半導體式傳感器(第七章)

1、主要內(nèi)容： 1.掌握半導體氣敏傳感器的概念；掌握半導體氣敏傳感器的概念；2. 2. 熟悉半導體材料的導電機理；熟悉半導體材料的導電機理；3. 3. 了解電阻型氣敏器件的結(jié)構(gòu)；了解電阻型氣敏器件的結(jié)構(gòu)；4. 4. 掌握濕敏電阻的基本原理；掌握濕敏電阻的基本原理；5. 5. 掌握磁阻效應；掌握磁阻效應；6. 6. 掌握半導體色敏傳感器的基本原理掌握半導體色敏傳感器的基本原理；教學要求教學要求概述概述概述概述紙紙 品品木材烘干木材烘干 濕度傳感器濕度傳感器 芯片生產(chǎn)要求最高的濕度穩(wěn)定性芯片生產(chǎn)要求最高的濕度穩(wěn)定性概述概述氣敏傳感器濕敏 傳感器 半導體氣敏傳感器的分類半導體氣敏傳感器的分類： （1）按

2、照半導體變化的物理性質(zhì)，又可分為：）按照半導體變化的物理性質(zhì)，又可分為： 電阻型半導體氣敏元件電阻型半導體氣敏元件：利用敏感材料接觸氣體：利用敏感材料接觸氣體時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度時，其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度 非電阻型半導體氣敏元件非電阻型半導體氣敏元件：利用其它參數(shù)的變化：利用其它參數(shù)的變化來檢測氣體的，如二極管的伏安特性。來檢測氣體的，如二極管的伏安特性。 （2）按照半導體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限）按照半導體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內(nèi)部，可分為：于半導體表面或深入到半導體內(nèi)部，可分為： 表面控制型氣敏電阻表面控制型氣敏電阻 體控制

3、型氣敏電阻體控制型氣敏電阻半導瓷材料半導瓷材料SnOSnO2 2為例說明氣敏半導材料為例說明氣敏半導材料的導電機理。的導電機理。SnOSnO2 2是是N N型半導體，其導電型半導體，其導電機理可以用吸附效應來解釋。機理可以用吸附效應來解釋。圖圖7-17-1（a a）為燒結(jié)體）為燒結(jié)體N N型半導瓷的模型。型半導瓷的模型。它是多晶體，晶粒間有較高的電阻，晶它是多晶體，晶粒間有較高的電阻，晶粒內(nèi)部電阻較低。圖中分別以空白部分粒內(nèi)部電阻較低。圖中分別以空白部分和黑點部分示意表示。導電通路的等效和黑點部分示意表示。導電通路的等效電路如圖電路如圖7-17-1（b b）所示。圖中）所示。圖中RnRn為頸部

4、為頸部等效電阻，等效電阻，RbRb為晶粒的等效體電阻，為晶粒的等效體電阻，RsRs為晶粒的等效表面電阻。其中為晶粒的等效表面電阻。其中RbRb的阻值的阻值較低，它不受吸附氣體影響。較低，它不受吸附氣體影響。 RsRs和和RnRn則則受吸附氣體所控制，且受吸附氣體所控制，且 。由于由于RsRs被被RbRb所短路。由此可見，半導體所短路。由此可見，半導體氣敏電阻的阻值將隨吸附氣體的數(shù)量和氣敏電阻的阻值將隨吸附氣體的數(shù)量和種類而改變。種類而改變。bnbsRRRR,當半導體氣敏傳感器在潔當半導體氣敏傳感器在潔凈的空氣中開始通電加熱凈的空氣中開始通電加熱時，其阻值急劇下降，然時，其阻值急劇下降，然后上升

5、，經(jīng)后上升，經(jīng)2min2min4min4min后后達到穩(wěn)定，這段時間為達到穩(wěn)定，這段時間為初初始穩(wěn)定時間始穩(wěn)定時間，元件只有在，元件只有在達到初始穩(wěn)定狀態(tài)后才可達到初始穩(wěn)定狀態(tài)后才可用于氣體檢測。當電阻值用于氣體檢測。當電阻值處于穩(wěn)定值后，會隨被測處于穩(wěn)定值后，會隨被測氣體的吸附情況而發(fā)生變氣體的吸附情況而發(fā)生變化，阻值發(fā)生變化的時間化，阻值發(fā)生變化的時間( (稱響應時間稱響應時間) )不到不到1min1min，其電阻的變化規(guī)律視氣體其電阻的變化規(guī)律視氣體的性質(zhì)而定。的性質(zhì)而定。圖圖 SnO2氣敏元件電阻氣敏元件電阻 與吸附氣體關(guān)系與吸附氣體關(guān)系 如果被測氣體是氧化如果被測氣體是氧化性氣體性氣

6、體( (如如O O2 2 、NOx) )，被吸附氣體分子從氣敏被吸附氣體分子從氣敏元件得到電子，使元件得到電子，使N N型型半導體中載流子電子減半導體中載流子電子減少，因而電阻值增大。少，因而電阻值增大。 如果被測氣體為還原性氣體如果被測氣體為還原性氣體, ,氣體分子向氣敏氣體分子向氣敏元件釋放電子，使元件中載流子電子增多，因而電元件釋放電子，使元件中載流子電子增多，因而電阻值下降。阻值下降。所謂還原性氣體就是在化學所謂還原性氣體就是在化學反應中能給出電子，化學價反應中能給出電子，化學價升高的氣體。還原性氣體多升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精

7、蒸氣、甲烷、油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。等。 當氧化型氣體吸附到當氧化型氣體吸附到N N型半導體上，還原型氣型半導體上，還原型氣體吸附到體吸附到P P型半導體上，將使載流子濃度減少，型半導體上，將使載流子濃度減少，電阻增大。電阻增大。 當還原型氣體吸附到當還原型氣體吸附到N N型半導體上，氧化型氣型半導體上，氧化型氣體吸附到體吸附到P P型半導體上，載流子濃度增加，電型半導體上，載流子濃度增加，電阻減少。阻減少。注意：注意：1 1、燒結(jié)型、燒結(jié)型燒結(jié)型氣敏器件的制作是將一定配比的敏感材料（燒結(jié)型氣敏器件的制作是將一定配比的敏感材料（SnOSnO2

8、 2、InOInO）及摻雜劑（）及摻雜劑（PtPt、PbPb）等以水或粘合劑調(diào)和，經(jīng)研磨后）等以水或粘合劑調(diào)和，經(jīng)研磨后使其均勻混合，然后將已均勻混合的膏狀物滴入模具內(nèi)，用使其均勻混合，然后將已均勻混合的膏狀物滴入模具內(nèi)，用傳統(tǒng)的制陶方法進行燒結(jié)。燒結(jié)時埋入加熱絲和測量電極，傳統(tǒng)的制陶方法進行燒結(jié)。燒結(jié)時埋入加熱絲和測量電極，最后將加熱絲和測量電極焊在座上，加特制外殼構(gòu)成器件。最后將加熱絲和測量電極焊在座上，加特制外殼構(gòu)成器件。這種器件一般分為這種器件一般分為內(nèi)熱式內(nèi)熱式和和旁熱式旁熱式兩種結(jié)構(gòu)，如圖兩種結(jié)構(gòu)，如圖7-27-2和圖和圖7-37-3所示。所示。2 2、薄膜型、薄膜型薄膜型氣敏器件

9、的制作首先須處理基片（玻璃石英式陶薄膜型氣敏器件的制作首先須處理基片（玻璃石英式陶瓷）；焊接電極，之后有采用蒸發(fā)或濺射方法在石英基片上瓷）；焊接電極，之后有采用蒸發(fā)或濺射方法在石英基片上形成一薄層氧化物半導體薄膜。實驗測得形成一薄層氧化物半導體薄膜。實驗測得SnO2SnO2和和ZnOZnO薄膜的薄膜的氣敏特性較好。氣敏特性較好。薄膜型器件外形結(jié)構(gòu)如圖薄膜型器件外形結(jié)構(gòu)如圖7-47-4所示。這種器件具有較高的所示。這種器件具有較高的機械強度，而且具有互換性好，產(chǎn)量高，成本低等優(yōu)點。機械強度，而且具有互換性好，產(chǎn)量高，成本低等優(yōu)點。3 3、厚膜型、厚膜型為解決器件一致性問題，為解決器件一致性問題，

10、19771977年發(fā)展了厚膜型器件。它年發(fā)展了厚膜型器件。它是有是有SnOSnO2 2和和ZnOZnO等材料與等材料與3%-15%3%-15%（重量）的硅凝膠混合制成（重量）的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印制到事先安裝有鉑電極能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印制到事先安裝有鉑電極的的AlAl2 2O O3 3基片上，以基片上，以400-800400-800燒結(jié)燒結(jié)1h1h制成。其結(jié)構(gòu)如圖制成。其結(jié)構(gòu)如圖7-57-5所所示。厚膜工藝制成的元件一致性較好，機械強度高，適于批示。厚膜工藝制成的元件一致性較好，機械強度高，適于批量生產(chǎn)，是一種有前途的器件。量生產(chǎn)，是一種有前途的器件。各種

11、可燃性氣體的濃度與傳感器電阻變化率的關(guān)系各種可燃性氣體的濃度與傳感器電阻變化率的關(guān)系 SnO2氣敏器件溫濕度特性氣敏器件溫濕度特性返回1 1、二極管氣敏傳感器、二極管氣敏傳感器 金屬和半導體接觸的界面形成肖金屬和半導體接觸的界面形成肖特基勢壘，構(gòu)成金屬半導體二極管。特基勢壘，構(gòu)成金屬半導體二極管。管子加正偏壓，半導體金屬的電子管子加正偏壓，半導體金屬的電子流增加，加負偏壓，幾乎無電流。流增加，加負偏壓，幾乎無電流。當金屬與半導體界面有氣體時，勢當金屬與半導體界面有氣體時，勢壘降低，電流變化。壘降低，電流變化。 非電阻型半導體氣敏傳感器主要非電阻型半導體氣敏傳感器主要用于氫氣濃度測量。用于氫氣濃

12、度測量。MOSMOS二極管氣敏元件結(jié)構(gòu)和等效電路二極管氣敏元件結(jié)構(gòu)和等效電路 3 3、MOSFETMOSFET氣敏元件氣敏元件 PdPd對對H2H2吸附性很強，吸附性很強，H2H2吸附在吸附在PdPd柵上引起的柵上引起的Pd Pd 功函數(shù)降低。當柵極（功函數(shù)降低。當柵極（G G）源極（）源極（S S）間加正向偏）間加正向偏 壓壓UGSUTUGSUT閥值時，柵極氧化層下的硅從閥值時，柵極氧化層下的硅從P P變?yōu)樽優(yōu)镹 N型，型， N N型區(qū)將型區(qū)將S S（源）和（源）和 D D（漏）連接起來，（漏）連接起來， 形成導電通道（形成導電通道（N N型型 溝道）此時溝道）此時MOSFET MOSFET

13、 進入工作狀態(tài)。進入工作狀態(tài)。鈀鈀Pd Pd MOSFETMOSFET管結(jié)管結(jié)構(gòu)構(gòu) 在在S S D D間加電壓間加電壓U UDSDS，S S D D間有電流間有電流I IDS DS 流過，流過，I IDSDS隨隨U UDSDS、U UGSGS變化。當變化。當U UGSGSUUT T時，溝時，溝 道沒形成，無漏源電流道沒形成，無漏源電流I IDS DS = 0= 0。 U UT T（閥值）電壓大小與金屬與半導體間的功（閥值）電壓大小與金屬與半導體間的功 函數(shù)有關(guān)。函數(shù)有關(guān)。 Pd Pd MOSFET MOSFET器件就是利用器件就是利用H H2 2在鈀柵極吸附在鈀柵極吸附 后改變功函數(shù)使后改變功

14、函數(shù)使U UT T下降，檢測下降，檢測H H2 2濃度。濃度。氣敏電阻外形氣敏電阻外形 酒精傳感器酒精傳感器 其他可燃性其他可燃性氣體傳感器氣體傳感器酒精測試儀酒精測試儀呼氣管呼氣管家庭用液化氣家庭用液化氣報警器報警器家用家用報警報警器電器電路圖路圖 這種測量回路能承受較高交流電壓這種測量回路能承受較高交流電壓, ,因此因此, ,可直可直接由市電供電接由市電供電, ,不加復雜的放大電路不加復雜的放大電路, ,就能驅(qū)動蜂鳴就能驅(qū)動蜂鳴器等來報警。這種報警器的工作原理是器等來報警。這種報警器的工作原理是: :蜂鳴器與蜂鳴器與氣敏器件構(gòu)成了簡單串聯(lián)電路，當氣敏器件接觸到氣敏器件構(gòu)成了簡單串聯(lián)電路，當

15、氣敏器件接觸到泄漏氣體泄漏氣體( (如煤氣、液化石油氣如煤氣、液化石油氣) )時時, ,其阻值降低其阻值降低, ,回回路電流增大路電流增大, ,達到報警點時蜂鳴器便發(fā)出警報。達到報警點時蜂鳴器便發(fā)出警報。NH3傳感器傳感器甲烷傳感器甲烷傳感器 煙氣分析儀煙氣分析儀Ceramic substrateConnection wiresBase electrode Porouscover-electrode Polymer layer 上上 電電 極極 下下 電電 極極 最最 新新 濕濕 度度 測測 量量 應應 用用 領(lǐng)領(lǐng) 域域 為什么要測量濕度為什么要測量濕度? ?溫溫濕度變送器濕度變送器h, Tx

16、室室 內(nèi)內(nèi) 空空 氣氣 質(zhì)質(zhì) 量量 100% rH貯貯 存存 / / 催催 熟熟生生 產(chǎn)產(chǎn) 空空 氣氣 質(zhì)質(zhì) 量量烘烘 干干 過過 程程- 耗費最低的能量耗費最低的能量- 達到達到 / 保持成品的最佳品質(zhì)保持成品的最佳品質(zhì)- 讓設(shè)備高效率地進行生產(chǎn)讓設(shè)備高效率地進行生產(chǎn)- 更舒適更舒適 - 更高的工作效率更高的工作效率- 使產(chǎn)品或原材料達到最佳品質(zhì)使產(chǎn)品或原材料達到最佳品質(zhì)濕度是指空氣中的水蒸氣含量，通常用絕對濕濕度是指空氣中的水蒸氣含量，通常用絕對濕度和相對濕度表示：度和相對濕度表示： 絕對濕度絕對濕度：一定溫度和壓力條件下，每單位體積的：一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸

17、氣的質(zhì)量。用混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量。用AHAH表示。單位：表示。單位：g/mg/m3 3 相對濕度相對濕度：空氣中實際所含水蒸氣密度（即絕對濕：空氣中實際所含水蒸氣密度（即絕對濕度）與同溫度下飽和水蒸氣密度的百分比值，用度）與同溫度下飽和水蒸氣密度的百分比值，用% %RHRH表示，是一個無量綱的量。是日常生活中常用表示，是一個無量綱的量。是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。當相對濕度達來表示濕度大小的方法。當相對濕度達100%100%時，稱時，稱飽和狀態(tài)。飽和狀態(tài)。 氯化鋰濕敏電阻即電解質(zhì)濕敏電阻，利用吸氯化鋰濕敏電阻即電解質(zhì)濕敏電阻，利用吸濕性鹽類潮解，離子導電率發(fā)生變化而制成濕性鹽類

18、潮解，離子導電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。的測濕元件。 典型的類型：登莫式和浸漬式典型的類型：登莫式和浸漬式 在氯化鋰（在氯化鋰（LiClLiCl）溶液中，）溶液中，LiLi和和ClCl以正負離以正負離子的形式存在，鋰離子（子的形式存在，鋰離子（Li+Li+）對水分子的吸）對水分子的吸收力強，離子水合成度高，溶液中的離子導收力強，離子水合成度高，溶液中的離子導能力與溶液濃度成正比，溶液濃度增加，導能力與溶液濃度成正比，溶液濃度增加，導電率上升。電率上升。1、半導體陶瓷濕敏元件的導電機理、半導體陶瓷濕敏元件的導電機理負機理：氫原子具有很強的正電場負機理：氫原子具有很強的正電場吸附電子吸附電子半導

19、瓷表面帶負電半導瓷表面帶負電吸附電子的同時也吸引空穴電阻吸附電子的同時也吸引空穴電阻1)、負特性、負特性 半導體陶瓷濕敏電阻通常用兩種以上的金屬半導體陶瓷濕敏電阻通常用兩種以上的金屬 氧化物氧化物半導體燒結(jié)成多孔陶瓷，材料有正濕度半導體燒結(jié)成多孔陶瓷，材料有正濕度 系數(shù)和負濕度系數(shù)兩種。系數(shù)和負濕度系數(shù)兩種。2021-12-2938）106105104103020406080100%電阻（相對濕度（%RH） 水中氫原子為正電場，吸附表面時可以俘獲電子，使水中氫原子為正電場，吸附表面時可以俘獲電子，使半導體表面帶負電。半導體表面帶負電。 如果是如果是P型型半導體，由于水分子吸附，將吸引更多的半導

20、體，由于水分子吸附，將吸引更多的空穴空穴至達其表面，使表面電阻率下降；至達其表面，使表面電阻率下降； 若是若是N型型半導體，水的附著使半導體，水的附著使表面表面電勢電勢下降甚多，吸引更多的空下降甚多，吸引更多的空穴到達表面，使表面的空穴濃度大穴到達表面，使表面的空穴濃度大于電子濃度也會使于電子濃度也會使電阻下降電阻下降，將使，將使半導體呈現(xiàn)負特性。半導體呈現(xiàn)負特性。2)、正特性、正特性 當水份子附著半導瓷表面使當水份子附著半導瓷表面使電勢變負電勢變負時，導致電子時，導致電子濃度下降，此時以電子導電為主，由于電子濃度下降，濃度下降，此時以電子導電為主，由于電子濃度下降，致使電阻加大，又由于晶體內(nèi)

21、部低阻支路的存在，正特致使電阻加大，又由于晶體內(nèi)部低阻支路的存在，正特性性電阻的升高電阻的升高，沒有負特性電阻下降明顯。，沒有負特性電阻下降明顯。 半導瓷的電阻率隨濕半導瓷的電阻率隨濕度的增加而增大，稱為正濕度的增加而增大，稱為正濕敏特性。敏特性。8001002014016018020022012040 60 80100%2021-12-2940Fe3O4正特性半導瓷濕正特性半導瓷濕敏電阻阻值與濕度的敏電阻阻值與濕度的關(guān)系曲線。關(guān)系曲線。 正濕敏特性半導體瓷濕敏正濕敏特性半導體瓷濕敏 電阻（例：電阻（例：FeFe3 3O O4 4），材料結(jié)構(gòu)、），材料結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負特性不同，總電子能量

22、狀態(tài)與負特性不同，總的電阻值升高沒有負特性阻值下的電阻值升高沒有負特性阻值下降的明顯。降的明顯。 燒結(jié)型燒結(jié)型MgCr2O4-TiO2濕敏傳感器結(jié)構(gòu)濕敏傳感器結(jié)構(gòu) 隔漏環(huán)底板接線柱感濕體引線1234加熱絲感濕體RuO2電極2021-12-2942濕敏傳感器濕敏傳感器- -應用應用2021-12-2943直讀式濕度計直讀式濕度計 RH為氯化鋰濕度傳感器，為氯化鋰濕度傳感器，VT1、VT2、T1等組成測濕電等組成測濕電橋的電源橋的電源, 其振蕩頻率為其振蕩頻率為2501000 Hz。 電橋輸出級變壓器電橋輸出級變壓器T2, C3耦合到耦合到VT3, 經(jīng)經(jīng)VT3放大后的信號放大后的信號, 由由VD1

23、VD4橋式整流橋式整流后后, 輸入給微安表輸入給微安表, 指示出由于相對濕度的變化引起電流的指示出由于相對濕度的變化引起電流的改變改變, 經(jīng)標定并把濕度刻劃在微安表盤上經(jīng)標定并把濕度刻劃在微安表盤上, 就成為一個簡單就成為一個簡單而實用的直讀式濕度計了。而實用的直讀式濕度計了。濕敏傳感器濕敏傳感器- -應用應用濕敏傳感器的應用濕敏傳感器的應用 2. 自動氣象站濕度測報 濕度傳感器廣泛用于自動氣象站的遙測裝置上，采用耗電量很小的濕度傳感器可以由蓄電瓶供電長期自動工作，幾乎不需要維護。用于無線電遙測自動氣象站的濕度測報原理方框圖如圖所示。 無線電遙測自動氣象站的濕度測報原理方框圖 氯化鋰濕度傳感器

24、將被測濕度轉(zhuǎn)換為電阻值，Rf轉(zhuǎn)換電路將此電阻值R轉(zhuǎn)換為相應的頻率f，再經(jīng)自校準器控制使頻率f與相對濕度一一對應，最后經(jīng)門電路記錄在自動記錄儀上。如果需要遠距離數(shù)據(jù)傳輸，則還需要將得到的數(shù)字量編碼，調(diào)制到無線電載波上發(fā)射出去。 3. 濕度控制電路 濕度控制電路如圖所示。振蕩電路用時基電路IC1、D觸發(fā)器IC2組成。IC1產(chǎn)生4Hz的脈沖信號，經(jīng)IC2后變?yōu)?Hz的對稱方波作為濕度器件的電源，由IC3組成比較器。在比較器的同相輸入端接入基準電壓，調(diào)節(jié)電位器RP可以設(shè)定控制的相對濕度。 濕度控制電路 4. 汽車后窗玻璃自動去濕裝置 圖是一種用于汽車駕駛室擋風玻璃的自動去濕電路。其目的是防止駕駛室的擋

25、風玻璃結(jié)露或結(jié)霜，保證駕駛員視線清楚，避免事故發(fā)生。該電路也可用于其他需要去濕的場合。 汽車后窗玻璃自動去濕裝置硬質(zhì)面粉水(雞蛋)配料配料成形成形烘干烘干剪切剪切 / 包裝包裝60% RH.濕度過低濕度過低:.濕度過高濕度過高:30% 的水份含量 利于面條的成形12.5% 的水分含量便于貯存面條1. 表面堅硬2. 內(nèi)部水份蒸發(fā)產(chǎn)生的壓力導致表面被破壞精確的烘干 過程需要避免. 表面松軟易霉變70-120C (160-250F) 最最 新新 濕濕 度度 測測 量量 應應 用用 領(lǐng)領(lǐng) 域域 面條烘干面條烘干顆顆 粒粒 產(chǎn)產(chǎn) 品品處理 易潮材料易潮材料 對 空氣質(zhì)量空氣質(zhì)量 的要求 更高更高 紙紙

26、品品紡紡 織織 品品能源能源耗費高最佳 產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生靜電靜電 RH 高高RH 低低噴噴 漆漆 生生 產(chǎn)產(chǎn) 線線漆面過濕濕最佳 產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)品質(zhì)量漆面過干干確定油漆中的水份含量需要非常精確的RH值!食食 品品 生生 產(chǎn)產(chǎn) 最最 新新 濕濕 度度 測測 量量 應應 用用 領(lǐng)領(lǐng) 域域 生產(chǎn)過程的空氣質(zhì)量生產(chǎn)過程的空氣質(zhì)量電子式電子式溫濕度計溫濕度計機械機械式、式、電子式電子式溫濕度計對比溫濕度計對比 ， 220(10.273)BB磁阻效應方程式磁阻效應方程式無磁場時的無磁場時的電阻率電阻率 存在磁感應強存在磁感應強度為時的電阻度為時的電阻率率 電子遷移率電子遷移率 220(10.273)BB0

27、B222200.273BKB電阻率的變化：電阻率的變化： 電阻率的相對變化：電阻率的相對變化： 可見：當磁場可見：當磁場B B一定時，遷移率越高的材料一定時，遷移率越高的材料（如（如InSbInSb、InAsInAs、NiSbNiSb等半導體材料），其磁等半導體材料），其磁阻效應越明顯，更適合于制作磁敏電阻。阻效應越明顯，更適合于制作磁敏電阻。2、磁敏電阻的形狀、磁敏電阻的形狀 磁阻效應除了與電子的遷移率和磁場磁阻效應除了與電子的遷移率和磁場B B有關(guān)（物理有關(guān)（物理磁阻效應），還與元件的幾何形狀有關(guān)磁阻效應），還與元件的幾何形狀有關(guān) 常見的磁敏電阻是圓盤形的，中心和邊緣處為兩電常見的磁敏電阻

28、是圓盤形的，中心和邊緣處為兩電極。叫科爾比諾圓盤。其磁阻效叫科爾比諾效應。極。叫科爾比諾圓盤。其磁阻效叫科爾比諾效應。 考慮幾何磁阻效應，半導體磁敏電阻的磁阻效應方考慮幾何磁阻效應，半導體磁敏電阻的磁阻效應方程式為：程式為：lb形狀效應系數(shù)形狀效應系數(shù) 20() 1( /)KBf l w b幾何形狀與磁阻變化特性 3 3磁敏電阻的應用磁敏電阻的應用磁敏電阻的應用非常廣泛。除了用它做成探頭，磁敏電阻的應用非常廣泛。除了用它做成探頭，配上簡單線路可以探測各種磁場外，在測量方面配上簡單線路可以探測各種磁場外，在測量方面還可制成位移檢測器、角度檢測順、功率計、安還可制成位移檢測器、角度檢測順、功率計、

29、安培計等。此外，還可用磁敏電阻制成交流放大器、培計等。此外，還可用磁敏電阻制成交流放大器、振蕩器等。振蕩器等。磁敏傳感器利用磁阻效應，將三維方向的三個磁敏磁敏傳感器利用磁阻效應，將三維方向的三個磁敏傳感器件集成在同一個芯片上，可以很好地感測地傳感器件集成在同一個芯片上，可以很好地感測地球磁場。如將它裝在公路上或通道的上方，當含有球磁場。如將它裝在公路上或通道的上方，當含有鐵性物質(zhì)的汽車駛過時，會干擾地磁場的分布。根鐵性物質(zhì)的汽車駛過時，會干擾地磁場的分布。根據(jù)鐵磁物體對地磁的擾動，可檢測車輛的存在，也據(jù)鐵磁物體對地磁的擾動，可檢測車輛的存在，也可以根據(jù)不同車輛對地磁產(chǎn)生的不同擾動來識別車可以根

30、據(jù)不同車輛對地磁產(chǎn)生的不同擾動來識別車輛類型。輛類型。磁敏電阻的應用磁敏電阻的應用 根據(jù)鐵磁物體根據(jù)鐵磁物體對地磁的擾動，對地磁的擾動，可檢測車輛的可檢測車輛的存在，可用于存在，可用于包括自動開門，包括自動開門，路況監(jiān)測，停路況監(jiān)測，停車場檢測，車車場檢測，車輛位置監(jiān)測，輛位置監(jiān)測，紅綠燈控制等。紅綠燈控制等。 磁阻磁阻IC用于轉(zhuǎn)速測量用于轉(zhuǎn)速測量 磁力線集中磁力線集中磁力線分散磁力線分散磁阻磁阻IC用于筆式驗鈔器用于筆式驗鈔器 驗鈔筆順著紙幣上驗鈔筆順著紙幣上的磁性防偽線掃描的磁性防偽線掃描 InSb磁敏電阻無觸點開關(guān)利用磁敏電阻制作小型探礦儀利用磁敏電阻制作小型探礦儀（磁力儀）（磁力儀）用

31、于鐵礦的勘探用于鐵礦的勘探 磁敏電阻磁敏電阻（聚四氟乙（聚四氟乙烯封裝）烯封裝） 磁力磁力 探礦儀探礦儀的使用的使用磁敏電阻小型探礦儀磁敏電阻小型探礦儀PNI區(qū)rPN結(jié)型的磁結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件電轉(zhuǎn)換元件I I 區(qū)：高阻區(qū)：高阻/ /本征區(qū)本征區(qū)P P、N N：摻雜區(qū)：摻雜區(qū)P-I-NP-I-N結(jié)結(jié)I I 區(qū)兩側(cè)處理：區(qū)兩側(cè)處理：光滑：光滑：I I 面面打毛：復合面（打毛：復合面（ r r 面）面）PNI區(qū)rPNI面rHPNI面rHPNI面r工作原理工作原理磁場磁場H = 0H = 0：少量電子和空穴在少量電子和空穴在 I I 區(qū)、區(qū)、r r區(qū)復合區(qū)復合正向磁場正向磁場 H H+ + ：電子和空

32、穴偏向電子和空穴偏向 r r 區(qū)，電流因區(qū)，電流因復合增大而減小，基區(qū)的等效電復合增大而減小，基區(qū)的等效電阻增大阻增大反向磁場反向磁場 H- H- ：電子和空穴偏向電子和空穴偏向 I I 區(qū)，電流區(qū)，電流因復合減少而增大，基區(qū)的等因復合減少而增大，基區(qū)的等效電阻減小效電阻減小磁敏二極管與其他磁敏器件相比，具有以下特點：磁敏二極管與其他磁敏器件相比，具有以下特點：（1）靈敏度高。磁敏二極管的靈敏度比霍爾元件高幾百甚至）靈敏度高。磁敏二極管的靈敏度比霍爾元件高幾百甚至上千倍，而且線路簡單，成本低廉，更適合于測量弱磁場。上千倍，而且線路簡單，成本低廉，更適合于測量弱磁場。（2）具有正反磁靈敏度。這一

33、點是磁阻器件所欠缺的。故磁）具有正反磁靈敏度。這一點是磁阻器件所欠缺的。故磁敏二極管可用作無觸點開關(guān)。敏二極管可用作無觸點開關(guān)。（3）靈敏度與磁場關(guān)系呈線性的范圍比較窄。這一點不如霍）靈敏度與磁場關(guān)系呈線性的范圍比較窄。這一點不如霍爾元件。磁敏二極管可用來檢測交、直流磁場，特別適合于爾元件。磁敏二極管可用來檢測交、直流磁場，特別適合于測量弱磁場；可制作箍位電流計，對高壓線進行不斷線、無測量弱磁場；可制作箍位電流計，對高壓線進行不斷線、無接觸電流測量，還可作無觸點開關(guān)，無接觸電位計等。接觸電流測量，還可作無觸點開關(guān)，無接觸電位計等。u利用磁敏二極管在磁場強度的變化下，其利用磁敏二極管在磁場強度的

34、變化下，其 電流發(fā)生變化，于是就實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換電流發(fā)生變化，于是就實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。 半導體色敏傳感器是半導體光敏器件的一種，其半導體色敏傳感器是半導體光敏器件的一種，其工作原理是基于半導體的工作原理是基于半導體的內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應，將光信號，將光信號變成電信號。變成電信號。 一般的光電器件是檢測在一定波長范圍內(nèi)的光強一般的光電器件是檢測在一定波長范圍內(nèi)的光強度或光子數(shù)目，而色敏傳感器可以直接測量從可度或光子數(shù)目，而色敏傳感器可以直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色光的波長。見光到近紅外波段內(nèi)單色光的波長。1、光電二極管的工作原理、光電二極管的工作原理光照射光照射PN結(jié)時，若結(jié)時，若hEg，使價帶中

35、的電子躍遷到導帶，而使價帶中的電子躍遷到導帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，電子偏向場的作用下，電子偏向N區(qū)外側(cè)，區(qū)外側(cè)，空穴偏向空穴偏向P區(qū)外側(cè)，使區(qū)外側(cè)，使P區(qū)帶正電，區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，形成光生電動勢。區(qū)帶負電，形成光生電動勢。 PNS0Px nxx 光在半導體中傳播時的衰光在半導體中傳播時的衰減，是由于價帶電子吸收光子減，是由于價帶電子吸收光子而從價帶躍遷到導帶的結(jié)果。而從價帶躍遷到導帶的結(jié)果。這種吸收光子的過程稱為本征這種吸收光子的過程稱為本征吸收，硅的本征吸收系數(shù)隨入吸收，硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長變化的曲線如圖所示。射光波長變化的曲線如圖所示。由圖可見，在紅外部分吸收系由圖可見，在紅外部分吸收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。這就表明，波長短的光子衰減這就表明，波長短的光子衰減較快，穿透深度較淺，而波長較快，穿透深度較淺，而波長長的光子則能進入硅的較深的長的光子則能進入硅的較深的區(qū)域。區(qū)域。對于光電器件而言，還常用對于光電器件而言，還常用量量子效率子效率來表征光生電子流與入來表征光生電子流與入射光子流的比值大小。其物理射光子流的比值大小。其