现代检测技术半导体式传感器

现代检测技术半导体式传感器第一页，共四十九页，2022年，8月28日

1970年，荷兰科学家研制出了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管，标志着离子敏半导体传感器的诞生。半导体传感器以易于实现集成化、微型化、灵敏度高等诸多优点，一直引起世界各国科学家的重视和兴趣。由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世。这类传感器主要是以半导体为敏感材料，在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化，通过检测这些物理特性的变化，即可反映被测参数值。第10章半导体传感器第二页，共四十九页，2022年，8月28日第10章半导体传感器它与各种结构型传感器相比，具有如下特点：①由于传感器原理是基于物理变化的，因而没有相对运动部件，可以做到结构简单、微型化。②灵敏度高，动态性能好，输出为电物理量。③采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化、智能化。④功耗低，安全可靠。第三页，共四十九页，2022年，8月28日第10章半导体传感器同时，半导体传感器也存在以下一些缺点：①线性范围宽，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路。②与所有半导体元件一样，输出特性易受温度影响而漂移，所以应采用补偿措施。③性能参数离散性大。第四页，共四十九页，2022年，8月28日虽然存在上述问题，但半导体传感器仍是目前传感器发展的重要方向，尤其是大规模集成电路技术的不断发展，半导体传感器的技术也日臻完善。从所使用的材料来看，凡是使用半导体为材料的传感器都属于半导体式传感器，如霍尔元件、光敏、磁敏、二极管和三极管热敏电阻、压阻式传感器、光电池、气敏、湿敏、色敏和离子敏等传感器。第10章半导体传感器第五页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.1霍尔效应半导体薄片，若在它的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为的磁场，那么，在垂直于电流和磁场方向上(即霍尔输出端之间)将产生电动势(霍尔电动势或称霍尔电压)，这种现象称为霍尔效应。10.1霍尔式传感器第六页，共四十九页，2022年，8月28日10.1霍尔式传感器图10-1霍尔效应原理图第七页，共四十九页，2022年，8月28日10.1霍尔效应原理图霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。如图10-1中一块长为，宽为，厚度为的N型半导体薄片，沿其长度方向（控制电流端）通过电流，那么，半导体中的载流子(电子)将沿着与电流相反的方向运动，若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场，则由于洛伦兹力的作用，电子向一边偏转，并使该边积累电子，而另一边则积累电荷，于是产生电场，该电场阻止运动电子的继续偏转当电场作用在运动电子上的电场力与洛伦兹力相等时，电子积累便达到动态平衡。第八页，共四十九页，2022年，8月28日10.1霍尔式传感器在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电动势就称为霍尔电势，其大小可用下式表示：第九页，共四十九页，2022年，8月28日10.1霍尔式传感器流过基片的电流常称为激励电流或控制电流，假设它分布均匀，则有将上述公式进行合并整理得第十页，共四十九页，2022年，8月28日10.1霍尔式传感器令则得：由上式可知，霍尔电势的大小正比于控制电流和磁感应强度的乘积；称为霍尔元件的灵敏度，它是表征在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的一个重要参数。还说明，当控制电流方向或磁场方向改变时，输出电动势方向也将改变。但当电流和磁场方向同时改变时，霍尔电动势方向不变。第十一页，共四十九页，2022年，8月28日10.1霍尔式传感器2、结构和符号

霍尔元件的结构由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔元件是一块矩形半导体薄片，在短边的中间以点的形式焊上两根控制电流端引线11′，在元件长边两端面上焊上两根霍尔输出端引线22′，在焊接处要求接触电阻小，呈纯电阻性质(欧姆接触)。霍尔片一般用非磁性金属陶瓷或环氧树脂封装。第十二页，共四十九页，2022年，8月28日10.1霍尔式传感器图10-2霍尔元件的结构和符号第十三页，共四十九页，2022年，8月28日10.1霍尔式传感器3、基本电路霍尔元件的基本电路如图10-3所示。控制电流由供给，为调节控制电流大小的调节电阻。为一般电阻作为负载电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器的内阻。在磁场作用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，以或，或两者同时作为输入信号输入，而输出信号则正比于或，或两者的乘积由于建立霍尔效应所需的时间很短(约之间)，因此控制电流用交流时，频率可以很高(几千兆赫)。第十四页，共四十九页，2022年，8月28日10.1霍尔式传感器

图10-3霍尔元件的基本电路第十五页，共四十九页，2022年，8月28日4、基本特性霍尔元件的电磁特性包括控制电流(直流或交流)与输出之间的关系、霍尔输出与磁场(恒定或交变)之间的关系等特性。（一）特性在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势与控制电流之间呈线性关系。直线的斜率称为控制电流灵敏度，用表示。（二）特性当控制电流—定时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈线性关系，只有当元件工作在以下时，线性度才比较好。10.1霍尔式传感器第十六页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿（一）元件的几何尺寸、电极接点大小对性能的影响,在霍尔电动势表达式中,是把霍尔片的长度看作无限大来考虑的。实际上霍尔片总有一定长度比，而元件的长宽比是否合适对霍尔电动势大小有直接关系。为此上式可写成：式中，为元件的形状系数。第十七页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿

（二）零位误差：包括不等位电动势、寄生直流电动势等①不等位电动势及其补偿不等位电动势是一个主要的零位误差。由于在制作霍尔元件时，不能保证将控制电流极焊在同一位面上，因此，当控制电流流过元件时，即使磁场强度等于零，在霍尔电动势极上仍有电动势存在，该电动势就称为不等位电动势。第十八页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿如果确知控制电流极偏离等位面的方向，就可以采用补偿的方法来减小不等位电势。常用的几种补偿电路如图

第十九页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿②寄生直流电动势由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触，在控制电流极和霍尔电动势极上都可能出现整流效应。因此。当元件通以交流控制电流(不加磁场)时，它的输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电动势分量，这电动势就称为寄生直流电动势。寄生直流电动势与工作电流有关，随工作电流减小而减小。第二十页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿此外，霍尔电动势极的焊点大小不一致，两焊点的热容量不一致产生温差也是造成寄生直流电动势的另一个原因。寄生直流电动势是霍尔元件零位误差的一个组成部分，它的存在对霍尔元件在交流情况下使用是有很大妨碍的。为了减少寄生直流电动势，在元件制作和安装时，应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件。第二十一页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿(3)感应电动势霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电流，由于霍尔电动势极引线布置不合理，在输出回路中也会产生附加感应电动势，这电势的大小正比于磁场变化的频率和磁感应强度的幅值，并与霍尔电动势极引线构成的感应面积成正比，如图10-5a所示第二十二页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿

图10-5感应电动势示意图及其补偿第二十三页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿三温度误差补偿因为半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度随温度变化，故霍尔元件的性能参数，如内阻、霍尔电动势等也将随温度变化。⒈采用恒流源采用恒流源，可免去霍尔元件输入电阻随温度变化对霍尔元件输出电压的影响。第二十四页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿⒉选取合适的负载电阻采用恒流源法补偿霍尔极开路时输入电阻的温度系数。

实际上，霍尔元件的输出电阻随温度变化时会引起负载上输出电压变化，也需进行补偿。第二十五页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿⒊采用补偿元件为了减小霍尔元件的温度误差，常选用温度系数小的元件(如砷化铟)或采用温度补偿措施。图10-6所示是一种既简单、效果又好的补偿电路。在控制电流极并联一个合适的补偿电阻，它起着分流作用。当温度升高时，霍尔元件内阻迅速增加。所以通过元件的电流减少，而通过补偿电阻的电流却增加。这样利用元件内阻的湿度特性和一个补偿电阻，就能自动调节通过霍尔元件的电流大小，起到补偿作用。第二十六页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿图10-6温度补偿电路第二十七页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿图10-7桥路补偿法的温度补偿电路第二十八页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.3基本误差及其补偿霍尔元件的不等位电势用调节的方法进行补偿。在霍尔输出电极上串入一个温度补偿电桥，此电桥的四个臂中有一个是锰铜电阻并联的热敏电阻，以调整其温度系数，其他三臂均为锰铜电阻。因此补偿电桥可以给出一个随温度而改变的可调不平衡电压，该电压与温度为非线性关系，只要细心地调整这个不平衡的非线性电压就可以补偿霍尔元件的温度漂移，在温度范围内效果是可以令人满意的。第二十九页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.4霍尔传感器的应用一、利用与I的关系当磁场恒定时，在一定温度下，霍尔电压与控制电路成很好的线性关系，利用这一特性，霍尔元件可用于直接测量电流和能转换为电流的其它物理量。第三十页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.4霍尔传感器的应用二、利用与B的关系——可用于测量磁场及可转换为磁场的其它物理量

如果保持霍尔元件的激励电流不变，而让它在均匀梯度的磁场中移动时，则其输出的霍尔电压就取决于它在磁场中的位置。利用这一原理可以测量微位移和可转换为微位移的其他量，如压力、加速度、振动等。利用霍尔元件的关系还研制出霍尔式罗盘、方位传感器、转速传感器、接近开关、无触点开关、导磁产品计数器等。第三十一页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.4霍尔传感器的应用当控制电流一定时，霍尔电压与磁感应强度成正比。利用这个关系可以测得交、直流磁感应强度、磁场强度等。利用霍尔元件制作的钳形电流表可以在不切断电路的情况下，通过测量电流产生的磁场而测得该电流值。第三十二页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.4霍尔传感器的应用三、利用与的关系——可进行乘法运算或功率测量如果控制电流为，磁感应强度由激励电流生，则据，霍尔电压可表示为利用上述乘法关系，将霍尔元件与激励线圈、放大器等组合起来，可以做成模拟运算的乘法器、开方器、平方器、除法器等。第三十三页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.4霍尔传感器的应用四、典型应用用于非电量检测的霍尔传感器，通常是通过弹性元件和其他传动机构将待测非电量（如力、压力、应变和加速度等）转换为霍尔元件在磁场中的微小位移。为了获得霍尔电压随位移变化的线性关系，传感器的磁场应具有均匀的梯度变化的特性。这样当霍尔元件在这种磁场中移动时，如使控制电流保持恒定，而使霍尔元件在一个均匀的梯度磁场中沿方向移动，则霍尔电压就只取决于它在磁场中的位移量，并且磁场梯度越大，灵敏度越高，梯度变化越均匀，霍尔电压与位移的关系越接近于线性。第三十四页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.4霍尔传感器的应用如图10-8所示是一种产生梯度磁场的磁系统，由极性相反、磁场强度相同的两个磁钢形成一个如图b所示的均匀的梯度磁场、位移轴的零点位于两磁钢的正中间处。第三十五页，共四十九页，2022年，8月28日10.1.4霍尔传感器的应用图10-8霍尔式位移传感器原理示意图第三十六页，共四十九页，2022年，8月28日10.2气敏传感器为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前实用气体检测方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法具有使用方便、费用低和可把气体浓度转换成相应电量输出的特点。由于接触燃烧法中使用的催化剂长期使用时容易劣化和中毒，灵敏度又较低，故现在多使用半导体气敏传感器。第三十七页，共四十九页，2022年，8月28日10.2气敏传感器气敏电阻是利用半导体与气体接触而电阻发生变化的效应制成的气敏元件。半导体陶瓷与气体接触时电阻发生变化，当接触氧化性气体时，气敏电阻的阻值将增大；当接触还原性气体时，气敏电阻的阻值将减小；被测气体浓度越大，电阻变化越大。第三十八页，共四十九页，2022年，8月28日10.2气敏传感器1.材料半导体陶瓷是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料。在诸多的半导体气敏元件中，由于用氧化锡制成的元件有一系列优点，故应用最为广泛。第三十九页，共四十九页，2022年，8月28日10.2气敏传感器(1)气敏元件阻值随检测气体浓度具有指数变化关系，因此这种器件非常适用于微量低浓度气体的检测。(2)材料的物理、化学稳定性较好，与其它类型气敏元件(如接触燃烧式气敏元件)相比，气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。(3)气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短时间使用。第四十页，共四十九页，2022年，8月28日10.2气敏传感器

(4)元件结构简单，成本低，可靠性高，力学性能良好。(5)对气体检测不需要复杂的处理设备。待检测气体可通过元件电阻变化直接转变为电信号，且元件电阻率变化大，因此信号处理可不用高倍数放大电路就可实现。由于上述特点，半导体气敏元件一直是目前世界上生产量大、应用面广的气敏元件。半导体气敏元件一直是目前世界上生产量大、应用面广的气敏元件。第四十一页，共四十九页，2022年，8月28日2.组成气敏电阻体和加热器

3.结构气敏元件主要有三种类型：烧结型、薄膜型和厚膜型。其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟、应用最广泛的元件。10.2气敏传感器第四十二页，共四十九页，2022年，8月28日10.2气敏传感器

图10-9半导体气敏电阻元件的结构第四十三页，共四十九页，2022年，8月28日10.2气敏传感器4.电路符号①直热式：直热式气敏元件的优点是：热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响；加热丝在加热和不加热状态下产生涨缩，易造成与材料的接触不良。②旁热式：旁热式气敏元件克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间的互相影响；元件热容量大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。故这种结构元件稳定性、可靠性都较直热式有所改进。第四十四页，共四十九页，2022年，8月28日10.3湿敏传感器10.3.1概述湿度是指大气中所含的水蒸气量。它有两种最常用的表示方法，即绝对湿度和相对湿度。