传感器原理及电路设计第9讲

两组电极所加电场的极性相反时，梁就呈一 阶弯曲状态；变换这两组电极上电场的极性，梁 向相反方向弯曲。这样就可组成自激振荡电路， 使梁在一阶弯曲状态下起振，通过正反馈维持等 幅振荡。
+-+
-+ +-
9.1.2 谐振式传感器的基本原理
④电热法。用半导体扩散工艺，在硅微桥上 表面中部制作激振电阻，在一端制作压敏拾振电 阻。激振电阻中通以交变的激励电流，产生横向振 动。拾振电阻受到交变的应力作用，阻值周期性变 化，通过正反馈电路使硅微桥按谐振频率振动。
谐振式传感器通过测量谐振频率来确定被测量 的大小，而谐振频率与被测量之间通常是非线性关 系。因此，分析其特性时不仅要分析其输出输入关 系、灵敏度等，还要分析其非线性误差。谐振式传 感器的设计则主要是振子的设计，因为它是实现将 被测量的变化转换为输出频率变化的关键元件。
9.2 谐振式传感器的特性与设计要点
传感器原理与应用
第9章 谐振式传感器
第9章 谐振式传感器
谐振式传感器是直接将被测量的变化转换 为物体谐振频率变化的装置，也称频率式传感器。
优点：①精度高、分辨力高；②稳定性高、 可靠性高、抗干扰能力强；③适于长距离传输且 功耗低；④能直接与数字设备相连接；⑤无活动 部件，机械结构牢固等。
第9章 谐振式传感器
9.2.1 谐振式传感器的特性 9.2.2 谐振式传感器的设计要点
9.2.1 谐振式传感器的特性
1.振弦式谐振传感器特性 对图示振弦式传感器，其谐振频率如式(9.13)
所示。为了方便，写成
f0

1 2l
T
r
(9.14)
弦的张力增加DT后
f1 2l
T + DT

R/108Ω 10
⑤④ ③ ②
B
①
10 ① PVAC ② 0.25% LiCl ③ 0.5% LiCl ④ 1.0 % LiCl ⑤ 2.2%LiCl 1 0.1
R/108Ω
A 氯化锂湿度传感器的结构 A 涂有聚苯乙烯薄膜的圆筒 B 钯丝
1 0.1 0.01 0 30 60 90 相对湿度/%
把不同感湿范围的单片湿度 0.01 传感器组合起来,可制成相对 0 30 60 90 湿度工作量程为20％～90％ 相对湿度/% RH的湿度传感器
108 107 106 105 R/Ω
104
103
20
40
60
80 100 相对湿度/%
（2）电阻—温度特性
是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻— 湿度特性。从图可见，从20℃到80℃各条曲线的变化规 律基本一致，具有负温度系数，其感湿负温度系数为– 0.38％RH／℃。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度 传感器进行温度补偿。
20
0
10
20
30
t /s
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性
（4）稳定性
制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷类湿度传感器，需要实
验：高温负荷实验 ( 大气中，温度 150℃，交流电压
第9章 湿度传感器
• • • • • • • 分类、湿度表示法 主要参数 电解质湿度传感器 陶瓷湿度传感器 高分子湿度传感器 湿度传感器的测量电路 应用案例
二、湿度传感器的主要参数 1、湿度量程
指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度 范围用相对湿度 (0 ～100)％ RH表示，它是湿度传感器 工作性能的一项重要指标。
1、应用场合： 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、食品加工等行业都有广泛的应用。

ZnO-Cr2O3 传 感 器 能连续稳定地测 量湿度, 而无需 加热除污装置, 因此功耗低于0.5 Ｗ, 体积小, 成 本低, 是一种常 用测湿传感器。
传感器原理及工程应用
第9章 半导体传感器
9.3色 敏 传 感 器
半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。它是基 于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。 半导体色敏器件可用来直接测量从可见光到近红外波段内 单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。
9.2.1
氯化锂湿敏电阻
氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性 盐类潮解, 离子导电率发生变 化而制成的测湿元件。该元件 的结构如图所示, 由引线、 基 片、 感湿层与电极组成。
传感器原理及工程应用
第9章 半导体传感器
氯化锂溶液中,Li和Cl以正负离子的形式存在,而Li+对水 分子的吸引力强,水合程度高,离子导电能力与浓度成正比 溶液置于温湿场中,相对湿度高,溶液将吸收水分，使浓度 降低,电阻率增高。反之电阻率下降,实现对湿度的测量。 氯化锂湿敏元件的湿度—— 电阻特性曲线如图所示。 在50%~80%相对湿度范围内, 电阻与湿度的变化呈线性关系 为扩大湿度测量的线性范围,可将多个 氯化锂含量不同的器件组合使用,自动 地转换完成整个湿度范围的湿度测量
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第9章 半导体传感器
9.4.2 直读式湿度计
图为直读式湿度计电路,其中RH为氯化锂湿度传感器。 由 VT1,VT2,T1 等 组 成 测 湿 电 桥 的 电 源 , 其 振 荡 频 率 为 250~1000Hz。湿度刻划在微安表盘上,成为直读式湿度计
三种气敏器件都附有加热 器, 使用时, 加热器能使 测控部分上的油雾、尘埃 等烧掉, 同时加速气体氧 化还原反应, 从而提高器 件的灵敏度和响应速度。

1、氯化锂湿敏传感器
利用湿敏元件在吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的 H+离子的传导状态发生变化，从而使元件的电阻值发生变 化的传感器。
结构：
在条状绝缘基片（如无碱玻璃）的两面，用真空蒸镀 法或化学沉积法做上电极，再浸渍一定比例配制的氯化锂 －聚乙烯醇混合溶液，经老化处理而制成。
工作原理： 在氯化锂溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而
当表面吸附某种气体时会引起电导率的变化. 1、结构与分类 由气敏元件、加热器、封装部分组成； 按制造工艺可分为烧结型、薄膜型、厚膜型。 按加热方式分为内热式和旁热式。
双层 金属网 罩 气敏 元件 电极 引线
外套 封装 基痤 端子
图9.1 某气敏传感器的整体结构
（1） 烧结型
将元件的电极和加热器 均埋在金属氧化物气敏材 料中, 经加热成型后低温 烧结而成。
制造工艺简单、成本低、功 耗小、可以在高电压回路下使 用；
热容量小，易受环境气流的 影响，测量回路与加热回路之 间没有隔离，相互影响。
内热式气敏器件结构
（5）旁热式 管芯增加了陶瓷管，管内 放加热丝，管外涂梳状金电极 做测量极，在金电极外涂SnO2 等气敏材料； 测量极与加热丝分离，加热 丝不与气敏材料接触，避免了 测量回路与加热回路之间的相 互影响，热容量大，不易受环 境气流的影响。
表面控制型
氧化银 铂/硫化镉、 铂/氧化钛
室温
室温-200℃
晶体管特性
铂栅MOS场效 应晶体管
150℃
电阻式半导体气敏传感器：
其电阻随着气体含量不同而变化; 主要是指半导体金属氧化物陶瓷气敏传感器， 是一种用金属氧化物薄膜（例如SnO2、ZnO、Fe2O3、 TiO2等）制成的阻抗器件。