現(xiàn)代檢測技術(shù)半導(dǎo)體式傳感器

現(xiàn)代檢測技術(shù)半導(dǎo)體式傳感器第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六

1970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)體傳感器以易于實現(xiàn)集成化、微型化、靈敏度高等諸多優(yōu)點，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。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，通過檢測這些物理特性的變化，即可反映被測參數(shù)值。第10章半導(dǎo)體傳感器第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六第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：①由于傳感器原理是基于物理變化的，因而沒有相對運動部件，可以做到結(jié)構(gòu)簡單、微型化。②靈敏度高，動態(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現(xiàn)傳感器集成化、智能化。④功耗低，安全可靠。第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六第10章半導(dǎo)體傳感器同時，半導(dǎo)體傳感器也存在以下一些缺點：①線性范圍寬，在精度要求高的場合應(yīng)采用線性化補償電路。②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)采用補償措施。③性能參數(shù)離散性大。第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六雖然存在上述問題，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)體傳感器第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.1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，那么，在垂直于電流和磁場方向上(即霍爾輸出端之間)將產(chǎn)生電動勢(霍爾電動勢或稱霍爾電壓)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。10.1霍爾式傳感器第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1霍爾式傳感器圖10-1霍爾效應(yīng)原理圖第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。如圖10-1中一塊長為，寬為，厚度為的N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(電子)將沿著與電流相反的方向運動，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，該電場阻止運動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)當(dāng)電場作用在運動電子上的電場力與洛倫茲力相等時，電子積累便達(dá)到動態(tài)平衡。第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1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，相應(yīng)的電動勢就稱為霍爾電勢，其大小可用下式表示：第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1霍爾式傳感器流過基片的電流常稱為激勵電流或控制電流，假設(shè)它分布均勻，則有將上述公式進(jìn)行合并整理得第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1霍爾式傳感器令則得：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，它是表征在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時輸出霍爾電壓大小的一個重要參數(shù)。還說明，當(dāng)控制電流方向或磁場方向改變時，輸出電動勢方向也將改變。但當(dāng)電流和磁場方向同時改變時，霍爾電動勢方向不變。第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1霍爾式傳感器2、結(jié)構(gòu)和符號

霍爾元件的結(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成?；魻栐且粔K矩形半導(dǎo)體薄片，在短邊的中間以點的形式焊上兩根控制電流端引線11′，在元件長邊兩端面上焊上兩根霍爾輸出端引線22′，在焊接處要求接觸電阻小，呈純電阻性質(zhì)(歐姆接觸)?；魻柶话阌梅谴判越饘偬沾苫颦h(huán)氧樹脂封裝。第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1霍爾式傳感器圖10-2霍爾元件的結(jié)構(gòu)和符號第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1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。在磁場作用下，負(fù)載上就有電壓輸出。在實際使用時，以或，或兩者同時作為輸入信號輸入，而輸出信號則正比于或，或兩者的乘積由于建立霍爾效應(yīng)所需的時間很短(約之間)，因此控制電流用交流時，頻率可以很高(幾千兆赫)。第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1霍爾式傳感器

圖10-3霍爾元件的基本電路第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六4、基本特性霍爾元件的電磁特性包括控制電流(直流或交流)與輸出之間的關(guān)系、霍爾輸出與磁場(恒定或交變)之間的關(guān)系等特性。（一）特性在磁場和環(huán)境溫度一定時，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流靈敏度，用表示。（二）特性當(dāng)控制電流—定時，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)元件工作在以下時，線性度才比較好。10.1霍爾式傳感器第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償（一）元件的幾何尺寸、電極接點大小對性能的影響,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。實際上霍爾片總有一定長度比，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：式中，為元件的形狀系數(shù)。第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償

（二）零位誤差：包括不等位電動勢、寄生直流電動勢等①不等位電動勢及其補償不等位電動勢是一個主要的零位誤差。由于在制作霍爾元件時，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，即使磁場強(qiáng)度等于零，在霍爾電動勢極上仍有電動勢存在，該電動勢就稱為不等位電動勢。第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償如果確知控制電流極偏離等位面的方向，就可以采用補償?shù)姆椒▉頊p小不等位電勢。常用的幾種補償電路如圖

第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償②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，在控制電流極和霍爾電動勢極上都可能出現(xiàn)整流效應(yīng)。因此。當(dāng)元件通以交流控制電流(不加磁場)時，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。寄生直流電動勢與工作電流有關(guān)，隨工作電流減小而減小。第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償此外，霍爾電動勢極的焊點大小不一致，兩焊點的熱容量不一致產(chǎn)生溫差也是造成寄生直流電動勢的另一個原因。寄生直流電動勢是霍爾元件零位誤差的一個組成部分，它的存在對霍爾元件在交流情況下使用是有很大妨礙的。為了減少寄生直流電動勢，在元件制作和安裝時，應(yīng)盡量改善電極的歐姆接觸性能和元件的散熱條件。第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償(3)感應(yīng)電動勢霍爾元件在交變磁場中工作時，即使不加控制電流，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10-5a所示第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償

圖10-5感應(yīng)電動勢示意圖及其補償?shù)?3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償三溫度誤差補償因為半導(dǎo)體材料的電阻率、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、霍爾電動勢等也將隨溫度變化。⒈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化對霍爾元件輸出電壓的影響。第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償⒉選取合適的負(fù)載電阻采用恒流源法補償霍爾極開路時輸入電阻的溫度系數(shù)。

實際上，霍爾元件的輸出電阻隨溫度變化時會引起負(fù)載上輸出電壓變化，也需進(jìn)行補償。第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償⒊采用補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)或采用溫度補償措施。圖10-6所示是一種既簡單、效果又好的補償電路。在控制電流極并聯(lián)一個合適的補償電阻，它起著分流作用。當(dāng)溫度升高時，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補償電阻，就能自動調(diào)節(jié)通過霍爾元件的電流大小，起到補償作用。第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償圖10-6溫度補償電路第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償圖10-7橋路補償法的溫度補償電路第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.3基本誤差及其補償霍爾元件的不等位電勢用調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行補償。在霍爾輸出電極上串入一個溫度補償電橋，此電橋的四個臂中有一個是錳銅電阻并聯(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。因此補償電橋可以給出一個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)整這個不平衡的非線性電壓就可以補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。第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用一、利用與I的關(guān)系當(dāng)磁場恒定時，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量電流和能轉(zhuǎn)換為電流的其它物理量。第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用二、利用與B的關(guān)系——可用于測量磁場及可轉(zhuǎn)換為磁場的其它物理量

如果保持霍爾元件的激勵電流不變，而讓它在均勻梯度的磁場中移動時，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)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)速傳感器、接近開關(guān)、無觸點開關(guān)、導(dǎo)磁產(chǎn)品計數(shù)器等。第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用當(dāng)控制電流一定時，霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。利用這個關(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。第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用三、利用與的關(guān)系——可進(jìn)行乘法運算或功率測量如果控制電流為，磁感應(yīng)強(qiáng)度由激勵電流生，則據(jù)，霍爾電壓可表示為利用上述乘法關(guān)系，將霍爾元件與激勵線圈、放大器等組合起來，可以做成模擬運算的乘法器、開方器、平方器、除法器等。第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.4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)將待測非電量（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中移動時，如使控制電流保持恒定，而使霍爾元件在一個均勻的梯度磁場中沿方向移動，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，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。第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.4霍爾傳感器的應(yīng)用如圖10-8所示是一種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)，由極性相反、磁場強(qiáng)度相同的兩個磁鋼形成一個如圖b所示的均勻的梯度磁場、位移軸的零點位于兩磁鋼的正中間處。第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.1.4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第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.2氣敏傳感器為了確保安全，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、費用低和可把氣體濃度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電量輸出的特點。由于接觸燃燒法中使用的催化劑長期使用時容易劣化和中毒，靈敏度又較低，故現(xiàn)在多使用半導(dǎo)體氣敏傳感器。第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.2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電阻發(fā)生變化，當(dāng)接觸氧化性氣體時，氣敏電阻的阻值將增大；當(dāng)接觸還原性氣體時，氣敏電阻的阻值將減?。槐粶y氣體濃度越大，電阻變化越大。第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.2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，故應(yīng)用最為廣泛。第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.2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，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，與其它類型氣敏元件(如接觸燃燒式氣敏元件)相比，氣敏元件壽命長、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)。(3)氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫附時間短時間使用。第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.2氣敏傳感器

(4)元件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高，力學(xué)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)放大電路就可實現(xiàn)。由于上述特點，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。第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六2.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氣敏傳感器第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.2氣敏傳感器

圖10-9半導(dǎo)體氣敏電阻元件的結(jié)構(gòu)第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.2氣敏傳感器4.電路符號①直熱式：直熱式氣敏元件的優(yōu)點是：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，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)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、可靠性都較直熱式有所改進(jìn)。第44頁，共49頁，2023年，2月20日，星期六10.3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，即絕對濕度和相對濕