第8章半導(dǎo)體傳感器

1、第第8 8章章 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器8.1 8.1 氣敏傳感器氣敏傳感器* *8.2 8.2 濕敏傳感器濕敏傳感器* *8.3 8.3 磁敏傳感器磁敏傳感器* *8.4 8.4 色敏傳感器色敏傳感器8.5 8.5 半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用、氣敏傳感器概念及組成、氣敏傳感器概念及組成氣敏傳感器氣敏傳感器-測(cè)定氣體的測(cè)定氣體的類別類別、濃度濃度和和特定成分特定成分，并，并 將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。主要類型主要類型- 電阻式電阻式半導(dǎo)體氣體半導(dǎo)體氣體傳感器、傳感器、電容式陶瓷電容式陶瓷氣氣體傳感器、體傳感器、電化學(xué)氣體電化學(xué)氣體傳感器等。傳感器等。8.1.1

2、8.1.1 半導(dǎo)體氣敏傳感器概述半導(dǎo)體氣敏傳感器概述主要組成主要組成-敏感敏感、識(shí)別與信號(hào)放大處理識(shí)別與信號(hào)放大處理 。8.1 氣敏傳感器氣敏傳感器 （）按結(jié)構(gòu)分類（）按結(jié)構(gòu)分類干式傳感器干式傳感器-使用時(shí)必須加熱，使電介質(zhì)和催化劑長期使用時(shí)必須加熱，使電介質(zhì)和催化劑長期 處于高溫狀態(tài)。往往會(huì)導(dǎo)致性能劣化。處于高溫狀態(tài)。往往會(huì)導(dǎo)致性能劣化。濕式傳感器濕式傳感器-電極表面浸入電解液中，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)所電極表面浸入電解液中，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)所 引起的變化量引起的變化量( (包括顏色的變化，離子量包括顏色的變化，離子量 的變化，電流的變化等的變化，電流的變化等) )來進(jìn)行檢測(cè)。來進(jìn)行檢測(cè)。2 2、氣敏傳感

3、器分類、氣敏傳感器分類 （）按構(gòu)成氣敏傳感器材料的特性分類：（）按構(gòu)成氣敏傳感器材料的特性分類：半導(dǎo)體半導(dǎo)體和和非半導(dǎo)體非半導(dǎo)體氣敏傳感器氣敏傳感器。（3 3）半導(dǎo)體氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類的分類表表8.18.1 物理特性物理特性敏感材料敏感材料工作溫度工作溫度被測(cè)氣體被測(cè)氣體電電阻阻型型電電阻阻表面電阻控制表面電阻控制 氧化錫氧化錫氧化鋅氧化鋅室溫室溫450 可燃性氣體可燃性氣體體電阻控制體電阻控制氧化鈦氧化鈦氧化錫氧化錫氧化鎂氧化鎂300450可燃性氣體可燃性氣體乙醇乙醇氧氣氧氣非非電電阻阻型型表面電位表面電位氧化銀氧化銀室溫室溫硫硫醇醇二極管整流特性二極管整流特性鉑鉑/ /硫化鎘

4、硫化鎘鉑鉑/ /氧化鈦氧化鈦室溫室溫450氫氣氫氣一氧化碳一氧化碳乙醇乙醇晶體管特性晶體管特性鉑柵鉑柵MOSMOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管150氫氣氫氣硫化氫硫化氫、半導(dǎo)體半導(dǎo)體氣敏材料與傳感器發(fā)展概況氣敏材料與傳感器發(fā)展概況 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體氣敏材料氣敏材料-主要載流子是空穴，常用主要載流子是空穴，常用NiO、 CuO、LaFeO3等。等。氣敏傳感器發(fā)展氣敏傳感器發(fā)展-隨隨材料科學(xué)材料科學(xué)研究的發(fā)展；研究的發(fā)展；N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體氣敏材料氣敏材料-主要載流子是電子，常用主要載流子是電子，常用Sn02、 Fe2O3、ZnO等；等；發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì) 一一 維納米材料氣敏材料，維納米材料氣敏材料

5、， 納米氣敏傳感器，納米氣敏傳感器， 小型化、集成化、智能化、多功能化。小型化、集成化、智能化、多功能化。 v具有小的具有小的交叉靈敏度交叉靈敏度； v具有較高的靈敏度和較寬動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍具有較高的靈敏度和較寬動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍v性能穩(wěn)定，傳感器特性不隨環(huán)境溫度性能穩(wěn)定，傳感器特性不隨環(huán)境溫度濕度的變化而發(fā)生變化濕度的變化而發(fā)生變化 ；v重復(fù)性好，易于維護(hù)等。重復(fù)性好，易于維護(hù)等。 4、氣敏傳感器應(yīng)滿足下列要求、氣敏傳感器應(yīng)滿足下列要求v電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器工作機(jī)理可以用電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器工作機(jī)理可以用吸附效吸附效應(yīng)應(yīng)來解釋。來解釋。 v氣體氣體接觸接觸N型型半導(dǎo)體時(shí)所導(dǎo)致的敏感器件阻值變半導(dǎo)體

6、時(shí)所導(dǎo)致的敏感器件阻值變化的情況，如圖所示；化的情況，如圖所示；8.1.2 8.1.2 半導(dǎo)體氣敏傳感器工作機(jī)理半導(dǎo)體氣敏傳感器工作機(jī)理電子電子吸收型吸收型氣體：氣體：如氧氣氮氧化物如氧氣氮氧化物電子電子供給型供給型氣體：氣體：如氫氣碳?xì)浠衔锶鐨錃馓細(xì)浠衔?敏感元件敏感元件固有電阻固有電阻R R和和工作電阻工作電阻RsRs)()(12cRcRKss8.1.3 8.1.3 半導(dǎo)體氣敏傳感器主要參數(shù)半導(dǎo)體氣敏傳感器主要參數(shù) 靈敏度靈敏度 表征氣敏傳感器對(duì)被測(cè)某氣體的敏感程度。表征氣敏傳感器對(duì)被測(cè)某氣體的敏感程度。 用下式表示：用下式表示： 其中：其中：Rs(cRs(c2 2) )：代表濃度為：

7、代表濃度為c c2 2時(shí)元件的電阻值；時(shí)元件的電阻值； Rs(cRs(c1 1) )：表示濃度為：表示濃度為c c1 1時(shí)元件的電阻值時(shí)元件的電阻值. .S SA/BA/B- -傳感器對(duì)傳感器對(duì)A A氣體的氣體的選擇性系數(shù)選擇性系數(shù)；K KA A傳感器在單純傳感器在單純A A氣體中的靈敏度氣體中的靈敏度 ；K KB B氣體傳感器在單純氣體傳感器在單純B B氣體中的靈敏度。氣體中的靈敏度。BAA/BKKS選擇性選擇性：表示氣體傳感器對(duì)被測(cè)氣體的識(shí)別表示氣體傳感器對(duì)被測(cè)氣體的識(shí)別( (選擇選擇) ) 以及對(duì)干擾氣體的抑制能力。表示如下：以及對(duì)干擾氣體的抑制能力。表示如下： 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間：表示氣

8、敏器件對(duì)被檢測(cè)氣體響應(yīng)速度表示氣敏器件對(duì)被檢測(cè)氣體響應(yīng)速度； 恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間：表示氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體的脫附速度，表示氣敏元件對(duì)被測(cè)氣體的脫附速度， 用用t trecrec表示表示 。 半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu)分為：半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu)分為：燒結(jié)型、薄膜型燒結(jié)型、薄膜型和和厚膜型。厚膜型。圖圖8.2 8.2 燒結(jié)型半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu)燒結(jié)型半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu)8.1.4 8.1.4 半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu) （1 1） 燒結(jié)型氣敏器件的結(jié)構(gòu)燒結(jié)型氣敏器件的結(jié)構(gòu) 直熱式燒結(jié)型氣體傳感器直熱式燒結(jié)型氣體傳感器將加熱元件與測(cè)量電極一同燒結(jié)在將加熱元件與測(cè)量電極一同燒結(jié)在氧化物材料及催

9、氧化物材料及催化添加劑的混合體內(nèi)，加熱元件直接對(duì)氧化物敏感化添加劑的混合體內(nèi)，加熱元件直接對(duì)氧化物敏感元件加熱元件加熱 。 采用陶瓷管做基底，將加熱元件裝入陶瓷管內(nèi)，而測(cè)量采用陶瓷管做基底，將加熱元件裝入陶瓷管內(nèi)，而測(cè)量電極、氧化物材料及催化添加劑則燒結(jié)在陶瓷管的外壁，加電極、氧化物材料及催化添加劑則燒結(jié)在陶瓷管的外壁，加熱元件經(jīng)陶瓷管熱元件經(jīng)陶瓷管璧均勻地對(duì)氧化物敏感元件加熱。璧均勻地對(duì)氧化物敏感元件加熱。 旁熱式燒結(jié)型氣敏傳感器旁熱式燒結(jié)型氣敏傳感器 以石英或陶瓷為絕緣基片，在基片的一面鍍上加以石英或陶瓷為絕緣基片，在基片的一面鍍上加熱元件。在基片的另一面鍍上測(cè)量電極及氧化物半導(dǎo)熱元件。在

10、基片的另一面鍍上測(cè)量電極及氧化物半導(dǎo)體膜。體膜。 主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：l傳感器一致性好傳感器一致性好l 傳感器的機(jī)械強(qiáng)度較高，傳感器的機(jī)械強(qiáng)度較高，l 制造過程較復(fù)雜、成本制造過程較復(fù)雜、成本 較高。較高。 （2 2） 薄膜型氣敏傳感器結(jié)構(gòu)薄膜型氣敏傳感器結(jié)構(gòu)（3） 厚膜型氣敏傳感器厚膜型氣敏傳感器 圖8.4 厚膜型半導(dǎo)體氣敏傳感器 厚膜型半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu)厚膜型半導(dǎo)體氣敏傳感器結(jié)構(gòu) SnO2或或ZnO+3%15%硅凝膠厚膜膠硅凝膠厚膜膠厚膜型傳感器制作工藝厚膜型傳感器制作工藝 是先將氧化物材料與一定比例的黏合劑混合，并加入適是先將氧化物材料與一定比例的黏合劑混合，并加入適量的催化劑制成糊狀

11、物，然后將該糊狀混合物用絲網(wǎng)印刷工量的催化劑制成糊狀物，然后將該糊狀混合物用絲網(wǎng)印刷工藝印到已印制好加熱元件和藝印到已印制好加熱元件和Pt電極的陶瓷基片上。待自然干燥電極的陶瓷基片上。待自然干燥后，置于高溫中煅燒而成。后，置于高溫中煅燒而成。主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度高、各傳感器的重復(fù)性好、而且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單機(jī)械強(qiáng)度高、各傳感器的重復(fù)性好、而且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單 上述三種氣敏傳感器的共同之處是皆上述三種氣敏傳感器的共同之處是皆附有加熱附有加熱 絲絲，加熱的方式有直熱式和旁熱式。，加熱的方式有直熱式和旁熱式。 氣敏傳感器的電阻變化率與氣敏傳感器的電阻變化率與氣體濃度變化氣體濃度變化有關(guān)。有關(guān)。氣敏傳感器特

12、點(diǎn)與特性氣敏傳感器特點(diǎn)與特性 氣敏傳感器一般氣敏傳感器一般受環(huán)境溫度、濕度受環(huán)境溫度、濕度影響。影響。 SnO2氣敏傳感器氣敏傳感器特性特性： 電阻變化率與氣體濃度變化關(guān)系電阻變化率與氣體濃度變化關(guān)系 SnOSnO2 2氣敏傳感器氣敏傳感器在低濃度下靈敏度較在低濃度下靈敏度較高。適合檢測(cè)低濃度高。適合檢測(cè)低濃度微量氣體。微量氣體。 SnO2半導(dǎo)體氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器溫度特性溫度特性、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)vMOSMOS二極管氣敏元件結(jié)構(gòu)、等效電路二極管氣敏元件結(jié)構(gòu)、等效電路利用利用MOS二極管的二極管的電容電壓特性電容電壓特性或或MOS場(chǎng)場(chǎng)效應(yīng)晶體

13、管點(diǎn)效應(yīng)晶體管點(diǎn)電壓閾值特性電壓閾值特性隨氣體成分及濃度變化隨氣體成分及濃度變化而改變的機(jī)理制成。而改變的機(jī)理制成。MOSMOS二極管氣敏傳感器特性二極管氣敏傳感器特性總電容總電容外加電壓外加電壓8.2 8.2 濕敏傳感器濕敏傳感器 絕對(duì)濕度：絕對(duì)濕度：?jiǎn)挝惑w積單位體積空氣里所含水蒸氣質(zhì)量空氣里所含水蒸氣質(zhì)量 定義式為定義式為 Mv為待測(cè)空氣的水蒸氣質(zhì)量； V為待測(cè)空氣的總體積；為待測(cè)空氣的絕對(duì)濕度其單位為 或VMv3mg3mmg8.2.1 濕度表示方法濕度表示方法 濕度濕度-是指大氣中所含的水蒸氣量是指大氣中所含的水蒸氣量, 常用常用 絕對(duì)濕度絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度相對(duì)濕度表示。表示。 相對(duì)濕度

14、相對(duì)濕度- 空氣中所空氣中所含水蒸氣分壓含水蒸氣分壓和在相同溫和在相同溫度下度下飽和水蒸氣分壓飽和水蒸氣分壓之比。之比。RHPPwv%100)(Pv 為空氣溫度為為空氣溫度為t時(shí)的空氣水蒸氣分壓；時(shí)的空氣水蒸氣分壓；Pw 為空氣溫度為為空氣溫度為t時(shí)的飽和水蒸氣分壓時(shí)的飽和水蒸氣分壓其定義為：其定義為： 相對(duì)濕度相對(duì)濕度= 濕度量程濕度量程: :在規(guī)定的精度內(nèi)能夠測(cè)量的最大范圍。在規(guī)定的精度內(nèi)能夠測(cè)量的最大范圍。圖8.9二氧化鈦/五氧化二釩濕敏傳感器特性8.2.2 濕敏傳感器特性參數(shù)濕敏傳感器特性參數(shù) 感濕特性感濕特性:表示感濕特征量表示感濕特征量（電阻）隨被測(cè)（電阻）隨被測(cè)相對(duì)濕度相對(duì)濕度

15、變化的規(guī)律。變化的規(guī)律。 濕度溫度系數(shù)濕度溫度系數(shù) 感濕特性曲線隨環(huán)境溫度變化而改變的特感濕特性曲線隨環(huán)境溫度變化而改變的特性參數(shù)性參數(shù) 。其定義如下。其定義如下: 絕對(duì)溫度；絕對(duì)溫度； 感濕特征量；感濕特征量； 一濕度溫度系數(shù)，一濕度溫度系數(shù)， 其單位為其單位為RHRH 常數(shù)KTdRHda)()( CO3O4-TiO2濕敏傳感器溫度特性 靈敏度靈敏度 濕敏傳感器輸出增量與輸入增量之比。濕敏傳感器輸出增量與輸入增量之比。 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 在規(guī)定的環(huán)境溫度下，由起始相對(duì)濕度在規(guī)定的環(huán)境溫度下，由起始相對(duì)濕度達(dá)到穩(wěn)定相對(duì)濕度時(shí)，感濕特征量由起始值達(dá)到穩(wěn)定相對(duì)濕度時(shí)，感濕特征量由起始值變化到穩(wěn)定相

16、對(duì)濕度對(duì)應(yīng)值所需要的時(shí)間。變化到穩(wěn)定相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)值所需要的時(shí)間。)1 ()(/tteRR其定義如下其定義如下: : R為對(duì)應(yīng)于為對(duì)應(yīng)于(RH)的輸出量的輸出量的穩(wěn)定值的穩(wěn)定值,稱為稱為時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 濕滯回線和濕滯回差濕滯回線和濕滯回差 傳感器的吸濕特性曲線與脫濕特性曲線不一致而形成回線,稱濕滯回線濕滯回線8.2.3 8.2.3 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻當(dāng)當(dāng)水分子水分子在半導(dǎo)體表面吸附時(shí)，將從半導(dǎo)體陶瓷在半導(dǎo)體表面吸附時(shí)，將從半導(dǎo)體陶瓷表面表面俘獲電子俘獲電子，使其表面帶負(fù)電。，使其表面帶負(fù)電。半導(dǎo)體若為型半導(dǎo)體若為型，由于表面電勢(shì)下降，從而有更由于表面電勢(shì)下降，從而有更多的空穴

17、到達(dá)其表面，使表面層的電阻下降。多的空穴到達(dá)其表面，使表面層的電阻下降。 1 1 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻工作工作機(jī)理機(jī)理(1) 負(fù)負(fù)濕敏特性的半導(dǎo)體陶瓷導(dǎo)電機(jī)理濕敏特性的半導(dǎo)體陶瓷導(dǎo)電機(jī)理 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻是由不同類型的金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻是由不同類型的金屬氧化物材料燒結(jié)而成。有材料燒結(jié)而成。有負(fù)濕敏特性負(fù)濕敏特性和和正濕敏特性正濕敏特性兩類。兩類。圖8.12 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻的負(fù)濕敏特性半導(dǎo)體若為型半導(dǎo)體若為型，水分子的吸附同樣使表面電勢(shì)下水分子的吸附同樣使表面電勢(shì)下降，使降，使表面層電子耗盡表面層電子耗盡，并吸引更多的空穴到達(dá)其，并吸引更多的空穴到達(dá)其表面，這也使

18、型半導(dǎo)體表面電阻下降表面，這也使型半導(dǎo)體表面電阻下降。(2) (2) 正正濕敏特性的半導(dǎo)體陶瓷濕敏特性的半導(dǎo)體陶瓷工作工作機(jī)理機(jī)理 當(dāng)水分子吸附在正濕敏特性半導(dǎo)體陶瓷材料的當(dāng)水分子吸附在正濕敏特性半導(dǎo)體陶瓷材料的 表面時(shí)，導(dǎo)致其表面層電子濃度下降。表面時(shí)，導(dǎo)致其表面層電子濃度下降。半導(dǎo)體陶瓷導(dǎo)電仍以電子導(dǎo)電為主，于是表面半導(dǎo)體陶瓷導(dǎo)電仍以電子導(dǎo)電為主，于是表面 電阻將由于電子濃度的下降而加大，從而使表電阻將由于電子濃度的下降而加大，從而使表 面電阻隨濕度的增加而加大。面電阻隨濕度的增加而加大。 圖圖8.138.13為半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件的正濕敏特性為半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件的正濕敏特性圖8.13 半導(dǎo)

19、體陶瓷濕敏電阻正濕敏特性 比較圖比較圖8.128.12和圖和圖8.138.13正濕敏特性的濕敏電阻的正濕敏特性的濕敏電阻的靈敏度要比負(fù)濕敏特性的濕敏電阻靈敏度小靈敏度要比負(fù)濕敏特性的濕敏電阻靈敏度小。2 2 常用半導(dǎo)體濕敏電阻常用半導(dǎo)體濕敏電阻 （1 1）燒結(jié)型半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻）燒結(jié)型半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻 半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu)及等效電路示意圖半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu)及等效電路示意圖 圖8.14 燒結(jié)型半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu) 感濕體感濕體：MgCr2O4-TiO2 多孔陶瓷多孔陶瓷（2）涂覆膜型涂覆膜型Fe3O4濕敏元件濕敏元件 ,由金屬氧化由金屬氧化 物微粒經(jīng)過堆積、粘結(jié)而成的材料物微粒經(jīng)

20、過堆積、粘結(jié)而成的材料;（3）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件，其結(jié)構(gòu)是將陶瓷濕敏元件，其結(jié)構(gòu)是將多孔材料的電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩多孔材料的電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝在有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中并用樹脂裝在有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中并用樹脂固定。固定。8.3 磁敏傳感器磁敏傳感器8.3.1 8.3.1 磁阻傳感器磁阻傳感器 )273. 01 (220BB表達(dá)式為表達(dá)式為: 、磁阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng) B B磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B時(shí)的電阻率；時(shí)的電阻率； B=0B=0時(shí)的電阻率；時(shí)的電阻率； 電子遷移率；電子遷移率； B

21、B 磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁感應(yīng)強(qiáng)度。包括：霍爾元件、包括：霍爾元件、磁阻元件磁阻元件、磁敏二極管磁敏二極管、磁敏磁敏三極管三極管等。等。 半導(dǎo)體材料的電阻率隨外加磁場(chǎng)而變化的現(xiàn)象。半導(dǎo)體材料的電阻率隨外加磁場(chǎng)而變化的現(xiàn)象。 電阻率的相對(duì)變化為：電阻率的相對(duì)變化為：2220)(273. 0BKB0B磁感應(yīng)強(qiáng)度從磁感應(yīng)強(qiáng)度從0變化至變化至B后，電阻率的變化量為：后，電阻率的變化量為： 可見：可見：磁場(chǎng)一定，遷移率越高的材料其磁阻效應(yīng)磁場(chǎng)一定，遷移率越高的材料其磁阻效應(yīng)越明顯。越明顯。2、磁敏電阻的形狀、磁敏電阻的形狀 )(bLf)(1 )(20bLfBKL L、b b分別為電阻的長度和寬度；分別為電阻的長

22、度和寬度； 形狀效應(yīng)函數(shù)形狀效應(yīng)函數(shù) 磁阻效應(yīng)的大小除了與磁阻效應(yīng)的大小除了與材料材料有關(guān)外，還與磁敏有關(guān)外，還與磁敏電阻的電阻的幾何形狀幾何形狀有關(guān)。有關(guān)。 若考慮幾何形狀的影響，則電阻率的相對(duì)變?nèi)艨紤]幾何形狀的影響，則電阻率的相對(duì)變化可近似用下式表示：化可近似用下式表示：常見的磁敏電阻是圓盤形的，如圖常見的磁敏電阻是圓盤形的，如圖8.158.15.圖圖8.168.16為為磁阻率磁阻率與磁感應(yīng)強(qiáng)度及幾何形狀的關(guān)系與磁感應(yīng)強(qiáng)度及幾何形狀的關(guān)系3 3、磁敏電阻特性、磁敏電阻特性 在在低磁場(chǎng)低磁場(chǎng)范圍內(nèi)，其電阻值與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成范圍內(nèi)，其電阻值與磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比關(guān)系；在高正比關(guān)系；在高磁場(chǎng)磁

23、場(chǎng)范圍內(nèi)，其電阻值與磁場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)，其電阻值與磁場(chǎng)強(qiáng)度成線性關(guān)系。度成線性關(guān)系。1 1 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 磁敏二極管磁敏二極管(SMD)的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)8.3.2 磁敏二極管磁敏二極管在高阻半導(dǎo)體芯片（在高阻半導(dǎo)體芯片（本征區(qū)本征區(qū)I）的兩端，分別）的兩端，分別制作制作P、N兩個(gè)電極，形成兩個(gè)電極，形成P-I-N結(jié)結(jié)。2 2 工作原理工作原理 圖8.19 磁敏二極管工作原理 （a）圖圖a未加磁場(chǎng)未加磁場(chǎng)時(shí)，如果外加正偏壓，則：時(shí)，如果外加正偏壓，則： 同時(shí)應(yīng)有大量電子注入同時(shí)應(yīng)有大量電子注入P區(qū)，形成電流；區(qū)，形成電流； 只有少量電子和孔穴在只有少量電子和孔穴在I區(qū)復(fù)合。區(qū)復(fù)合。 有大量的空穴從有大量的空穴

24、從P區(qū)通過區(qū)通過I 區(qū)進(jìn)入?yún)^(qū)進(jìn)入N區(qū)；區(qū)；圖8.19 磁敏二極管工作原理 電子和空穴向電子和空穴向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，在區(qū)偏轉(zhuǎn)，在r區(qū)電子和空穴復(fù)合的速度區(qū)電子和空穴復(fù)合的速度 很快，它們將因復(fù)合而消失；很快，它們將因復(fù)合而消失；（b） 圖圖b，當(dāng)受到，當(dāng)受到正向磁場(chǎng)作用正向磁場(chǎng)作用時(shí)，電子和空穴都受到時(shí)，電子和空穴都受到 洛侖茲力的作用而偏轉(zhuǎn)。洛侖茲力的作用而偏轉(zhuǎn)。 結(jié)果：結(jié)果：電流減小，電阻增加。電流減小，電阻增加。圖8.19 磁敏二極管工作原理（c）圖圖c當(dāng)受到當(dāng)受到負(fù)向磁場(chǎng)作用負(fù)向磁場(chǎng)作用時(shí)，電子和空穴則向另時(shí)，電子和空穴則向另 一面偏轉(zhuǎn)一面偏轉(zhuǎn) 此時(shí)它們的復(fù)合率變小，可使此時(shí)它們的復(fù)合率變小，

25、可使電流增大，電阻減小電流增大，電阻減小。以上分析可知以上分析可知：根據(jù)電流大小可測(cè)磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度：根據(jù)電流大小可測(cè)磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度。3 3 磁敏二極管的主要特性磁敏二極管的主要特性(1)(1)磁電特性磁電特性 在給定條件下，磁敏二極管輸出的電壓變化與外加磁在給定條件下，磁敏二極管輸出的電壓變化與外加磁場(chǎng)的關(guān)系場(chǎng)的關(guān)系 。圖圖8.21 8.21 硅磁敏二極管輸出電壓與硅磁敏二極管輸出電壓與B B的關(guān)系的關(guān)系(2) (2) 伏安特性伏安特性 磁敏二極管磁敏二極管正向偏壓正向偏壓與通過其電流的關(guān)系與通過其電流的關(guān)系 (3) (3) 靈敏度靈敏度%100UK00BLUUU0磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)，磁敏二

26、極管兩端的電壓磁感應(yīng)強(qiáng)度為零時(shí)，磁敏二極管兩端的電壓;UB磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)，磁敏二極管兩端的電壓時(shí)，磁敏二極管兩端的電壓 在恒流源偏置下，磁敏二極管的輸出電壓隨磁感應(yīng)強(qiáng)在恒流源偏置下，磁敏二極管的輸出電壓隨磁感應(yīng)強(qiáng)度度B變化而產(chǎn)生的相對(duì)變化定義為變化而產(chǎn)生的相對(duì)變化定義為電壓相對(duì)靈敏度電壓相對(duì)靈敏度KL (4) (4) 溫度特性溫度特性圖圖8.22 8.22 硅磁敏二極管輸出電壓的溫度特性硅磁敏二極管輸出電壓的溫度特性在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸出電壓隨溫度變化的特性。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸出電壓隨溫度變化的特性。 磁敏二極管特點(diǎn)磁敏二極管特點(diǎn)1)1)靈敏度高。靈敏度高。2)2)具有具有正反

27、向磁靈敏度正反向磁靈敏度, ,這是磁阻器件所不具備的這是磁阻器件所不具備的3)3)在較小電流下工作時(shí)，仍有很高的靈敏度在較小電流下工作時(shí)，仍有很高的靈敏度. .4)4)它的缺點(diǎn)是靈敏度與磁場(chǎng)呈線性關(guān)系的范圍窄。它的缺點(diǎn)是靈敏度與磁場(chǎng)呈線性關(guān)系的范圍窄。8.3.3 磁敏三極管磁敏三極管 v磁敏三極管分兩種磁敏三極管分兩種: 3BCM型型鍺磁敏三極管鍺磁敏三極管, 3CCM型型硅磁敏三極管硅磁敏三極管v磁敏晶體管的放大系數(shù)是隨著磁場(chǎng)方向變磁敏晶體管的放大系數(shù)是隨著磁場(chǎng)方向變化的；化的；v而且具有正反向不同的磁靈敏度。而且具有正反向不同的磁靈敏度。8.4 8.4 色敏傳感器色敏傳感器（不講）（不講）

28、 色敏傳感器是基于半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)，色敏傳感器是基于半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)， 將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的光輻射探測(cè)器件。將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的光輻射探測(cè)器件。 可直接用來測(cè)量從可見光到近紅外光波段可直接用來測(cè)量從可見光到近紅外光波段 內(nèi)單色輻射光波。內(nèi)單色輻射光波。 8.4.1 8.4.1 半導(dǎo)體色敏傳感器基本原理半導(dǎo)體色敏傳感器基本原理 價(jià)帶電子吸收光子而從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶價(jià)帶電子吸收光子而從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶,從而使光在半從而使光在半導(dǎo)體中傳播時(shí)衰減導(dǎo)體中傳播時(shí)衰減.這種吸收光子的過程稱為本征吸收這種吸收光子的過程稱為本征吸收 ,其其特性曲線如圖特性曲線如圖8.23所示所示;v光電器件常用量子效率來表征光

29、生電子流與入射光子流的比值大小v理論證明，P區(qū)在不同結(jié)深時(shí)，其量子效率隨波長而變化，特性曲線如圖 Xj表示P結(jié)的深度 圖8.24 量子效率隨波長的變化 1.雙色硅色敏器件工作原理 雙色硅色敏器件的結(jié)構(gòu)與其其等效電路如圖8.25所示 v利用不同結(jié)深的二極管的組合，就可構(gòu)成測(cè)量特定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器 圖8.25 雙結(jié)色敏二極管結(jié)構(gòu)v具體使用時(shí)，要對(duì)該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定, 測(cè)定比值 v如圖8.26給出了不同結(jié)深色敏二極管的光譜響應(yīng)曲線 SD1SD2II 圖8.26 雙結(jié)色敏二極管光譜特性 2.三色硅色敏器件的工作原理 對(duì)于多波長組成的混合色光，特別是印刷物或顏料的顏色識(shí)別，必須用三色硅色敏器件 .

30、如圖8.27為一種全色色敏器件的結(jié)構(gòu)示意圖; 圖8.27 全色色敏器件結(jié)構(gòu)示意圖1 光譜特性8.4.2 半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特性半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特性光譜特性是表示它所能檢測(cè)的波長范圍光譜特性是表示它所能檢測(cè)的波長范圍 2 2、短路電流比、短路電流比波長特性波長特性圖8.28 色敏傳感器短路電流比波長特性 表征半導(dǎo)體色敏器件對(duì)波長的識(shí)別能力 8.5 8.5 半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用氣敏傳感器可用于檢測(cè)環(huán)境中某特定氣體氣敏傳感器可用于檢測(cè)環(huán)境中某特定氣體( (特特別是可燃?xì)怏w別是可燃?xì)怏w) )的成分、濃度等。的成分、濃度等。圖8.29 有毒氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警8.5.18.5.1氣敏傳

31、感器應(yīng)用氣敏傳感器應(yīng)用 QM-N5:對(duì)瓦斯敏感的氣敏傳感器對(duì)瓦斯敏感的氣敏傳感器; IC采用采用LC179型三模擬聲報(bào)警專用集成芯片型三模擬聲報(bào)警專用集成芯片; RP設(shè)置報(bào)警閾值電位設(shè)置報(bào)警閾值電位.圖圖8.30 8.30 礦井瓦斯超限報(bào)警器原理圖礦井瓦斯超限報(bào)警器原理圖1 SMC-2型型濕度傳感器濕度傳感器8.5.2 8.5.2 濕度傳感器應(yīng)用濕度傳感器應(yīng)用濕敏元件是用金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成多孔半導(dǎo)體陶濕敏元件是用金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成多孔半導(dǎo)體陶瓷，它的電導(dǎo)率隨著對(duì)水蒸汽的吸、脫附而發(fā)生變化瓷，它的電導(dǎo)率隨著對(duì)水蒸汽的吸、脫附而發(fā)生變化 圖圖8.31為為SMC2型濕度檢測(cè)原理框圖，它用

32、濕敏器型濕度檢測(cè)原理框圖，它用濕敏器件實(shí)現(xiàn)件實(shí)現(xiàn)“濕一電濕一電”轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 在實(shí)際測(cè)量時(shí)在實(shí)際測(cè)量時(shí), ,傳感器必須按下述程序工作傳感器必須按下述程序工作 SMC-2 濕度傳感器工作程序圖濕度傳感器工作程序圖 2 2 自動(dòng)去濕控制自動(dòng)去濕控制 用于汽車駕用于汽車駕駛室擋風(fēng)玻璃的駛室擋風(fēng)玻璃的自動(dòng)去濕電路。自動(dòng)去濕電路。圖8.33 自動(dòng)去濕控制電路3.室內(nèi)濕度控制器室內(nèi)濕度控制器圖圖8.34 濕度控制器電路原理圖濕度控制器電路原理圖 采用采用KSC-6V集成相對(duì)濕敏傳感器集成相對(duì)濕敏傳感器,其輸出電壓隨相對(duì)濕度其輸出電壓隨相對(duì)濕度的增加成線性遞增，其相對(duì)濕度的增加成線性遞增，其相對(duì)濕度(0100%)RH對(duì)應(yīng)的輸出對(duì)應(yīng)的輸出電壓為電壓為0100mV