半导体传感器.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除半导体传感器磁敏式传感器按其结构可分为体型和结型两大类，前者有霍尔传感器，其材料主要有InSbInAs，Ge，Si，GaAs等和磁敏电阻(InSb，InAs)；后者有磁敏二极管(Ge,Si)、磁敏晶体管(Si)。磁敏传感器的应用范围可分为模拟用途和数字用途两种。例如利用霍尔传感器测量磁场强度，用磁敏电阻、磁敏二极管作无接触式开关等。3.1.1 霍尔传感器霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，有普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关式的霍尔元件。由于霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特件应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。3.1 磁敏式传感器1霍尔效应长为L、宽为b、厚为d的导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制电流 I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制电流 I 和磁感应强度 B 乘积成正比的电势UH，且UHKHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。这一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件。2工作原理霍尔效应是导体中自由电荷受洛仑兹力作用而产生的。设霍尔元件为N型半导体，当它通以电流 I 时，半导体中的电子受到磁场中洛仑兹力FL的作用，其大小为式中为电子速度，B 为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在 FL 的作用下，电子向垂直于 B 和的方向偏移，在器件的某一端积聚负电荷，另一端面则为正电荷积聚。电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中EH为霍尔电场，e为电子电量，UH为霍尔电势。当FL = FE时，电子的积累达到动平衡，即所以 。设流过霍尔元件的电流为 I 时，式中bd为与电流方向垂直的截面积，n 为单位体积内自由电子数(载流子浓度)。则令则KH为霍尔元件的灵敏度。由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度d与KH成反比。RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。3霍尔系数及灵敏度令则二、霍尔元件的主要技术参数1额定功耗P0霍尔元件在环境温度T25时，允许通过霍尔元件的控制电流 I 和工作电压 V 的乘积即为额定功耗。一般可分为最小、典型、最大三档，单位为mw。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗可以知道额定控制电流 I 。有些产品提供额定控制电流和电压，不给出额定功耗。2输入电阻Ri和输出电阻R0Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为。可以在无磁场即B0时，用欧姆表等测量。3不平衡电势U0在额定控制电流 I 之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mV。不平衡电势和额定控制电流 I 之比为不平衡电阻r0。4霍尔电势温度系数在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数，单位为1。5内阻温度系数霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1时，输入电阻只Ri与输出电阻R0变化的百分率称为内阻温度系数，单位为1。一般取不同温度时的平均值。6灵敏度KH其定义向前述。有时某些产品给出无负载时灵敏度（在某一控制电流和一定强度磁场中、霍尔电极间开路时元件的灵敏度）。三、霍尔元件连接方式和输出电路1基本测量电路控制电流I由电源E供给，电位器W调节控制电流I的大小。霍尔元件输出接负载电阻RL，RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势UH，所以在测量中，可以把 I 与 B 的乘积、或者 I，或者 B 作为输入情号，则霍尔元件的输出电势分别正比于 IB 或 I 或 B。 2连接方式为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。下图(a)为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图(b)为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。3霍尔电势的输出电路霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，实际使用中必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有如右图所示两种结构。当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不平衡电势U0小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。例如，选用KH5mV/mAkGs，控制电流为5mA的霍尔元件作线性测量元件测量1Gs10kGs的磁场，则霍尔器件最低输出电势UH为UH5mV/mAkGs5mA10-3kGs25V最大输出电势为 UH5mV/mAkGs5mA10kGs250mV故要选择低噪声、低漂移的放大器作为前级放大。当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。例如，KH20mV/mAkGs，如果控制电流为2mA，施加一个300Gs的磁场，则输出霍尔电势为UH20mV/mAkGs2mA300G s120mV这时选用一般的放大器即可满足。四、霍尔元件的测量误差和补偿方法霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：一类是半导体固有特性；另一类为半导体制造工艺的缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误差。1零位误差及补偿方法零位误差是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。不平衡电势U0是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。如下图(a)所示。当控制电流I流过时，即使末加外磁场，A、B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）U0。下图给出几种常用的补偿方法。为了消除不等位电势，可在阻值较大的桥臂上并联电阻，如下图(a)所示，或在两个桥臂上同时并联如下图(b)、(c)所示的电阻。2温度误差及其补偿由于载流子浓度等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同。而且温度高到一定程度，产生的变化相当大。温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻)的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。(1)利用输出回路并联电阻进行补偿在输入控制电流恒定的情况下，如果输出电阻随温度增加而增大，霍尔电势增加；若在输出端并联一个补偿电阻RL，则通过霍尔元件输出电阻输出电阻（内阻）R0的电流增大，内阻压降亦增大增大，输出电压将会减小。只要适当选据补偿电阻RL，就可达到补偿的目的。在温度影响下，元件的输出电阻从Rt0变到Rt，输出电阻Rt和电势UHt应为 RtRt0 (1+t) ；UHtUHt0 (1+t)式中、为霍尔元件的输出电势UHt和输出电阻Rt的温度系数。此时RL上的电压则为补偿电阻RL上电压随温度变化最小的条件为因此当知道霍尔元件的、及Rt0时，便可以计算出能实现温度补偿的电阻RL的值。因该指出，这种补偿方法，不能完全消除温度误差。(2)利用输入回路的串联电阻进行补偿霍尔元件的控制回路用稳压电源E供电，其输出端处于开路工作状态，当输入回路串联适当的电阻R时，霍尔电势随温度的变化可得到补偿。当温度增加时，霍尔电势的增加值为 UH = UHt0t；另一方面，元件的输入电阻随温度的增加值为 Ri = Rit0t。用稳压源供电时，控制电流和输出电势的减小量为全补偿条件：在霍尔元件的、为已知的条件下，即可求得R与Rt0的关系。但是，R仍然是温度t的函数。实际的补偿电路如上图 (c)所示。调节电位器W1可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联热敏电阻Rt。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使补偿电桥的输出电压UH相应变化，只要仔细调节，即可使其输出电压UH与温度基本无关。3.1.2 磁敏电阻器磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。一、磁阻效应当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为磁阻效应。当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度 B 的平方成正比。如果器件只有在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为式中 B 磁感应强度为B时的电阻率；0 零磁场下的电阻率； 电子迁移率；B 磁感应强度。当电阻率变化为B -0时，则电阻率的相对变化为：/0 = 0.2732B2 = K2B2。由此可知，磁场一定时迁移率越高的材料（如InSb、InAs和NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显。二、磁敏电阻的结构磁敏电阻通常使用两种方法来制作：一种是在较长的元件片上用真空镀膜方法制成，如右图(a)所示的许多短路电极(光栅状)的元件；另一种是在结晶制作过程中有方向性地析出金属而制成磁敏电阻，如上图(b)所示。除此之外，还有圆盘形，中心和边缘处各有一电极，如上图(c)所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。若考虑其形状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为式中：L、b分别为电阻的长和宽；为形状效应系数。在恒定磁感应强度下，其长度L与宽度b比越小，则/0越大。各种形状的磁敏电阻，其磁阻与磁感应强度的关系如右图所示。由图可见，圆盘形样品的磁阻最大。磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大；因此，使用磁敏电阻时必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。3.1.3 磁敏二极管和磁敏三极管霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是PN结型的磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小和体积小等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。一、磁敏二根管的结构和工作原理1结构磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I，本征区I的一面磨成光滑的复合表面(为I区)，另一回打毛，设置成高复合区(为r区)，其目的是因为电子 空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向电流后就会在P、I、N结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是PIN型的。当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加如下图(a)所示的正偏压，则有大量的空穴从r区通过I区进入N区，同时也有大量电子注入P区而形成电流。只有少量电子和空穴在I区复合掉。当磁敏二极管受到如下图 (b)所示的外界磁场H+(正向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，因此，形成的电流因复合速度加快而减小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于r区而复合的电子和空穴数量就越多，载流子减少，外电路的电流越小。当磁敏二极管受到如右图(b)所示的外界磁场片H- (反向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，则外电路的电流变大。利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电转换。3磁敏二极管的主要特性(1)磁电待性在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电持性。磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。它们的磁电特性如下图所示。出图可知，单只使用时，正向磁灵敏度大于反向；互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。(2)伏安特性磁敏二极管正向偏压和通过电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性，如图所示。从图可知，磁敏二极管在不同磁场强度H下的作用，其伏安特性将是不一样。图 (a)为锗磁敏二极管的伏安特性；(b)为硅磁敏二极管的伏安特性。图 (b)表示在较宽的偏压范围内，电流变化比较平坦；当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加、伏安持性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。(3)温度特性一般情况下，磁敏二极管受湿度影响较大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输出电压变化量U，或者在无磁场作用时，中点电压Um随温度变化较大。因此，在实际使用时，必须对其进行温度补偿。互补式温度补偿电路选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压Um随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如此，互补电路还能提高磁灵敏度。差分式电路如下图(c)所示。差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度，还可以弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻R1和R2。全桥电路全桥电路是将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点只能选在小电流区。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的两倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些困难。热敏电阻补偿电路如下图(e)所示。该电路是利用热敏电阻随温度的变化，而使Rt和D的分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。二、磁敏三极管的结构和工作原理1磁敏三极管的结构在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其最大特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的r区和本征I区。长基区分为输运基区和复合基区。 2磁敏三极管的工作原理当磁敏三极管末受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-b，形成基极电流；少数载流子输入到c极，因而基极电流大于集电极电流。当受到正向磁场(H +)作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射极的一侧，导致集电极电流显著下降；当反向磁场(H -)作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。由此可知，磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。3. 磁敏三极管的主要特性(1)磁电特性磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，是主要特性之一。例如，国产NPN型3BCM（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近一条直线，如左下图所示。(2)伏安特性磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。下右图(a)为不受磁场作用时，磁敏三极管的伏安特性曲线；下右图 (b)是磁场为1kG s，基极为3mA时，集电极电流的变化。由该图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。(3)温度特性及其补偿磁敏三极管对温度比较敏感，实际使用时必须采用适当的方法进行温度补偿。对于锗磁敏三极管，例如，3ACM，3BCM，其磁灵敏度的温度系数为0.8/；硅磁敏三极管(3CCM)磁灵敏度的温度系数为-0.6/。对于硅磁敏三极管可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。具体补偿电路如图 (a)所示。当温度升高时，BG1管集电极电流Ic增加，导致BGm管的集电极电流也增加，从而补偿了BGm管因温度升高而导致Ic的下降。图(b)是利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的这一特性使其作硅磁敏三极管的负载，当温度升高时，可以弥补硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组成的差分电路，如图(c)所示，这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，它是一种行之有救的温度补偿电路。3.1.4 磁敏式传感器应用举例一、霍尔位移传感器霍尔位移传感器可制作成如图(a)所示结构。在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。当控制电流I恒定不变时，霍尔电势UH与外磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dB/dx如图(b)所示为一常数时，则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势变化也应是一个常数K（位移传感器的输出灵敏度）：即UHKx 。这说明霍尔电势与位移量成线性关系。其输出电势的极性反映了元件位移方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。 当x0时，则元件置于磁场中心位置，UH0。这种位移传感器一般可测量12mm的微小位移，其特点是惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原理可以测量与之有关的非电量，如力、压力、加速度、液位和压差等。二、汽车霍尔点火器上图是霍尔电子点火器结构示意图。将霍尔元件(图中之3)固定在汽车分电器的白金座上，在分火点上装一个隔磁罩1，罩的竖边根据汽车发动机的缸数，开出等间距的缺口2，当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔器件而成闭合回路，所以电路导通，如上图(a)所示，此时霍尔电路输出低电平（小于等于0.4V）；当罩边凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，如上图(b)所示，霍尔电路输出高电平。霍尔电子点火器原理如下图所示。当霍尔传感器输出低电平时，BG1截止，BG2、BG3导通，点火线圈的初级有一恒定电流通过。当霍尔传感器输出高电平时，BG1导通，BG2、BG3截止，点火器的初级电流截断，此时储存在点火线圈中的能量，在次级线因以高压放电形式输出，即放电点火。汽车霍尔电子点火器，由于它无触点、节油，能适用于恶劣的工作环境和各种车速，冷起动性能好等特点，目前国外已广泛采用。三、磁敏二报管漏磁探伤仅磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特性而设计的。原理如图所示。漏磁探伤仪由激励线圈2、铁芯3、放大器4、磁敏二极管探头5等部分构成。将待测物1 (如钢棒)置于铁芯之下，并使之不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化。若待测钢棒没有损伤的部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感应的磁通为，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出。若钢棒上的裂纹旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知待测铁棒中的缺陷。四、半导体InSb磁敏无接触电位器半导体InSb磁敏无接触电位器是半导体InSb磁阻效应的典型应用之一。与传统电位器相比,它具有无可比拟的优点:无接触电刷、无电接触噪音、旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。半导体InSb磁敏无接触电位器是基于半导体InSb磁阻效应原理，由半导体InSb磁敏电阻元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故称无接触电位器。磁敏无接触电位器工作原理示图和输出特性曲线090-90该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线如图所示。五、锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞视中的应用InSb伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测机上，其工作过程如上图所示，电路原理图如下图所示。 电路工作原理图InSb伪币检测传感器工作原理与输出特性当纸币上的磁性油墨没有进入位置1时，设输出变化为零，如果进入位置1，由于R2电阻增大，则输出变化为0.3mV左右；如果进入位置3时，则仍为0；如果进入位置4，则为-0.3mV，如果进入位置5，则仍为0，就这样产生输出特性，经过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检测伪币，达到理想效果。3.1.5 新型磁敏传感器一、巨磁阻效应器件(GMR)巨磁阻效应器件是德国西门子公司研制生产的一种新颖的磁敏传感器。与传统的金属薄膜磁阻相比，其在弱磁场下的灵敏度更高，有效检测距离高达25毫米；该磁阻传感器与检测磁场的大小无关，仅对磁场的方向非常敏感。因而特别适合于制作角度编码器、无接触电位器,也可用于GPS导航系统。1工作原理巨磁阻效应器件基于多层金属薄膜的磁阻效应，采用真空（溅射）蒸镀、多层金属薄膜工艺技术制成。巨磁阻效应器件与传统的金属薄膜磁阻元件不同，它对磁场强度在515kA/m内的范围变化不太敏感、而对磁场强度的方向变化却非常敏感。巨磁阻效应器件的阻值随磁场强度的GMR工作原理方向的变化关系为：RR0+0.5R（1-cos）式中R0为巨磁阻器件在无磁场下电阻值，R为在有磁场下的电阻变化值，指磁场强度的空间方向,其值为0360。其原理示意图见右图。2特点对磁场强度在515kA/m范围内的变化不敏感,仅对磁场方向敏感;有效检测距离为25mm;在弱磁场下灵敏度非常高;工作温度范围宽,其标称阻值R0和R具有优良的线性温度特性;体积小、功耗低。3典型技术参数工作电源电流:7mA;工作温度范围:-40+120;标称阻值:700;在515kA/m范围内的灵敏度:4%;标称阻值温度系数TCR0：0.090.12%/;磁阻温度系数R：-0.12-0.09%;磁滞（10kAm）： 2度;磁阻效应温度系数RR0：-0.270.23%；4应用巨磁阻效应器件具有弱磁场下灵敏度高、对磁场强度方向变化非常敏感的特性，同时，巨磁阻效应器件又有优良的线性温度特性。因此，可根据实际需要，通过桥式或半桥式电路结构进行温度补偿，以满足巨磁阻传感器的性能要求。二、特性新颖敏感元件 Z元件Z元件的发明是俄罗斯传感器专家V.D.Zotov教授与他的同事们在1983年从一起半导体PN结伏安特性实验出现奇怪的结果所引发的，这种元件也因此得名：Z元件。Z元件是一种N区被重掺杂补偿的特种PN结结构,它通过负载电阻R按正向偏置接在直流电路中，负载电阻R用于限制工作电流并取出电压信号。Z元件的发明人V.D.Zotov教授认为，“Z效应”微观机理的核心在于该PN结在一定电源电压下能产生一种“电流细丝”(Current filament)效应(或译成潺流效应)，并在外部激励下能产生一种所谓“细丝电流”(filament Current)冲击或细丝电流振荡。Z元件应用电路的工作原理为在外部激励下能产生“细丝电流”冲击或电流振荡的缘故。在下图1所示电路中，若在外部激励下产生细丝电流冲击，电路中产生工作电流突变，则负载电阻R上获得开关量输出。若外部激励产生细丝电流振荡，电路中产生振荡电流，则负载电阻R上获得脉冲输出；若外部激励没有达到产生细丝电流冲Z元件原理示意图击或细丝电流振荡的阈值，则负载电阻R上获得模拟量输出。Z元件它的诱人之处就是无需前置放大器和A/D转换器，便可直接输出大幅值数字信号，且是无接触式测量，具有体积小，功耗低,抗噪能力强等优点。3.2 气敏传感器气敏传感器是用来测量气体的类别、浓皮和成分的传感器。由于气体种类繁多性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气 电转换的传感器种类很多。按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气敏传感器，早期所采用的电化学和光学等方法，由于使用不便已很少采用。半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面、还是在内部，可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型（电导控制型、金属氧化物半导体器件）和非电阻型（电压控制型、MOS器件）两种。电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。自从60年代研制成功SnO2(氧化锡)半导体气敏元件后，气敏元件进入了实用阶段。SnO2敏感材料是目前应用最多的一种气敏材料，它已广泛地应用于工矿企业、民用住宅、宾馆饭店等内部对可燃气体和有害气体的检测。3.2.1 (半导体)电阻型气敏传感器一、电阻型半导体气敏材料的导电机理半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量。一部分被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而吸附在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)，则吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数小于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化含物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。当氧化型气体吸附到N型半导体，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体的载流子减少，而使电阻值增大；当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，将使半导体电阻值下降。由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧化的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏器件的响应时间一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。右上图 表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。二、电阻型半导体气敏传感器的结构电阻型半导体气敏传感器通常由气敏元件、加热器和封装体等三部分组成。从制造工艺上可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类。右下图为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2半导体材料为基体、将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，经加温、加压，利用700900的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体导瓷，简称半导瓷。半导瓷内晶粒直径为1m左右，晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气体检测灵敏度则无很大的影响。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，应用受到一走限制。右图为薄膜器件。采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下)。制作方法也很简单。实验证明，SnO2半导体薄膜的气敏特性最好；但这种半导体薄膜为物理性附着，器件间性能差异较大。下图为厚膜型器件。这种器件是将SnO2或ZnO等材料与315(重量)的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到装有铂电极的氧化铝(Al2O3)或氧化硅(SiO2)等绝缘基片上，再经400800温度烧结1h制成。由于这种工艺制成的元件离散性小、机械强度高，适合大批量生产，所以是一种很有前途的器件。图3-2-1图3-2-1加热器可以将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，提高其灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200400左右。加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元件。直热式是将加热丝直接理入SnO2或ZnO粉末中烧结而成，因此，直热式常用于烧结型气敏结构。旁热式是将加热丝和敏感元件同 置于一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外再涂上SnO2等材料。直热式结构的气敏传感器的优点是制造工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压回路中使用。它的缺点是热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响。器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响，所以这类结构器件的稳定性、可靠性比直热式的好。三、气敏器件的基本特性1SnO2系气敏元件烧结型、薄膜型和厚膜型SnO2气敏器件对气体的灵敏度特性如右图所示。气敏元件的阻值RC与空气中被测气体的浓度C成对数关系：log RCm logC+n式中n与气体检测灵敏度有关，除了随材料和气体种类不同而变化外，还会由于测量温度和添加剂的不同而发生大幅度变化。m为气体的分离度，随气体浓度变化而变化，对于可燃性气体， 。 在气敏材料SnO2中添加铂(Pt)或钯(Pd)等作为催化剂，可以提高其灵敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、元件的烧结温度和工作温度都将影响元件的选样性。在同一工作温度下、含1.5%（重量）Pd的气敏元件对CO最灵敏；而含0.2(重量)Pd时，却对CH4最灵敏。又如同一含量Pt的气敏元件。在200以下，检测CO最好；而在300时，则检测丙烷最好；在400以上检测甲烷最佳。经实验证明，在SnO2中添加ThO2 (氧化钍)的气敏元件，不仅对CO的灵敏程度远高于其它气体，而且其灵敏度随时间而产生周期性的振荡现象；同时，该气敏元件在不同浓度的CO气体中，其振荡波形也不一样，如下图所示。虽然目前尚不明确其机理，但可利用这一现象对CO浓度作精确的定量检测。SnO2气敏元件易受环境温度和湿度的影响，上图给出了SnO2气敏元件受环境温度、湿度影响的综合特性曲线。由于环境温度、湿度对其特性有影响，所以便用时，通常需要加温度补偿。2ZnO(氧化锌)系气敏元件ZnO系气敏元件对还原性气体有较高的灵敏度。它的工作温度比SnO2系气敏元件约高100左右，因此不及SnO2系元件应用普遍。同样如此，要提高ZnO系元件对气体的选择性，也需要添加Pt和Pd等添加剂。例如在ZnO中添加Pd，则对H2和CO呈现出较高的灵敏度；而对丁烷(C4H10)、丙烷(C4H8)、乙烷(C4H6)等烷烃类气体则灵敏度很低，如下图(a)所示。如果在ZnO中添加Pt，则对烷烃类气体有很高的灵敏度，而且含碳量越多、灵敏度越高，而对H2和CO气体则灵敏度很低，如下图(b)所示。3.2.2 非电阻型(电压控制型)气敏器件非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOS二极管的电容 电压特性的变化以及MOS场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。由于这类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价格便宜。利用特定材料还可以使器件对某些气体持别敏感。1.MOS二极管气敏元件MOS二极管气敏元件是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50100nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，作为栅电极，如下图(a)所示。由于SiO2层电容Ca固定不变，而Si和SiO2界面电容CS是外加电压的函数。其等效电路见下图8(b)。由等效电路可知，总电容C也是栅偏压的函数。其函数关系称为该类MOS二极管的C V特性。由于钯对氢气(H2)特别敏感，当钯吸附了H2以后会使钯的功函数降低，导致MOS管的C V特性向负偏压方向平移，如右图(c)所示。根据这一特性就可用于测定H2的浓度。2钯 - MOS场效应晶体管气敏器件钯-MOS场效应晶体管(Pd - MOSFET)的结构与普通MOSFET结构，参见下图。从图可知，它们的主要区别在于栅极(G)。Pd-MOSFET的栅电极材料是钯(Pd)、而普通MOSFFT为铝(A1)。因为Pd对H2有很强的吸附性，当H2吸附在Pd栅极上，引起Pd的功函数降低。根据MOSFET工作原理可知，当栅极(G)、源极(S)之间加正向偏压VGS，且VGSVT(阈值电压)时，则栅极氧化层下面的硅从P型变为N型。这个N型区就将源极和漏极连接起来，形成导电通道，即为N型沟道，MOSFET进入工作状态。若此时，在源(S)漏(D)极之间加电压VDS，则源极和漏极之间有电流(IDS)流过。IDS随VDS和VGS 的大小而变化，其变化规律即为MOSFET的V-A特性。当VGSVT时，MOSFET的沟道未形成故无漏源电流。VT的大小除了与衬底材料的性质有关外，还与金属和半导体之间的功函数有关。Pd-MOSFET气敏器件就是利用H2在钯栅极上吸附后引起阈值电压VT下降这一特性来检测H2的。由于这类器件特性尚不够稳定，只能作H2的泄漏检测。湿度是指大气中的水蒸气的含量。通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示。一、绝对湿度与相对湿度1绝对湿度绝对湿度是单位空间中所含水蒸气的绝对含量（质量）。若被测空气的体积为V，被测空气中水蒸气的含量为mV，绝对湿度=VmV。2相对湿度相对湿度是指被测气体中的水蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，般用符号%RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度，因此它是一个无量纲的值。在实际使用中多使用相对湿度概念。虽然人类早已发明了毛发湿度计、干湿球湿度计，但因其响应速度、灵敏度、准确性等性能都不高，而且难以与现代的控制设备相联接，所以只适用于家庭。50年代后，陆续出现了电阻型等湿敏汁，使湿度的测量精度大大提高，但是，与其它物理量的检测相比，无论是敏感元件的性能还是制造工艺和测量精度都差得多、困难得多。原因是空气中水蒸气的含量少，而且在水蒸气中，各种感湿材料涉及到的种种物理、化学过程十分复杂，目前尚未完全清楚所存在问题的原因。3.3 湿敏传感器二、湿敏元件的特性参数1湿度量程湿度测量的全量程为0100RH。但对一种具体的传感器一般是无法覆盖全量程的，所以湿度传感器的标称量称越大，使用的价值就越大。2相对湿度特性曲线湿敏元件的感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等随环境相对度变化关系曲线。通常希望这种曲线在在全量程上是连续的，并呈线性关系。3灵敏度及其温度系数灵敏度就是相对湿度特性曲线的斜率。灵敏度的温度系数就是相对湿度特性曲线与温度间的关系。4响应时间当环境相对湿度变化时，湿敏元件输出的特征量随之变化快慢的程度。当然是越短越好。5湿滞回线和湿滞回差吸湿和脱湿特征曲线的重合程度。原因是湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间不同。三、湿敏元件1氯化锂湿敏元件氯化锂(LiCl)是电解质湿敏元件的代表。它是利用电阻值随环境相对湿度变化而变化的机理制成的测湿元件。氯化锂湿敏元件的结构是在条状绝缘基片(如无碱玻璃)的两面，用化学沉积或真空蒸镀法做上电极，再浸渍一定比例配制的氯化理 聚乙烯醇混合溶液。经老化处理，便制成了氯化理湿敏元件，其结构如右图(a)所示。氯化锂是典型的离子晶体。实践证明，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。氯化锂湿敏元件的电阻值 湿度特性如上图 (b)所示。由图可知，在5080相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。为了扩大湿度测量的线性范围，可以采用几支浸渍不同浓度氯化锂的湿敏元件组合使用。氯化锂湿敏元件的检湿优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达5%。缺点是耐热性差，不能用于露点以下测量。若用作露点检测，湿敏元件必须3个月左右清洗1次和涂敷(浸渍)氯化锂，故维护麻烦。2半导体陶瓷湿敏元件半导体陶瓷湿敏元件通常用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结成多孔陶瓷，这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O- V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导瓷；最后一种(Fe3O4)的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导瓷。无论是负特性，还是正特性的湿敏元件的工作机理至今尚无公认。由左下图和右下图知，当湿度从0RH变化到100RH时，负特性材料的阻值均下降3个数量级，而正特性材料的阻值只增大了约1倍。 MgCr2O4- TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物二氧化钛(MgCr2O4- TiO2)湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件，它是负特性半导瓷。MgCr2O4为P型半导体。它的电阻率较低，阻值温度特性好。为了提高其机械强度和抗热聚变特性，增加TiO2，MgCr2O4与TiO2的比例为70：30，将它们置于1300的温度中烧结而成陶瓷体。然后，将该陶瓷体切割成薄片，在薄片两面，再印制并烧结叉指形氧化钌电极，便成了感湿体。而后，在感湿体外罩上一层加热丝，用以加热清洗污垢，提高感湿能力。器件安装在高致密、疏水性的陶瓷片底府上。在测量电极周围设置隔漏环，防止因吸湿而引起漏电。国产SM-1型湿敏半导体传感器就是这种结构形式。如右图所示。ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上Pt引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤器的方形塑料盒中用树脂固定就形成了ZnO-Cr2O3陶瓷湿度传感器。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0.5W，体积小、成木低，也是一种常用的测湿传感器。膜型四氧化三铁(Fe3O4)湿敏元件Fe3O4湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成。基片选用滑石瓷，其光洁度为很高，它的吸水率低，机械强度高，物化性能稳定。基片上用丝网印刷工艺制成梳状金电极。将预先调好的Fe3O4的胶液涂敷在已有金电极的基片上，膜厚一般为2030微米左右，经低温烘干后，引出电极便成产品。Fe3O4湿敏器件属于负特性的感湿体。Fe3O4湿敏器件的主要优点是：在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，它有较为一致的湿敏持性和较好的温度 湿度特性。左下图和右下图分别为国产MCS型Fe3O4湿敏器件的电阻-湿度特性和温度特性曲线。膜型Fe2O3湿敏元件Fe2O3湿敏元件湿敏元件在低湿高温条件下具有很稳定的湿敏特性。例如，在80、580RH的环境中，重复检测104次，重复误差为5。元件耐恶劣环境的能力也很很强。3高分子湿敏元件(1)电容式湿敏元件高分子电容式湿敏元件是利用湿敏元件的电容值随湿度变化的原理进行湿度测量的。将具有感湿性能的高分子聚合物，例如乙酸-丁酸纤维素或乙酸-丙酸纤维素等做成薄膜，它们具有迅速吸湿和脱湿的能力。将薄膜覆盖在叉指形金电极(下电极)上，然后在感湿薄膜表面上再蒸镀一层多孔金属膜(上电极)，如此结构就构成了一个平行扳电容器。当环境中的水分子沿着上电极的毛细微孔进入感湿膜而被吸附时，湿敏元件的电容值与相对湿度之间具有正比关系，线性度约为1 。 (吸湿-湿度上升过程、脱湿曲线不重合)(2)石英振动式湿敏元件在石英品片的表面涂敷一层聚胺酯高分子膜，当膜吸湿时，由于膜的重量变化而使石英晶片振荡频率发生变化，不同的频率就代表不同程度的湿度。这种湿敏元件，在050”条件下，元件检测湿范围为0RH100RH，误差为5RH。四、水分传感器固体和液体物质内的含水量称为该物质的水分。测量固体或与水不相溶的液体物质内水分含量的仪器称为水分计。1