若兩個相鄰MOS光敏單元所加的柵壓分別為VG1、VG2，且VG1<VG2

（如圖7-42所示）。任何可移動的電荷都將力圖向表面勢大的位置移動。因VG2

高，表面圖7-42電荷轉移示意圖形成的負離子多，則表面勢φs2>φs1，電子的靜電位能-eφs2<-eφs1<0，則VG2吸引電子能力強，形成的勢阱深，則1中電子有向2中轉移的趨勢。若串聯很多光敏單元，且使VG1<VG2<…VGn，可形成一個輸運電子的路徑，實現電子的轉移。

由前面分析可知，MOS電容的電荷轉移原理是通過在電極上加不同的電壓（稱為驅動脈沖）實現的。電極的結構按所加電壓的相數分為二相、三相和四相系統。由于二相結構要保證電荷單項移動，必須使電極下形成不對稱勢阱，通過改變氧化層厚度或摻雜濃度來實現，這兩者都使工藝復雜化。為了保證信號電荷按確定的方向和路線轉移，在MOS光敏單元陣列上所加的各路電壓脈沖要求嚴格滿足相位要求。

以圖7-43的三相CCD器件為例說明其工作原理。設φ1、φ2、φ3為三個驅動脈沖，它們的順序脈沖(時鐘脈沖)為φ1→φ2→φ3→φ1，且三個脈沖的形狀完全相同，彼此間有相位差(差1/3周期)，如圖7-43(a)所示。把MOS光敏單元電極分為三組，φ1驅動1、4電極，φ2驅動2、5電極，φ3驅動3、6電極，如圖7-43(b)所示。三相時鐘脈沖控制、轉移存儲電荷的過程如下：t=t1:φ1相處于高電平，φ2、φ3相處于低電平，因此在電極1、4下面出現勢阱，存入電荷。t=t2:φ2相也處于高電平，電極2、5下出現勢阱。因相鄰電極間距離小，電極1、2及4、5下面的勢阱互相連通，形成大勢阱。原來在電極1、4下的電荷向電極2、5下的勢阱中轉移。接著φ1相電壓下降，電極1、4下的勢阱相應變淺。

t=t3:更多的電荷轉移到電極2、5下勢阱內。

t=t4:只有φ2相處于高電平，信號電荷全部轉移到電極2、5下的勢阱內。

依此下去，通過脈沖電壓的變化，在半導體表面形成不同的勢阱，且右邊產生更深勢阱，左邊形成阻擋勢阱，使信號電荷自左向右作定向運動，在時鐘脈沖的控制下從一端移位到另一端，直到輸出。(a)三相時鐘脈沖波形；(b)電荷轉移過程圖7-43三相CCD時鐘電壓與電荷轉移的關系

（4）電荷的注入①光信號注入當光信號照射到CCD襯底硅片表面時，在電極附近的半導體內產生電子－空穴對，空穴被排斥入地，少數載流子（電子）則被收集在勢阱內，形成信號電荷存儲起來。存儲電荷的多少與光照強度成正比。如圖7-44(a)所示。（a）背面光注入；

（b）電注入圖7-44CCD電荷注入方法②電信號注入CCD通過輸入結構（如輸入二極管），將信號電壓或電流轉換為信號電荷，注入勢阱中。如圖7-44(b)所示，二極管位于輸入柵襯底下，當輸入柵IG加上寬度為△t的正脈沖時，輸入二極管PN結的少數載流子通過輸入柵下的溝道注入φ1電極下的勢阱中，注入電荷量為:。（5）電荷的輸出CCD信號電荷在輸出端被讀出的方法如圖7-45所示。OG為輸出柵。它實際上是CCD陣列的末端襯底上制作的一個輸出二極管，當輸出二極管加上反向偏壓時，轉移到終端的電荷在時鐘脈沖作用下移向輸出二極管，被二極管的PN結所收集，在負載RL上形成脈沖電流Io。輸出電流的大小與信號電荷的大小成正比，并通過負載電阻LR轉換為信號電壓Uo輸出。圖7-45CCD輸出結構2)CCD圖像傳感器的分類

CCD圖像傳感器從結構上可分為兩類：一類用于獲取線圖像的，稱為線陣CCD；另一類用于獲取面圖像，稱為面陣CCD。線陣CCD目前主要用于產品外部尺寸非接觸檢測或產品表面質量評定、傳真和光學文字識別技術等方面；面陣CCD主要用于攝像領域。(1)線陣型CCD圖像傳感器對于線陣CCD，它可以直接接收一維光信息，而不能將二維圖像轉換為一維的電信號輸出，為了得到整個二維圖像，就必須采取掃描的方法來實現。線陣CCD圖像傳感器由線陣光敏區、轉移柵、模擬移位寄存器、偏置電荷電路、輸出柵和信號讀出電路等組成。線陣CCD圖像傳感器有兩種基本形式，即單溝道和雙溝道線陣圖像傳感器，其結構如圖7-46所示，由感光區和傳輸區兩部分組成。(a)單溝道；(b)雙溝道圖7-46線陣CCD圖像傳感器（2）面陣型CCD圖像傳感器面陣型CCD圖像器件的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。按傳輸和讀出方式不同，可分為行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。行傳輸(LineTransmission,LT)面陣型CCD的結構如圖7-47(a)所示。它由行選址電路、感光區、輸出寄存器組成。當感光區光積分結束后，由行選址電路一行一行地將信號電荷通過輸出寄存器轉移到輸出端。行傳輸的特點：有效光敏面積大，轉移速度快、轉移效率高。但需要行選址電路，結構較復雜，且在電荷轉移過程中，必須加脈沖電壓，與光積分同時進行，會產生“拖影”，故采用較少。(a)行傳輸；(b)幀傳輸；(c)行間傳輸圖7-47面陣型CCD的結構幀傳輸(FrameTransmission,FT)面陣型CCD的結構如圖7-47(b)所示。由感光區、暫存區和輸出寄存器三部分組成。感光區由并行排列的若干電荷耦合溝道組成，各溝道之間用溝阻隔開，水平電極條橫貫各溝道。假設有M個轉移溝道，每個溝道有N個光敏單元，則整個感光區共有M*N個光敏單元。在感光區完成光積分后，先將信號電荷迅速轉移到暫存區，然后再從暫存區一行一行地將信號電荷通過輸出寄存器轉移到輸出端。設置暫存區是為了消除“拖影”，以提高圖像的清晰度和與電視圖像掃描制式相匹配。

幀傳輸的特點是光敏單元密度高、電極簡單；但增加了暫存區，器件面積相對于行傳輸型增大了一倍。

行間傳輸(InterlineTransmission,ILT)面陣型CCD的結構如圖7-47(c)所示。它的特點是感光區和暫存區行與行相間排列。在感光區結束光積分后，同時將每列信號電荷轉移人相鄰的暫存區中，然后再進行下一幀圖像的光積分，并同時將暫存區中的信號電荷逐行通過輸出寄存器轉移到輸出端。其優點是不存在拖影問題，但這種結構不適宜光從背面照射。行間傳輸特點：光敏單元面積小，密度高，圖像清晰。但單元結構復雜。這是用得最多的一種結構形式。3）CCD圖像傳感器的特性參數用來評價CCD圖像傳感器的主要參數有：分辨率、光電轉移效率、靈敏度、光譜響應、動態范圍、暗電流、及噪聲等。不同的應用場合，對特性參數的要求也各不相同。4）CCD圖像傳感器的應用

CCD圖像傳感器的應用主要在以下幾方面：（1）計量檢測儀器：工業生產產品的尺寸、位置、表面缺陷的非接觸在線檢測、距離測