傳感器基礎(chǔ)期末復(fù)習(xí)

1、傳感器的定義能把被測(cè)物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的電量輸出的裝置稱(chēng)為傳感器半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器利用半導(dǎo)體材料各種物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制成的傳感器物理敏感半導(dǎo)體傳感器 將物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件化學(xué)敏感半導(dǎo)體傳感器 將化學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，按敏感對(duì)象可分為對(duì)氣體、濕度、離子等敏感的類(lèi)型，具有類(lèi)似于人的嗅覺(jué)和味覺(jué)的功能生物敏感半導(dǎo)體傳感器 將生物量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件，往往利用膜的選擇作用、酶的生化反應(yīng)和免疫反應(yīng)，通過(guò)測(cè)量反應(yīng)生成物或消耗物的數(shù)量達(dá)到檢測(cè)的目的遲滯 正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休敵鲚斎肭€不重合稱(chēng)為遲滯。 重復(fù)性 傳感器在輸入按同一方向連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得特性

2、曲線不一致的程度。 上升時(shí)間tr ：輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時(shí)間。 響應(yīng)時(shí)間ts ：系統(tǒng)從階躍輸入開(kāi)始到輸出值進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。 峰值時(shí)間tp ：階躍響應(yīng)曲線達(dá)到第一個(gè)峰值所需時(shí)間。光生伏特效應(yīng)： 在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象?；谠撔?yīng)的器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化光電效應(yīng) 光敏傳感器的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生電效應(yīng)。外光電效應(yīng) 入射光子被物質(zhì)的表面所吸收，并從表面向外部釋放電子的一種物理

3、現(xiàn)象。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）二次電子發(fā)射 當(dāng)具有足夠動(dòng)c 能的電子轟擊打拿極表面有電子發(fā)射出來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為二次電子發(fā)射.應(yīng)力 作用在單位面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力應(yīng)變 微小材料元素在承受應(yīng)力時(shí)所產(chǎn)生的單位長(zhǎng)度的變形量壓阻效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，由于載流子遷移率的變化 ，電阻率將發(fā)生顯著的變化方塊電阻 一個(gè)正方形的薄膜導(dǎo)電材料邊到邊之間的電阻溫度傳感器 一種將溫度轉(zhuǎn)化為電學(xué)量變化的裝置，用于檢測(cè)溫度和熱量半導(dǎo)陶瓷熱敏電阻 一般是用金屬氧化物為原料，采用陶瓷工

4、藝制備的具有半導(dǎo)體特性的陶瓷電阻器熱敏電阻的耗散系數(shù) 熱敏電阻的耗散系數(shù)定義為熱敏電阻功率耗散的變化量 與該元件的溫度變化量 之比，即熱敏電阻的體溫每升高度所消耗的功率熱敏電阻的熱時(shí)間常數(shù) 在零功率條件下，當(dāng)溫度突變時(shí)，熱敏電阻的溫度變化了始末兩個(gè)溫度差的 63.2% 時(shí)所需的時(shí)間熱敏電阻的互換性 同一標(biāo)稱(chēng)電阻值得熱敏電阻器之間可互換的程度IC溫度傳感器 指把溫度傳感器與后續(xù)的放大器等，用集成化技術(shù)制作在同一基片上而成的集傳感器與放大為一體的功能器件。霍爾效應(yīng) 霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電材料中的電流與磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的物理效應(yīng)。磁敏傳感器 一種將磁學(xué)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件或裝置霍爾傳感器 將霍爾

5、元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上，稱(chēng)之為霍爾傳感器磁阻效應(yīng) 在半導(dǎo)體上施加磁場(chǎng)時(shí)，由于洛倫茲力的作用，載流子的漂移方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，致使與外加電場(chǎng)同方向的電流分量減小，等價(jià)于電阻增大氣體傳感器 就是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或者器件。半導(dǎo)體氣體傳感器 利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)， 產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來(lái)檢測(cè)氣體的。氣敏元件的靈敏度 氣敏元件對(duì)于被測(cè)氣體的敏感程度的指標(biāo)。氣敏元件的選擇性 在多種氣體共存的條件下，氣敏元件區(qū)分氣體種類(lèi)的能力。氣敏元件的響應(yīng)時(shí)間 表示在工作溫度下，氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測(cè)氣體接觸時(shí)

6、開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63時(shí)為止氣敏元件的恢復(fù)時(shí)間 表示在工作溫度下,被測(cè)氣體由該元件上解吸的速度,一般從氣敏元件脫離被測(cè)氣體時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63時(shí)所需時(shí)間。初期穩(wěn)定時(shí)間 一般電阻型氣敏元件,在剛通電的瞬間,其電阻值將下降,然后再上升，最后達(dá)到穩(wěn)定。由開(kāi)始通電直到氣敏元件阻值到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間，稱(chēng)為初期穩(wěn)定時(shí)間第四章 光敏傳感器1光電效應(yīng)通常分為哪幾類(lèi)？與之對(duì)應(yīng)的光電器件有哪些？光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)的概念。分兩類(lèi):外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)：入射光子被物質(zhì)的表面所吸收，并從表面向外部釋放電子的一種物理現(xiàn)象?；谕夤怆娦?yīng)

7、的光電器件有光電管、光電倍增管。內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。 基于外光電效應(yīng)的光電器件有光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管。光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。光生伏特效應(yīng)：在光作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。2半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)與入射光頻率的關(guān)系是什么？為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即本征： 對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體：3光電倍增管產(chǎn)生暗電流的原因有哪些？如何降低暗電流？ 原因：環(huán)境溫度、熱輻射及其他因素。主要因素：1歐姆漏電（低壓）：主要指光電倍增管

8、的電極之間玻璃漏電、管座漏電和灰塵漏電等。2熱發(fā)射（較高）：由于光電陰極材料的光電發(fā)射閾值較低，容易產(chǎn)生熱電子發(fā)射。3殘余氣體放電（高壓）：光電倍增管中高速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)使管中的殘余氣體電離，產(chǎn)生正離子和光子，它們也將被倍增，形成暗電流4場(chǎng)致發(fā)射：光電倍增管的工作電壓高時(shí)還會(huì)引起管內(nèi)電極上的尖端或棱角的場(chǎng)強(qiáng)太高產(chǎn)生的場(chǎng)致發(fā)射暗電流。5玻璃殼放電和玻璃熒光：當(dāng)光電倍增管負(fù)高壓使用時(shí)，金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場(chǎng)很強(qiáng)，尤其是金屬屏蔽層與處于負(fù)高壓的陰極電場(chǎng)最強(qiáng)。在強(qiáng)電場(chǎng)下玻璃殼可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象或出現(xiàn)玻璃熒光，放電和熒光都要引起暗電流，而且還將嚴(yán)重破壞信號(hào)。措施：選用熱發(fā)散射小的材料，降低光電倍增管溫

9、度。 降低工作電壓。 增加屏蔽殼與玻璃管壁間的距離。 保持管殼和所有連接器件的清潔干燥。 加強(qiáng)工藝，完善器件做工。在管子封口前低溫烘烤多余的殘留氣體。4試述光電倍增管的組成及工作原理。 （1）光電倍增管是一種真空光電發(fā)射器件，它主要由（光入射）窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極(打拿極)和陽(yáng)極五部分組成。 （2）工作原理：光照射到陰極上產(chǎn)生光電子，光電子在真空中電場(chǎng)的作用下被加速而投射到第一個(gè)打拿極上，產(chǎn)生36倍的二次電子，被打出來(lái)的二次電子再經(jīng)過(guò)加速電場(chǎng)的加速，又打在第二倍增電極上，電子數(shù)目又增加36倍，如此不斷連續(xù)倍增，直到最后一級(jí)的倍增極產(chǎn)生的二次電子被更高電位的陽(yáng)極收集為止，其電子數(shù)將

10、達(dá)到陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。從而在整個(gè)回路里形成光電流IA。工作時(shí)，電極電位從陰極到陽(yáng)極經(jīng)過(guò)各個(gè)打拿極逐級(jí)升高，即每個(gè)打拿極電壓應(yīng)滿足V11>V10>.V3>V2>V1，（其中V11，V10，.V3，V2，V1分別為各打拿極的電壓。）5簡(jiǎn)述光敏二極管和光敏三極管的工作原理及兩管的區(qū)別。光電二極管工作原理：（1） 光照產(chǎn)生光生電子和光生空穴光生載流子。（2） 勢(shì)壘區(qū)光生載流子在結(jié)電場(chǎng)作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，光生電子被拉向N區(qū)而光生空穴被拉向P區(qū)。（3） 勢(shì)壘區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子可向勢(shì)壘區(qū)擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流，其運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于勢(shì)壘區(qū)的漂移電流。擴(kuò)散過(guò)程中有大量載流子因復(fù)合而

11、湮滅。（4） 光電流主要來(lái)自于勢(shì)壘區(qū)和兩側(cè)各一個(gè)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)的光電效應(yīng)。光電三極管工作原理：（1） 無(wú)光照時(shí)，因熱激發(fā)而產(chǎn)生少數(shù)載流子，集電結(jié)反偏，電場(chǎng)很強(qiáng)，熱電子從基極進(jìn)入集電極，空穴從集電極運(yùn)動(dòng)到基極形成發(fā)射極開(kāi)路集電極基極反向電流，即暗電流Icbo?；鶇^(qū)電子漂移留下的正離子吸引射極電子，被集電極收集形成集射極間暗電流，即正常晶體的反向截止電流。表示為（2） 有光照時(shí)，光照激發(fā)產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)增加了少數(shù)載流子的濃度。由于集電結(jié)處于反向偏置，使內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)。在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，大量光生電子漂移到集電區(qū)，在基區(qū)留下空穴，使基極電位升高，促使發(fā)射區(qū)有大量電子經(jīng)基區(qū)被集電區(qū)收集而形成放大

12、的集電極光電流。此時(shí)集電結(jié)產(chǎn)生的光電子空穴對(duì)形成的光電流Is,則 Ie=（1+）Is 。區(qū)別：（1）光電流 暗電流相差不大 光電流：二極：幾MA幾百M(fèi)A。三極：幾MA （2）響應(yīng)時(shí)間：（頻率響應(yīng)） 二極：100ns 三極：10-510-4 s 。6為什么在光照度增大到一定程度后，硅光電池的開(kāi)路電壓不再隨入射照度的增大而增大？硅光電池的最大開(kāi)路電壓為多少？。當(dāng)硅光電池的輸出端開(kāi)路時(shí)，外電流I=0，開(kāi)路電壓為：硅光電池的開(kāi)路電壓與入射光強(qiáng)度有關(guān)。其規(guī)律是：硅光電池開(kāi)路電壓與入射光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比，即開(kāi)路電壓隨入射光強(qiáng)度增大而增大，但入射光強(qiáng)度越大，開(kāi)路電壓增加越緩慢。當(dāng)照度為20000lx時(shí)趨向飽

13、和。硅光電池的Uoc一般為0.450.6V，最大不超過(guò)0.756V 。它不能大于PN結(jié)熱平衡時(shí)的接觸電勢(shì)差，室溫下Si的接觸電勢(shì)差為0.7V。7. 光電陰極的光電發(fā)射材料應(yīng)具備三個(gè)基本條件？與半導(dǎo)體材料相比，為什么金屬材料不適合作光電陰極材料？（1）基本條件：1.光吸收系數(shù)大2.光電子在體內(nèi)傳輸?shù)襟w外的過(guò)程中能量損失小，使逸出深度大，逸出功小。3.電子親和勢(shì)較低，使表面逸出幾率提高。(2)金屬材料 1.表面光亮，反射系數(shù)大，對(duì)可見(jiàn)光吸收系數(shù)小 2.由于電子散射，光電子在體內(nèi)傳輸?shù)襟w外的過(guò)程中能量損失大，使逸出功大 3.電子親和勢(shì)高，表面逸出幾率低8.什么是二次發(fā)射？當(dāng)具有足夠動(dòng)能的電子轟擊打拿

14、極時(shí)，該打拿極表面將有電子發(fā)射出來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為二次電子發(fā)射。轟擊打拿極的電子稱(chēng)為一次電子，其二次電子發(fā)射系數(shù)表示為：（ns為發(fā)射出的二次電子數(shù)，np為打在打拿極上的電子數(shù)。）9.光電二極管與普通二極管的不同和相似之處。共同點(diǎn)：有一個(gè)PN結(jié)，單向?qū)ㄐ圆煌c(diǎn)：1）受光面大，pn結(jié)面積更大；2）表面有防反射的SIO2保護(hù)層；3）外加負(fù)偏壓。 4）外形不同，光電二極管有透明窗口，接收光線10.光電二極管與光電池的比較?；窘Y(jié)構(gòu)均為PN結(jié)，利用光生伏特效應(yīng)工作，有SiO2保護(hù)膜不同： 1）結(jié)面積比光電池小，頻率特性好；2）光生電勢(shì)與光電池相同，但電流比光電池??；3）可在零偏壓下工作，更常在反偏壓下工

15、作4）光電池-能量轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)化率）；光電二極管：光探測(cè)（靈敏度、響應(yīng)速度）11. 2DU型光電二極管為什么要引出環(huán)極？（1）光電二極管的光敏面通常都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中常含有少量的鈉、鉀、氫等正離子。這些正離子在SiO2中不能移動(dòng)，但他們的靜電感應(yīng)卻可以使P-Si表面產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電子層。這個(gè)電子層與N-Si的導(dǎo)電類(lèi)型相同，可以使P-Si表面與N-Si連通起來(lái)。（2）當(dāng)管子加反向偏壓時(shí)，從前級(jí)流出的暗電子流除了有PN結(jié)的反向漏電流外，還有通過(guò)表面感應(yīng)電子層產(chǎn)生的漏電流，從而使從前級(jí)流出的暗電子流增大。（3）為了減小暗電流，在光敏面周?chē)饪桃画h(huán)形窗口，擴(kuò)散進(jìn)磷雜質(zhì)形成n+層，引出電極-

16、環(huán)極。當(dāng)給環(huán)極加上正向電壓后，使表面漏電流從環(huán)極引出去，從而減小了光敏面的漏電流，即光敏二極管的暗電流減小了。12.APD的工作過(guò)程。（雪崩光電二極管）APD工作電壓很高，約100200V。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場(chǎng)中可得到極大的加速，高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子 - 空穴對(duì)。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此反復(fù)，形成雪崩式的載流子倍增。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，響應(yīng)速度特別快。13.CCD的電荷存儲(chǔ)原理。（1）構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器。與其它電容器一樣， MOS電容器能夠存儲(chǔ)電荷。（2）如果MOS電容器中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬

17、電極上施加一個(gè)正電壓Ug時(shí)，P型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，半導(dǎo)體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）吸引到P-Si界面處來(lái)，從而在界面附近形成一個(gè)帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)（表面勢(shì)阱）。（3）在一定的條件下，所加正電壓Ug越大，耗盡層就越深，勢(shì)阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。（4）如果有光照射在硅片上， 在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，光生電子被附近的勢(shì)阱所吸收，而空穴被排斥出耗盡區(qū)。勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。第五章 力學(xué)傳感器1.如何理解壓阻系數(shù)矩陣？應(yīng)力的存在將引起電阻率的變化= 。與應(yīng)力之間的關(guān)系是由壓阻系數(shù)聯(lián)系的，有矩陣= ijTi i=1,2,3,4,

18、5,6 j=1,2,3,4,5,6(1) 法向應(yīng)力不可能產(chǎn)生剪切壓阻效應(yīng)，則(2) 剪切應(yīng)力不可能產(chǎn)生正向壓阻效應(yīng)，則(3) 剪切應(yīng)力不可能在該應(yīng)力所在平面之外產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，則(4) 單晶硅是正立方晶體，三個(gè)晶軸是完全等效的，在坐標(biāo)系與晶軸重合下。正向壓阻效應(yīng)相等，即橫向壓阻效應(yīng)相等，即剪切壓阻效應(yīng)相等，即由矩陣可以看出，獨(dú)立的壓阻系數(shù)分量?jī)H有三個(gè)。分別為晶軸方向上的縱向壓阻系數(shù)、橫向壓阻系數(shù)、剪切壓阻系數(shù)分量。2.對(duì)于任意方向的電阻條，計(jì)算其壓阻系數(shù)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題是什么？（1）坐標(biāo)變換將任意方向P投影到晶軸坐標(biāo)系xyz中對(duì)應(yīng)的方向余弦為。則投影結(jié)果為：QP，Q為橫向。在晶軸坐標(biāo)系中的方向余弦

19、為。則投影結(jié)果為： （如果單晶硅在此晶向上同時(shí)只有縱向應(yīng)力與橫向應(yīng)力的作用，則在此晶向上（即電流通過(guò)的方向）的電阻率的變化率，也就是電阻的變化率： ）3.分析影響壓阻系數(shù)大小的因素。因素：主要是擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度與溫度（1） 壓阻系數(shù)隨擴(kuò)散濃度的增加而減小。(在相同表面濃度Ns下，P型硅的壓阻系數(shù)比n型的高) （2） 表面濃度低時(shí)，溫度升高，壓阻系數(shù)下降得快；表面濃度高時(shí)，溫度升高，壓阻系數(shù)下降得慢。4方塊電阻的定義？它與什么因素有關(guān)？ 定義：一個(gè)正方形的薄膜導(dǎo)電材料邊到邊的電阻。P=Xj= 1nqnXj 與、NS、Xi（遷移率、表面濃度、擴(kuò)散阱深）有關(guān)。5給出一種壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖

20、，并說(shuō)明其工作過(guò)程及特點(diǎn)。 工作過(guò)程：典型的硅杯壓阻式傳感器。 Si彈性膜片把傳感器分成兩個(gè)腔室和被測(cè)系統(tǒng)相接的高壓腔和與大氣相接的低壓腔。當(dāng)外力作用在膜片上，膜片兩邊存在壓力差，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。橋壁電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化電橋失去平衡。有相應(yīng)電壓輸出，此輸出值和作用力成正比，故通過(guò)此輸出值可求得作用力的大小。 特點(diǎn)：（1）靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的輸出不需放大，可直接 用于測(cè)量。(2)尺寸小，精度高(3)分辨率高。例如測(cè)量壓力時(shí)可測(cè)出10-20Pa的微 壓(4)測(cè)量范圍寬：低至10Pa-60MPa6.對(duì)于以圓平膜片作為敏感元件的硅壓阻式壓力傳感器，設(shè)計(jì)其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)是什

21、么？ （1）硅杯的直徑、膜片厚度的確定 為硅的彈性極限， 給定壓力P （2）固有頻率 E彈性模量 硅材料的密度7.產(chǎn)生零位漂移的原因 1.擴(kuò)散電阻的阻值隨溫度變化 2.熱應(yīng)力引起。在鈍化層形成時(shí)，由于界面之間的熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生表面應(yīng)力，發(fā)生形變。8.壓阻式傳感器的靈敏度漂移：由于壓阻系數(shù)隨溫度變化引起的。 壓阻系數(shù)與溫度的關(guān)系：隨溫度的升高變小，隨溫度降低，變大。9.如何從電路上采取措施來(lái)改善壓阻式傳感器的漂移問(wèn)題？ 理論：溫度升高時(shí)，傳感器靈敏度降低，此時(shí)提高電橋電源電壓，使電橋的輸出變大，溫度降低時(shí)，降低電橋電源電壓，輸出變小。 電路設(shè)計(jì)：（a）用正溫度系數(shù)的熱敏電阻改變運(yùn)算放大器的輸

22、出電壓b:帶溫度補(bǔ)償?shù)募蓧毫鞲衅?（b）利用三極管的基極與發(fā)射極間PN結(jié)敏感溫度的高低，使三極管的輸出電流發(fā)生變化，改變管壓降的大小，從而使電橋電源電壓得到改變。a熱敏電阻具有正溫度系數(shù)，T，傳感器靈敏度，但Rt分壓。經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器，使電橋輸入電壓提高，電橋的輸出變大，達(dá)到補(bǔ)償。反之亦然。上圖b中，電阻R5、R6和晶體管BG構(gòu)成的溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與由力敏電阻R1-R4構(gòu)成的電橋單塊集成在一起。當(dāng)晶體管的基極電流比流過(guò)電阻R5、R6的電流小得多時(shí)，晶體管的集電極-發(fā)射極電壓 電橋的實(shí)際供電電壓VB為 溫度升高時(shí)Vbe下降，引起Vce下降。 Vce的下降使電橋的實(shí)際供電電壓VB增大，以補(bǔ)償壓阻靈敏

23、度隨溫度升高的下降值。（3） 用二極管串聯(lián)補(bǔ)償靈敏度溫度漂移第六章 溫度傳感器1.半導(dǎo)體熱敏電阻有哪幾種？PTC熱敏電阻的工作原理？ 三種：PTC熱敏電阻、NTC熱敏電阻、CTR（臨界溫度系數(shù)）熱敏電阻。 PTC熱敏電阻的工作原理：PTC熱敏電阻半導(dǎo)體具有多晶結(jié)構(gòu)（晶粒尺寸約為3100um),各晶粒內(nèi)部為半導(dǎo)電性區(qū)，晶界為高阻層區(qū)。當(dāng)樣品外加電壓時(shí)，電壓大部分落在高阻的晶界層上，因而電子通過(guò)晶界時(shí)將對(duì)材料的導(dǎo)電性能起作用。（晶戒勢(shì)壘）由于在晶界面上存在一個(gè)勢(shì)壘，當(dāng)溫度在居里點(diǎn) 以下時(shí)，高阻的晶界具有鐵電性，介電常數(shù)極大。勢(shì)壘高度與介電常數(shù)成反比，所以此時(shí)勢(shì)壘高度很小，電子很容易越過(guò)勢(shì)壘如圖(a

24、)所示，相應(yīng)材料的電阻率小。在溫度高于居里點(diǎn) 時(shí)，由于高阻層晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時(shí)鐵電性消失，介電常數(shù)急劇減小，勢(shì)壘隨之急劇增高，因而電子難于越過(guò)勢(shì)壘，如圖(b)所示，相應(yīng)材料的電阻率急劇上升。呈正溫度系數(shù)2. NTC熱敏電阻在溫度為T(mén)1和T2時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值為RT1和RT2，試證明熱敏電阻常數(shù) B=T1T2Ln（RT1/ RT2）/( T2- T1)NTC熱敏電阻在20和60時(shí)，電阻值分別為100K和20K，試確定該熱敏電阻的表達(dá)式。（1） 證明：由公式，有 RT1/ RT2=eBn(1/T1-1/T2) 取對(duì)數(shù)，整理得B=T1T2Ln（RT1/ RT2）/( T2- T1)(2)代入各值：B

25、n=3.93X103=3.半導(dǎo)體熱敏電阻的溫度特性曲線特點(diǎn)是什么？PTC：T<Tc時(shí)，表現(xiàn)鐵電性，電阻小，呈現(xiàn)一定的負(fù)溫度系數(shù)。 T>Tc時(shí)，表現(xiàn)順磁性，隨溫度升高而電阻值增大，呈正溫度系數(shù)。NTC：阻值隨溫度的上升而減小，呈負(fù)溫度系數(shù)。CTR：當(dāng)溫度上升至某值時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)生突變，在幾度的范圍內(nèi)下降3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，常用于自動(dòng)控制及溫度預(yù)警中。4.簡(jiǎn)述溫敏二極管的工作原理。 利用正向壓降與溫度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)溫電轉(zhuǎn)換。對(duì)于理想二極管，當(dāng)正向電壓UF大于幾個(gè)k0T/q時(shí)，正向電流IF與正向電壓UF和溫度T之間的關(guān)系可表示為飽和電流 對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)，可得到作為溫度和電流函數(shù)的正向電壓

26、 式中Ug0=Eg0/q。 在一定電流下，隨著溫度的升高，正向電壓將下降，表現(xiàn)出負(fù)的溫度系數(shù)。對(duì)管差分電路原理圖 5.分析PTAT核心電路。利用集電極電流比為一定的兩個(gè)集體管的Vbe與溫度的依賴關(guān)系。V1和V2是結(jié)構(gòu)和性能上完全相同的晶體管，它們分別在不同的集電極電流IC1和IC2下工作。電阻R1上得到的電壓為兩管基極-發(fā)射極電壓差。 由于兩個(gè)晶體管集電極面積相等，因此集電極電流值比等于集電極電流密度比，則有 式中JC1和JC2分別是V1和V2管的集電極電流密度UBER1IC2 設(shè)法保證兩個(gè)晶體管的集電極電流密度之比不變，那么電阻R1上的電壓UBE將正比于絕對(duì)溫度。UBE是集成電路溫度傳感器的

27、基本溫度信號(hào)。設(shè)兩管增益極高， 因此基極電流可以忽略， 即集電極電流等于發(fā)射極電流， 故有 為使兩管集電極電流（或電流密度）之比保持不變，電流源給出的流過(guò)V1的電流IC1也必須正比于絕對(duì)溫度，于是電路總電流IC1IC2正比于絕對(duì)溫度。故上述對(duì)管差分電路可以給出正比于絕對(duì)溫度的電壓、電流。作為溫度傳感器的感溫部分常稱(chēng)為PTAT核心電路。 6.雜質(zhì)半導(dǎo)體中，分析電阻率與溫度的關(guān)系。 遷移率與溫度的關(guān)系：低摻雜樣品：晶格散射起主要作用。T迅速高摻雜樣品：低溫時(shí)，雜質(zhì)散射占優(yōu)勢(shì)。T緩慢，直至較高溫度，晶格散射開(kāi)始占主導(dǎo)時(shí)才隨T而稍有下降 第七章 半導(dǎo)體磁敏傳感器1 什么是霍爾效應(yīng)？為什么半導(dǎo)體適合做霍

28、爾元件？ 霍爾效應(yīng)指通過(guò)電流的導(dǎo)電材料在垂直于電流方向的磁場(chǎng)的作用下，在與I和B垂直方向上形成電荷積累，出現(xiàn)電勢(shì)差。稱(chēng)為UH。這種效應(yīng)稱(chēng)為 霍爾元件材料要求高的電阻率和遷移率。金屬材料高，低絕緣材料高,低半導(dǎo)體遷移率高，電阻率適中因此只有半導(dǎo)體適合。2.磁敏二極管（SMD）的工作原理。 當(dāng)磁敏二極管外加正偏壓時(shí)，隨著磁敏二極管所受磁場(chǎng)的變化，流過(guò)二極管的電流也在變化。(a) B=0,有大量的空穴從P區(qū)通過(guò)I區(qū)進(jìn)入N區(qū)，同時(shí)也有大量電子注入P區(qū)而形成電流。只有少量電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉。 (b)正偏壓，受外界磁場(chǎng)H+(正向磁場(chǎng))作用時(shí)，則電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于r區(qū)的電子和

29、空穴復(fù)合速度比光滑面I區(qū)快，形成的電流因復(fù)合速度加快而減小。磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，電子和空穴受到洛侖茲力就越大，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入由于r區(qū)而復(fù)合的電子和空穴數(shù)量就越多，載流子減少，外電路的電流越小。 (c)正偏壓，受外界磁場(chǎng)片H-(反向磁場(chǎng))作用時(shí)，則電子和空穴受到洛侖茲力作用而向I區(qū)偏移，由于電子、空穴復(fù)合率明顯變小，則外電路的電流變大。3.霍爾元件的不等位電勢(shì)的概念？產(chǎn)生不等位電勢(shì)的主要原因有哪些？如何進(jìn)行補(bǔ)償？(1)不平衡電勢(shì)U0（不等位電勢(shì)）：在額定控制電流Ic 之下，不加磁場(chǎng)時(shí)，霍爾電極間的開(kāi)路電勢(shì)差稱(chēng)為不平衡電勢(shì)，單位為mV。 (2)主要原因：材料電阻率的不均勻?；瑢挾群秃穸炔灰恢?。電極與基

30、片間的接觸位置不對(duì)稱(chēng)或接觸不良?？刂齐娏鞑痪鶆?。(3)補(bǔ)償：能使電橋達(dá)到平衡的方法都可作為不等位電勢(shì)補(bǔ)償法。4.霍爾電動(dòng)勢(shì)與那些因素有關(guān)？ UH與磁場(chǎng)強(qiáng)度大小、方向及控制電流大小，霍爾元件的材料摻雜濃度（），以及元件的形狀、尺寸有關(guān)。 。5.什么是磁阻效應(yīng)？ 在半導(dǎo)體上施加磁場(chǎng)時(shí)，由于洛倫茲力的作用，載流子的漂移方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，致使與外加電場(chǎng)同方向的電流分量減小，等價(jià)于電阻增大。這種現(xiàn)象叫磁阻效應(yīng)。6.溫度變化對(duì)霍爾元件輸出電勢(shì)有什么影響？如何補(bǔ)償？霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的,當(dāng)溫度變化時(shí), 霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化，從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。 補(bǔ)償：（

31、1） 采用恒流源提供控制電流，并聯(lián)一個(gè)電阻R0 。（2） 合理選擇負(fù)載電阻。 （3） 采用溫度補(bǔ)償元件（熱敏電阻）（采用恒溫措施）（4） 選用溫度系數(shù)小的元件。7.磁敏三極管的工作原理？（a）當(dāng)不受磁場(chǎng)作用時(shí)，由于磁敏三極管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，因而發(fā)射區(qū)注入的載流子除少部分輸運(yùn)到集電極c外，大部分通過(guò)eib而形成基極電流。顯而易見(jiàn)，基極電流大于集電極電流。所以，電流放大系數(shù)=IcIb1。（b）當(dāng)受到H磁場(chǎng)作用時(shí)，由于洛侖茲力作用，載流子向發(fā)射區(qū)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使集電極電流 Ic明顯下降。(c)當(dāng)受H-磁場(chǎng)使用時(shí)，載流子在洛侖茲力作用下，向集電區(qū)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流Ic增大。(c)

32、(b)(a)第八章 氣體傳感器1.氣體傳感器的概念？氣敏元件的選擇性的概念？ 氣體傳感器：能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或者器件。它能將氣體種類(lèi)及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)。 氣敏元件的選擇性：在多種氣體共存的條件下，氣敏元件區(qū)分氣體種類(lèi)的能力。2.影響氣體傳感器特性的因素有哪些？（1）環(huán)境因素。一般裸露在大氣中，因此在設(shè)計(jì)和使用中必須注意環(huán)境因素對(duì)氣敏元件特性的影響。（2）加熱絲的電壓值：他決定了敏感元件的工作溫度，是影響氣敏元件各種特性的不可忽略的重要因素。3.簡(jiǎn)述氣敏傳感器的概念。 半導(dǎo)體氣體傳感器是利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)， 產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來(lái)檢測(cè)氣體的。4

33、.表面控制型氣體傳感器的敏感機(jī)理。 該類(lèi)器件表面電阻的變化取決于表面吸附氣體與半導(dǎo)體材料間的電子交換。工作在空氣中，空氣中的氧接受來(lái)自半導(dǎo)體材料的電子而成為吸附氧。吸附氧在半導(dǎo)體表面俘獲電子使半導(dǎo)體材料表面電導(dǎo)減小，從而使器件處于高阻狀態(tài)，即 一旦器件與被測(cè)氣體接觸，就會(huì)與吸附氧起反應(yīng)，將被氧束縛的n個(gè)電子釋放出來(lái)。如,與H2、CO的情況，敏感膜電導(dǎo)增加，使器件電阻減小，即 ，則該類(lèi)器件通常工作在加熱狀態(tài)（ 200 -450），目的是為了加快上述氧化還原反應(yīng)。勢(shì)壘的變化：5.氣體傳感器有哪些類(lèi)別？ 半導(dǎo)體式，接觸燃燒式，電化學(xué)傳感器，光干涉式，熱導(dǎo)式，紅外線吸收式。6.半導(dǎo)體氣體傳感器的加熱電

34、阻絲有什么作用？（1）加速被測(cè)氣體的吸附與解吸附過(guò)程。（2）燒去氣敏元件的油垢、污漬，起清潔作用。（3）控制不同的加熱溫度，能對(duì)不同的被測(cè)氣體具有選擇性。7.簡(jiǎn)述改善氣敏元件的氣體選擇性的常用方法。 （1）摻雜（金屬氧化物、貴金屬、添加物） （2）改變?cè)ぷ鲿r(shí)的工作溫度。 （3）控制元件的燒結(jié)溫度。 （4）開(kāi)發(fā)新材料。8.長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性及其取決于什么？ 長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性：指?jìng)鞲衅髟谡麄€(gè)工作時(shí)間內(nèi)的基本響應(yīng)的穩(wěn)定性。取決于： 零點(diǎn)漂移：沒(méi)有目標(biāo)氣體時(shí)，整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)傳感器輸出響應(yīng)的變化。 區(qū)間漂移：傳感器連續(xù)置于目標(biāo)氣體時(shí)，輸出響應(yīng)的變化。型氣敏元件。MOS管工作原理：當(dāng)柵極電壓UGS<UT，源極和漏極沒(méi)有電流通過(guò)（ID=0）加一個(gè)正電壓UGS UGSVT(閾值電壓)，在柵極下面的SiO2絕緣層中，會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)。在此電場(chǎng)作用下，P型硅襯底內(nèi)的電子，被吸引到SiO2層下面的硅表面，形成反型層，將N型源區(qū)（S)與型漏區(qū)（）連接起來(lái)，故又稱(chēng)為型溝道。在源和漏間加上一個(gè)電壓UDS，就會(huì)產(chǎn)生漏電流ID。通過(guò)改變柵極電壓UGS的大小，可以改變N型