現(xiàn)代檢測技術 半導體式傳感器課件

第10章半導體傳感器10.1霍爾式傳感器10.2氣敏傳感器10.3濕敏傳感器

1970年，荷蘭科學家研制出了對氫離子響應的離子敏感場效應晶體管，標志著離子敏半導體傳感器的誕生。半導體傳感器以易于實現(xiàn)集成化、微型化、靈敏度高等諸多優(yōu)點，一直引起世界各國科學家的重視和興趣。由于電子技術的飛速發(fā)展，以半導體傳感器為代表的各種固態(tài)傳感器相繼問世。這類傳感器主要是以半導體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導體材料內載流子濃度或分布的變化，通過檢測這些物理特性的變化，即可反映被測參數(shù)值。第10章半導體傳感器第10章半導體傳感器它與各種結構型傳感器相比，具有如下特點：①由于傳感器原理是基于物理變化的，因而沒有相對運動部件，可以做到結構簡單、微型化。②靈敏度高，動態(tài)性能好，輸出為電物理量。③采用半導體為敏感材料容易實現(xiàn)傳感器集成化、智能化。④功耗低，安全可靠。雖然存在上述問題，但半導體傳感器仍是目前傳感器發(fā)展的重要方向，尤其是大規(guī)模集成電路技術的不斷發(fā)展，半導體傳感器的技術也日臻完善。從所使用的材料來看，凡是使用半導體為材料的傳感器都屬于半導體式傳感器，如霍爾元件、光敏、磁敏、二極管和三極管熱敏電阻、壓阻式傳感器、光電池、氣敏、濕敏、色敏和離子敏等傳感器。第10章半導體傳感器10.1.1霍爾效應半導體薄片，若在它的兩端通過控制電流，并在薄片的垂直方向上施加磁感應強度為的磁場，那么，在垂直于電流和磁場方向上(即霍爾輸出端之間)將產(chǎn)生電動勢(霍爾電動勢或稱霍爾電壓)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。10.1霍爾式傳感器10.1霍爾式傳感器圖10-1霍爾效應原理圖10.1霍爾式傳感器在薄片兩橫端面之間建立的電場稱為霍爾電場，相應的電動勢就稱為霍爾電勢，其大小可用下式表示：10.1霍爾式傳感器流過基片的電流常稱為激勵電流或控制電流，假設它分布均勻，則有將上述公式進行合并整理得10.1霍爾式傳感器令則得：由上式可知，霍爾電勢的大小正比于控制電流和磁感應強度的乘積；稱為霍爾元件的靈敏度，它是表征在單位磁感應強度和單位控制電流時輸出霍爾電壓大小的一個重要參數(shù)。還說明，當控制電流方向或磁場方向改變時，輸出電動勢方向也將改變。但當電流和磁場方向同時改變時，霍爾電動勢方向不變。10.1霍爾式傳感器圖10-2霍爾元件的結構和符號10.1霍爾式傳感器3、基本電路霍爾元件的基本電路如圖10-3所示?？刂齐娏饔晒┙o，為調節(jié)控制電流大小的調節(jié)電阻。為一般電阻作為負載電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器的內阻。在磁場作用下，負載上就有電壓輸出。在實際使用時，以或，或兩者同時作為輸入信號輸入，而輸出信號則正比于或，或兩者的乘積由于建立霍爾效應所需的時間很短(約之間)，因此控制電流用交流時，頻率可以很高(幾千兆赫)。10.1霍爾式傳感器

圖10-3霍爾元件的基本電路10.1.3基本誤差及其補償（一）元件的幾何尺寸、電極接點大小對性能的影響,在霍爾電動勢表達式中,是把霍爾片的長度看作無限大來考慮的。實際上霍爾片總有一定長度比，而元件的長寬比是否合適對霍爾電動勢大小有直接關系。為此上式可寫成：式中，為元件的形狀系數(shù)。10.1.3基本誤差及其補償

（二）零位誤差：包括不等位電動勢、寄生直流電動勢等①不等位電動勢及其補償不等位電動勢是一個主要的零位誤差。由于在制作霍爾元件時，不能保證將控制電流極焊在同一位面上，因此，當控制電流流過元件時，即使磁場強度等于零，在霍爾電動勢極上仍有電動勢存在，該電動勢就稱為不等位電動勢。10.1.3基本誤差及其補償如果確知控制電流極偏離等位面的方向，就可以采用補償?shù)姆椒▉頊p小不等位電勢。常用的幾種補償電路如圖

10.1.3基本誤差及其補償此外，霍爾電動勢極的焊點大小不一致，兩焊點的熱容量不一致產(chǎn)生溫差也是造成寄生直流電動勢的另一個原因。寄生直流電動勢是霍爾元件零位誤差的一個組成部分，它的存在對霍爾元件在交流情況下使用是有很大妨礙的。為了減少寄生直流電動勢，在元件制作和安裝時，應盡量改善電極的歐姆接觸性能和元件的散熱條件。10.1.3基本誤差及其補償(3)感應電動勢霍爾元件在交變磁場中工作時，即使不加控制電流，由于霍爾電動勢極引線布置不合理，在輸出回路中也會產(chǎn)生附加感應電動勢，這電勢的大小正比于磁場變化的頻率和磁感應強度的幅值，并與霍爾電動勢極引線構成的感應面積成正比，如圖10-5a所示10.1.3基本誤差及其補償

圖10-5感應電動勢示意圖及其補償10.1.3基本誤差及其補償⒉選取合適的負載電阻采用恒流源法補償霍爾極開路時輸入電阻的溫度系數(shù)。

實際上，霍爾元件的輸出電阻隨溫度變化時會引起負載上輸出電壓變化，也需進行補償。10.1.3基本誤差及其補償⒊采用補償元件為了減小霍爾元件的溫度誤差，常選用溫度系數(shù)小的元件(如砷化銦)或采用溫度補償措施。圖10-6所示是一種既簡單、效果又好的補償電路。在控制電流極并聯(lián)一個合適的補償電阻，它起著分流作用。當溫度升高時，霍爾元件內阻迅速增加。所以通過元件的電流減少，而通過補償電阻的電流卻增加。這樣利用元件內阻的濕度特性和一個補償電阻，就能自動調節(jié)通過霍爾元件的電流大小，起到補償作用。10.1.3基本誤差及其補償圖10-6溫度補償電路10.1.3基本誤差及其補償霍爾元件的不等位電勢用調節(jié)的方法進行補償。在霍爾輸出電極上串入一個溫度補償電橋，此電橋的四個臂中有一個是錳銅電阻并聯(lián)的熱敏電阻，以調整其溫度系數(shù)，其他三臂均為錳銅電阻。因此補償電橋可以給出一個隨溫度而改變的可調不平衡電壓，該電壓與溫度為非線性關系，只要細心地調整這個不平衡的非線性電壓就可以補償霍爾元件的溫度漂移，在溫度范圍內效果是可以令人滿意的。10.1.4霍爾傳感器的應用一、利用與I的關系當磁場恒定時，在一定溫度下，霍爾電壓與控制電路成很好的線性關系，利用這一特性，霍爾元件可用于直接測量電流和能轉換為電流的其它物理量。10.1.4霍爾傳感器的應用二、利用與B的關系——可用于測量磁場及可轉換為磁場的其它物理量

如果保持霍爾元件的激勵電流不變，而讓它在均勻梯度的磁場中移動時，則其輸出的霍爾電壓就取決于它在磁場中的位置。利用這一原理可以測量微位移和可轉換為微位移的其他量，如壓力、加速度、振動等。利用霍爾元件的關系還研制出霍爾式羅盤、方位傳感器、轉速傳感器、接近開關、無觸點開關、導磁產(chǎn)品計數(shù)器等。10.1.4霍爾傳感器的應用當控制電流一定時，霍爾電壓與磁感應強度成正比。利用這個關系可以測得交、直流磁感應強度、磁場強度等。利用霍爾元件制作的鉗形電流表可以在不切斷電路的情況下，通過測量電流產(chǎn)生的磁場而測得該電流值。10.1.4霍爾傳感器的應用三、利用與的關系——可進行乘法運算或功率測量如果控制電流為，磁感應強度由激勵電流生，則據(jù)，霍爾電壓可表示為利用上述乘法關系，將霍爾元件與激勵線圈、放大器等組合起來，可以做成模擬運算的乘法器、開方器、平方器、除法器等。10.1.4霍爾傳感器的應用四、典型應用用于非電量檢測的霍爾傳感器，通常是通過彈性元件和其他傳動機構將待測非電量（如力、壓力、應變和加速度等）轉換為霍爾元件在磁場中的微小位移。為了獲得霍爾電壓隨位移變化的線性關系，傳感器的磁場應具有均勻的梯度變化的特性。這樣當霍爾元件在這種磁場中移動時，如使控制電流保持恒定，而使霍爾元件在一個均勻的梯度磁場中沿方向移動，則霍爾電壓就只取決于它在磁場中的位移量，并且磁場梯度越大，靈敏度越高，梯度變化越均勻，霍爾電壓與位移的關系越接近于線性。10.1.4霍爾傳感器的應用如圖10-8所示是一種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)，由極性相反、磁場強度相同的兩個磁鋼形成一個如圖b所示的均勻的梯度磁場、位移軸的零點位于兩磁鋼的正中間處。10.1.4霍爾傳感器的應用圖10-8霍爾式位移傳感器原理示意圖10.2氣敏傳感器為了確保安全，需對各種可燃性氣體、有毒性氣體進行檢測。目前實用氣體檢測方法很多，其中接觸燃燒法和用半導體氣敏傳感器檢測法具有使用方便、費用低和可把氣體濃度轉換成相應電量輸出的特點。由于接觸燃燒法中使用的催化劑長期使用時容易劣化和中毒，靈敏度又較低，故現(xiàn)在多使用半導體氣敏傳感器。10.2氣敏傳感器氣敏電阻是利用半導體與氣體接觸而電阻發(fā)生變化的效應制成的氣敏元件。半導體陶瓷與氣體接觸時電阻發(fā)生變化，當接觸氧化性氣體時，氣敏電阻的阻值將增大；當接觸還原性氣體時，氣敏電阻的阻值將減?。槐粶y氣體濃度越大，電阻變化越大。10.2氣敏傳感器1.材料半導體陶瓷是利用陶瓷工藝制成的具有半導體特性的材料。在諸多的半導體氣敏元件中，由于用氧化錫制成的元件有一系列優(yōu)點，故應用最為廣泛。10.2氣敏傳感器(1)氣敏元件阻值隨檢測氣體濃度具有指數(shù)變化關系，因此這種器件非常適用于微量低濃度氣體的檢測。(2)材料的物理、化學穩(wěn)定性較好，與其它類型氣敏元件(如接觸燃燒式氣敏元件)相比，氣敏元件壽命長、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強。(3)氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫附時間短時間使用。10.2氣敏傳感器

(4)元件結構簡單，成本低，可靠性高，力學性能良好。(5)對氣體檢測不需要復雜的處理設備。待檢測氣體可通過元件電阻變化直接轉變?yōu)殡娦盘枺以娮杪首兓?，因此信號處理可不用高倍?shù)放大電路就可實現(xiàn)。由于上述特點，半導體氣敏元件一直是目前世界上生產(chǎn)量大、應用面廣的氣敏元件。半導體氣敏元件一直是目前世界上生產(chǎn)量大、應用面廣的氣敏元件。2.組成氣敏電阻體和加熱器

3.結構氣敏元件主要有三種類型：燒結型、薄膜型和厚膜型。其中燒結型氣敏元件是目前工藝最成熟、應用最廣泛的元件。10.2氣敏傳感器10.2氣敏傳感器

圖10-9半導體氣敏電阻元件的結構10.2氣敏傳感器4.電路符號①直熱式：直熱式氣敏元件的優(yōu)點是：熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響；測量回路與加熱回路間沒有隔離，互相影響；加熱絲在加熱和不加熱狀態(tài)下產(chǎn)生漲縮，易造成與材料的接觸不良。②旁熱式：旁熱式氣敏元件克服了直熱式的缺點，其測量極與加熱絲分開，加熱絲不與氣敏元件接觸，避免了回路間的互相影響；元件熱容量大，降低了環(huán)境氣氛對元件加熱溫度的影響，并保持了材料結構的穩(wěn)定性。故這種結構元件穩(wěn)定性、可靠性都較直熱式有所改進。10.3濕敏傳感器10.3.1概述濕度是指大氣中所含的水蒸氣量。它有兩種最常用的表示方法，即絕對濕度和相對濕度。絕對濕度是指一定大小空間中水蒸氣的絕對含量，可用表示。絕對濕度也稱水氣濃度或水氣密度。絕對濕度也可用水的蒸氣壓來表示。設空氣的水氣密度為，與之相應的水蒸氣分壓為，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可以得出其關系式為：10.3濕敏傳感器濕度傳感器依據(jù)使用材料分類：電解質型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導電，隨濕度升高而電阻減小。陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，通過陶瓷工藝，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。10.3濕敏傳感器高分子型：先在玻璃等絕緣基板上蒸發(fā)梳狀電極,通過浸漬或涂覆,使其在基板上附著一層有機高分子感濕膜。有機高分子的材料種類也很多,工作原理也各不相同。單晶半導體型：所用材