第九章-半導體式傳感器

第9章

半導體式傳感器9.1氣敏傳感器9.2濕敏傳感器9.3磁敏傳感器9.4色敏傳感器9.5半導體式傳感器的應用9.1氣敏傳感器氣敏傳感器是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種器件，它可將檢測到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換成電信號，人們根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得被測氣體在環(huán)境中存在情況的有關信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警。半導體氣敏傳感器的分類：（1）按照半導體變化的物理性質(zhì)，又可分為：電阻型半導體氣敏元件：利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度非電阻型半導體氣敏元件：利用其它參數(shù)的變化來檢測氣體的，如二極管的伏安特性。（2）按照半導體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內(nèi)部，可分為：表面控制型氣敏電阻體控制型氣敏電阻9.1.1

表面控制型氣敏電阻

利用半導體表面因吸附氣體引起半導體元件阻值變化的特性制成的。大多用以檢測可燃性氣體，但是如果氣敏電阻的吸附能力很強，也可檢測非可燃性氣體。優(yōu)點：檢測靈敏度高，響應速度快，開發(fā)研究的最早。N型半導體材料：SnO2、ZnO2

、

CdO2

、TiO2

、W2O3P型半導體材料：

MoO2

、NiO2

、

CoO2

、Cu02、CrO3表面控制型氣敏電阻由三部分組成：

敏感元件、加熱器和外殼為什么多數(shù)氣敏元件都附有加熱器？

目前用得最多的是SnO2

（氧化錫）制成的氣敏元件。分類：按制造工藝分：燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型、多層結(jié)構型按加熱方式分：直熱式和旁熱式。

直熱式直熱式元件又稱內(nèi)熱式，元件管芯由三部分組成：SnO2基體材料、加熱絲、測量絲，它們都埋在SnO2基材內(nèi)。工作時加熱絲通電加熱，測量絲用于測量元件的阻值。優(yōu)點：制作工藝簡單、成本低、功耗小、可以在高電壓下使用、可制成價格低廉的可燃氣體泄漏報警器。缺點：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)下會產(chǎn)生漲縮，易造成接觸不良。旁熱式其管芯增加了一個陶瓷管，在管內(nèi)放進高阻加熱絲，管外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂SnO2材料。

特點：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(jié)構的穩(wěn)定性。目前國產(chǎn)QM-N5型氣敏元件，日本弗加羅TGS#812、813型氣敏元件采用這種結(jié)構。氣敏元件在空氣中阻值大致保持不變，如果被測氣體流入這種氣氛中，元件表面將會產(chǎn)生吸附作用，元件的阻值將隨氣體的濃度而變化，從阻值與濃度的關系上就可知被測氣體的濃度的大小。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～4min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。圖9.3

SnO2氣敏元件電阻與吸附氣體關系

如果被測氣體是氧化性氣體(如O2、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。

如果被測氣體為還原性氣體,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。所謂還原性氣體就是在化學反應中能給出電子，化學價升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。當氧化型氣體吸附到N型半導體上，還原型氣體吸附到P型半導體上，將使載流子濃度減少，電阻增大。當還原型氣體吸附到N型半導體上，氧化型氣體吸附到P型半導體上，載流子濃度增加，電阻減少。注意：主要特性靈敏度特性表示了不同氣體濃度下氣敏元件的阻值。在SnO2中添加一些元素，如Pt（鉑）或Pd（鈀），會提高其靈敏度和對氣體的選擇性。

空氣甲烷COH2氣體濃度(%)阻值主要特性電阻-溫濕度特性

0%20%50%溫度RH電阻在使用時，通常需要加溫濕度補償，以提高儀器的檢測精度和可靠性。

注意：氣敏元件在不通電狀態(tài)下存放一段時間后，在使用之前必須經(jīng)過一段電老化過程。因為在這段時間內(nèi)，器件阻值要發(fā)生突然變化后才趨向于穩(wěn)定，經(jīng)過長時間存放的元件，在標定之前，一般需要1~2周的電老化時間。測量電路

加熱回路：必須加熱到200oC~300oC，加速被測氣體的吸附及電離過程，并燒去氣敏元件表面的污物，起到清潔作用。測試回路：將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流的變化。RL為負載電阻兼作電壓取樣電阻，Rs為氣敏器件電阻，從測量回路可得到回路電流Ic為負載壓降為9.1.2體控制型氣敏元件

體控制型氣敏元件與氣體相互作用時，會引起半導體體內(nèi)的結(jié)構組成發(fā)生變化，從而導致氣敏元件的阻值發(fā)生變化。

常用的體控制型氣敏元件有：MQN型氣敏電阻

、Fe2O3氣敏傳感器：屬于多孔質(zhì)燒結(jié)體傳感器，主要用來檢測甲烷和丙烷等氣體。TiO2氧濃度傳感器：屬于N型半導體，對氧氣十分敏感，周圍環(huán)境的氧氣濃度增大時，半導體的電阻值增大。MQN型氣敏電阻結(jié)構及測量電路1—引腳2—塑料底座3—燒結(jié)體4—不銹鋼網(wǎng)罩5—加熱電極6—工作電極7—加熱回路電源8—測量回路電源

a）氣敏燒結(jié)體b）氣敏電阻外形c）基本測量轉(zhuǎn)換電路氣敏電阻外形

酒精傳感器其他可燃性氣體傳感器酒精測試儀呼氣管酒精傳感器的選擇性一氧化碳傳感器家庭用煤氣報警器家庭用液化氣報警器家用報警器電路圖

這種測量回路能承受較高交流電壓,因此,可直接由市電供電,不加復雜的放大電路,就能驅(qū)動蜂鳴器等來報警。這種報警器的工作原理是:蜂鳴器與氣敏器件構成了簡單串聯(lián)電路，當氣敏器件接觸到泄漏氣體(如煤氣、液化石油氣)時,其阻值降低,回路電流增大,達到報警點時蜂鳴器便發(fā)出警報。NH3傳感器甲烷傳感器二氧化鈦氧濃度傳感器半導體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導體，對氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當周圍氧氣濃度較大時，氧原子進入二氧化鈦晶格，改變了半導體的電阻率，使其電阻值增大。TiO2氧濃度傳感器結(jié)構1－外殼（接地）2－安裝螺栓3－搭鐵線4－保護管5—補償電阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏電阻8－進氣口9－引腳當氧氣含量減小時，RTiO2的阻值減小，Uo增大。TiO2氧濃度傳感器受外界環(huán)境溫度的影響大，當溫度升高時，氣敏電阻的阻值會減小。+12VUoRtRTiO2溫度補償電路熱敏電阻氧濃度傳感器外形

可用于汽車尾氣測量汽車尾氣分析有毒氣體傳感器的使用9.2濕敏傳感器濕度——空氣或其它氣體中的水分含量。濕敏元件能感受外界濕度的變化，并通過元件材料的物理或化學性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)換為可用電信號。濕敏傳感器的原理：水是一種強極性的電解質(zhì)。水分子極易吸附于固體表面并滲透到固體內(nèi)部，引起半導體的電阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二鋁等吸濕材料制作濕敏傳感器。

水蒸氣的凝結(jié)將給儀器設備帶來各種危害

濕度對電子元件的影響

當環(huán)境的相對濕度增大時，物體表面就會附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部。這不僅降低了絕緣強度，還會造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會加速金屬材料的腐蝕并引起有機材料的霉爛。露點：保持壓力一定而降低待測氣體溫度至某一數(shù)值時，待測氣體中的水蒸氣達到飽和狀態(tài)開始結(jié)露或結(jié)霜，此時的溫度稱為這種氣體的露點或霜點（℃）

只要測出露點就可以通過查表得到當時大氣的絕對濕度降低溫度會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。露點與農(nóng)作物的生長有很大關系，結(jié)露也嚴重影響電子儀器的正常工作，必須予以注意。

測量露點的儀器露點傳感器外形

兩個術語：絕對濕度：一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量。用AH表示。單位：g/m3相對濕度：空氣中實際所含水蒸氣密度（即絕對濕度）與同溫度下飽和水蒸氣密度的百分比值，用%RH表示，是一個無量綱的量。是日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(tài)。分類按感濕材料分，大致可分為：水分子親和力型傳感器：通過感濕材料和水分子直接接觸來完成濕信息的傳遞電解質(zhì)濕敏元件半導體陶瓷濕敏元件高分子濕敏元件其他濕敏元件/非水分子親和力型濕敏傳感器：利用濕氣本身的物理性質(zhì)來檢測濕度。

電解質(zhì)濕敏元件優(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±5%；缺點：使用壽命短，耐熱性差，典型代表：氯化鋰LiCl。吸濕后電阻變小，在干燥環(huán)境中又會脫濕，電阻增大。不同濃度的LiCl涂料相對濕度范圍不同%RH30609000.11.0102.2%1.0%0.5%電阻為避免極化，電源必須采用交流。半導體陶瓷濕敏元件

由兩種以上金屬氧化物混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。主要有MgCr2O4-TiO2系、TiO2-V2O5系、ZnCr2O4系、Fe3O4等。優(yōu)點：化學穩(wěn)定性好，易于吸濕和去濕，響應速度快，可加熱清洗，有利于在惡劣環(huán)境下工作，體積小，測量范圍寬。圖9.5燒結(jié)型MgCr2O4-TiO2濕敏傳感器結(jié)構

電極材料選用RuO2,這是因為所制成的RuO2電極具有多孔性,允許水分子通過電極到達陶瓷表面,同時RuO2的熱膨脹系數(shù)與陶瓷體相一致,附著力也比較好。為使傳感器再生復原以便重復使用,所以要在陶瓷感濕體的周圍設置一個加熱器。加熱溫度為450℃,加熱時間為1分鐘。為保證傳感器的測量精度,需要對濕度傳感器定時進行加熱清洗。

(a)電阻-濕度特性(b)電阻-溫度特性按指數(shù)規(guī)律下降負濕度系數(shù)圖9.6MgCrO4―TiO2系陶瓷濕度傳感器的特性注意：燒結(jié)型Fe3O4濕敏元件的阻值會隨濕度的增加而加大，具有正特性。正濕度系數(shù)高分子濕敏元件

能做成濕敏元件的高分子材料有醋酸纖維素、聚胺樹脂、聚乙烯醇、羥乙基纖維等。高分子濕敏元件有電容式、電阻式、石英振動式等。電容式濕敏元件所用到的高分子材料是醋酸纖維素，高分子吸濕后電容變大，它的性能穩(wěn)定，重復性好，響應快，但環(huán)境溫度不能超過80oC。石英振動式是將聚胺樹脂高分子涂在石英晶體表面，形成吸濕膜，當濕度變化時，吸濕膜的重量發(fā)生變化，從而使石英晶體振蕩頻率發(fā)生變化。這種濕敏元件在測量范圍0~100%RH，誤差±5%RH。電子濕度計模塊封裝后的外形電子式溫濕度計機械式、電子式溫濕度計對比小測驗1）TiO2氣敏電阻可測量

的濃度。

A.CO２

B.N2C.氣體打火機車間的有害氣體

D.鍋爐煙道中剩余的氧氣2）濕敏電阻用交流電作為激勵電源是為了___

A.提高靈敏度B.防止產(chǎn)生極化、電解作用

C.減小交流電橋平衡難度3）在使用測謊器時，被測試人由于說謊、緊張而手心出汗，可用____傳感器來檢測。

A.應變片B.熱敏電阻C.氣敏電阻D.濕敏電阻9.3磁敏傳感器磁敏傳感器利用磁電轉(zhuǎn)換原理工作的。60年代，西門子公司研制第一個磁敏元件，68年索尼公司研制成磁敏二極管。半導體磁敏電阻磁敏二極管磁敏三極管半導體磁敏電阻

利用半導體的磁阻效應制成的。磁阻效應：某些材料的電阻值受磁場的影響而改變的現(xiàn)象。利用磁阻效應制成的元件稱為磁敏電阻，利用磁敏電阻可以制成磁場探測儀、位移和角度檢測器、安培計及磁敏交流放大器等。磁敏電阻根據(jù)其制作材料的不同，可分為半導體磁敏電阻和強磁性金屬薄膜磁敏電阻。磁阻元件與霍爾元件的區(qū)別：前者是以電阻的變化來反映磁場的大小，但無法反映磁場的方向；后者是以電動勢的變化來反映磁場的大小和方向。

半導體磁敏電阻磁阻效應

某些材料的電阻值受磁場的影響而改變的現(xiàn)象物理磁阻效應幾何磁阻效應物理磁阻效應置于磁場中的載流子從一個電極向另一個電極運動的過程中，在外加磁場作用下，要受到一個洛侖茲力的作用，從而使其運動軌跡發(fā)生變化。載流子所通過的路徑比無磁場時的路徑長，因而增加了半導體材料的電阻率。而且B越大，R越大。——磁阻效應方程式無磁場時的電阻率

存在磁感應強度為時的電阻率電子遷移率

電阻率的變化：

電阻率的相對變化：

可見：當磁場B一定時，遷移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半導體材料），其磁阻效應越明顯。幾何磁阻效應磁阻效應除了與電子的遷移率和磁場B有關（物理磁阻效應），還與元件的幾何形狀有關考慮幾何磁阻效應，半導體磁敏電阻的磁阻效應方程式為：lw形狀效應系數(shù)

半導體磁敏電阻（1）縱長方形器件電子由一個電極向另一個電極運動的過程中，由于洛侖茲力的作用，使電子運動軌跡發(fā)生偏移，從而形成霍爾電場。當電子受到的fE=fL時，運動軌跡不再發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當?shù)竭_另一端時，fE下降，電子運動軌跡再次偏轉(zhuǎn)。特點：電子運動的路徑增加的不明顯，半導體元件電阻的變化不大。（2）橫長方形器件在外加磁場B作用下，電子運動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由于長度小，所以來不及形成較大的霍爾電場，fL>fE

，電子整個運動軌跡都是偏轉(zhuǎn)的，由于霍爾電場很小，所以磁阻效應明顯。（3）圓形片器件圓盤中心部分為一個電極，外沿為另一個電極，兩個電極之間形成一個電阻器。電子由中央向邊緣運動，由于受到洛侖茲力作用，其運動軌跡為一圓弧形，而且不會形成霍爾電場，電流總是與半徑方向呈霍爾角θ彎曲。（4）“弓”字形器件將橫長片串聯(lián)而成“弓”字形，片與片之間的粗黑線代表金屬導體，電子的運動總是傾斜的，電阻增加的比較多。由于電子運動路徑上有很多金屬導體條，把半導體片分成各個柵格，所以叫“柵格式”磁敏電阻。一般使用N型InSb和InSb―NiSb半導體材料做成磁阻器件。片的厚度盡可能小,典型厚度是20μm,橫向?qū)挾缺瓤v向長度大40倍,初始電阻約100Ω,柵格金屬條在100根以上。半導體磁敏電阻由基片、電阻條和引線三個主要部分組成，其靈敏度很高，且受溫度的影響較大，所以在實際使用時一般要設計溫度補償電路。

溫度補償電路一般半導體磁敏元件在弱磁場中呈現(xiàn)平方特性，在強磁場中呈現(xiàn)線性變化。因此,為了提高靈敏度,在磁阻器件上有必要附加一個具有一定磁場的磁鐵。B地球磁場的方向地球的核心是由金屬組成，環(huán)繞地球形成了一個被稱作“磁氣圈”的巨大磁場。磁力線都是從地球的一端進而從另一端出，這兩端就是地球的“磁極”。地球磁場的強度并不是均勻分布的，磁敏電阻可用于測量地球磁場的方向及強度的變化。指南針只能指示地球磁場的方向。磁阻式電子羅盤磁敏電阻IC（集成磁敏傳感器）磁敏傳感器利用磁阻效應，將三維方向的三個磁敏傳感器件集成在同一個芯片上，可以很好地感測地球磁場。如將它裝在公路上或通道的上方，當含有鐵性物質(zhì)的汽車駛過時，會干擾地磁場的分布。根據(jù)鐵磁物體對地磁的擾動，可檢測車輛的存在，也可以根據(jù)不同車輛對地磁產(chǎn)生的不同擾動來識別車輛類型。磁敏電阻的應用

根據(jù)鐵磁物體對地磁的擾動，可檢測車輛的存在，可用于包括自動開門，路況監(jiān)測，停車場檢測，車輛位置監(jiān)測，紅綠燈控制等。

磁阻IC用于轉(zhuǎn)速測量磁力線集中磁力線分散磁阻IC用于筆式驗鈔器驗鈔筆順著紙幣上的磁性防偽線掃描利用磁敏電阻制作小型探礦儀（磁力儀）——用于鐵礦的勘探磁敏電阻（聚四氟乙烯封裝）磁力探礦儀的使用磁敏電阻小型探礦儀磁敏二極管PN結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件I區(qū)：高阻/本征區(qū)P、N：摻雜區(qū)P-I-N結(jié)I區(qū)兩側(cè)處理：光滑：I面打毛：復合面（r面）特點：長基區(qū)PiN型二極管，PN為摻雜區(qū)，本征區(qū)i長度較長，構成高阻半導體。工作原理磁場H=0：少量電子和空穴在I區(qū)、r區(qū)復合正向磁場H+

：電子和空穴偏向r區(qū)，電流因復合增大而減小，基區(qū)的等效電阻增大反向磁場H-：電子和空穴偏向I區(qū)，電流因復合減少而增大，基區(qū)的等效電阻減小注意：磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極，即外加正偏壓。磁敏二極管反向偏置時，則僅有很微小的電流流過，并且?guī)缀跖c磁場無關。所以磁敏二極管僅能在正向偏壓下工作。利用磁敏二極管在磁場強度的變化下，其電流發(fā)生變化，于是就實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。磁敏二極管磁電特性單只磁敏二極管使用時，正向靈敏度大于反向。

兩只磁敏二極管互補使用時，正反向磁靈敏度曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性。磁敏二極管溫度特性在標準測試條件下，輸出電壓變化量隨溫度的變化。其一般比較大。實際使用必須進行溫度補償。硅管的使用溫度是-40oC~±85oC，鍺管是-40~±65oC。T/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20-5-4-3-2-1IΔUI/mAΔU/VERm1Rm2R2R1U0Rm1EU0Rm2RtEU0RmRm1Rm2Rm3Rm4EU0常用的溫度補償電路:磁敏三極管

磁敏三極管是70年代發(fā)展起來的具有雙極性長基區(qū)晶體管，主要用于檢測、無觸點開關和接近開關等。

在弱P型或弱N型本征半導體上用合金法或擴散法形成發(fā)射極、基極和集電極?；鶇^(qū)較長?；鶇^(qū)結(jié)構類似磁敏二極管，有高復合速率的r區(qū)和本征I區(qū)。長基區(qū)分為運輸基區(qū)和復合基區(qū)。

(a)結(jié)構(b)符號基區(qū)可以分為運輸基區(qū)和復合基區(qū)。運輸基區(qū)是將發(fā)射極注入的載流子輸運到集電極；復合基區(qū)是將發(fā)射極和基極注入的載流子復合。復合基區(qū)輸運基區(qū)復合基區(qū)輸運基區(qū)復合基區(qū)輸運基區(qū)復合基區(qū)輸運基區(qū)無磁場作用：

e-I-b：基極電流輸運基區(qū)：集電極電流正向磁場作用：載流子偏向復合區(qū)，集電極電流減小反向磁場作用：載流子偏向集電極一側(cè)，集電極電流變大

由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來測量弱磁場、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。

磁敏三極管的主要特性(1)磁電特性下圖為國產(chǎn)NPN型3BCM(鍺)磁敏三極管的磁電特性，在