半導(dǎo)體傳感器

1、半導(dǎo)體傳感器磁敏式傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)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）。磁敏傳感器的應(yīng)用范圍可分為模擬用途和數(shù)字用途兩種。例如利用霍爾傳感器測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，用磁敏電阻、磁敏二極管作無(wú)接觸式開(kāi)關(guān)等?；魻杺鞲衅骰魻杺鞲衅魇抢没魻栃?yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器，有普通型、高靈敏度型、低溫度系數(shù)型、測(cè)溫測(cè)磁型和開(kāi)關(guān)式的霍爾元件。由于霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特件應(yīng)用于非電量測(cè)量、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)裝置和現(xiàn)代軍事技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域。磁敏式

2、傳感器1 .霍爾效應(yīng)長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為b、厚為d的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）薄片，被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中（平面與磁場(chǎng)垂直），在與磁場(chǎng)方向正交的兩邊通以控制電流I,則在導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH且U+KHIB,其中KH為霍爾元件的靈敏度。這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。2 .工作原理霍爾效應(yīng)是導(dǎo)體中自由電荷受洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當(dāng)它通以電流I時(shí)，半導(dǎo)體中的電子受到磁場(chǎng)中洛侖茲力FL的作用，具大小為式中u為電子速度，B為垂直于霍爾元件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在FL的作用下，電子向垂直于B和u的方向偏移，在器件的

3、某一端積聚負(fù)電荷，另一端面則為正電荷積聚。電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場(chǎng)，即為霍爾電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)對(duì)電子的作用力為FE與洛侖茲力方向相反,將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為式中EH為霍爾電場(chǎng)，e為電子電量，UH為霍爾電勢(shì)。當(dāng)FL=FE時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)平衡，即所以。設(shè)流過(guò)霍爾元件的電流為I時(shí)，式中bd為與電流方向垂直的截面積，n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)（載流子濃度）。則KH為霍爾元件的靈敏度。由上述討論可知，霍爾元件的靈敏度不僅與元件材料的霍爾系數(shù)有關(guān)，還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件靈敏度的公式可知，霍爾元件的厚度d與KH成反比。RH則被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)。由于

4、金屬導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度大于半導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度,所以，半導(dǎo)體霍爾系數(shù)大于導(dǎo)體。3 .霍爾系數(shù)及靈敏度令則二、霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)1 .額定功耗P0霍爾元件在環(huán)境溫度T=25c時(shí)，許諾通過(guò)霍爾元件的操縱電流I和工作電壓V的乘積即為額定功耗。一樣可分為最小、典型、最大三檔，單位為mw當(dāng)供給霍爾元件的電壓確信后，依照額定功耗能夠明白額定操縱電流I。有些產(chǎn)品提供額定操縱電流和電壓，不給出額定功耗。2 .輸入電阻Ri和輸出電阻R0Ri是指流過(guò)控制電流的電極（簡(jiǎn)稱控制電極）間的電阻值，R0是指霍爾元件的霍爾電勢(shì)輸出電極（簡(jiǎn)稱霍爾電極）間的電阻，單位為Qo可以在無(wú)磁場(chǎng)即B=0時(shí)，用歐姆表等測(cè)量。3 .不平

5、衡電勢(shì)U0在額定控制電流I之下，不加磁場(chǎng)時(shí)，霍爾電極問(wèn)的空載霍爾電勢(shì)稱為不平衡（不等）電勢(shì)，單位為mV不平衡電勢(shì)和額定控制電流I之比為不平衡電阻r0o4 .霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)a在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化1C時(shí)，霍爾電勢(shì)轉(zhuǎn)變的百分率稱為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)a,單位為1/C。5 .內(nèi)阻溫度系數(shù)B霍爾元件在無(wú)磁場(chǎng)及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1C時(shí)，輸入電阻只Ri與輸出電阻R0轉(zhuǎn)變的百分率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)B,單位為1/C。一樣取不同溫度時(shí)的平均值。6 .靈敏度KH其定義向前述。有時(shí)某些產(chǎn)品給出無(wú)負(fù)載時(shí)靈敏度（在某一控制電流和一定強(qiáng)度磁場(chǎng)中、霍爾電極間開(kāi)路時(shí)元件的靈敏度）。三、霍爾元件連接方式和

6、輸出電路1 .基本測(cè)量電路控制電流I由電源E供給，電位器W調(diào)節(jié)控制電流I的大小?；魻栐敵鼋迂?fù)載電阻RLRL可以是放大器的輸入電阻或測(cè)量?jī)x表的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須在磁場(chǎng)與控制電流作用下，才會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)UH所以在測(cè)量中，可以把I與B的乘積、或者I,或者B作為輸入情號(hào)，則霍爾元件的輸出電勢(shì)分別正比于舊或I或Bo2 .連接方式為了獲得較大的霍爾輸出電勢(shì)，可以采用幾片疊加的連接方式。下圖（a）為直流供電，控制電流端并聯(lián)輸出串聯(lián)。下圖（b）為交流供電，控制電流端串聯(lián)變壓器疊加輸出。3 .霍爾電勢(shì)的輸出電路霍爾器件是一種四端器件，本身不帶放大器?；魻栯妱?shì)一般在毫伏量級(jí)，實(shí)際使用中必須加差分放大器?；?/p>

7、爾元件大體分為線性測(cè)量和開(kāi)關(guān)狀態(tài)兩種使用方式，因此，輸出電路有如右圖所示兩種結(jié)構(gòu)。當(dāng)霍爾元件作線性測(cè)量時(shí)，最好選用靈敏度低一點(diǎn)、不平衡電勢(shì)U0小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。例如，選用Kk5mV/mAkGs,控制電流為5mAi勺霍爾元件作線性測(cè)量元件測(cè)量1Gs10kGs的磁場(chǎng),則霍爾器件最低輸出電勢(shì)UHUk5mV/mAkGsX5mA10-3kGs=25pV最大輸出電勢(shì)為UH=5mV/mAkGsX5mA700。； 在515kA/m范圍內(nèi)的靈敏度：4%; 標(biāo)稱阻值溫度系數(shù)TCR0%/C; 磁阻溫度系數(shù)TCAR%/C; 磁滯(H=10kA/M:VT（閾值電壓）時(shí)，則柵極氧化層下面的硅從P型變?yōu)镹型

8、。這個(gè)N型區(qū)就將源極和漏極連接起來(lái)，形成導(dǎo)電通道，即為N型溝道，MOSFET入工作狀態(tài)。若此時(shí)，在源（S）漏（D）極之間加電壓VDS則源極和漏極之間有電流（IDS）流過(guò)。IDS隨VDSffiVGS的大小而變化，具變化規(guī)律即為MOSFETV-A特性。當(dāng)VGS：VT時(shí)，MOSFE的溝道未形成.故無(wú)漏源電流。VT的大小除了與襯底材料的性質(zhì)有關(guān)外，還與金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)有關(guān)。Pd-MOSFET敏器件就是利用H2在鉗柵極上吸附后引起閾值電壓VT下降這一特性來(lái)檢測(cè)H2的。由于這類器件特性尚不夠穩(wěn)定，只能作H2的泄漏檢測(cè)。濕度是指大氣中的水蒸氣的含量。通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種方法表示。一、絕對(duì)濕

9、度與相對(duì)濕度1,絕對(duì)濕度絕對(duì)濕度是單位空間中所含水蒸氣的絕對(duì)含量（質(zhì)量）。若被測(cè)空氣的體積為V,被測(cè)空氣中水蒸氣的含量為mV絕對(duì)濕度=VZmV2 .相對(duì)濕度相對(duì)濕度是指被測(cè)氣體中的水蒸氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比，一般用符號(hào)R炭示。相對(duì)濕度給出大氣的潮濕程度，因此它是一個(gè)無(wú)量綱的值。在實(shí)際使用中多使用相對(duì)濕度概念。雖然人類早已發(fā)明了毛發(fā)濕度計(jì)、干濕球濕度計(jì)，但因其響應(yīng)速度、靈敏度、準(zhǔn)確性等性能都不高，而且難以與現(xiàn)代的控制設(shè)備相聯(lián)接，所以只適用于家庭。50年代后，陸續(xù)出現(xiàn)了電阻型等濕敏汁，使?jié)穸鹊臏y(cè)量精度大大提高，但是，與其它物理量的檢測(cè)相比，無(wú)論是敏感元件的性能.還是制造工藝和

10、測(cè)量精度都差得多、困難得多。原因是空氣中水蒸氣的含量少，而且在水蒸氣中，各種感濕材料涉及到的種種物理、化學(xué)過(guò)程十分復(fù)雜，目前尚未完全清楚所存在問(wèn)題的原因。濕敏傳感器二、濕敏元件的特性參數(shù)1,濕度量程濕度測(cè)量的全量程為0%100%RH但對(duì)一種具體的傳感器一般是無(wú)法覆蓋全量程的，所以濕度傳感器的標(biāo)稱量稱越大，使用的價(jià)值就越大。3 .相對(duì)濕度特性曲線濕敏元件的感濕特征量，如電阻、電容、電壓、頻率等隨環(huán)境相對(duì)度變化關(guān)系曲線。通常希望這種曲線在在全量程上是連續(xù)的，并呈線性關(guān)系。4 .靈敏度及其溫度系數(shù)靈敏度就是相對(duì)濕度特性曲線的斜率。靈敏度的溫度系數(shù)就是相對(duì)濕度特性曲線與溫度間的關(guān)系。5 .響應(yīng)時(shí)間當(dāng)環(huán)

11、境相對(duì)濕度變化時(shí)，濕敏元件輸出的特征量隨之變化快慢的程度。當(dāng)然是越短越好。5,濕滯回線和濕滯回差吸濕和脫濕特征曲線的重合程度。原因是濕敏元件吸濕和脫濕的響應(yīng)時(shí)間不同。三、濕敏元件1 .氯化鋰濕敏元件氯化鋰（LiCl）是電解質(zhì)濕敏元件的代表。它是利用電阻值隨環(huán)境相對(duì)濕度變化而變化的機(jī)理制成的測(cè)濕元件。氯化鋰濕敏元件的結(jié)構(gòu)是在條狀絕緣基片（如無(wú)堿玻璃）的兩面，用化學(xué)沉積或真空蒸鍍法做上電極，再浸漬一定比例配制的氯化理一聚乙烯醇混合溶液。經(jīng)老化處理，便制成了氯化理濕敏元件，具結(jié)構(gòu)如右圖（a）所示。氯化鋰是典型的離子晶體。實(shí)踐證明，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。氯化鋰濕敏元件的電阻值一濕度特性如

12、上圖（b）所示。由圖可知，在50%80%相對(duì)濕度范圍內(nèi)，電阻與濕度的變化成線性關(guān)系。為了擴(kuò)大濕度測(cè)量的線性范圍，可以采用幾支浸漬不同濃度氯化鋰的濕敏元件組合使用。氯化鋰濕敏元件的檢濕優(yōu)點(diǎn)是滯后小，不受測(cè)試環(huán)境風(fēng)速影響，檢測(cè)精度高達(dá)5%缺點(diǎn)是耐熱性差，不能用于露點(diǎn)以下測(cè)量。若用作露點(diǎn)檢測(cè)，濕敏元件必須3個(gè)月左右清洗1次和涂敷（浸漬）氯化鋰，故維護(hù)麻煩。2 .半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件通常用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)成多孔陶瓷，這些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O描。前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故

13、稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷；最后一種（Fe3O4）的電阻率隨濕度增加而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)瓷。無(wú)論是負(fù)特性，還是正特性的濕敏元件的工作機(jī)理至今尚無(wú)公認(rèn)。由左下圖和右下圖知，當(dāng)濕度從0%RH變化到100%RH時(shí)，負(fù)特性材料的阻值均下降3個(gè)數(shù)量級(jí)，而正特性材料的阻值只增大了約1倍。MgCr2O4-TiO2濕敏元件氧化鎂復(fù)合氧化物一二氧化鈦（MgCr2O4-TiO2）濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕-電”轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特性半導(dǎo)瓷。MgCr2O的P型半導(dǎo)體。它的電阻率較低，阻值溫度特性好。為了提高其機(jī)械強(qiáng)度和抗熱聚變特性，增加TiO2,MgCr2O4與TiO2的比例為70%:30%,將它們置于1300

14、c的溫度中燒結(jié)而成陶瓷體。然后，將該陶瓷體切割成薄片，在薄片兩面，再印制并燒結(jié)叉指形氧化釘電極，便成了感濕體。而后，在感濕體外罩上一層加熱絲，用以加熱清洗污垢，提高感濕能力。器件安裝在高致密、疏水性的陶瓷片底府上。在測(cè)量電極周圍設(shè)置隔漏環(huán)，防止因吸濕而引起漏電。國(guó)產(chǎn)SM-1型濕敏半導(dǎo)體傳感器就是這種結(jié)構(gòu)形式。如右圖所示。ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件ZnO-Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上Pt引線,然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過(guò)濾器的方形塑料盒中用樹(shù)脂固定.就形成了ZnO-Cr2O3陶瓷濕度傳感器。ZnO-Cr2O3專感器能連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量濕度，而無(wú)需加

15、熱除污裝置，因此功耗低于，體積小、成木低，也是一種常用的測(cè)濕傳感器。膜型四氧化三鐵(Fe3O4)濕敏元件Fe3O4濕敏器件由基片、電極和感濕膜組成?；x用滑石瓷，其光潔度為很高，它的吸水率低，機(jī)械強(qiáng)度高，物化性能穩(wěn)定。基片上用絲網(wǎng)印刷工藝制成梳狀金電極。將預(yù)先調(diào)好的Fe3O4的膠液涂敷在已有金電極的基片上，膜厚一般為2030微米左右，經(jīng)低溫烘干后，引出電極便成產(chǎn)品。Fe3O4濕敏器件屬于負(fù)特性的感濕體。Fe3O4濕敏器件的主要優(yōu)點(diǎn)是：在常溫、常濕下性能比較穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗結(jié)露能力，它有較為一致的濕敏持性和較好的溫度一濕度特性。左下圖和右下圖分別為國(guó)產(chǎn)MCSHFe304g敏器件的電阻-濕度特性

16、和溫度特性曲線。膜型Fe203g敏元件Fe2O3濕敏元件濕敏元件在低濕高溫條件下具有很穩(wěn)定的濕敏特性。例如，在80C、5%80%RH的環(huán)境中，重復(fù)檢測(cè)104次，重復(fù)誤差為5%。元件耐惡劣環(huán)境的能力也很很強(qiáng)。3 .高分子濕敏元件(1)電容式濕敏元件高分子電容式濕敏元件是利用濕敏元件的電容值隨濕度變化的原理進(jìn)行濕度測(cè)量的。將具有感濕性能的高分子聚合物，例如乙酸-丁酸纖維素或乙酸-丙酸纖維素等做成薄膜，它們具有迅速吸濕和脫濕的能力。將薄膜覆蓋在叉指形金電極（下電極）上，然后在感濕薄膜表面上再蒸鍍一層多孔金屬膜（上電極），如此結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了一個(gè)平行扳電容器。當(dāng)環(huán)境中的水分子沿著上電極的毛細(xì)微孔進(jìn)入感濕膜

17、而被吸附時(shí)，濕敏元件的電容值與相對(duì)濕度之間具有正比關(guān)系，線性度約為1%。（吸濕-濕度上升過(guò)程、脫濕曲線不重合）（2）石英振動(dòng)式濕敏兀件在石英晶片的表面涂敷一層聚胺酯高分子膜，當(dāng)膜吸濕時(shí)，由于膜的重量變化而使石英晶片振蕩頻率發(fā)生變化，不同的頻率就代表不同程度的濕度。這種濕敏元件，在050C”條件下，元件檢測(cè)濕范圍為0%R+100%RH誤差為5%RH四、水分傳感器固體和液體物質(zhì)內(nèi)的含水量稱為該物質(zhì)的水分。測(cè)量固體或與水不相溶的液體物質(zhì)內(nèi)水分含量的儀器稱為水分計(jì)。1 .水分在物質(zhì)中的存在形式及水分含量的表示方法水分在物質(zhì)中的存在形式游離水游離水也稱自由水，它分布于物質(zhì)的表面和間隙中，也就是附著于物質(zhì)

18、中的水分。如海綿吸附的水和木材中的水分都屬于此類水分。結(jié)合水物質(zhì)中靠物理和化學(xué)作用與分子相結(jié)合的水分。如植物細(xì)胞壁中的水、水合物中的水均屬此類。水分含量的表示方式濕基法以濕物質(zhì)的重量為基準(zhǔn)的百分比，即干基法以干物質(zhì)的重量為基準(zhǔn)的百分比，即式中WE濕基水分含量；WM濕基水分含量；m為濕物的重量；m/為干物的重量。2 .水分的測(cè)量方法水分的測(cè)量可分為直接法和間接法兩種。直接法主要有干燥法、蒸儲(chǔ)法等，間接法主要有電導(dǎo)法、電容法、微波法等。直接法基于關(guān)于水分的定義，準(zhǔn)確度高；間接法便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。電導(dǎo)法大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，紙張、糧食、木材等物質(zhì)，當(dāng)物質(zhì)的水分為WR（干基法的含水率）時(shí)，其電阻Rx為：0即

19、水分為亞明電阻Rx成指數(shù)關(guān)系，水分為WR勺對(duì)數(shù)與電阻Rx的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系：0電容法電容法測(cè)量含水率的原理是基于水的相對(duì)介電常數(shù)同其他物質(zhì)的相差很大，當(dāng)物質(zhì)的含水率較高時(shí)測(cè)量電容的容量也較大。其含水率的測(cè)量范圍為5%-40%測(cè)量精度約為但需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。微波法電磁波通過(guò)含水物質(zhì)時(shí)，一部分將被水分子吸收而使其強(qiáng)度減弱，由此可以測(cè)量物質(zhì)的含水率。實(shí)驗(yàn)表明，水分的含量與被吸收的微波強(qiáng)度呈線性關(guān)系；水分子對(duì)2450MHz（s波段）和10680MHz（x波段）的電磁波吸收最為顯著。半導(dǎo)體溫度傳感器二端、三端、四端器件，PN結(jié)壓降、集成溫度傳感器一、溫敏二極管（二端器件）原理：基于半導(dǎo)體的PN的結(jié)壓降UF與

20、溫度T的關(guān)系對(duì)于硅半導(dǎo)體，在室溫（T=300W下:即在室溫下，溫度每升高1度，正向結(jié)壓降就下降2mV利用半導(dǎo)體二極管的這一特性可以用來(lái)測(cè)溫。2DWM型測(cè)溫專用二極管的特性曲線（恒流源供電）。溫敏二極管的測(cè)溫靈敏度較高，但測(cè)溫范圍不大，線性也不太好（測(cè)溫專用二極管要好些）。所以盡管價(jià)格低廉，但應(yīng)用并不特別廣泛。二、集成溫度傳感器1 .電流輸出型集成溫度傳感器代表性器件：AD590的主要參數(shù)（二端器件）靜態(tài)輸出：+25CaA（+25CandVS=+5V）測(cè)溫范圍：-55+150C動(dòng)態(tài)輸出:1仙A/K（+25CandVS=+5V）工作電壓：+4Vto+30V.特點(diǎn)：特別適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫！AD590的封裝、符號(hào)及典型應(yīng)用斬波穩(wěn)零高精度運(yùn)算放大器IC7650的主要性能指標(biāo)：（典型值）失調(diào)電壓：nV失調(diào)電壓溫漂：vV/C失調(diào)電壓時(shí)漂：0.1V/M輸入阻抗：1012Q開(kāi)環(huán)增益：120dB1403為精密電壓基準(zhǔn)源（8腳，現(xiàn)較少使用）。在本圖中分別調(diào)節(jié)W2和W1使:設(shè)：AD590的溫