傳感器應(yīng)用技術(shù) 課件 項目五 基于霍爾傳感器的車速測量儀的設(shè)計與制作

傳感器應(yīng)用技術(shù)項目五

基于霍爾傳感器的車速測量儀的設(shè)計與制作霍爾原理

講授內(nèi)容霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要。人類日常生活中常用的很多電子器件都來自霍爾效應(yīng)，僅汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件就包括：信號傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測器、各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器等。霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學家霍爾于1879年在研究金屬時發(fā)現(xiàn)的。半導體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)磁感應(yīng)強度B為零時的情況ABCD霍爾效應(yīng)當有圖示方向磁場B作用時；作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱菖c輸入電流I、磁感應(yīng)強度B成正比，且當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢?；魻栃?yīng)霍爾電勢EH可用下式表示：EH=KHIB式中：kH為靈敏度系數(shù)，kH=RH/d，表示在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流時的霍爾電動勢的大小,與材料的霍爾系數(shù)和幾何尺寸d有關(guān)；霍爾系數(shù)RH＝1/(nq)，由材料物理性質(zhì)所決定，q為電子電荷量；n為材料中的電子濃度。金屬材料中的自由電子濃度n很高，因此RH很小，不宜作霍爾元件。霍爾元件多用載流子遷移率大的N型半導體材料制作。另外，霍爾元件越薄(d越小)，kH就越大，所以通?；魻栐驾^薄。薄膜霍爾元件的厚度只有1左右。

霍爾效應(yīng)中國科學家、中科院物理所方忠教授帶領(lǐng)的團隊在實驗上實現(xiàn)了零磁場中的量子霍爾效應(yīng)，利用其無耗散的邊緣態(tài)發(fā)展新一代的低能耗晶體管和電子學器件，從而解決電腦發(fā)熱問題和摩爾定律的瓶頸問題。這些效應(yīng)可以制備低能耗的高速電子器件，例如極低能耗的芯片，進而可能促成高容錯的全拓撲量子計算機的誕生——這意味著個人電腦未來可能得以更新?lián)Q代。

霍爾元件材料霍爾系數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率μ的乘積。若要霍爾效應(yīng)強，則希望有較大的霍爾系數(shù)RH，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很小；而絕緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低.半導體材料才適于制造霍爾片。RH=μρ

霍爾元件材料目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺。銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好?；魻栐牧舷卤硭袨橹谱骰魻栐膸追N半導體材料主要參數(shù)。

霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的，如下圖所示?；魻柶且粔K矩形半導體單晶薄片，引出四根引線：1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱霍爾電極?；魻栐慕Y(jié)構(gòu)霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的殼體是用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝的。在電路中，霍爾元件一般可用兩種符號表示，如下圖所示。

1-1’激勵電極

2-2’霍爾電極

霍爾元件符號霍爾元件的測量電路霍爾元件的基本測量電路如下圖所示。激勵電流由電壓源E供給，其大小由可變電阻來調(diào)節(jié)。

霍爾元件的基本測量電路霍爾元件的測量電路在實際應(yīng)用中，要根據(jù)不同的使用要求采用不同的連接電路方式。如在直流激勵電流情況下，為了獲得較大的霍爾電壓，可將幾塊霍爾元件的輸出電壓串聯(lián)，如圖（a）所示。在交流激勵電流情況下，幾塊霍爾元件的輸出可通過變壓器結(jié)成如圖（b）的形式，以增加霍爾電壓或輸出功率?；魻栐妮敵鲭娐?a)直流激勵(b)交流激勵傳感器應(yīng)用技術(shù)項目五

基于霍爾傳感器的車速測量儀的設(shè)計與制作霍爾元件的特性參數(shù)和誤差補償霍爾額定激勵電流I：當霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流?；魻栕畲笤试S激勵電流Imax

:以元件允許最大溫升為限制，所對應(yīng)的激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而線性增加，所以使用中希望選用盡可能大的激勵電流，因而需要知道元件的最大允許激勵電流。改善霍爾元件的散熱條件，可以使激勵電流增加。

霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾輸入電阻Rin：霍爾控制電極間的電阻值。霍爾輸出電阻Rout：霍爾輸出電極間的電阻值。霍爾電極輸出電勢對電路外部來說相當于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強度為零，且環(huán)境溫度在20℃±5℃時所確定的。

霍爾元件的主要特性參數(shù)霍爾電勢溫度系數(shù)α:在一定磁感應(yīng)強度和激勵電流下，溫度每變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率，它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。霍爾靈敏系數(shù)KH:在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強度作用下，霍爾器件輸出端的開路電壓，稱為霍爾靈敏系數(shù)KH，霍爾靈敏系數(shù)KH的單位為V/（A·T）。

霍爾元件的主要特性參數(shù)

霍爾元件的零位誤差是指在無外加磁場或無控制電流的情況下，霍爾元件產(chǎn)生輸出電壓并由此而產(chǎn)生的誤差。它主要表現(xiàn)為以下幾種具體形式。

零位誤差及補償1.不等位電動勢：不等位電動勢是零位誤差中最主要的一種，它是當霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10℃所對應(yīng)的電流)作用下，不加外磁場時，霍爾輸出端之間的空載電動勢。

零位誤差及補償當霍爾元件的激勵電流為I時，若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。

霍爾元件的主要特性參數(shù)不等位電勢和不等位電阻

產(chǎn)生不等位電勢現(xiàn)象的原因不等位電動勢產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個霍爾電極對稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點不能完全位于同一等位面上。此外,霍爾片電阻率不均勻，或片厚薄不均勻，或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜，如圖所示，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動勢。

霍爾元件的主要特性參數(shù)不等位電勢也可用不等位電阻表示，即式中：U0——不等位電勢；

r0——不等位電阻；

I——激勵電流。由式可以看出，不等位電勢就是激勵電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。

零位誤差及補償在理想情況下R1=R2=R3=R4，即可取得零位電動勢為零(或零位電阻為零)，從而消除不等位電動勢。實際上，若存在零位電動勢，則說明此4個電阻不完全相等，即電橋不平衡。為使其達到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻RP或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻RP和R。

霍爾元件零位誤差補償電路零位誤差及補償補償電路法解決不等位電勢現(xiàn)象2.寄生直流電勢由于霍爾元件的電極不可能做到完全的歐姆接觸，在控制電極板和霍爾電勢板上都可能出現(xiàn)整流效應(yīng)。因此，當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勢外，還有一直流電勢分量，此電勢分量稱為寄生直流電動勢。產(chǎn)生寄生直流電勢的原因：（1）控制電流與霍爾電勢極的歐姆接觸不良造成的整流效應(yīng)；（2）由于霍爾電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，造成直流附加電勢。

霍爾元件的主要特性參數(shù)減小寄生直流電勢的措施：寄生直流電勢是霍爾元件零位誤差的一個組成部分，它的存在對于霍爾元件在交流情況下使用是有很大妨礙的，尤其是這個直流附加電勢是隨時間變化時，這將會導致輸出漂移，為了減少寄生直流電勢，在元件的制作和安裝時，應(yīng)盡量改善電極的歐姆接觸性能和元件的散熱條件。寄生直流電勢是霍爾元件零位誤差的一部分，一般在1mV以下，它是影響霍爾片溫漂的原因之一。

霍爾元件的主要特性參數(shù)3.感應(yīng)零電動勢定義：當沒有控制電流時，在交流或脈動磁場作用下產(chǎn)生的電勢叫感應(yīng)零電勢Vi0。感應(yīng)零電勢大小與霍爾電極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積A成正比，如圖（a）所示。由電磁感應(yīng)定律。

下式中B為感應(yīng)強度。磁感應(yīng)零電勢補償方法如圖（b）（c），使霍爾電勢極引線圍成的感應(yīng)面積A所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢互相抵消。

零位誤差及補償4.霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場電動勢自激場：當霍爾元件通以控制電流時，此電流就會產(chǎn)生磁場，這一磁場稱為自激場。左右兩半場相等，產(chǎn)生的電勢方向相反而抵消，如圖（a）所示。自激場零電勢：實際應(yīng)用時并非兩半場相等，如圖（b）分布量，因而有霍爾電勢輸出，這輸出稱為自激場零電勢。克服自激場零電勢措施：只要在安裝過程中，適當安排控制電流引線就可以消除自激場零電勢。

零位誤差及補償在上述的4種零位誤差中，寄生直流電動勢、感應(yīng)零電動勢以及自激場零電動勢，是由于制作工藝上的原因而造成的誤差，可以通過工藝水平的提高加以解決。而不等位電動勢所造成的零位誤差，則必須通過補償電路給予克服。

霍爾元件結(jié)構(gòu)及等效電路如圖零位誤差及補償傳感器應(yīng)用技術(shù)項目五

基于霍爾傳感器的車速測量儀的設(shè)計與制作霍爾元件的溫度特性及補償方法霍爾元件是采用半導體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當溫度變化時，霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化，從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。

霍爾元件的溫度特性霍爾元件的溫度特性將溫度每變化1℃時，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對變化率Rt/Ro稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用表示。將溫度每變化1℃時，霍爾電壓的相對變化率UHt/UH0稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用表示。1.溫度對內(nèi)阻影響霍爾元件控制電流兩端之間的輸入電阻和霍爾電勢兩輸入端的輸出電阻?；魻栐牟牧喜煌?，內(nèi)阻與溫度的關(guān)系不同，內(nèi)阻與溫度的關(guān)系如圖所示。

霍爾元件的溫度特性從圖中可以看出銻化銦溫度最敏感，其溫度系數(shù)最大，低溫范圍內(nèi)尤其明顯，其次是硅，砷化銦的溫度系數(shù)最小。圖（b）中比較了HZ-1,2,3和HZ-4型元件內(nèi)阻與溫度的關(guān)系。HZ-1,2,3三種元件的溫度系數(shù)在80℃左右開始由正變負，而HZ-4在120℃左右開始由正變負。

霍爾元件的溫度特性2.溫度對霍爾輸出的影響

下圖給出了各種材料的霍爾輸出隨溫度變化的情況。可以看出銻化銦的變化最明顯；硅的霍爾電勢溫度系數(shù)最小；其次是砷化銦和鍺。HZ型元件的霍爾輸出電勢與溫度關(guān)系如圖（b）所示。當溫度在50℃左右時，HZ-1,2,3輸出的溫度系數(shù)由正變負，而HZ-4則在80℃左右由正變負。此轉(zhuǎn)折點的溫度稱為元件的臨界溫度?？紤]到元件工作時的溫升，工作溫度還適當降低。

霍爾元件的溫度特性1.采用恒流源和輸入回路串聯(lián)電阻

為了減小霍爾的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)較小的元件或采用恒溫措施外，用恒流源供電往往可以得到明顯的效果。恒流源供電的作用是減小元件內(nèi)阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化。但采用恒流源供電還不能完全解決霍爾電勢的穩(wěn)定問題，因此，還必須結(jié)合其他補償電路?；魻栐囟日`差的補償方法下圖所示是一種既簡單，又有較好的補償效果的補償線路。在該線路中，控制電流極并聯(lián)一個合適的補償電阻Ro，這個電阻起分流作用。當溫度升高時，霍爾元件的內(nèi)阻迅速增加，所以通過元件的電流減小，而通過補償電阻Ro的電流卻增加，這樣利用元件內(nèi)阻的溫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，從而起到補償作用。

1.采用恒流源和輸入回路串聯(lián)電阻

霍爾元件溫度誤差的補償方法2.合理選擇負載電阻RL的阻值霍爾電勢的負載通常是放大器、顯示器或記錄儀的輸入電阻，其值一定，可用串、并聯(lián)電阻的方法使輸出負載電壓不變，但此時靈敏度將相應(yīng)有所降低。霍爾元件溫度誤差的補償方法2.合理選擇負載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻Ro和霍爾電動勢UH都是溫度的函數(shù)(設(shè)為正溫度系數(shù))，當霍爾元件接有負載RL時，在RL上的電壓為：為了負載上的電壓不隨溫度變化，應(yīng)使dUL/d(t-t0)=0，即霍爾元件溫度誤差的補償方法3.采用溫度補償元件(如熱敏電阻、電阻絲)霍爾輸出隨溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度升高而上升，就能進行補償。由于熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)，可采用輸入回路串接熱敏電阻，輸入回路并接電阻絲，

當溫度上升時其阻值下降，從而使控制電流上升。霍爾元件溫度誤差的補償方法3.采用溫度補償元件(如熱敏電阻、電阻絲)輸出端串接熱敏電阻，對具有負溫度系數(shù)的銻化銦材料霍爾元件進行溫度補償。負載RL上的霍爾電勢隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補償。實際使用時，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠近，使它們溫度變化一致。霍爾元件溫度誤差的補償方法3.采用溫度補償元件(如熱敏電阻、電阻絲)可采用輸入端并接熱敏電阻方式對輸出具有正溫度系數(shù)的霍爾元件進行溫度補償。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構(gòu)成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻?；魻栐囟日`差的補償方法3.采用溫度補償元件(如熱敏電阻、電阻絲)當溫度變化時，熱敏電阻將隨溫度變化而變化，使電橋的輸出電壓相應(yīng)變化，仔細調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)電位器W1消除不等位電勢即可補償霍爾電勢的變化，使其輸出電壓與溫度基本無關(guān)?；魻栐囟日`差的補償方法傳感器應(yīng)用技術(shù)項目五

基于霍爾傳感器的車速測量儀的設(shè)計與制作霍爾集成傳感器及應(yīng)用目前全球霍爾電流傳感器的主要生產(chǎn)集中在歐美日地區(qū)，主要消費地區(qū)為中國，美國，歐洲，日本等地區(qū)。2020年，中國霍爾效應(yīng)電流傳感器市場規(guī)模達到了192.71百萬美元。目前，我國仍需要大量進口高端的霍爾電流傳感器以滿足國內(nèi)巨大的市場需求。

霍爾集成傳感器按照輸出信號的形式，可以分為開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性型集成霍爾傳感器兩種類型。霍爾集成傳感器主要分為開關(guān)式和線性式兩種?；魻柤蓚鞲衅骰魻栭_關(guān)集成傳感器是利用霍爾效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出。霍爾開關(guān)集成傳感器

其中，1為接地端，2為電源端，3為輸出端。霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部由穩(wěn)壓電路、霍爾元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作，開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。

霍爾開關(guān)集成傳感器當有磁場作用在傳感器上時，霍爾元件輸出霍爾電壓VH，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路，當放大后的VH電壓大于“開啟”閾值時，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使半導體管導通——“開狀態(tài)”。

霍爾開關(guān)集成傳感器該曲線反映了外加磁場與傳感器輸出電平的關(guān)系。當外加磁感強度高于BOP時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當外加磁感強度低于BRP時，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

霍爾開關(guān)集成傳感器霍爾開關(guān)集成傳感器基本用途有：汽車點火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測定、機械設(shè)備的限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的檢測與控制、位置及角度的檢測，等等。

霍爾開關(guān)傳感器的用途幾種不同尺寸外形的霍爾開關(guān)霍爾開關(guān)集成傳感器霍爾線性型集成傳感器是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場呈線性比例關(guān)系。

霍爾線性集成傳感器單端輸出的傳感器是一個三端器件，它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是SL3501T。

單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍爾元件放大地H霍爾線性集成傳感器雙端輸出的傳感器是一個8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M。

穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675

雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖霍爾線性集成傳感器下圖所示為具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件UGN3501M的內(nèi)部電路圖和輸出特性曲線圖。當線性霍爾器件UGN3501M感受的磁場為正向時，輸出為正；磁場為反方向時，輸出為負，因此，使用起來更為方便。

霍爾線性集成傳感器

霍爾線性傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。

霍爾線性集成傳感器霍爾線性傳感器的用途

由于霍爾傳感器具有在靜態(tài)狀態(tài)下感受磁場的獨特能力，而且它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、頻帶寬（從直流到微波）、動態(tài)特性好和壽命長、無觸點等許多優(yōu)點，因此在測量技術(shù)、自動化技術(shù)和信息處理等方面有著廣泛應(yīng)用?；魻杺鞲衅鞯膽?yīng)用

歸納起來，霍爾傳感器有三個方面的應(yīng)用：①當控制電流不變時，使傳感器處于非均勻磁場中，則傳感器的霍爾電勢正比于磁感應(yīng)強度，利用這一關(guān)系可反映位置、角度或勵磁電流的變化。②當控制電流與磁感應(yīng)強度皆為變量時，傳感器的輸出與這兩者乘積成正比。在這方面的應(yīng)用有乘法器、功率計以及除法、倒數(shù)、開方等運算器，此外，也可用于混頻、調(diào)制、解調(diào)等環(huán)節(jié)中。③若保持磁感應(yīng)強度恒定不變，則利用霍爾電壓與控制電流成正比的關(guān)系，可以組成回轉(zhuǎn)器、隔離器和環(huán)行器等控制裝置?；魻杺鞲衅鞯膽?yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用1.位移的測量

右圖是霍爾位移傳感器的磁路結(jié)構(gòu)示意圖。在極性相反、磁場強度相同的兩個磁鋼的氣隙中放置一塊霍爾片，當霍爾片元件的控制電流I不變時，霍爾電勢UH與磁感應(yīng)強度成正比，霍爾電勢與位移量成線性關(guān)系，霍爾電勢的極性反應(yīng)了元件位移的方向。

基于霍爾效應(yīng)制成的位移傳感器一般可用來測量1～2mm的小位移，其特點是慣性小，響應(yīng)速度快。

霍爾傳感器的應(yīng)用2.壓力的測量

右圖是霍爾壓力傳感器的測量原理圖。作為壓力敏感元件的彈簧管，其一端固定，另一端安裝著霍爾元件，當輸入壓力增加時，彈簧管伸長，使處于恒定梯度磁場中的霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)的位移。從霍爾元件的輸出即可線性地反映出壓力的大小。

霍爾傳感器的應(yīng)用3.霍爾轉(zhuǎn)速測量

利用霍爾元件或霍爾集成電路不但可以構(gòu)成霍爾式位移傳感器，實現(xiàn)對微小位移的測量，而且還可利用霍爾元件或霍爾集成電路構(gòu)成霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的測量。

霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，下給出了幾種常用的結(jié)構(gòu)形式。傳感器應(yīng)用技術(shù)項目五

基于霍爾傳感器的車速測量儀的設(shè)計與制作氣敏傳感器所謂半導體氣敏傳感器，是利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質(zhì)變化，借此來檢測特定氣體的成分或看測量其濃度的傳感器總稱。早在20世紀30年代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氧化亞銅的電導率隨水蒸氣的吸附而發(fā)生變化，其后又發(fā)現(xiàn)許多其他金屬氧化物也都具有氣敏效應(yīng)。這些金屬氧化物都是利用陶瓷，簡稱半導磁。由于半導磁與半導體單晶相比具有工藝簡單，價格低廉的優(yōu)點，因此已經(jīng)用它制作了多種具有使用價值的敏感元件。氣敏傳感器進入70年代，SnO2（氧化錫）半導體氣敏元件發(fā)展很快。除推進燒結(jié)型SnO2氣敏元件的應(yīng)用研究之外，對薄膜型、厚薄膜型SnO2氣敏元件進行了深入研究。尤其是對能夠識別檢測氣體種類和濃度的選擇性氣敏器件，作了大量工作。氣敏傳感器氧化錫半導體氣敏元件與其他類型氣敏元件相比，具有如下特點：1、氣敏元件阻值隨檢測氣體濃度具有指數(shù)變化關(guān)系。2、SnO2材料的物理或化學穩(wěn)定性較好。3、SnO2氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附時間短，可連續(xù)延長時間；4、元件結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性較好，機械性能良好；5、對氣體檢測不需要復雜的處理設(shè)備，信號處理可不用高倍數(shù)放大電路就可實現(xiàn)。氣敏傳感器SnO2的基本性質(zhì)SnO2是一種白色粉末，密度為6.16~7.02g/cm3，熔點為1127℃，在更高溫度下才能分解，沸點高于1900℃的金屬氧化物。SnO2不溶于水，能溶于熱強酸和堿。SnO2晶體結(jié)構(gòu)是金紅石型結(jié)構(gòu)；具有正方晶系對稱，其晶胞為體心正交平行六面體，體心和頂角由錫（Sn）離子占據(jù)。氣敏傳感器SnO2的氣敏效應(yīng)是在多晶SnO2材料上發(fā)現(xiàn)的。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，SnO2對多種氣體具有氣敏特性。用燒結(jié)法或制模法制備的多孔型SnO2半導體材料，其電導率隨接觸氣體的種類而變化。一般吸附還原性氣體時電導率升高，而吸附氧化性氣體時其電導率降低。這種阻值變化情況如圖所示。氣敏傳感器實驗及理論分析表明，SnO2的氣敏效應(yīng)受下列一些主要因素的影響：1.SnO2結(jié)構(gòu)組成對氣敏效應(yīng)的影響SnO2具有金紅石型浸提結(jié)構(gòu)，用于制作氣敏元件的SnO2，一般都是偏離化學計量比的，在SnO2中氧空位或錫間隙原子。這種結(jié)構(gòu)缺陷直接影響氣敏器件特征。一般地說，SnO2中氧空位多，氣敏效應(yīng)明顯。2.SnO2中添加物對氣敏效應(yīng)的影響實驗證明，SnO2的添加物質(zhì)，對其氣敏效應(yīng)有明顯影響。3.燒結(jié)溫度和加熱溫度對氣敏效應(yīng)的影響實驗證明，制作元件的燒結(jié)溫度和元件工作時的加熱溫度，對其氣敏性能有明顯影響。因此，利用元件這一特性可進行選擇性檢測。氣敏傳感器SnO2氣敏元件的結(jié)構(gòu)SnO2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)型氣敏元件時目前最成熟，應(yīng)用最廣泛的元件，這里僅對其結(jié)構(gòu)加以介紹。燒結(jié)型SnO2氣敏元件時以多孔質(zhì)陶瓷SnO2為基材，采用傳統(tǒng)制陶方法，進行燒結(jié)。燒結(jié)時埋入測量電極和加熱絲，制成管芯，最后將電極和加熱絲引線焊在管座上，并罩覆于二層不銹鋼網(wǎng)中而制作元件，按其加熱方式可分為直熱式和旁熱式兩種。氣敏傳感器1.直熱式SnO2氣敏元件直熱式元件又稱為內(nèi)熱式，這種元件的結(jié)構(gòu)示意如圖（a），元件管芯由三部分組成：SnO2基體材料、加熱絲、測量絲，它們都埋在SnO2基材內(nèi)，工作時加熱絲通電加熱，測量絲用于測量元件的阻值。氣敏傳感器直熱式氣敏元件的優(yōu)點是：制作工藝簡單、成本低、功耗小，可以在高回路電壓下使用，可制成價格低廉的可燃氣體泄漏報警器。國內(nèi)QN型和QM型氣敏元件，日本弗加羅TGS109型氣敏元件就是這種結(jié)構(gòu)。直熱式氣敏元件的缺點是：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；加熱絲在加熱時和不加熱狀態(tài)下會產(chǎn)生漲縮，易造成與材料的接觸不良。氣敏傳感器2.旁熱式SnO2氣敏元件這種元件的結(jié)構(gòu)示意如圖（a）。其管芯增加了一個陶瓷管，在管內(nèi)放進高阻加熱絲，管外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂SnO2材料。氣敏傳感器這種結(jié)構(gòu)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。所以。這種元件的穩(wěn)定性，可靠性較直熱式有所改進。目前國產(chǎn)QM-N5型氣敏元件，日本弗加羅TGS812、813型氣敏元件均采用這種結(jié)構(gòu)。氣敏傳感器氣敏傳感器的應(yīng)用半導體氣敏元件由于靈敏度高、響應(yīng)時間和恢復時間短、使用壽命長和成本低等優(yōu)點，所以得到了廣泛的應(yīng)用。

這里以燒結(jié)型SnO2半導體氣敏元件的應(yīng)用為主，重點介紹了對可燃性氣體、易燃和可燃性液體蒸汽泄漏的檢測、報警和監(jiān)控等方面的實際應(yīng)用。氣敏傳感器1.檢漏儀或稱探測器它是利用氣敏元件的氣敏特性，將其作為電路中的氣-電轉(zhuǎn)換元件，配以相應(yīng)的電路、指示儀或聲光顯示部分而組成的氣體探測儀器。這類儀器通常都要求有高靈敏度。氣敏傳感器2.報警器這類儀器是對泄漏氣體達到危險限值時自動進行報警的儀器。氣敏傳感器3.自動控制儀器：它是利用氣敏元件的氣敏特性實現(xiàn)電氣設(shè)備自動控制的儀器。如電子灶烹調(diào)自動控制，換氣扇自動換氣控制等。氣敏傳感器4.測試儀器：它是利用氣敏元件對不同氣體具有不同的元件電阻--氣體濃度關(guān)系來測量、確定氣體種類和濃度的。（1）特定氣體的檢測。（2）混合氣體的選擇性檢測。（3）環(huán)境氣氛的檢測。利用氣敏元件來檢測每種變化就可測定氣氛的狀態(tài)。氣敏傳感器傳感器應(yīng)用技術(shù)項目五

基于霍爾傳感器的車速測量儀的設(shè)計與制作濕敏傳感器1.濕度與溫度測量的意義：