現(xiàn)代檢測技術(shù) 半導(dǎo)體式傳感器ppt課件

1、第第10章半導(dǎo)體傳感器章半導(dǎo)體傳感器 1970年，荷蘭科學(xué)家研制出了對氫離子響應(yīng)的離子敏感年，荷蘭科學(xué)家研制出了對氫離子響應(yīng)的離子敏感場效應(yīng)晶體管，標(biāo)志著離子敏半導(dǎo)體傳感器的誕生。半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，標(biāo)志著離子敏半導(dǎo)體傳感器的誕生。半導(dǎo)體傳感器以易于實(shí)現(xiàn)集成化、微型化、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，傳感器以易于實(shí)現(xiàn)集成化、微型化、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，一直引起世界各國科學(xué)家的重視和興趣。由于電子技術(shù)的飛一直引起世界各國科學(xué)家的重視和興趣。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以半導(dǎo)體傳感器為代表的各種固態(tài)傳感器相繼問世。速發(fā)展，以半導(dǎo)體傳感器為代表的各種固態(tài)傳感器相繼問世。這類傳感器主要是以半導(dǎo)體為敏感材料，在各種物理

2、量的作這類傳感器主要是以半導(dǎo)體為敏感材料，在各種物理量的作用下引起半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子濃度或分布的變化，通過檢測用下引起半導(dǎo)體材料內(nèi)載流子濃度或分布的變化，通過檢測這些物理特性的變化，即可反映被測參數(shù)值。這些物理特性的變化，即可反映被測參數(shù)值。第第10章半導(dǎo)體傳感器章半導(dǎo)體傳感器第第10章章 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器它與各種結(jié)構(gòu)型傳感器相比，具有如下特點(diǎn)：它與各種結(jié)構(gòu)型傳感器相比，具有如下特點(diǎn)： 由于傳感器原理是基于物理變化的，因而沒由于傳感器原理是基于物理變化的，因而沒有相對運(yùn)動部件，可以做到結(jié)構(gòu)簡單、微型化。有相對運(yùn)動部件，可以做到結(jié)構(gòu)簡單、微型化。 靈敏度高，動態(tài)性能好，輸出為電物理量。靈

3、敏度高，動態(tài)性能好，輸出為電物理量。 采用半導(dǎo)體為敏感材料容易實(shí)現(xiàn)傳感器集成采用半導(dǎo)體為敏感材料容易實(shí)現(xiàn)傳感器集成化、智能化?；⒅悄芑?。 功耗低，安全可靠。功耗低，安全可靠。第第10章章 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器同時(shí)，半導(dǎo)體傳感器也存在以下一些缺點(diǎn)：同時(shí)，半導(dǎo)體傳感器也存在以下一些缺點(diǎn)： 線性范圍寬，在精度要求高的場合應(yīng)采用線性范圍寬，在精度要求高的場合應(yīng)采用線性化補(bǔ)償電路。線性化補(bǔ)償電路。 與所有半導(dǎo)體元件一樣，輸出特性易受溫度影響而與所有半導(dǎo)體元件一樣，輸出特性易受溫度影響而漂移，所以應(yīng)采用補(bǔ)償措施。漂移，所以應(yīng)采用補(bǔ)償措施。 性能參數(shù)離散性大。性能參數(shù)離散性大。 雖然存在上述問題，但半

4、導(dǎo)體傳感器仍是目前傳感雖然存在上述問題，但半導(dǎo)體傳感器仍是目前傳感器發(fā)展的重要方向，尤其是大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷器發(fā)展的重要方向，尤其是大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器的技術(shù)也日臻完善。發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器的技術(shù)也日臻完善。 從所使用的材料來看，凡是使用半導(dǎo)體為材料的傳從所使用的材料來看，凡是使用半導(dǎo)體為材料的傳感器都屬于半導(dǎo)體式傳感器，如霍爾元件、光敏、磁敏、感器都屬于半導(dǎo)體式傳感器，如霍爾元件、光敏、磁敏、二極管和三極管熱敏電阻、壓阻式傳感器、光電池、氣二極管和三極管熱敏電阻、壓阻式傳感器、光電池、氣敏、濕敏、色敏和離子敏等傳感器。敏、濕敏、色敏和離子敏等傳感器。第第10章章 半

5、導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器10.1.110.1.1霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 半導(dǎo)體薄片，若在它的兩端通過控半導(dǎo)體薄片，若在它的兩端通過控制電流，并在薄片的垂直方向上施加磁制電流，并在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為的磁場，那么，在垂直于電感應(yīng)強(qiáng)度為的磁場，那么，在垂直于電流和磁場方向上流和磁場方向上( (即霍爾輸出端之間即霍爾輸出端之間) )將將產(chǎn)生電動勢產(chǎn)生電動勢( (霍爾電動勢或稱霍爾電壓霍爾電動勢或稱霍爾電壓) )，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。10.110.1霍爾式傳感器霍爾式傳感器10.110.1霍爾式傳感器霍爾式傳感器圖圖10-1 10-1 霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖10.1

6、10.1 霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖 霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動電荷受磁場中洛倫霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。如圖茲力作用的結(jié)果。如圖10-110-1中一塊長為，寬為，厚中一塊長為，寬為，厚度為的度為的N N型半導(dǎo)體薄片，沿其長度方向控制電流端型半導(dǎo)體薄片，沿其長度方向控制電流端通過電流，那么，半導(dǎo)體中的載流子通過電流，那么，半導(dǎo)體中的載流子( (電子電子) )將沿著將沿著與電流相反的方向運(yùn)動，若在垂直于半導(dǎo)體薄片平與電流相反的方向運(yùn)動，若在垂直于半導(dǎo)體薄片平面的方向上加以磁場，則由于洛倫茲力的作用，電面的方向上加以磁場，則由于洛倫茲力的作用，電子向一邊偏轉(zhuǎn)，并使該邊

7、積累電子，而另一邊則積子向一邊偏轉(zhuǎn)，并使該邊積累電子，而另一邊則積累電荷，于是產(chǎn)生電場，該電場阻止運(yùn)動電子的繼累電荷，于是產(chǎn)生電場，該電場阻止運(yùn)動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)當(dāng)電場作用在運(yùn)動電子上的電場力與洛倫茲續(xù)偏轉(zhuǎn)當(dāng)電場作用在運(yùn)動電子上的電場力與洛倫茲力相等時(shí)，電子積累便達(dá)到動態(tài)平衡。力相等時(shí)，電子積累便達(dá)到動態(tài)平衡。10.110.1霍爾式傳感器霍爾式傳感器 在薄片兩橫端面之間建立的電場稱為霍爾電場，相在薄片兩橫端面之間建立的電場稱為霍爾電場，相應(yīng)的電動勢就稱為霍爾電勢，其大小可用下式表示：應(yīng)的電動勢就稱為霍爾電勢，其大小可用下式表示：HHbEU10.110.1霍爾式傳感器霍爾式傳感器 流過基片的電流常

8、稱為激勵(lì)電流或控制電流，流過基片的電流常稱為激勵(lì)電流或控制電流，假設(shè)它分布均勻，則有假設(shè)它分布均勻，則有將上述公式進(jìn)行合并整理得將上述公式進(jìn)行合并整理得dIBRUHHnqvbdI 10.110.1霍爾式傳感器霍爾式傳感器令令 則得：則得： 由上式可知，霍爾電勢的大小正比于控制電流由上式可知，霍爾電勢的大小正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積；稱為霍爾元件的靈敏度，它和磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積；稱為霍爾元件的靈敏度，它是表征在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)輸出霍是表征在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)輸出霍爾電壓大小的一個(gè)重要參數(shù)。爾電壓大小的一個(gè)重要參數(shù)。dRKHHIBKUHH 還說明，當(dāng)控制電流方向或磁場

9、方向改變時(shí)，還說明，當(dāng)控制電流方向或磁場方向改變時(shí)，輸出電動勢方向也將改變。但當(dāng)電流和磁場方向同輸出電動勢方向也將改變。但當(dāng)電流和磁場方向同時(shí)改變時(shí)，霍爾電動勢方向不變。時(shí)改變時(shí)，霍爾電動勢方向不變。10.110.1霍爾式傳感器霍爾式傳感器2 2、結(jié)構(gòu)和符號、結(jié)構(gòu)和符號 霍爾元件的結(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組霍爾元件的結(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成?；魻栐且粔K矩形半導(dǎo)體薄片，在短邊成。霍爾元件是一塊矩形半導(dǎo)體薄片，在短邊的中間以點(diǎn)的形式焊上兩根控制電流端引線的中間以點(diǎn)的形式焊上兩根控制電流端引線1111，在元件長邊兩端面上焊上兩根霍爾輸出，在元件長邊兩端面上焊上兩根霍爾輸出端引線端引線2222

10、，在焊接處要求接觸電阻小，呈純，在焊接處要求接觸電阻小，呈純電阻性質(zhì)電阻性質(zhì)( (歐姆接觸歐姆接觸) )。霍爾片一般用非磁性金?；魻柶话阌梅谴判越饘偬沾苫颦h(huán)氧樹脂封裝。屬陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。10.110.1霍爾式傳感器霍爾式傳感器圖圖10-2 10-2 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和符號霍爾元件的結(jié)構(gòu)和符號10.110.1霍爾式傳感器霍爾式傳感器3 3、基本電路、基本電路 霍爾元件的基本電路如圖霍爾元件的基本電路如圖10-310-3所示?？刂齐娏魉?。控制電流由供給，為調(diào)節(jié)控制電流大小的調(diào)節(jié)電阻。為一般由供給，為調(diào)節(jié)控制電流大小的調(diào)節(jié)電阻。為一般電阻作為負(fù)載電阻，也可以是放大器的輸入電阻或電阻作為負(fù)載電阻

11、，也可以是放大器的輸入電阻或指示器的內(nèi)阻。在磁場作用下，負(fù)載上就有電壓輸指示器的內(nèi)阻。在磁場作用下，負(fù)載上就有電壓輸出。在實(shí)際使用時(shí)，以或，或兩者同時(shí)作為輸入信出。在實(shí)際使用時(shí)，以或，或兩者同時(shí)作為輸入信號輸入，而輸出信號則正比于或，或兩者的乘積由號輸入，而輸出信號則正比于或，或兩者的乘積由于建立霍爾效應(yīng)所需的時(shí)間很短于建立霍爾效應(yīng)所需的時(shí)間很短( (約之間約之間) )，因此控，因此控制電流用交流時(shí)，頻率可以很高制電流用交流時(shí)，頻率可以很高( (幾千兆赫幾千兆赫) )。10.110.1霍爾式傳感器霍爾式傳感器 圖10-3 霍爾元件的基本電路4 4、基本特性、基本特性 霍爾元件的電磁特性包括控制

12、電流霍爾元件的電磁特性包括控制電流( (直流或交流直流或交流) )與輸出之間的關(guān)系、霍爾輸出與磁場與輸出之間的關(guān)系、霍爾輸出與磁場( (恒定或交變恒定或交變) )之間的關(guān)系等特性。之間的關(guān)系等特性。 （一）（一） 特性特性 在磁場和環(huán)境溫度一定時(shí)，霍爾輸出電動勢與在磁場和環(huán)境溫度一定時(shí)，霍爾輸出電動勢與控制電流之間呈線性關(guān)系。直線的斜率稱為控制電控制電流之間呈線性關(guān)系。直線的斜率稱為控制電流靈敏度，流靈敏度， 用表示。用表示。 （二）（二） 特性特性 當(dāng)控制電流當(dāng)控制電流定時(shí)，元件的開路霍爾輸出隨磁定時(shí)，元件的開路霍爾輸出隨磁場的增加不完全呈線性關(guān)系，只有當(dāng)元件工作在場的增加不完全呈線性關(guān)系，

13、只有當(dāng)元件工作在 以下時(shí)，線性度才比較好。以下時(shí)，線性度才比較好。10.110.1霍爾式傳感器霍爾式傳感器25 . 0mWbIUHBUHIK10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償 （一元件的幾何尺寸、電極接點(diǎn)大小對性能的（一元件的幾何尺寸、電極接點(diǎn)大小對性能的影響影響, ,在霍爾電動勢表達(dá)式中在霍爾電動勢表達(dá)式中 , ,是把霍爾片的長度看作無限大來考慮的。實(shí)際上霍是把霍爾片的長度看作無限大來考慮的。實(shí)際上霍爾片總有一定長度比爾片總有一定長度比 ，而元件的長寬比是否合，而元件的長寬比是否合適對霍爾電動勢大小有直接關(guān)系。為此上式可寫成：適對霍爾電動勢大小有直接關(guān)系。為此上式可寫成

14、： 式中，式中， 為元件的形狀系數(shù)。為元件的形狀系數(shù)。dIBRUHHblfdIBRUHHHblfHbl10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償 （二零位誤差：包括不等位電動勢、寄（二零位誤差：包括不等位電動勢、寄生直流電動勢等生直流電動勢等不等位電動勢及其補(bǔ)償不等位電動勢及其補(bǔ)償 不等位電動勢是一個(gè)主要的零位誤差。由不等位電動勢是一個(gè)主要的零位誤差。由于在制作霍爾元件時(shí)，不能保證將控制電流極于在制作霍爾元件時(shí)，不能保證將控制電流極焊在同一位面上，因而，當(dāng)控制電流流過元件焊在同一位面上，因而，當(dāng)控制電流流過元件時(shí)，即使磁場強(qiáng)度等于零，在霍爾電動勢極上時(shí)，即使磁場強(qiáng)度等于零，在霍爾

15、電動勢極上仍有電動勢存在，該電動勢就稱為不等位電動仍有電動勢存在，該電動勢就稱為不等位電動勢。勢。10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償 如果確知控制電流極偏離等位面的方向，就可以如果確知控制電流極偏離等位面的方向，就可以采用補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p小不等位電勢。常用的幾種補(bǔ)償采用補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p小不等位電勢。常用的幾種補(bǔ)償電路如圖電路如圖 10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償寄生直流電動勢寄生直流電動勢 由于霍爾元件的電極不可能做到完全歐姆接觸，由于霍爾元件的電極不可能做到完全歐姆接觸，在控制電流極和霍爾電動勢極上都可能出現(xiàn)整流效在控制電流極和霍爾電動勢極上都可能出

16、現(xiàn)整流效應(yīng)。因而。當(dāng)元件通以交流控制電流應(yīng)。因而。當(dāng)元件通以交流控制電流 ( (不加磁場不加磁場) )時(shí)，時(shí)，它的輸出除了交流不等位電動勢外，還有一直流電它的輸出除了交流不等位電動勢外，還有一直流電動勢分量，這電動勢就稱為寄生直流電動勢。寄生動勢分量，這電動勢就稱為寄生直流電動勢。寄生直流電動勢與工作電流有關(guān)，隨工作電流減小而減直流電動勢與工作電流有關(guān)，隨工作電流減小而減小。小。10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償 此外，霍爾電動勢極的焊點(diǎn)大小不一致，兩焊點(diǎn)的熱此外，霍爾電動勢極的焊點(diǎn)大小不一致，兩焊點(diǎn)的熱容量不一致產(chǎn)生溫差也是造成寄生直流電動勢的另一個(gè)原容量不一致產(chǎn)生溫差

17、也是造成寄生直流電動勢的另一個(gè)原因。因。 寄生直流電動勢是霍爾元件零位誤差的一個(gè)組成部分，寄生直流電動勢是霍爾元件零位誤差的一個(gè)組成部分，它的存在對霍爾元件在交流情況下使用是有很大妨礙的。它的存在對霍爾元件在交流情況下使用是有很大妨礙的。為了減少寄生直流電動勢，在元件制作和安裝時(shí)，應(yīng)盡量為了減少寄生直流電動勢，在元件制作和安裝時(shí)，應(yīng)盡量改善電極的歐姆接觸性能和元件的散熱條件。改善電極的歐姆接觸性能和元件的散熱條件。10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償(3)(3)感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢 霍爾元件在交變磁場中工作時(shí)，即使不加控制電霍爾元件在交變磁場中工作時(shí)，即使不加控制電流，由于

18、霍爾電動勢極引線布置不合理，在輸出回路流，由于霍爾電動勢極引線布置不合理，在輸出回路中也會產(chǎn)生附加感應(yīng)電動勢，這電勢的大小正比于磁中也會產(chǎn)生附加感應(yīng)電動勢，這電勢的大小正比于磁場變化的頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值，并與霍爾電動勢場變化的頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值，并與霍爾電動勢極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比，如圖極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比，如圖10-5a10-5a所示所示10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償 圖 10-5 感應(yīng)電動勢示意圖及其補(bǔ)償10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償三三 溫度誤差補(bǔ)償溫度誤差補(bǔ)償 因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度因?yàn)榘雽?dǎo)體材料

19、的電阻率、遷移率和載流子濃度隨溫度變化，故霍爾元件的性能參數(shù)，如內(nèi)阻、霍爾隨溫度變化，故霍爾元件的性能參數(shù)，如內(nèi)阻、霍爾電動勢等也將隨溫度變化。電動勢等也將隨溫度變化。采用恒流源采用恒流源 采用恒流源，可免去霍爾元件輸入電阻隨溫度變采用恒流源，可免去霍爾元件輸入電阻隨溫度變化對霍爾元件輸出電壓的影響?；瘜魻栐敵鲭妷旱挠绊?。10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償選取合適的負(fù)載電阻采用恒流源法補(bǔ)償霍爾極開路選取合適的負(fù)載電阻采用恒流源法補(bǔ)償霍爾極開路時(shí)輸入電阻的溫度系數(shù)。時(shí)輸入電阻的溫度系數(shù)。 實(shí)際上，霍爾元件的輸出電阻隨溫度變化時(shí)會引實(shí)際上，霍爾元件的輸出電阻隨溫度變化時(shí)

20、會引起負(fù)載上輸出電壓變化，也需進(jìn)行補(bǔ)償。起負(fù)載上輸出電壓變化，也需進(jìn)行補(bǔ)償。10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償采用補(bǔ)償元件采用補(bǔ)償元件 為了減小霍爾元件的溫度誤差，常選用溫度系數(shù)為了減小霍爾元件的溫度誤差，常選用溫度系數(shù)小的元件小的元件( (如砷化銦如砷化銦) )或采用溫度補(bǔ)償措施。圖或采用溫度補(bǔ)償措施。圖10-610-6所所示是一種既簡單、效果又好的補(bǔ)償電路。在控制電流示是一種既簡單、效果又好的補(bǔ)償電路。在控制電流極并聯(lián)一個(gè)合適的補(bǔ)償電阻，它起著分流作用。當(dāng)溫極并聯(lián)一個(gè)合適的補(bǔ)償電阻，它起著分流作用。當(dāng)溫度升高時(shí)，霍爾元件內(nèi)阻迅速增加。所以通過元件的度升高時(shí)，霍爾元件內(nèi)

21、阻迅速增加。所以通過元件的電流減少，而通過補(bǔ)償電阻的電流卻增加。這樣利用電流減少，而通過補(bǔ)償電阻的電流卻增加。這樣利用元件內(nèi)阻的濕度特性和一個(gè)補(bǔ)償電阻，就能自動調(diào)節(jié)元件內(nèi)阻的濕度特性和一個(gè)補(bǔ)償電阻，就能自動調(diào)節(jié)通過霍爾元件的電流大小，起到補(bǔ)償作用。通過霍爾元件的電流大小，起到補(bǔ)償作用。10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償 圖10-6 溫度補(bǔ)償電路10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償 圖圖10-7 橋路補(bǔ)償法的溫度補(bǔ)償電路橋路補(bǔ)償法的溫度補(bǔ)償電路10.1.310.1.3基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償 霍爾元件的不等位電勢用調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行補(bǔ)償?；魻栐牟?/p>

22、等位電勢用調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行補(bǔ)償。在霍爾輸出電極上串入一個(gè)溫度補(bǔ)償電橋，此電橋在霍爾輸出電極上串入一個(gè)溫度補(bǔ)償電橋，此電橋的四個(gè)臂中有一個(gè)是錳銅電阻并聯(lián)的熱敏電阻，以的四個(gè)臂中有一個(gè)是錳銅電阻并聯(lián)的熱敏電阻，以調(diào)整其溫度系數(shù)，其他三臂均為錳銅電阻。因此補(bǔ)調(diào)整其溫度系數(shù)，其他三臂均為錳銅電阻。因此補(bǔ)償電橋可以給出一個(gè)隨溫度而改變的可調(diào)不平衡電償電橋可以給出一個(gè)隨溫度而改變的可調(diào)不平衡電壓，該電壓與溫度為非線性關(guān)系，只要細(xì)心地調(diào)整壓，該電壓與溫度為非線性關(guān)系，只要細(xì)心地調(diào)整這個(gè)不平衡的非線性電壓就可以補(bǔ)償霍爾元件的溫這個(gè)不平衡的非線性電壓就可以補(bǔ)償霍爾元件的溫度漂移，在度漂移，在 溫度范圍內(nèi)效果是可以

23、令人滿意溫度范圍內(nèi)效果是可以令人滿意的。的。C 4010.1.410.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用一、利用一、利用 與與I的關(guān)系的關(guān)系 當(dāng)磁場恒定時(shí)，在一定溫度下，霍爾電壓與控制電當(dāng)磁場恒定時(shí)，在一定溫度下，霍爾電壓與控制電路成很好的線性關(guān)系，利用這一特性，霍爾元件可用于路成很好的線性關(guān)系，利用這一特性，霍爾元件可用于直接測量電流和能轉(zhuǎn)換為電流的其它物理量。直接測量電流和能轉(zhuǎn)換為電流的其它物理量。HU10.1.410.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用二、利用二、利用 與與B的關(guān)系的關(guān)系可用于測量磁場及可轉(zhuǎn)換為可用于測量磁場及可轉(zhuǎn)換為磁場的其它物理量磁場的其它物理量 如果保持霍爾

24、元件的激勵(lì)電流不變，而讓它在均勻如果保持霍爾元件的激勵(lì)電流不變，而讓它在均勻梯度的磁場中移動時(shí)，則其輸出的霍爾電壓就取決于它梯度的磁場中移動時(shí)，則其輸出的霍爾電壓就取決于它在磁場中的位置。利用這一原理可以測量微位移和可轉(zhuǎn)在磁場中的位置。利用這一原理可以測量微位移和可轉(zhuǎn)換為微位移的其他量，如壓力、加速度、振動等。利用換為微位移的其他量，如壓力、加速度、振動等。利用霍爾元件的關(guān)系還研制出霍爾式羅盤、方位傳感器、轉(zhuǎn)霍爾元件的關(guān)系還研制出霍爾式羅盤、方位傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、接近開關(guān)、無觸點(diǎn)開關(guān)、導(dǎo)磁產(chǎn)品計(jì)數(shù)器等。速傳感器、接近開關(guān)、無觸點(diǎn)開關(guān)、導(dǎo)磁產(chǎn)品計(jì)數(shù)器等。HU10.1.410.1.4霍爾傳感器的

25、應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 當(dāng)控制電流一定時(shí)，霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度當(dāng)控制電流一定時(shí)，霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。利用這個(gè)關(guān)系可以測得交、直流磁感應(yīng)成正比。利用這個(gè)關(guān)系可以測得交、直流磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度等。利用霍爾元件制作的鉗形電強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度等。利用霍爾元件制作的鉗形電流表可以在不切斷電路的情況下，通過測量電流流表可以在不切斷電路的情況下，通過測量電流產(chǎn)生的磁場而測得該電流值。產(chǎn)生的磁場而測得該電流值。10.1.410.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用三、利用三、利用 與與 的關(guān)系的關(guān)系可進(jìn)行乘法運(yùn)算或功率測量可進(jìn)行乘法運(yùn)算或功率測量 如果控制電流為如果控制電流為 ，磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度

26、由激勵(lì)電流由激勵(lì)電流 生生 ，則據(jù)，則據(jù) ，霍爾電壓可表示為，霍爾電壓可表示為 利用上述乘法關(guān)系，將霍爾元件與激勵(lì)線圈、放大器等利用上述乘法關(guān)系，將霍爾元件與激勵(lì)線圈、放大器等組合起來，可以做成模擬運(yùn)算的乘法器、開方器、平方組合起來，可以做成模擬運(yùn)算的乘法器、開方器、平方器、除法器等。器、除法器等。HUIB1IB2IIBKUHH21IKIUH10.1.410.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用四、典型應(yīng)用四、典型應(yīng)用 用于非電量檢測的霍爾傳感器，通用于非電量檢測的霍爾傳感器，通常是通過彈性元件和其他傳動機(jī)構(gòu)將待常是通過彈性元件和其他傳動機(jī)構(gòu)將待測非電量如力、壓力、應(yīng)變和加速度測非電量如力、

27、壓力、應(yīng)變和加速度等轉(zhuǎn)換為霍爾元件在磁場中的微小位等轉(zhuǎn)換為霍爾元件在磁場中的微小位移。為了獲得霍爾電壓隨位移變化的線移。為了獲得霍爾電壓隨位移變化的線性關(guān)系，傳感器的磁場應(yīng)具有均勻的梯性關(guān)系，傳感器的磁場應(yīng)具有均勻的梯度變化的特性。這樣當(dāng)霍爾元件在這種度變化的特性。這樣當(dāng)霍爾元件在這種磁場中移動時(shí)，如使控制電流保持恒定，磁場中移動時(shí)，如使控制電流保持恒定，而使霍爾元件在一個(gè)均勻的梯度磁場中而使霍爾元件在一個(gè)均勻的梯度磁場中沿方向移動，則霍爾電壓就只取決于它沿方向移動，則霍爾電壓就只取決于它在磁場中的位移量，并且磁場梯度越大，在磁場中的位移量，并且磁場梯度越大，靈敏度越高，梯度變化越均勻，霍爾電

28、靈敏度越高，梯度變化越均勻，霍爾電壓與位移的關(guān)系越接近于線性。壓與位移的關(guān)系越接近于線性。10.1.410.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 如圖如圖10-810-8所示是一種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)，所示是一種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)，由極性相反、磁場強(qiáng)度相同的兩個(gè)磁鋼形成一個(gè)由極性相反、磁場強(qiáng)度相同的兩個(gè)磁鋼形成一個(gè)如圖如圖b b所示的均勻的梯度磁場、位移軸的零點(diǎn)位所示的均勻的梯度磁場、位移軸的零點(diǎn)位于兩磁鋼的正中間處。于兩磁鋼的正中間處。10.1.410.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 圖10-8 霍爾式位移傳感器原理示意圖10.210.2氣敏傳感器氣敏傳感器 為了確保安全，需對各

29、種可燃性氣體、有毒性氣為了確保安全，需對各種可燃性氣體、有毒性氣體進(jìn)行檢測。目前實(shí)用氣體檢測方法很多，其中接觸體進(jìn)行檢測。目前實(shí)用氣體檢測方法很多，其中接觸燃燒法和用半導(dǎo)體氣敏傳感器檢測法具有使用方便、燃燒法和用半導(dǎo)體氣敏傳感器檢測法具有使用方便、費(fèi)用低和可把氣體濃度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電量輸出的特點(diǎn)。費(fèi)用低和可把氣體濃度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電量輸出的特點(diǎn)。由于接觸燃燒法中使用的催化劑長期使用時(shí)容易劣化由于接觸燃燒法中使用的催化劑長期使用時(shí)容易劣化和中毒，靈敏度又較低，故現(xiàn)在多使用半導(dǎo)體氣敏傳和中毒，靈敏度又較低，故現(xiàn)在多使用半導(dǎo)體氣敏傳感器。感器。10.210.2氣敏傳感器氣敏傳感器 氣敏電阻是利用半導(dǎo)體與氣體

30、接觸而電阻發(fā)生變氣敏電阻是利用半導(dǎo)體與氣體接觸而電阻發(fā)生變化的效應(yīng)制成的氣敏元件。半導(dǎo)體陶瓷與氣體接觸時(shí)化的效應(yīng)制成的氣敏元件。半導(dǎo)體陶瓷與氣體接觸時(shí)電阻發(fā)生變化，當(dāng)接觸氧化性氣體時(shí)，氣敏電阻的阻電阻發(fā)生變化，當(dāng)接觸氧化性氣體時(shí)，氣敏電阻的阻值將增大；當(dāng)接觸還原性氣體時(shí)，氣敏電阻的阻值將值將增大；當(dāng)接觸還原性氣體時(shí)，氣敏電阻的阻值將減??；被測氣體濃度越大，電阻變化越大。減小；被測氣體濃度越大，電阻變化越大。10.210.2氣敏傳感器氣敏傳感器1.1.資料資料 半導(dǎo)體陶瓷是利用陶瓷工藝制成的具有半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷是利用陶瓷工藝制成的具有半導(dǎo)體特性的材料。在諸多的半導(dǎo)體氣敏元件中，由于用特性的材料。

31、在諸多的半導(dǎo)體氣敏元件中，由于用氧化錫氧化錫 制成的元件有一系列優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用最制成的元件有一系列優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用最為廣泛。為廣泛。2SnO10.210.2氣敏傳感器氣敏傳感器 (1)氣敏元件阻值隨檢測氣體濃度具有指數(shù)變化關(guān)系，氣敏元件阻值隨檢測氣體濃度具有指數(shù)變化關(guān)系，因此這種器件非常適用于微量低濃度氣體的檢測。因此這種器件非常適用于微量低濃度氣體的檢測。 (2) 材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性較好，與其它類型氣材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性較好，與其它類型氣敏元件敏元件(如接觸燃燒式氣敏元件如接觸燃燒式氣敏元件)相比，相比， 氣敏元件壽命長、氣敏元件壽命長、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)。穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)。 (3)

32、氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫附時(shí)間短時(shí)間使用。附時(shí)間短時(shí)間使用。2SnO2SnO2SnO10.210.2氣敏傳感器氣敏傳感器 (4)元件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高，力學(xué)元件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高，力學(xué)性能良好。性能良好。 (5)對氣體檢測不需要復(fù)雜的處理設(shè)備。待檢測對氣體檢測不需要復(fù)雜的處理設(shè)備。待檢測氣體可通過元件電阻變化直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，且氣體可通過元件電阻變化直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，且元件電阻率變化大，因此信號處理可不用高倍?shù)元件電阻率變化大，因此信號處理可不用高倍數(shù)放大電路就可實(shí)現(xiàn)。放大電路就可實(shí)現(xiàn)。 由于上述特點(diǎn)，由于上述特點(diǎn)， 半導(dǎo)

33、體氣敏元件一直是目半導(dǎo)體氣敏元件一直是目前世界上生產(chǎn)量大、應(yīng)用面廣的氣敏元件。前世界上生產(chǎn)量大、應(yīng)用面廣的氣敏元件。 半半導(dǎo)體氣敏元件一直是目前世界上生產(chǎn)量大、應(yīng)用導(dǎo)體氣敏元件一直是目前世界上生產(chǎn)量大、應(yīng)用面廣的氣敏元件。面廣的氣敏元件。2SnO2.2.組成氣敏電阻體和加熱器組成氣敏電阻體和加熱器 3.3.構(gòu)造構(gòu)造 氣敏元件主要有三種類型：燒結(jié)型、薄膜型和厚膜氣敏元件主要有三種類型：燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型。型。 其中燒結(jié)型氣敏元件是目前工藝最成熟、應(yīng)用最廣其中燒結(jié)型氣敏元件是目前工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的元件。泛的元件。10.210.2氣敏傳感器氣敏傳感器10.210.2氣敏傳感器氣敏傳感器 圖

34、10-9 半導(dǎo)體氣敏電阻元件的結(jié)構(gòu)10.210.2氣敏傳感器氣敏傳感器4.4.電路符號電路符號 直熱式：直熱式氣敏元件的優(yōu)點(diǎn)是：熱容量小，直熱式：直熱式氣敏元件的優(yōu)點(diǎn)是：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)下產(chǎn)生漲離，互相影響；加熱絲在加熱和不加熱狀態(tài)下產(chǎn)生漲縮，易造成與材料的接觸不良?？s，易造成與材料的接觸不良。 旁熱式：旁熱式氣敏元件克服了直熱式的缺點(diǎn)，旁熱式：旁熱式氣敏元件克服了直熱式的缺點(diǎn)，其測量極與加熱絲分開，加熱絲不與氣敏元件接觸，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)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(gòu)的境氣氛對元件加熱溫度的影響，并保持了材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。故這種結(jié)構(gòu)元件穩(wěn)定性、可靠性都較直熱式穩(wěn)定性。故這種結(jié)構(gòu)元件穩(wěn)定性、可靠性都較直熱式有所改進(jìn)。有所改進(jìn)。10.310.3濕敏傳感器濕敏傳感器10.3.1概述概述 濕度是指大氣中所含的水蒸氣量。它濕度是指大氣中所含的水蒸氣量。它有兩種最常用的表示方法，即絕對濕度和有兩種最常用的表示方法，即絕對濕度和相對濕度。絕對濕度是指一定大小空間中相對濕