現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù) 半導(dǎo)體式傳感器課件

第10章半導(dǎo)體傳感器10.1霍爾式傳感器10.2氣敏傳感器10.3濕敏傳感器

1970年，荷蘭科學(xué)家研制出了對(duì)氫離子響應(yīng)的離子敏感場(chǎng)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)，一直引起世界各國(guó)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。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(cè)這些物理特性的變化，即可反映被測(cè)參數(shù)值。第10章半導(dǎo)體傳感器第10章半導(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)：①由于傳感器原理是基于物理變化的，因而沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，可以做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、微型化。②靈敏度高，動(dòng)態(tài)性能好，輸出為電物理量。③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。④功耗低，安全可靠。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、氣敏、濕敏、色敏和離子敏等傳感器。第10章半導(dǎo)體傳感器10.1.1霍爾效應(yīng)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感應(yīng)強(qiáng)度為的磁場(chǎng)，那么，在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上(即霍爾輸出端之間)將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(霍爾電動(dòng)勢(shì)或稱霍爾電壓)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。10.1霍爾式傳感器10.1霍爾式傳感器圖10-1霍爾效應(yīng)原理圖10.1霍爾式傳感器在薄片兩橫端面之間建立的電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)就稱為霍爾電勢(shì)，其大小可用下式表示：10.1霍爾式傳感器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，則有將上述公式進(jìn)行合并整理得10.1霍爾式傳感器令則得：由上式可知，霍爾電勢(shì)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)。還說明，當(dāng)控制電流方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)方向也將改變。但當(dāng)電流和磁場(chǎng)方向同時(shí)改變時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)方向不變。10.1霍爾式傳感器圖10-2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和符號(hào)10.1霍爾式傳感器3、基本電路霍爾元件的基本電路如圖10-3所示?？刂齐娏饔晒┙o，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指示器的內(nèi)阻。在磁場(chǎng)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)作為輸入信號(hào)輸入，而輸出信號(hào)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(約之間)，因此控制電流用交流時(shí)，頻率可以很高(幾千兆赫)。10.1霍爾式傳感器

圖10-3霍爾元件的基本電路10.1.3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(duì)性能的影響,在霍爾電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式中,是把霍爾片的長(zhǎng)度看作無限大來考慮的。實(shí)際上霍爾片總有一定長(zhǎng)度比，而元件的長(zhǎng)寬比是否合適對(duì)霍爾電動(dòng)勢(shì)大小有直接關(guān)系。為此上式可寫成：式中，為元件的形狀系數(shù)。10.1.3基本誤差及其補(bǔ)償

（二）零位誤差：包括不等位電動(dòng)勢(shì)、寄生直流電動(dòng)勢(shì)等①不等位電動(dòng)勢(shì)及其補(bǔ)償不等位電動(dòng)勢(shì)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焊在同一位面上，因此，當(dāng)控制電流流過元件時(shí)，即使磁場(chǎng)強(qiáng)度等于零，在霍爾電動(dòng)勢(shì)極上仍有電動(dòng)勢(shì)存在，該電動(dòng)勢(shì)就稱為不等位電動(dòng)勢(shì)。10.1.3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，就可以采用補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p小不等位電勢(shì)。常用的幾種補(bǔ)償電路如圖

10.1.3基本誤差及其補(bǔ)償此外，霍爾電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)的另一個(gè)原因。寄生直流電動(dòng)勢(shì)是霍爾元件零位誤差的一個(gè)組成部分，它的存在對(duì)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(dòng)勢(shì)，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。10.1.3基本誤差及其補(bǔ)償(3)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)霍爾元件在交變磁場(chǎng)中工作時(shí)，即使不加控制電流，由于霍爾電動(dòng)勢(shì)極引線布置不合理，在輸出回路中也會(huì)產(chǎn)生附加感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這電勢(shì)的大小正比于磁場(chǎng)變化的頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值，并與霍爾電動(dòng)勢(shì)極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比，如圖10-5a所示10.1.3基本誤差及其補(bǔ)償

圖10-5感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)示意圖及其補(bǔ)償10.1.3基本誤差及其補(bǔ)償⒉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)。

實(shí)際上，霍爾元件的輸出電阻隨溫度變化時(shí)會(huì)引起負(fù)載上輸出電壓變化，也需進(jìn)行補(bǔ)償。10.1.3基本誤差及其補(bǔ)償⒊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)小的元件(如砷化銦)或采用溫度補(bǔ)償措施。圖10-6所示是一種既簡(jiǎn)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)溫度升高時(shí)，霍爾元件內(nèi)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。這樣利用元件內(nèi)阻的濕度特性和一個(gè)補(bǔ)償電阻，就能自動(dòng)調(diào)節(jié)通過霍爾元件的電流大小，起到補(bǔ)償作用。10.1.3基本誤差及其補(bǔ)償圖10-6溫度補(bǔ)償電路10.1.3基本誤差及其補(bǔ)償霍爾元件的不等位電勢(shì)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)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，在溫度范圍內(nèi)效果是可以令人滿意的。10.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用一、利用與I的關(guān)系當(dāng)磁場(chǎng)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，霍爾元件可用于直接測(cè)量電流和能轉(zhuǎn)換為電流的其它物理量。10.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用二、利用與B的關(guān)系——可用于測(cè)量磁場(chǎng)及可轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)的其它物理量

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(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，則其輸出的霍爾電壓就取決于它在磁場(chǎng)中的位置。利用這一原理可以測(cè)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(dòng)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)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。10.1.4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)度成正比。利用這個(gè)關(guān)系可以測(cè)得交、直流磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)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(cè)量電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)而測(cè)得該電流值。10.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用三、利用與的關(guān)系——可進(jìn)行乘法運(yùn)算或功率測(cè)量如果控制電流為，磁感應(yīng)強(qiáng)度由激勵(lì)電流生，則據(jù)，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。10.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用四、典型應(yīng)用用于非電量檢測(cè)的霍爾傳感器，通常是通過彈性元件和其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將待測(cè)非電量（如力、壓力、應(yīng)變和加速度等）轉(zhuǎn)換為霍爾元件在磁場(chǎng)中的微小位移。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(chǎng)應(yīng)具有均勻的梯度變化的特性。這樣當(dāng)霍爾元件在這種磁場(chǎng)中移動(dòng)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(chǎng)中沿方向移動(dòng)，則霍爾電壓就只取決于它在磁場(chǎng)中的位移量，并且磁場(chǎng)梯度越大，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。10.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用如圖10-8所示是一種產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)的磁系統(tǒng)，由極性相反、磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩個(gè)磁鋼形成一個(gè)如圖b所示的均勻的梯度磁場(chǎng)、位移軸的零點(diǎn)位于兩磁鋼的正中間處。10.1.4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10.2氣敏傳感器為了確保安全，需對(duì)各種可燃性氣體、有毒性氣體進(jìn)行檢測(cè)。目前實(shí)用氣體檢測(cè)方法很多，其中接觸燃燒法和用半導(dǎo)體氣敏傳感器檢測(cè)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)。由于接觸燃燒法中使用的催化劑長(zhǎng)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)體氣敏傳感器。10.2氣敏傳感器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)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)，氣敏電阻的阻值將減?。槐粶y(cè)氣體濃度越大，電阻變化越大。10.2氣敏傳感器1.材料半導(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，由于用氧化錫制成的元件有一系列優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用最為廣泛。10.2氣敏傳感器(1)氣敏元件阻值隨檢測(cè)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(cè)。(2)材料的物理、化學(xué)穩(wěn)定性較好，與其它類型氣敏元件(如接觸燃燒式氣敏元件)相比，氣敏元件壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)。(3)氣敏元件對(duì)氣體檢測(cè)是可逆的，而且吸附、脫附時(shí)間短時(shí)間使用。10.2氣敏傳感器

(4)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，力學(xué)性能良好。(5)對(duì)氣體檢測(cè)不需要復(fù)雜的處理設(shè)備。待檢測(cè)氣體可通過元件電阻變化直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，且元件電阻率變化大，因此信號(hào)處理可不用高倍數(shù)放大電路就可實(shí)現(xiàn)。由于上述特點(diǎn)，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。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。2.組成氣敏電阻體和加熱器

3.結(jié)構(gòu)氣敏元件主要有三種類型：燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型。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。10.2氣敏傳感器10.2氣敏傳感器

圖10-9半導(dǎo)體氣敏電阻元件的結(jié)構(gòu)10.2氣敏傳感器4.電路符號(hào)①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(cè)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)生漲縮，易造成與材料的接觸不良。②旁熱式：旁熱式氣敏元件克服了直熱式的缺點(diǎn)，其測(cè)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)境氣氛對(duì)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、可靠性都較直熱式有所改進(jìn)。10.3濕敏傳感器10.3.1概述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(duì)濕度和相對(duì)濕度。絕對(duì)濕度是指一定大小空間中水蒸氣的絕對(duì)含量，可用表示。絕對(duì)濕度也稱水氣濃度或水氣密度。絕對(duì)濕度也可用水的蒸氣壓來表示。設(shè)空氣的水氣密度為，與之相應(yīng)的水蒸氣分壓為，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可以得出其關(guān)系式為：10.3濕敏傳感器濕度傳感器依據(jù)使用材料分類：電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，它在絕緣基板上制作一對(duì)電極，涂上氯化鋰鹽膠膜。氯化鋰極易潮解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電阻減小。陶瓷型：一般以金屬氧化物為原料，通過陶瓷工藝，制成一種多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值對(duì)空氣中水蒸氣的敏感特性而制成。10.3濕敏傳感器高分子型：先在玻璃等絕緣基板上蒸發(fā)梳狀電極,通過浸漬或涂覆,使其在基板上附著一層有機(jī)高分子感濕膜。有機(jī)高分子的材料種類也很多,工作原理也各不相同。單晶半導(dǎo)體型：所用材