半導體式傳感器課件

第9章半導體式傳感器

9.1半導體氣敏傳感器9.2半導體濕敏傳感器9.3半導體磁敏傳感器第9章半導體式傳感器9.1半導體氣敏傳1

以半導體敏感元件為核心的半導體傳感器，具有靈敏度高、響應速度快、結構簡單、體積小、重量輕、成本低、便于集成化和智能化的優(yōu)點，但是由于特性的分散性、溫度不穩(wěn)定性和易受干擾的缺點，在某些情況下又限制了半導體傳感器的應用。 本章將介紹半導體氣敏傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器和離子敏傳感器。 以半導體敏感元件為核心的半導體傳感器，具有靈敏29.1半導體氣敏傳感器 氣敏傳感器是一種將檢測到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警，還可以通過接口電路與計算機或單片機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。9.1半導體氣敏傳感器 氣敏傳感器是一3

(1)能夠檢測易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準設定濃度，并能及時給出報警、顯示和控制信號。(2)對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感。(3)性能長期穩(wěn)定性好、重復性好、動態(tài)特性好、響應迅速。(4)使用、維護方便，價格便宜等。氣敏傳感器的性能必須滿足下列條件：(1)能夠檢測易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃4

9.1.1半導體氣敏傳感器的分類按材料半導體陶瓷材料單晶半導體按物理特性電阻型

利用敏感元件吸附氣體后電阻值隨著被測氣體的濃度改變來檢測氣體的濃度或成分。9.1.1半導體氣敏傳感器的分類按材料5

按半導體與氣體相互作用表面電阻控制型體電阻控制型

非電阻型

利用二極管伏安特性和場效應管的閾值電壓變化來檢測被測氣體。按半導體與氣體相互作用非電阻型69.1.2電阻型半導體氣敏傳感器

1.材料和結構

許多金屬氧化物具有氣敏效應，這些金屬氧化物都是利用陶瓷工藝制成的具有半導體特性的材料，因此稱之為半導體陶瓷，簡稱半導瓷。由于半導瓷與半導體單晶相比具有工藝簡單、價格低廉等優(yōu)點，因此已經(jīng)用它制作了多種具有實用價值的敏感元件。在諸多的半導體氣敏元件中，用氧化錫(SnO2)制成的元件具有結構簡單、成本低、可靠性高，穩(wěn)定性好、信號處理容易等一系列優(yōu)點，應用最為廣泛。

9.1.2電阻型半導體氣敏傳感器1.材料和結構7

按其結構可分為燒結型、薄膜型和厚膜型，如圖所示：

半導體氣敏傳感器一般由三部分組成：敏感元件、加熱器和外殼。按其結構可分為燒結型、薄膜型和厚膜型，如圖所示：8

圖(a)所示為燒結型氣敏元件，它以多孔質(zhì)陶瓷如SnO2為基材，添加不同物質(zhì)采用低溫(700℃～900℃)制陶方法進行燒結，燒結時埋入鉑電極和加熱絲，最后將電極和加熱絲引線焊在管座上制成元件。 圖(b)所示為薄膜型氣敏元件，是用蒸發(fā)或濺射方法，在石英或陶瓷基片上形成金屬氧化物薄膜(厚度在100nm以下)，用這種方法制成的敏感膜顆粒很小，因此具有很高的靈敏度和響應速度。 圖(a)所示為燒結型氣敏元件，它以多孔質(zhì)陶瓷如SnO9

圖(c)所示為厚膜型氣敏元件，將氣敏材料(SnO2、ZnO)與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有鉑電極的氧化鋁的基片上，在400℃～800℃的溫度下燒結1個～2個小時便制成厚膜型氣敏元件。 這些氣敏元件全部附有加熱器，它的作用是使附著在探測部分處的油霧、塵埃等燒掉，同時加速氣體氧化還原反應，從而提高元件的靈敏度和響應速度，一般加熱到200℃～400℃。 圖(c)所示為厚膜型氣敏元件，將氣敏材料(S102.工作原理

電阻型半導體氣敏傳感器氣敏元件的敏感部分是金屬氧化物微結晶粒子燒結體，當它的表面吸附有被測氣體時，半導體微結晶粒子接觸介面的導電電子比例就會發(fā)生變化，從而使氣敏元件的電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。2.工作原理

電阻型半導體氣敏傳感器氣敏元件11以半導瓷材料SnO2為例N型半導體氣敏傳感器吸附被測氣體時的電阻變化曲線以半導瓷材料SnO2為例N型半導體氣敏傳感器吸附被測氣體時的12

當半導體氣敏傳感器在潔凈的空氣中開始通電加熱時，其阻值急劇下降，阻值發(fā)生變化的時間(稱響應時間)不到1min，然后上升，經(jīng)2min～10min后達到穩(wěn)定，這段時間為初始穩(wěn)定時間，元件只有在達到初始穩(wěn)定狀態(tài)后才可用于氣體檢測。 當電阻值處于穩(wěn)定值后，會隨被測氣體的吸附情況而發(fā)生變化，其電阻的變化規(guī)律視氣體的性質(zhì)而定：被測氣體是氧化性氣體(如O2和NOx)，被吸附氣體分子從氣敏元件得到電子，使N型半導體中載流子電子減少，因而電阻值增大。被測氣體為還原性氣體(如H2、CO、酒精等)，氣體分子向氣敏元件釋放電子，使元件中載流子電子增多，因而電阻值下降?？梢姡?當半導體氣敏傳感器在潔凈的空氣中開始通電加熱時，其阻13典型氣敏元件的阻值－濃度關系典型氣敏元件的阻值－濃度關系14

9.1.3氣敏傳感器的應用

1.可燃氣體泄漏報警器

9.1.3氣敏傳感器的應用1.可燃氣體泄漏報警器15

2.防止酒后開車控制器2.防止酒后開車控制器16

3.油煙檢測

3.油煙檢測179.2半導體濕敏傳感器

濕敏傳感器是由濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路等組成，能感受外界濕度(通常將空氣或其他氣體中的水分含量稱為濕度)變化，并通過器件材料的物理或化學性質(zhì)變化，將環(huán)境濕度變換為電信號的裝置。9.2半導體濕敏傳感器 濕敏傳感器是由濕敏元件和189.2.1概述

1.濕度表示法 所謂濕度，就是空氣中所含有水蒸氣的量，表明大氣的干、濕程度，常用絕對濕度和相對濕度表示。

1)絕對濕度(AbsoluteHumidity) 絕對濕度是在一定的溫度及壓力下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，一般用符號AH表示，其定義為

9.2.1概述1.濕度表示法19

2)相對濕度(RelativeHumidity)

相對濕度是指被測氣體中的水蒸氣氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比。相對濕度給出大氣的潮濕程度，因此，它是一個無量綱的值，一般用符號%RH表示，其表達式為

2)相對濕度(RelativeHumidity20

①按元件輸出的電學量分類可分為：電阻式、電容式、頻率式等。②按其探測功能可分為：相對濕度、絕對濕度、結露和多功能式四種。③按材料則可分為：陶瓷式、有機高分子式、半導體式、電解質(zhì)式等。2.濕敏傳感器的分類①按元件輸出的電學量分類可分為：電阻式、電容式21

水親和力型濕敏傳感器非水親和力型濕敏傳感器

水分子易于吸附在物體表面并滲透到固體內(nèi)部的這種特性稱為水分子親和力，水分子附著或浸入濕敏功能材料后，不僅是物理吸附，而且還有化學吸附，其結果使功能材料的電性能產(chǎn)生變化，如LiCl、ZnO材料的阻抗發(fā)生變化。因此，這些材料就可以制成濕敏元件， 水分子易于吸附在物體表面并滲透到固體內(nèi)部的22

表9-2濕敏傳感器分類表9-2濕敏傳感器分類239.2.2濕敏電阻的類型及原理

1.氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻是典型的電解質(zhì)濕敏元件，利用吸濕性鹽類潮解，離子電導率發(fā)生變化而制成的測濕元件。典型的氯化鋰濕敏傳感器有登莫式和浸漬式兩種：

9.2.2濕敏電阻的類型及原理1.氯化鋰濕敏電阻24

登莫式傳感器結構如圖所示，A為涂有聚苯乙烯薄膜的圓管，B為用聚苯乙烯醋酸覆蓋在A上的鈀絲。登莫式傳感器是用兩根鈀絲作為電極，按相等間距平行繞在聚苯乙烯圓管上，再浸涂一層含有聚苯乙烯醋酸脂(PVAC)和氯化鋰(LiCl)水溶液的混合液，當被涂溶液的溶劑揮發(fā)干后，即凝聚成一層可隨環(huán)境濕度變化的感濕均勻薄膜。登莫式傳感器結構如圖所示，A為涂有聚苯乙烯薄膜25

浸漬式傳感器結構如圖所示，由引線、基片、感濕層與金屬電極組成。它是在基片材料上直接浸漬氯化鋰溶液構成的，這類傳感器的浸漬基片材料為天然樹皮。浸漬式傳感器結構與登莫式傳感器不同，部分地避免了高溫下所產(chǎn)生的濕敏膜的誤差。由于它采用了面積大的基片材料，并直接在基片材料上浸漬氯化鋰溶液，因此具有小型化的特點，適用于微小空間的濕度檢測。浸漬式傳感器結構如圖所示，由引線、基片、感濕層26

氯化鋰濃度不同的濕敏傳感器，適用于不同的相對濕度范圍。濃度低的氯化鋰濕敏傳感器對高濕度敏感，濃度高的氯化鋰濕敏傳感器對低濕度敏感。一般單片濕敏傳感器的敏感范圍，僅在30%RH左右，為了擴大濕度測量的線性范圍，可以將多個氯化鋰含量不同的濕敏傳感器組合使用，如將測量范圍分別為(10%～20%)RH、(20%～40%)RH、(40%～70%)RH、(70%～90%)RH、(80%～99%)RH五種元件配合使用，可以實現(xiàn)整個濕度范圍的濕度測量。 氯化鋰濃度不同的濕敏傳感器，適用于不同的相對濕度范圍27優(yōu)點：滯后小，不受測試環(huán)境風速的影響，檢測精度一般可達到±5%。缺點：單片氯化鋰濕敏傳感器測濕范圍窄，而多片組合體積大，成本高，不抗污染，怕結露，耐熱性差，難于在高濕和低濕的環(huán)境中使用，工作溫度不高、壽命短、響應時間較慢，電源必須用交流，以避免出現(xiàn)極化。優(yōu)點：滯后小，不受測試環(huán)境風速的影響，檢測精度一般可達28

半導體陶瓷濕敏電阻是一種電阻型的傳感器，根據(jù)微粒堆集體或多孔狀陶瓷體的感濕材料吸附水分可使電導率改變這一原理檢測濕度。由于具有使用壽命長，可在惡劣條件下工作，響應時間短，測量精度高，測溫范圍寬(常溫濕敏傳感器的工作溫度在150℃以下，高溫濕敏傳感器的工作溫度可達800℃)，工藝簡單，成本低廉等優(yōu)點，所以是目前應用較為廣泛的濕敏傳感器。

2.半導體陶瓷濕敏電阻半導體陶瓷濕敏電阻是一種電阻型的傳感器，根據(jù)微粒堆29

制造半導體陶瓷濕敏電阻的材料，主要是不同類型的金屬氧化物。有些半導體陶瓷材料的電阻率隨濕度增加而下降，稱為負特性濕敏半導體陶瓷，還有一類半導體陶瓷材料的電阻率隨濕度增大而增大，稱為正特性濕敏半導體陶瓷。 半導體陶瓷濕敏電阻按其結構可以分為燒結型和涂覆膜型兩大類。制造半導體陶瓷濕敏電阻的材料，主要是不同類型301)燒結型濕敏電阻燒結型濕敏電阻的結構如圖所示。其感濕體為MgCr2O4—TiO2系多孔陶瓷，利用它制得的濕敏元件，具有使用范圍寬、濕度溫度系數(shù)小、響應時間短，對其進行多次加熱清洗之后性能仍較穩(wěn)定等優(yōu)點。1)燒結型濕敏電阻燒結型濕敏電阻的結構如圖所示。其感濕體為31

由金屬氧化物通過堆積、黏結或直接在氧化金屬基片上形成感濕膜，稱為涂覆膜型濕敏器件。其中比較典型且性能較好的是Fe3O4濕敏器件。 Fe3O4濕敏器件由基片、電極和感濕膜組成，采用滑石瓷作為基片材料，該材料吸水率低，機械強度高，化學物理性能穩(wěn)定。在基片上用絲網(wǎng)印刷工藝印制成梳狀金電極，將純凈的膠粒用水調(diào)制成適當黏度的漿料，然后涂在梳狀金電極的表面，涂覆的厚度要適當，一般在20～30um左右，然后進行熱處理和老化，引出電極后即可使用。2)涂覆膜型Fe3O4濕敏器件 由金屬氧化物通過堆積、黏結或直接在氧化金屬基片上形32

由于Fe3O4感濕膜是松散的微粒集合體，缺少足夠的機械強度，微粒之間依靠分子力和磁力的作用，粒子間的空隙使薄膜具有多孔性，微粒之間的接觸呈凹狀，微粒間的接觸電阻很大，所以Fe3O4感濕膜的整體電阻很高。當空氣的相對濕度增大時，F(xiàn)e3O4感濕膜吸濕，由于水分的附著擴大了顆粒間的接觸面，降低了粒間的電阻和增加更多的導流通路，所以元件阻值減??；當處于干燥環(huán)境中，F(xiàn)e3O4感濕膜脫濕，粒間接觸面減小，元件阻值增大。因而這種器件具有負感濕特性，電阻值隨著相對濕度的增加而下降，反應靈敏。這里需要指出的是，燒結型的Fe3O4濕敏器件，其電阻值隨濕度增加而增大，具有正特性。 由于Fe3O4感濕膜是松散的微粒集合體，缺少足夠的33Fe3O4濕敏器件是一種體效應器件，當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，水分子要在數(shù)十微米厚的感濕膜體內(nèi)充分擴散，才能與環(huán)境濕度達到新的平衡。這一擴散和平衡過程需時較長，使器件響應緩慢，并且由于吸濕和脫濕過程中響應速度有差別，器件具有較明顯的濕滯效應，高濕時的滯后效應比低濕時大。Fe3O4濕敏器件可以利用單片器件進行寬量程測量，重復性、一致性較好，在高溫環(huán)境中也較穩(wěn)定，有較強的抗結露能力，而且工藝簡單，價格便宜，在受少量醇、酮、酯等氣體污染及塵埃較多的環(huán)境中也能使用。Fe3O4濕敏器件是一種體效應器件，當環(huán)境濕度發(fā)生變34

9.2.3濕敏傳感器的應用1.自動氣象站濕度測報

濕度傳感器廣泛用于自動氣象站的遙測裝置上，采用耗電量很小的濕度傳感器可以由蓄電瓶供電長期自動工作，幾乎不需要維護。用于無線電遙測自動氣象站的濕度測報原理方框圖如圖所示。9.2.3濕敏傳感器的應用1.自動氣象站濕度測報35

氯化鋰濕度傳感器將被測濕度轉(zhuǎn)換為電阻值，R—f轉(zhuǎn)換電路將此電阻值R轉(zhuǎn)換為相應的頻率f，再經(jīng)自校準器控制使頻率f與相對濕度一一對應，最后經(jīng)門電路記錄在自動記錄儀上。如果需要遠距離數(shù)據(jù)傳輸，則還需要將得到的數(shù)字量編碼，調(diào)制到無線電載波上發(fā)射出去。 氯化鋰濕度傳感器將被測濕度轉(zhuǎn)換為電阻值，R—f轉(zhuǎn)換電36

2.濕度控制電路濕度控制電路2.濕度控制電路濕度控制電路37

3.汽車后窗玻璃自動去濕裝置汽車后窗玻璃自動去濕裝置3.汽車后窗玻璃自動去濕裝置汽車后窗玻璃自動去濕裝置389.3半導體磁敏傳感器

磁敏傳感器是把磁學物理量轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，它廣泛地應用于自動控制、信息傳遞、電磁測量、生物醫(yī)學等各個領域。磁敏式傳感器按其結構可分為體型和結型兩大類，前者有霍爾傳感器(其材料主要有InSb，InAs，Ge，Si，GaAs等)和磁敏電阻(InSb，InAs)，后者有磁敏二極管(Ge，Si)、磁敏晶體管(Si等)，它們都是利用半導體材料中的自由電子或空穴隨磁場改變其運動方向這一特性而制成的一種磁敏傳感器。9.3半導體磁敏傳感器 磁敏傳感器是把磁學物理399.3.1磁敏電阻器

當長方形半導體片受到與電流方向垂直的磁場作用時，不但產(chǎn)生霍爾效應，而且還會出現(xiàn)電流密度下降、電阻率增大的現(xiàn)象。若適當?shù)剡x幾何尺寸，還會出現(xiàn)電阻值增大的現(xiàn)象。前一種現(xiàn)象稱為物理磁阻效應，后一種現(xiàn)象稱為幾何磁阻效應。半導體磁阻器件就是綜合利用這樣兩種效應而制成的磁敏器件。

9.3.1磁敏電阻器 當長方形半導體片受到與電流方40

磁阻效應是指將一載流導體置于外磁場中，其電阻率會發(fā)生變化(增大)，它是伴隨霍爾效應同時發(fā)生的一種物理效應。

當溫度恒定時，在弱磁場范圍內(nèi)，磁阻與磁感應強度B的平方成正比。如果器件只有在電子參與導電的簡單情況下，理論推導出來的磁阻效應方程為1.磁阻效應1.磁阻效應41

當電阻率變化為時，則電阻率的相對變化率為半導體中僅存在一種載流子時，磁阻效應很弱。若同時存在兩種載流子，則磁阻效應很強，此時≈

半導體中僅存在一種載流子時，磁阻效應很弱。≈42

磁敏電阻元件是僅有一對電流電極的兩端子結構。

2.磁敏電阻的結構常見磁敏電阻結構 磁敏電阻元件是僅有一對電流電極的兩端子結構。2.43

磁阻效應除了與材料有關外，還與磁敏電阻的形狀有關。若考慮到形狀的影響，電阻率的相對變化與磁感應強度和遷移率的關系可表示為

≈

式中L、b分別為電阻的長和寬；表示形狀效應系數(shù)。 磁阻效應除了與材料有關外，還與磁敏電阻44

(a)柯比諾效應

(b)幾何形狀與磁阻變化特性

(a)柯比諾效應(b)幾何形狀與磁阻變化特性45

在恒定磁感應強度下，其長寬比越小，則越大。各種形狀的磁敏電阻，其磁阻與半導體材料幾何形狀的關系如圖(b)所示。由圖可見，圓盤形結構的磁阻效應遠遠大于矩形結構，所以半導體磁敏電阻大多制成圓盤結構。 在恒定磁感應強度下，其長寬比越小，則越大。各種形46

由于磁阻元件具有阻抗低、阻值隨磁場變化率大、非接觸式測量、頻率響應好、動態(tài)范圍廣及噪聲小等特點，可廣泛應用于許多場合，如：無觸點開關、壓力開關、旋轉(zhuǎn)編碼器、角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等。

3.磁敏電阻的應用 由于磁阻元件具有阻抗低、阻值隨磁場變化率大、非接473.磁敏電阻的應用1)InSb磁敏電阻無觸點開關3.磁敏電阻的應用1)InSb磁敏電阻無觸點開關482)InSb磁敏無接觸角度傳感器InSb磁敏無接觸角度傳感器的外形結構圖2)InSb磁敏無接觸角度傳感器InSb磁敏無接觸角度傳感49InSb磁敏無接觸角度傳感器工作原理圖InSb磁敏無接觸角度傳感器工作原理圖50

InSb磁敏無接觸角度傳感器輸出特性曲線InSb磁敏無接觸角度傳感器輸出特性曲線519.3.2霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應，但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。 由于霍爾傳感器具有體積小、成本低、靈敏度高、性能可靠、頻率響應寬、動態(tài)范圍大的特點，并可采用集成電路工藝，因此被廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。9.3.2霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應的一52

1.霍爾效應 金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。該電動勢稱霍爾電勢，半導體薄片稱霍爾元件。1.霍爾效應53

霍爾效應原理圖霍爾效應原理圖54

2.霍爾元件結構及測量電路

1)霍爾元件結構 霍爾元件的結構很簡單，如圖中所示，霍爾元件是由具有霍爾效應的半導體薄片、電極引線及殼體組成。

2.霍爾元件結構及測量電路1)霍爾元件結構55

霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片，在兩個相互垂直方向側面上，分別引出一對電極，共四個電極。其中a、b電極用于控制電流，稱控制電極，c、d電極用于引出霍爾電勢，稱為霍爾電勢輸出極。在霍爾基片外面用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝作為外殼。 霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片，在兩個相互垂直方向側56

霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢UH的影響很大。通?；魻栯姌O位于極片長度的中間，其寬度遠小于基片的長度。在電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如下圖：霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢UH571．鍺(Ge)輸出小，但溫度性能和線性度較好；2．硅(Si)線性度最好，但帶負載能力較差，通常不作單個霍爾元件；3．砷化銦(InAs)輸出較大，受溫度影響小，線性度較好，應用較多；4．銻化銦(InSb)輸出大，但受溫度影響大（尤其是低溫）

霍爾元件材料：1．鍺(Ge)霍爾元件材料：58

2)測量電路

圖中控制電流I由電源UE供給，可以是直流電源或交流電源，調(diào)節(jié)電阻RW是用來調(diào)節(jié)控制電流I的大小；RL是霍爾輸出電壓UH的負載電阻，通常是放大電路的輸入電阻或表頭內(nèi)阻?；魻栯妷篣H一般為毫伏數(shù)量級，因而實際應用時要后接差動放大器。2)測量電路 圖中控制電流I由電源UE供給，可以是直59

3.誤差及其補償

在實際使用中，存在著各種影響霍爾元件精度的因素，即在霍爾電動勢中疊加著各種誤差電勢，這些誤差電勢產(chǎn)生的主要原因有兩類：一類是由于制造工藝的缺陷；另一類是由于半導體本身固有的特性。不等位電勢和溫度是影響霍爾元件主要誤差的兩個因素。3.誤差及其補償 在實際使用中，存在著各種影響霍爾元件60

當霍爾元件的控制電流為IN時，若元件所處位置磁感應強度為零，則它的霍爾電勢應該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢。

1)不等位電勢及其補償1)不等位電勢及其補償61霍爾元件不等位電勢原理圖霍爾元件不等位電勢原理圖62

不等位電勢補償電路,圖(a)是在電阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻，圖(b)是在兩相鄰橋臂上并聯(lián)電阻，以增加電極等效電橋的對稱性。 不等位電勢補償電路,圖(a)是在電阻值較大的橋臂上并聯(lián)63

霍爾元件是采用半導體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當溫度變化時，霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生化，從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。

2)溫度誤差及其補償2)溫度誤差及其補償64

為了減小溫度誤差，除了選擇溫度系數(shù)小的霍爾元件(如InAs)或采取恒溫措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個有效措施，減小元件內(nèi)阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化，但是還不能完全解決霍爾電動勢的穩(wěn)定問題。 為了減小溫度誤差，除了選擇溫度系數(shù)小的霍爾元件(如I65溫度補償電路電流I為恒定電流，不受溫度影響；電阻rH為霍爾元件等效輸入電阻；在霍爾元件的控制電極并聯(lián)一個合適的補償電阻rT，rT具有與rH相同的正溫度系數(shù)，起分流作用。當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，rT會自動加強分流，減小了霍爾元件的控制電流IH，從而達到補償?shù)哪康?。補償原理：溫度補償電路電流I為恒定電流，不受溫度影響；電阻66橋路補償法的溫度補償電路橋路補償法的溫度補償電路67

4.霍爾式傳感器的應用

I保持恒定，UH∝B可測量位移、角度、轉(zhuǎn)速及加速度等。B保持恒定，UH∝IUH∝B、I（乘法器）可測量P(=U×I)等。4.霍爾式傳感器的應用I保持恒定，UH∝B68

1)位移傳感器1)位移傳感器69

2)霍爾式汽車點火器

霍爾汽車點火器結構示意圖2)霍爾式汽車點火器 霍爾汽車點火器結構示意圖70

3)轉(zhuǎn)速計3)轉(zhuǎn)速計71霍爾式壓力傳感器結鉤原理圖及磁鋼外形

4)壓力傳感器霍爾式壓力傳感器結鉤原理圖及磁鋼外形4)壓力傳感器72第9章半導體式傳感器

9.1半導體氣敏傳感器9.2半導體濕敏傳感器9.3半導體磁敏傳感器第9章半導體式傳感器9.1半導體氣敏傳73

以半導體敏感元件為核心的半導體傳感器，具有靈敏度高、響應速度快、結構簡單、體積小、重量輕、成本低、便于集成化和智能化的優(yōu)點，但是由于特性的分散性、溫度不穩(wěn)定性和易受干擾的缺點，在某些情況下又限制了半導體傳感器的應用。 本章將介紹半導體氣敏傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器和離子敏傳感器。 以半導體敏感元件為核心的半導體傳感器，具有靈敏749.1半導體氣敏傳感器 氣敏傳感器是一種將檢測到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警，還可以通過接口電路與計算機或單片機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。9.1半導體氣敏傳感器 氣敏傳感器是一75

(1)能夠檢測易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準設定濃度，并能及時給出報警、顯示和控制信號。(2)對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感。(3)性能長期穩(wěn)定性好、重復性好、動態(tài)特性好、響應迅速。(4)使用、維護方便，價格便宜等。氣敏傳感器的性能必須滿足下列條件：(1)能夠檢測易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃76

9.1.1半導體氣敏傳感器的分類按材料半導體陶瓷材料單晶半導體按物理特性電阻型

利用敏感元件吸附氣體后電阻值隨著被測氣體的濃度改變來檢測氣體的濃度或成分。9.1.1半導體氣敏傳感器的分類按材料77

按半導體與氣體相互作用表面電阻控制型體電阻控制型

非電阻型

利用二極管伏安特性和場效應管的閾值電壓變化來檢測被測氣體。按半導體與氣體相互作用非電阻型789.1.2電阻型半導體氣敏傳感器

1.材料和結構

許多金屬氧化物具有氣敏效應，這些金屬氧化物都是利用陶瓷工藝制成的具有半導體特性的材料，因此稱之為半導體陶瓷，簡稱半導瓷。由于半導瓷與半導體單晶相比具有工藝簡單、價格低廉等優(yōu)點，因此已經(jīng)用它制作了多種具有實用價值的敏感元件。在諸多的半導體氣敏元件中，用氧化錫(SnO2)制成的元件具有結構簡單、成本低、可靠性高，穩(wěn)定性好、信號處理容易等一系列優(yōu)點，應用最為廣泛。

9.1.2電阻型半導體氣敏傳感器1.材料和結構79

按其結構可分為燒結型、薄膜型和厚膜型，如圖所示：

半導體氣敏傳感器一般由三部分組成：敏感元件、加熱器和外殼。按其結構可分為燒結型、薄膜型和厚膜型，如圖所示：80

圖(a)所示為燒結型氣敏元件，它以多孔質(zhì)陶瓷如SnO2為基材，添加不同物質(zhì)采用低溫(700℃～900℃)制陶方法進行燒結，燒結時埋入鉑電極和加熱絲，最后將電極和加熱絲引線焊在管座上制成元件。 圖(b)所示為薄膜型氣敏元件，是用蒸發(fā)或濺射方法，在石英或陶瓷基片上形成金屬氧化物薄膜(厚度在100nm以下)，用這種方法制成的敏感膜顆粒很小，因此具有很高的靈敏度和響應速度。 圖(a)所示為燒結型氣敏元件，它以多孔質(zhì)陶瓷如SnO81

圖(c)所示為厚膜型氣敏元件，將氣敏材料(SnO2、ZnO)與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有鉑電極的氧化鋁的基片上，在400℃～800℃的溫度下燒結1個～2個小時便制成厚膜型氣敏元件。 這些氣敏元件全部附有加熱器，它的作用是使附著在探測部分處的油霧、塵埃等燒掉，同時加速氣體氧化還原反應，從而提高元件的靈敏度和響應速度，一般加熱到200℃～400℃。 圖(c)所示為厚膜型氣敏元件，將氣敏材料(S822.工作原理

電阻型半導體氣敏傳感器氣敏元件的敏感部分是金屬氧化物微結晶粒子燒結體，當它的表面吸附有被測氣體時，半導體微結晶粒子接觸介面的導電電子比例就會發(fā)生變化，從而使氣敏元件的電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。2.工作原理

電阻型半導體氣敏傳感器氣敏元件83以半導瓷材料SnO2為例N型半導體氣敏傳感器吸附被測氣體時的電阻變化曲線以半導瓷材料SnO2為例N型半導體氣敏傳感器吸附被測氣體時的84

當半導體氣敏傳感器在潔凈的空氣中開始通電加熱時，其阻值急劇下降，阻值發(fā)生變化的時間(稱響應時間)不到1min，然后上升，經(jīng)2min～10min后達到穩(wěn)定，這段時間為初始穩(wěn)定時間，元件只有在達到初始穩(wěn)定狀態(tài)后才可用于氣體檢測。 當電阻值處于穩(wěn)定值后，會隨被測氣體的吸附情況而發(fā)生變化，其電阻的變化規(guī)律視氣體的性質(zhì)而定：被測氣體是氧化性氣體(如O2和NOx)，被吸附氣體分子從氣敏元件得到電子，使N型半導體中載流子電子減少，因而電阻值增大。被測氣體為還原性氣體(如H2、CO、酒精等)，氣體分子向氣敏元件釋放電子，使元件中載流子電子增多，因而電阻值下降?？梢姡?當半導體氣敏傳感器在潔凈的空氣中開始通電加熱時，其阻85典型氣敏元件的阻值－濃度關系典型氣敏元件的阻值－濃度關系86

9.1.3氣敏傳感器的應用

1.可燃氣體泄漏報警器

9.1.3氣敏傳感器的應用1.可燃氣體泄漏報警器87

2.防止酒后開車控制器2.防止酒后開車控制器88

3.油煙檢測

3.油煙檢測899.2半導體濕敏傳感器

濕敏傳感器是由濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路等組成，能感受外界濕度(通常將空氣或其他氣體中的水分含量稱為濕度)變化，并通過器件材料的物理或化學性質(zhì)變化，將環(huán)境濕度變換為電信號的裝置。9.2半導體濕敏傳感器 濕敏傳感器是由濕敏元件和909.2.1概述

1.濕度表示法 所謂濕度，就是空氣中所含有水蒸氣的量，表明大氣的干、濕程度，常用絕對濕度和相對濕度表示。

1)絕對濕度(AbsoluteHumidity) 絕對濕度是在一定的溫度及壓力下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，一般用符號AH表示，其定義為

9.2.1概述1.濕度表示法91

2)相對濕度(RelativeHumidity)

相對濕度是指被測氣體中的水蒸氣氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比。相對濕度給出大氣的潮濕程度，因此，它是一個無量綱的值，一般用符號%RH表示，其表達式為

2)相對濕度(RelativeHumidity92

①按元件輸出的電學量分類可分為：電阻式、電容式、頻率式等。②按其探測功能可分為：相對濕度、絕對濕度、結露和多功能式四種。③按材料則可分為：陶瓷式、有機高分子式、半導體式、電解質(zhì)式等。2.濕敏傳感器的分類①按元件輸出的電學量分類可分為：電阻式、電容式93

水親和力型濕敏傳感器非水親和力型濕敏傳感器

水分子易于吸附在物體表面并滲透到固體內(nèi)部的這種特性稱為水分子親和力，水分子附著或浸入濕敏功能材料后，不僅是物理吸附，而且還有化學吸附，其結果使功能材料的電性能產(chǎn)生變化，如LiCl、ZnO材料的阻抗發(fā)生變化。因此，這些材料就可以制成濕敏元件， 水分子易于吸附在物體表面并滲透到固體內(nèi)部的94

表9-2濕敏傳感器分類表9-2濕敏傳感器分類959.2.2濕敏電阻的類型及原理

1.氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻是典型的電解質(zhì)濕敏元件，利用吸濕性鹽類潮解，離子電導率發(fā)生變化而制成的測濕元件。典型的氯化鋰濕敏傳感器有登莫式和浸漬式兩種：

9.2.2濕敏電阻的類型及原理1.氯化鋰濕敏電阻96

登莫式傳感器結構如圖所示，A為涂有聚苯乙烯薄膜的圓管，B為用聚苯乙烯醋酸覆蓋在A上的鈀絲。登莫式傳感器是用兩根鈀絲作為電極，按相等間距平行繞在聚苯乙烯圓管上，再浸涂一層含有聚苯乙烯醋酸脂(PVAC)和氯化鋰(LiCl)水溶液的混合液，當被涂溶液的溶劑揮發(fā)干后，即凝聚成一層可隨環(huán)境濕度變化的感濕均勻薄膜。登莫式傳感器結構如圖所示，A為涂有聚苯乙烯薄膜97

浸漬式傳感器結構如圖所示，由引線、基片、感濕層與金屬電極組成。它是在基片材料上直接浸漬氯化鋰溶液構成的，這類傳感器的浸漬基片材料為天然樹皮。浸漬式傳感器結構與登莫式傳感器不同，部分地避免了高溫下所產(chǎn)生的濕敏膜的誤差。由于它采用了面積大的基片材料，并直接在基片材料上浸漬氯化鋰溶液，因此具有小型化的特點，適用于微小空間的濕度檢測。浸漬式傳感器結構如圖所示，由引線、基片、感濕層98

氯化鋰濃度不同的濕敏傳感器，適用于不同的相對濕度范圍。濃度低的氯化鋰濕敏傳感器對高濕度敏感，濃度高的氯化鋰濕敏傳感器對低濕度敏感。一般單片濕敏傳感器的敏感范圍，僅在30%RH左右，為了擴大濕度測量的線性范圍，可以將多個氯化鋰含量不同的濕敏傳感器組合使用，如將測量范圍分別為(10%～20%)RH、(20%～40%)RH、(40%～70%)RH、(70%～90%)RH、(80%～99%)RH五種元件配合使用，可以實現(xiàn)整個濕度范圍的濕度測量。 氯化鋰濃度不同的濕敏傳感器，適用于不同的相對濕度范圍99優(yōu)點：滯后小，不受測試環(huán)境風速的影響，檢測精度一般可達到±5%。缺點：單片氯化鋰濕敏傳感器測濕范圍窄，而多片組合體積大，成本高，不抗污染，怕結露，耐熱性差，難于在高濕和低濕的環(huán)境中使用，工作溫度不高、壽命短、響應時間較慢，電源必須用交流，以避免出現(xiàn)極化。優(yōu)點：滯后小，不受測試環(huán)境風速的影響，檢測精度一般可達100

半導體陶瓷濕敏電阻是一種電阻型的傳感器，根據(jù)微粒堆集體或多孔狀陶瓷體的感濕材料吸附水分可使電導率改變這一原理檢測濕度。由于具有使用壽命長，可在惡劣條件下工作，響應時間短，測量精度高，測溫范圍寬(常溫濕敏傳感器的工作溫度在150℃以下，高溫濕敏傳感器的工作溫度可達800℃)，工藝簡單，成本低廉等優(yōu)點，所以是目前應用較為廣泛的濕敏傳感器。

2.半導體陶瓷濕敏電阻半導體陶瓷濕敏電阻是一種電阻型的傳感器，根據(jù)微粒堆101

制造半導體陶瓷濕敏電阻的材料，主要是不同類型的金屬氧化物。有些半導體陶瓷材料的電阻率隨濕度增加而下降，稱為負特性濕敏半導體陶瓷，還有一類半導體陶瓷材料的電阻率隨濕度增大而增大，稱為正特性濕敏半導體陶瓷。 半導體陶瓷濕敏電阻按其結構可以分為燒結型和涂覆膜型兩大類。制造半導體陶瓷濕敏電阻的材料，主要是不同類型1021)燒結型濕敏電阻燒結型濕敏電阻的結構如圖所示。其感濕體為MgCr2O4—TiO2系多孔陶瓷，利用它制得的濕敏元件，具有使用范圍寬、濕度溫度系數(shù)小、響應時間短，對其進行多次加熱清洗之后性能仍較穩(wěn)定等優(yōu)點。1)燒結型濕敏電阻燒結型濕敏電阻的結構如圖所示。其感濕體為103

由金屬氧化物通過堆積、黏結或直接在氧化金屬基片上形成感濕膜，稱為涂覆膜型濕敏器件。其中比較典型且性能較好的是Fe3O4濕敏器件。 Fe3O4濕敏器件由基片、電極和感濕膜組成，采用滑石瓷作為基片材料，該材料吸水率低，機械強度高，化學物理性能穩(wěn)定。在基片上用絲網(wǎng)印刷工藝印制成梳狀金電極，將純凈的膠粒用水調(diào)制成適當黏度的漿料，然后涂在梳狀金電極的表面，涂覆的厚度要適當，一般在20～30um左右，然后進行熱處理和老化，引出電極后即可使用。2)涂覆膜型Fe3O4濕敏器件 由金屬氧化物通過堆積、黏結或直接在氧化金屬基片上形104

由于Fe3O4感濕膜是松散的微粒集合體，缺少足夠的機械強度，微粒之間依靠分子力和磁力的作用，粒子間的空隙使薄膜具有多孔性，微粒之間的接觸呈凹狀，微粒間的接觸電阻很大，所以Fe3O4感濕膜的整體電阻很高。當空氣的相對濕度增大時，F(xiàn)e3O4感濕膜吸濕，由于水分的附著擴大了顆粒間的接觸面，降低了粒間的電阻和增加更多的導流通路，所以元件阻值減?。划斕幱诟稍锃h(huán)境中，F(xiàn)e3O4感濕膜脫濕，粒間接觸面減小，元件阻值增大。因而這種器件具有負感濕特性，電阻值隨著相對濕度的增加而下降，反應靈敏。這里需要指出的是，燒結型的Fe3O4濕敏器件，其電阻值隨濕度增加而增大，具有正特性。 由于Fe3O4感濕膜是松散的微粒集合體，缺少足夠的105Fe3O4濕敏器件是一種體效應器件，當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，水分子要在數(shù)十微米厚的感濕膜體內(nèi)充分擴散，才能與環(huán)境濕度達到新的平衡。這一擴散和平衡過程需時較長，使器件響應緩慢，并且由于吸濕和脫濕過程中響應速度有差別，器件具有較明顯的濕滯效應，高濕時的滯后效應比低濕時大。Fe3O4濕敏器件可以利用單片器件進行寬量程測量，重復性、一致性較好，在高溫環(huán)境中也較穩(wěn)定，有較強的抗結露能力，而且工藝簡單，價格便宜，在受少量醇、酮、酯等氣體污染及塵埃較多的環(huán)境中也能使用。Fe3O4濕敏器件是一種體效應器件，當環(huán)境濕度發(fā)生變106

9.2.3濕敏傳感器的應用1.自動氣象站濕度測報

濕度傳感器廣泛用于自動氣象站的遙測裝置上，采用耗電量很小的濕度傳感器可以由蓄電瓶供電長期自動工作，幾乎不需要維護。用于無線電遙測自動氣象站的濕度測報原理方框圖如圖所示。9.2.3濕敏傳感器的應用1.自動氣象站濕度測報107

氯化鋰濕度傳感器將被測濕度轉(zhuǎn)換為電阻值，R—f轉(zhuǎn)換電路將此電阻值R轉(zhuǎn)換為相應的頻率f，再經(jīng)自校準器控制使頻率f與相對濕度一一對應，最后經(jīng)門電路記錄在自動記錄儀上。如果需要遠距離數(shù)據(jù)傳輸，則還需要將得到的數(shù)字量編碼，調(diào)制到無線電載波上發(fā)射出去。 氯化鋰濕度傳感器將被測濕度轉(zhuǎn)換為電阻值，R—f轉(zhuǎn)換電108

2.濕度控制電路濕度控制電路2.濕度控制電路濕度控制電路109

3.汽車后窗玻璃自動去濕裝置汽車后窗玻璃自動去濕裝置3.汽車后窗玻璃自動去濕裝置汽車后窗玻璃自動去濕裝置1109.3半導體磁敏傳感器

磁敏傳感器是把磁學物理量轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，它廣泛地應用于自動控制、信息傳遞、電磁測量、生物醫(yī)學等各個領域。磁敏式傳感器按其結構可分為體型和結型兩大類，前者有霍爾傳感器(其材料主要有InSb，InAs，Ge，Si，GaAs等)和磁敏電阻(InSb，InAs)，后者有磁敏二極管(Ge，Si)、磁敏晶體管(Si等)，它們都是利用半導體材料中的自由電子或空穴隨磁場改變其運動方向這一特性而制成的一種磁敏傳感器。9.3半導體磁敏傳感器 磁敏傳感器是把磁學物理1119.3.1磁敏電阻器

當長方形半導體片受到與電流方向垂直的磁場作用時，不但產(chǎn)生霍爾效應，而且還會出現(xiàn)電流密度下降、電阻率增大的現(xiàn)象。若適當?shù)剡x幾何尺寸，還會出現(xiàn)電阻值增大的現(xiàn)象。前一種現(xiàn)象稱為物理磁阻效應，后一種現(xiàn)象稱為幾何磁阻效應。半導體磁阻器件就是綜合利用這樣兩種效應而制成的磁敏器件。

9.3.1磁敏電阻器 當長方形半導體片受到與電流方112

磁阻效應是指將一載流導體置于外磁場中，其電阻率會發(fā)生變化(增大)，它是伴隨霍爾效應同時發(fā)生的一種物理效應。

當溫度恒定時，在弱磁場范圍內(nèi)，磁阻與磁感應強度B的平方成正比。如果器件只有在電子參與導電的簡單情況下，理論推導出來的磁阻效應方程為1.磁阻效應1.磁阻效應113

當電阻率變化為時，則電阻率的相對變化率為半導體中僅存在一種載流子時，磁阻效應很弱。若同時存在兩種載流子，則磁阻效應很強，此時≈

半導體中僅存在一種載流子時，磁阻效應很弱?！?14

磁敏電阻元件是僅有一對電流電極的兩端子結構。

2.磁敏電阻的結構常見磁敏電阻結構 磁敏電阻元件是僅有一對電流電極的兩端子結構。2.115

磁阻效應除了與材料有關外，還與磁敏電阻的形狀有關。若考慮到形狀的影響，電阻率的相對變化與磁感應強度和遷移率的關系可表示為

≈

式中L、b分別為電阻的長和寬；表示形狀效應系數(shù)。 磁阻效應除了與材料有關外，還與磁敏電阻116

(a)柯比諾效應

(b)幾何形狀與磁阻變化特性

(a)柯比諾效應(b)幾何形狀與磁阻變化特性117

在恒定磁感應強度下，其長寬比越小，則越大。各種形狀的磁敏電阻，其磁阻與半導體材料幾何形狀的關系如圖(b)所示。由圖可見，圓盤形結構的磁阻效應遠遠大于矩形結構，所以半導體磁敏電阻大多制成圓盤結構。 在恒定磁感應強度下，其長寬比越小，則越大。各種形118

由于磁阻元件具有阻抗低、阻值隨磁場變化率大、非接觸式測量、頻率響應好、動態(tài)范圍廣及噪聲小等特點，可廣泛應用于許多場合，如：無觸點開關、壓力開關、旋轉(zhuǎn)編碼器、角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等。

3.磁敏電阻的應用 由于磁阻元件具有阻抗低、阻值隨磁場變化率大、非接1193.磁敏電阻的應用1)InSb磁敏電阻無觸點開關3.磁敏電阻的應用1)InSb磁敏電阻無觸點開關1202)InSb磁敏無接觸角度傳感器InSb磁敏無接觸角度傳感器的外形結構圖2)InSb磁敏無接觸角度傳感器InSb磁敏無接觸角度傳感121InSb磁敏無接觸角度傳感器工作原理圖InSb磁敏無接觸角度傳感器工作原理圖122

InSb磁敏無接觸角度傳感器輸出特性曲線InSb磁敏無接觸角度傳感器輸出特性曲線1239.3.2霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應，但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。 由于霍爾傳感器具有體積小、成本低、靈敏度高、性能可靠、頻率響應寬、動態(tài)范圍大的特點，并可采用集成電路工藝，因此被廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。9.3.2霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應的一124

1.霍爾效應 金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。該電動勢稱霍爾電勢，半導體薄片稱霍爾元件。1.霍爾效應125

霍爾效應原理圖霍爾效應原理圖