第九章-半导体式传感器

第9章

半导体式传感器9.1气敏传感器9.2湿敏传感器9.3磁敏传感器9.4色敏传感器9.5半导体式传感器的应用9.1气敏传感器气敏传感器是能感知环境中某种气体及其浓度的一种器件，它可将检测到的气体成分和浓度转换成电信号，人们根据这些电信号的强弱就可以获得被测气体在环境中存在情况的有关信息，从而可以进行检测、监控、报警。半导体气敏传感器的分类：（1）按照半导体变化的物理性质，又可分为：电阻型半导体气敏元件：利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度非电阻型半导体气敏元件：利用其它参数的变化来检测气体的，如二极管的伏安特性。（2）按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为：表面控制型气敏电阻体控制型气敏电阻9.1.1

表面控制型气敏电阻

利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件阻值变化的特性制成的。大多用以检测可燃性气体，但是如果气敏电阻的吸附能力很强，也可检测非可燃性气体。优点：检测灵敏度高，响应速度快，开发研究的最早。N型半导体材料：SnO2、ZnO2

、

CdO2

、TiO2

、W2O3P型半导体材料：

MoO2

、NiO2

、

CoO2

、Cu02、CrO3表面控制型气敏电阻由三部分组成：

敏感元件、加热器和外壳为什么多数气敏元件都附有加热器？

目前用得最多的是SnO2

（氧化锡）制成的气敏元件。分类：按制造工艺分：烧结型、薄膜型、厚膜型、多层结构型按加热方式分：直热式和旁热式。

直热式直热式元件又称内热式，元件管芯由三部分组成：SnO2基体材料、加热丝、测量丝，它们都埋在SnO2基材内。工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值。优点：制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。缺点：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会产生涨缩，易造成接触不良。旁热式其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放进高阻加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2材料。

特点：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。目前国产QM-N5型气敏元件，日本弗加罗TGS#812、813型气敏元件采用这种结构。气敏元件在空气中阻值大致保持不变，如果被测气体流入这种气氛中，元件表面将会产生吸附作用，元件的阻值将随气体的浓度而变化，从阻值与浓度的关系上就可知被测气体的浓度的大小。当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热时，其阻值急剧下降，阻值发生变化的时间(称响应时间)不到1min，然后上升，经2min～4min后达到稳定，这段时间为初始稳定时间，元件只有在达到初始稳定状态后才可用于气体检测。

当电阻值处于稳定值后，会随被测气体的吸附情况而发生变化，其电阻的变化规律视气体的性质而定。图9.3

SnO2气敏元件电阻与吸附气体关系

如果被测气体是氧化性气体(如O2、NOx)，被吸附气体分子从气敏元件得到电子，使N型半导体中载流子电子减少，因而电阻值增大。

如果被测气体为还原性气体,气体分子向气敏元件释放电子，使元件中载流子电子增多，因而电阻值下降。所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上，将使载流子浓度减少，电阻增大。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，载流子浓度增加，电阻减少。注意：主要特性灵敏度特性表示了不同气体浓度下气敏元件的阻值。在SnO2中添加一些元素，如Pt（铂）或Pd（钯），会提高其灵敏度和对气体的选择性。

空气甲烷COH2气体浓度(%)阻值主要特性电阻-温湿度特性

0%20%50%温度RH电阻在使用时，通常需要加温湿度补偿，以提高仪器的检测精度和可靠性。

注意：气敏元件在不通电状态下存放一段时间后，在使用之前必须经过一段电老化过程。因为在这段时间内，器件阻值要发生突然变化后才趋向于稳定，经过长时间存放的元件，在标定之前，一般需要1~2周的电老化时间。测量电路

加热回路：必须加热到200oC~300oC，加速被测气体的吸附及电离过程，并烧去气敏元件表面的污物，起到清洁作用。测试回路：将电阻的变化转换成电压、电流的变化。RL为负载电阻兼作电压取样电阻，Rs为气敏器件电阻，从测量回路可得到回路电流Ic为负载压降为9.1.2体控制型气敏元件

体控制型气敏元件与气体相互作用时，会引起半导体体内的结构组成发生变化，从而导致气敏元件的阻值发生变化。

常用的体控制型气敏元件有：MQN型气敏电阻

、Fe2O3气敏传感器：属于多孔质烧结体传感器，主要用来检测甲烷和丙烷等气体。TiO2氧浓度传感器：属于N型半导体，对氧气十分敏感，周围环境的氧气浓度增大时，半导体的电阻值增大。MQN型气敏电阻结构及测量电路1—引脚2—塑料底座3—烧结体4—不锈钢网罩5—加热电极6—工作电极7—加热回路电源8—测量回路电源

a）气敏烧结体b）气敏电阻外形c）基本测量转换电路气敏电阻外形

酒精传感器其他可燃性气体传感器酒精测试仪呼气管酒精传感器的选择性一氧化碳传感器家庭用煤气报警器家庭用液化气报警器家用报警器电路图

这种测量回路能承受较高交流电压,因此,可直接由市电供电,不加复杂的放大电路,就能驱动蜂鸣器等来报警。这种报警器的工作原理是:蜂鸣器与气敏器件构成了简单串联电路，当气敏器件接触到泄漏气体(如煤气、液化石油气)时,其阻值降低,回路电流增大,达到报警点时蜂鸣器便发出警报。NH3传感器甲烷传感器二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。TiO2氧浓度传感器结构1－外壳（接地）2－安装螺栓3－搭铁线4－保护管5—补偿电阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏电阻8－进气口9－引脚当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。TiO2氧浓度传感器受外界环境温度的影响大，当温度升高时，气敏电阻的阻值会减小。+12VUoRtRTiO2温度补偿电路热敏电阻氧浓度传感器外形

可用于汽车尾气测量汽车尾气分析有毒气体传感器的使用9.2湿敏传感器湿度——空气或其它气体中的水分含量。湿敏元件能感受外界湿度的变化，并通过元件材料的物理或化学性质变化，将湿度转换为可用电信号。湿敏传感器的原理：水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏传感器。

水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害

湿度对电子元件的影响

当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。露点：保持压力一定而降低待测气体温度至某一数值时，待测气体中的水蒸气达到饱和状态开始结露或结霜，此时的温度称为这种气体的露点或霜点（℃）

只要测出露点就可以通过查表得到当时大气的绝对湿度降低温度会产生结露现象。露点与农作物的生长有很大关系，结露也严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。

测量露点的仪器露点传感器外形

两个术语：绝对湿度：一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量。用AH表示。单位：g/m3相对湿度：空气中实际所含水蒸气密度（即绝对湿度）与同温度下饱和水蒸气密度的百分比值，用%RH表示，是一个无量纲的量。是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。分类按感湿材料分，大致可分为：水分子亲和力型传感器：通过感湿材料和水分子直接接触来完成湿信息的传递电解质湿敏元件半导体陶瓷湿敏元件高分子湿敏元件其他湿敏元件/非水分子亲和力型湿敏传感器：利用湿气本身的物理性质来检测湿度。

电解质湿敏元件优点：滞后小，不受测试环境风速的影响，检测精度一般可达±5%；缺点：使用寿命短，耐热性差，典型代表：氯化锂LiCl。吸湿后电阻变小，在干燥环境中又会脱湿，电阻增大。不同浓度的LiCl涂料相对湿度范围不同%RH30609000.11.0102.2%1.0%0.5%电阻为避免极化，电源必须采用交流。半导体陶瓷湿敏元件

由两种以上金属氧化物混合烧结而成的多孔陶瓷。主要有MgCr2O4-TiO2系、TiO2-V2O5系、ZnCr2O4系、Fe3O4等。优点：化学稳定性好，易于吸湿和去湿，响应速度快，可加热清洗，有利于在恶劣环境下工作，体积小，测量范围宽。图9.5烧结型MgCr2O4-TiO2湿敏传感器结构

电极材料选用RuO2,这是因为所制成的RuO2电极具有多孔性,允许水分子通过电极到达陶瓷表面,同时RuO2的热膨胀系数与陶瓷体相一致,附着力也比较好。为使传感器再生复原以便重复使用,所以要在陶瓷感湿体的周围设置一个加热器。加热温度为450℃,加热时间为1分钟。为保证传感器的测量精度,需要对湿度传感器定时进行加热清洗。

(a)电阻-湿度特性(b)电阻-温度特性按指数规律下降负湿度系数图9.6MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性注意：烧结型Fe3O4湿敏元件的阻值会随湿度的增加而加大，具有正特性。正湿度系数高分子湿敏元件

能做成湿敏元件的高分子材料有醋酸纤维素、聚胺树脂、聚乙烯醇、羟乙基纤维等。高分子湿敏元件有电容式、电阻式、石英振动式等。电容式湿敏元件所用到的高分子材料是醋酸纤维素，高分子吸湿后电容变大，它的性能稳定，重复性好，响应快，但环境温度不能超过80oC。石英振动式是将聚胺树脂高分子涂在石英晶体表面，形成吸湿膜，当湿度变化时，吸湿膜的重量发生变化，从而使石英晶体振荡频率发生变化。这种湿敏元件在测量范围0~100%RH，误差±5%RH。电子湿度计模块封装后的外形电子式温湿度计机械式、电子式温湿度计对比小测验1）TiO2气敏电阻可测量

的浓度。

A.CO２

B.N2C.气体打火机车间的有害气体

D.锅炉烟道中剩余的氧气2）湿敏电阻用交流电作为激励电源是为了___

A.提高灵敏度B.防止产生极化、电解作用

C.减小交流电桥平衡难度3）在使用测谎器时，被测试人由于说谎、紧张而手心出汗，可用____传感器来检测。

A.应变片B.热敏电阻C.气敏电阻D.湿敏电阻9.3磁敏传感器磁敏传感器利用磁电转换原理工作的。60年代，西门子公司研制第一个磁敏元件，68年索尼公司研制成磁敏二极管。半导体磁敏电阻磁敏二极管磁敏三极管半导体磁敏电阻

利用半导体的磁阻效应制成的。磁阻效应：某些材料的电阻值受磁场的影响而改变的现象。利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻，利用磁敏电阻可以制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计及磁敏交流放大器等。磁敏电阻根据其制作材料的不同，可分为半导体磁敏电阻和强磁性金属薄膜磁敏电阻。磁阻元件与霍尔元件的区别：前者是以电阻的变化来反映磁场的大小，但无法反映磁场的方向；后者是以电动势的变化来反映磁场的大小和方向。

半导体磁敏电阻磁阻效应

某些材料的电阻值受磁场的影响而改变的现象物理磁阻效应几何磁阻效应物理磁阻效应置于磁场中的载流子从一个电极向另一个电极运动的过程中，在外加磁场作用下，要受到一个洛仑兹力的作用，从而使其运动轨迹发生变化。载流子所通过的路径比无磁场时的路径长，因而增加了半导体材料的电阻率。而且B越大，R越大。——磁阻效应方程式无磁场时的电阻率

存在磁感应强度为时的电阻率电子迁移率

电阻率的变化：

电阻率的相对变化：

可见：当磁场B一定时，迁移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显。几何磁阻效应磁阻效应除了与电子的迁移率和磁场B有关（物理磁阻效应），还与元件的几何形状有关考虑几何磁阻效应，半导体磁敏电阻的磁阻效应方程式为：lw形状效应系数

半导体磁敏电阻（1）纵长方形器件电子由一个电极向另一个电极运动的过程中，由于洛仑兹力的作用，使电子运动轨迹发生偏移，从而形成霍尔电场。当电子受到的fE=fL时，运动轨迹不再发生偏转。当到达另一端时，fE下降，电子运动轨迹再次偏转。特点：电子运动的路径增加的不明显，半导体元件电阻的变化不大。（2）横长方形器件在外加磁场B作用下，电子运动轨迹发生偏转，由于长度小，所以来不及形成较大的霍尔电场，fL>fE

，电子整个运动轨迹都是偏转的，由于霍尔电场很小，所以磁阻效应明显。（3）圆形片器件圆盘中心部分为一个电极，外沿为另一个电极，两个电极之间形成一个电阻器。电子由中央向边缘运动，由于受到洛仑兹力作用，其运动轨迹为一圆弧形，而且不会形成霍尔电场，电流总是与半径方向呈霍尔角θ弯曲。（4）“弓”字形器件将横长片串联而成“弓”字形，片与片之间的粗黑线代表金属导体，电子的运动总是倾斜的，电阻增加的比较多。由于电子运动路径上有很多金属导体条，把半导体片分成各个栅格，所以叫“栅格式”磁敏电阻。一般使用N型InSb和InSb―NiSb半导体材料做成磁阻器件。片的厚度尽可能小,典型厚度是20μm,横向宽度比纵向长度大40倍,初始电阻约100Ω,栅格金属条在100根以上。半导体磁敏电阻由基片、电阻条和引线三个主要部分组成，其灵敏度很高，且受温度的影响较大，所以在实际使用时一般要设计温度补偿电路。

温度补偿电路一般半导体磁敏元件在弱磁场中呈现平方特性，在强磁场中呈现线性变化。因此,为了提高灵敏度,在磁阻器件上有必要附加一个具有一定磁场的磁铁。B地球磁场的方向地球的核心是由金属组成，环绕地球形成了一个被称作“磁气圈”的巨大磁场。磁力线都是从地球的一端进而从另一端出，这两端就是地球的“磁极”。地球磁场的强度并不是均匀分布的，磁敏电阻可用于测量地球磁场的方向及强度的变化。指南针只能指示地球磁场的方向。磁阻式电子罗盘磁敏电阻IC（集成磁敏传感器）磁敏传感器利用磁阻效应，将三维方向的三个磁敏传感器件集成在同一个芯片上，可以很好地感测地球磁场。如将它装在公路上或通道的上方，当含有铁性物质的汽车驶过时，会干扰地磁场的分布。根据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，也可以根据不同车辆对地磁产生的不同扰动来识别车辆类型。磁敏电阻的应用

根据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，可用于包括自动开门，路况监测，停车场检测，车辆位置监测，红绿灯控制等。

磁阻IC用于转速测量磁力线集中磁力线分散磁阻IC用于笔式验钞器验钞笔顺着纸币上的磁性防伪线扫描利用磁敏电阻制作小型探矿仪（磁力仪）——用于铁矿的勘探磁敏电阻（聚四氟乙烯封装）磁力探矿仪的使用磁敏电阻小型探矿仪磁敏二极管PN结型的磁电转换元件I区：高阻/本征区P、N：掺杂区P-I-N结I区两侧处理：光滑：I面打毛：复合面（r面）特点：长基区PiN型二极管，PN为掺杂区，本征区i长度较长，构成高阻半导体。工作原理磁场H=0：少量电子和空穴在I区、r区复合正向磁场H+

：电子和空穴偏向r区，电流因复合增大而减小，基区的等效电阻增大反向磁场H-：电子和空穴偏向I区，电流因复合减少而增大，基区的等效电阻减小注意：磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极，即外加正偏压。磁敏二极管反向偏置时，则仅有很微小的电流流过，并且几乎与磁场无关。所以磁敏二极管仅能在正向偏压下工作。利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。磁敏二极管磁电特性单只磁敏二极管使用时，正向灵敏度大于反向。

两只磁敏二极管互补使用时，正反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。磁敏二极管温度特性在标准测试条件下，输出电压变化量随温度的变化。其一般比较大。实际使用必须进行温度补偿。硅管的使用温度是-40ºC~±85ºC，锗管是-40~±65ºC。T/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20-5-4-3-2-1IΔUI/mAΔU/VERm1Rm2R2R1U0Rm1EU0Rm2RtEU0RmRm1Rm2Rm3Rm4EU0常用的温度补偿电路:磁敏三极管

磁敏三极管是70年代发展起来的具有双极性长基区晶体管，主要用于检测、无触点开关和接近开关等。

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。基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合速率的r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区。

(a)结构(b)符号基区可以分为运输基区和复合基区。运输基区是将发射极注入的载流子输运到集电极；复合基区是将发射极和基极注入的载流子复合。复合基区输运基区复合基区输运基区复合基区输运基区复合基区输运基区无磁场作用：

e-I-b：基极电流输运基区：集电极电流正向磁场作用：载流子偏向复合区，集电极电流减小反向磁场作用：载流子偏向集电极一侧，集电极电流变大

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。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。

磁敏三极管的主要特性(1)磁电特性下图为国产NPN型3BCM(锗)磁敏三极管的磁电特性，在