傳感器與檢測技術(shù)-周杏鵬-清華大學(xué)出版社-6

1、第6章 固態(tài)傳感器,固態(tài)傳感器利用某些固體材料的機械、電、磁等的物性型變化來實現(xiàn)信息的直接測量。制造固態(tài)傳感器的固體材料以半導(dǎo)體材料用得最多。 本章主要對利用半導(dǎo)體技術(shù)制造的磁敏、濕敏等幾類固態(tài)傳感器的原理及相關(guān)特性進行介紹。,第6章 固態(tài)傳感器,第6章 固態(tài)傳感器,6.1 磁敏傳感器 6.2 濕敏傳感器 6.3 其他固態(tài)傳感器,6.1 磁敏傳感器,6.1 磁敏傳感器,磁敏傳感器是把磁物理量轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器，大多是基于載流子在磁場中受洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)的機理實現(xiàn)對相關(guān)物理量的信號檢測。 它的應(yīng)用可以分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用兩類，前者包括測量磁場強度的各種磁場計，如地磁的測量、磁帶和磁盤

2、信號的讀出、漏磁探傷、磁控設(shè)備等；后者是指利用磁場作為媒介來探測非磁信號，如無接觸開關(guān)、無觸點電位器等等。,6.1.1 霍爾式傳感器,霍爾效應(yīng)與霍爾元件,1,霍爾元件基本特性,2,霍爾式傳感器的應(yīng)用,3,霍爾效應(yīng)和霍爾元件,一塊長為l、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場(磁場方向垂直于薄片)中，當(dāng)有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢Un。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻柺絺鞲衅魇怯苫魻栐M成。,霍爾效應(yīng)和霍爾元件,令 則,(6-1),(6-2),(6-3),RH為霍爾傳感器的霍爾常數(shù)，其大小由載流材料的物理性質(zhì)決定。霍爾元件的靈敏度不僅與元件材料的霍爾系數(shù)有關(guān)，

3、還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)，一般要求霍爾元件靈敏度越大越好。 若磁場B和霍爾元件平面的法線成一角度，則作用于霍爾元件的有效磁感應(yīng)強度為B cos，因此：,(6-4),霍爾效應(yīng)和霍爾元件,控制電流級,霍爾電極,a、b兩根引線稱為控制電流端引線，其焊接處稱為控制電流極（或稱激勵電極）。,c、d兩根霍爾輸出引線，其焊接處稱為霍爾電極（要求歐姆接觸）。,霍爾效應(yīng)和霍爾元件,霍爾元件基本特性,霍爾元件基本特性,不等位電勢的補償,產(chǎn)生不等位電勢的原因主要有：霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上。此外，材質(zhì)不均勻、幾何尺寸不均勻等原因?qū)Σ坏任浑妱菀灿幸欢ǖ挠绊?。可以把霍爾元件等效為圖6-5所示的電橋電

4、路。根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻 。,霍爾元件基本特性,常見的幾種補償電路如圖6-6所示，其中圖6-6（c）相當(dāng)于在等效電橋的兩個橋臂上同時并聯(lián)電阻，調(diào)整比較方便。,霍爾元件與一般半導(dǎo)體器件一樣，對溫度變化十分敏感?；魻栐`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成： KH0表示溫度T0時的KH值；T=T-T0表示溫度變化值；為霍爾元件靈敏度的溫度系數(shù) 為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，還可以采用其他措施。,(6-6),霍爾元件基本特性,保持KHI乘積不變，抵消靈敏度系數(shù)KH因溫度增加的影響?；谶@一思想，可以采用圖6-7所示的補償電路。 設(shè)在

5、某一基準(zhǔn)溫度T0時，恒流源輸出電流為I，霍爾元件 的控制電流為IH0，霍爾元件的內(nèi)阻為R0，補償電阻r0上流過的電流為I0，根據(jù)上圖可得,恒流源供電,1,(6-7),(6-8),霍爾元件基本特性,當(dāng)溫度上升T達到溫度T時， 霍爾元件的內(nèi)阻為R=R0(1+T)， 補償電阻的阻值為r=r0(1+T)， 、分別為霍爾元件內(nèi)阻、補償電阻的溫度系數(shù),(6-9),(6-10),對上式進行整理，并忽略(T)2 項可得,(6-11),霍爾元件基本特性,由于霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)、補償電阻溫度系數(shù)比霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)小得多，即：，于是式（6-11）可以簡化為：,(6-12),由式（6-12）可見，當(dāng)霍爾元件選

6、定后，通過查元件的參數(shù)表 可得到、R0，從而可以確定補償電阻r的阻值。,霍爾元件基本特性,采用熱敏電阻,2,霍爾元件基本特性,霍爾式傳感器的應(yīng)用,電流、磁場、位移、角度、轉(zhuǎn)速、壓力、功率 ,結(jié)構(gòu)簡單,形小體輕,使用方便,霍爾式微位移傳感器,霍爾式傳感器的應(yīng)用,如果保持霍爾元件的激勵電流不變，而讓它在一個均勻梯度的磁場中移動時，則其輸出的霍爾電勢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。當(dāng)霍爾元件有微小位移時，就有霍爾電勢輸出，在一定范圍內(nèi)，位移與UH呈線性關(guān)系。,6.1.2 其他磁敏傳感器,磁敏電阻,1,磁敏二極管,2,運動的載流子受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，載流子散射幾率增大，

7、遷移率下降，于是電阻增加。這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，簡稱磁阻效應(yīng)。 當(dāng)溫度恒定，在弱磁場范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強度(B)的平方成正比。對于只有電子參與導(dǎo)電的最簡單的情況，理論推出磁阻效應(yīng)的表達式為：,（6-13）,磁敏電阻,磁阻效應(yīng),1,電阻率的相對變化,式中：B為磁感應(yīng)強度，為電子遷移率，0為零磁場下的電阻率，B為磁感應(yīng)強度為B時的電阻率。,（6-14）,磁敏電阻,磁敏二極管的P型和N型電極由高阻材料制成，在P、N之間有一個較長的本征區(qū)I。本征區(qū)I的一面磨成光滑表面（I區(qū)），另一面打毛，設(shè)置成r區(qū)，因為電子空穴對易于在粗糙表面復(fù)合而消失。,磁敏二極管,磁敏二極管,2,磁敏二極管,圖b,圖c,圖d

8、,未加磁場前， 電子、空穴的運動,磁場方向使電子、空穴 向r面偏轉(zhuǎn)，電流很小,磁場方向使電子、空穴向 光滑面偏轉(zhuǎn)，電流變大,6.1 磁敏傳感器 6.2 濕敏傳感器 6.3 其他固態(tài)傳感器,第6章 固態(tài)傳感器,6.2 濕敏傳感器,6.2.1 濕敏傳感器基礎(chǔ),隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及生活條件的提高，濕度的檢測與控制成為生產(chǎn)和生活中必不可少的環(huán)節(jié)。,絕對濕度,1,指單位體積大氣中水汽的質(zhì)量，可用表達式V=MV/V表示，單位為，絕對濕度也可稱為水汽濃度或水汽密度。 絕對濕度也可用水的蒸汽壓來表示。待測空氣可視為一種由水蒸汽和干燥空氣組成的二元理想混合氣體，根據(jù)道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程，空氣的

9、水汽密度V可表示為：,6.2.1 濕敏傳感器基礎(chǔ),Pv：空氣中水蒸氣分壓；M：水蒸氣的摩爾質(zhì)量 R：理想氣體常數(shù)； T：空氣的絕對溫度,(6-15）,相對濕度,2,指某一被測氣體的絕對濕度V與在同一溫度T下水蒸汽已達到飽和的氣體的絕對濕度w之比，常用“%RH”表示，這是一個無量綱的值。 由以上介紹可見，絕對濕度給出了大氣中水份的具體含量，相對濕度則給出了大氣的潮濕程度，故使用更為廣泛。,6.2.1 濕敏傳感器基礎(chǔ),相對濕度,(6-16),濕敏傳感器 主要特性,靈敏度,指被測濕度作單位值變化時所引起的輸出量（感濕特征量）的變化程度。靈敏度是特性曲線的斜率。,濕度量程,保證一個濕敏器件能夠正常工作

10、所允許的相對濕度的最大范圍。,濕度溫度系數(shù),當(dāng)環(huán)境濕度恒定時，溫度每變化1，引起濕度傳感器感濕特征量的變化量。,特性曲線,指濕敏傳感器的輸出量（或稱感濕特征量）與被測濕度（例如相對濕度）間的關(guān)系曲線。,6.2.1 濕敏傳感器基礎(chǔ),6.2.1 濕敏傳感器基礎(chǔ),6.2.1 濕敏傳感器基礎(chǔ),對濕敏傳感器的要求,靈敏度高，感濕特性線性度好,使用壽命長，長期穩(wěn)定性好,使用范圍寬，濕度溫度系數(shù)小,響應(yīng)快，響應(yīng)時間短,濕滯回差小,互換性好，易于批生產(chǎn)，成本低廉,6.2.2 氯化鋰濕敏傳感器,氯化鋰（LiCl）是典型的離子晶體。高濃度的氯化鋰溶液中，鋰和氯仍以正、負離子的形式存在,而Li+對水分子的吸引力強，

11、其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定濕度的環(huán)境中時，若環(huán)境的相對濕度高，溶液將因吸收水份而濃度降低，電阻率增高；反之其電阻率下降。因此，氯化鋰濕敏電阻的阻值將隨環(huán)境濕度的改變而變化，從而實現(xiàn)了對濕度的電測量。,抗沾污能力強,熱穩(wěn)定性好,響應(yīng)快,可加熱清洗,使用溫度范圍寬,可工作在惡劣環(huán)境下,優(yōu)點,6.2.3 半導(dǎo)體及陶瓷濕敏傳感器,該濕度傳感器的感濕體是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。MgCr2O4屬于P型半導(dǎo)體，其特點是感濕靈敏度適中，電阻率低，阻值溫度特性好。為改善燒結(jié)特性和提高元件的機械強度及抗熱驟變特性，在原料中加入一定的TiO2。這樣在1300的空氣中可燒結(jié)成相當(dāng)理

12、想的瓷體。,燒結(jié)體型,1,6.2.3 半導(dǎo)體及陶瓷濕敏傳感器,此類濕度敏感元件是把感濕粉料（金屬氧化物）調(diào)漿，涂覆在制好的梳狀電極或平行電極的滑石瓷、氧化鋁或玻璃等基板上，經(jīng)低溫烘干后制成。四氧化三鐵、五氧化二釩及三氧化二鋁等濕敏元件均屬此類，涂覆膜型濕敏器件有多種品種，其中比較典型且性能較好的是Fe3O4濕敏器件。,涂覆膜型,2,6.2.3 半導(dǎo)體及陶瓷濕敏傳感器,利用三氧化二鋁做電介質(zhì)構(gòu)成電容器，由于多孔的三氧化二鋁薄膜易于吸收空氣中的水蒸汽，從而改變了其本身的介電常數(shù)，這樣電容器的電容值就會隨著空氣中水蒸汽分壓而變化，從而可以測量出空氣的相對濕度。 目前以鋁為基礎(chǔ)的濕敏元件在有腐蝕劑和氧

13、化劑的環(huán)境中使用時，都不能保證長期穩(wěn)定性，但以鉭作為基片，利用陽極氧化法形成氧化鉭多孔薄膜是一種介電常數(shù)高、電特性和化學(xué)特性較穩(wěn)定的薄膜，以此薄膜制成電容式濕敏元件可以大大提高元件的長期穩(wěn)定性。,薄膜型,3,6.2.3 半導(dǎo)體及陶瓷濕敏傳感器,6.2.4 高分子聚合物濕敏傳感器,有機纖維素具有吸濕溶脹、脫濕收縮的特性，利用這種特性，將導(dǎo)電的微?；螂x子摻入其中作為導(dǎo)電材料，就可將其體積隨濕度的變化轉(zhuǎn)換為感濕材料電阻的變化，從而完成對環(huán)境濕度的測量。這一類的脹縮性有機物濕敏元件主要有：碳濕敏元件及結(jié)露敏感元件等。,利用醋酸纖維作為感濕材料，形成電容式濕敏元件。其響應(yīng)速度快，重復(fù)性能好，最適宜的工作

14、溫度范圍為080。,6.2.4 高分子聚合物濕敏傳感器,高分子聚合物薄膜濕敏元件是一類比較理想的濕敏元件。作為感濕材料的高分子聚合物能隨周圍環(huán)境的相對濕度大小成比例地吸附和釋放水分子。目前這類高分子聚合物材料主要有等離子聚合法形成的聚苯乙烯及醋酸纖維素等。,用等離子聚合法聚合的聚苯乙烯因有親水的極性基團，隨環(huán)境濕度大小而吸濕或脫濕，從而引起介電常數(shù)的改變。,6.1 磁敏傳感器 6.2 濕敏傳感器 6.3 其他固態(tài)傳感器,第6章 固態(tài)傳感器,6.3 其他固態(tài)傳感器,6.3.1 氣敏傳感器,氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。由于氣體種類繁多，性質(zhì)各不相同，因此，實現(xiàn)氣電轉(zhuǎn)換的傳感器

15、種類也很多。按構(gòu)成材料可將氣敏傳感器分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類，目前使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。,6.3.1 氣敏傳感器,表6-1 常見半導(dǎo)體氣敏元件的分類,半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu),電阻型,1,半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。 目前使用較廣泛的是電阻型氣敏器件，一般由三部分組成：敏感元件、加熱器和外殼。按其制造工藝可分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三類。,這類器件以半導(dǎo)體SnO2為基體材料（其粒度在1m以下），添加不同雜質(zhì)，采用傳統(tǒng)制陶方法進行燒結(jié)。燒結(jié)時埋入加熱絲和測量電極，制成管芯，最后將加熱絲和測量電極焊在管座上，加特制外殼構(gòu)成器件。,

16、燒結(jié)型,a,半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu),薄膜型氣敏器件采用蒸發(fā)或濺射工藝在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜（其厚度約在100nm以下），制作方法也很簡單。,薄膜型,b,半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu),這種器件是將氧化物半導(dǎo)體材料（如SnO2或ZnO等材料）與硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，再把厚膜膠用絲網(wǎng)印制到事先裝有鉑電極的絕緣基片上（如Al2O3等），經(jīng)燒結(jié)制成。,厚膜型,c,半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu),非電阻型,2,非電阻型氣敏器件是利用MOS二極管的電容電壓特性（CV特性）的變化，以及MOS場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的閾值電壓的變化等物理特性而制成的半導(dǎo)體氣敏器件

17、。由于這類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定且價格便宜。,半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu),以MOS二極管氣敏器件為例，在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為50100nm的二氧化硅（SiO2）層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀金屬薄膜，作為柵電極，如圖6-15所示。由于SiO2層電容Ca是固定不變的，SiSiO2界面電容Cs是外加電壓的函數(shù)，所以總電容C是柵偏壓的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系稱為該MOS管的CV特性。由于鈀對氫氣（H2）特別敏感，當(dāng)鈀在吸附了H2以后，會使鈀的功函數(shù)降低。導(dǎo)致MOS管的C-V特性向負偏壓方向平移，如圖6-16所示。據(jù)此可測定H2的濃度。,6.3.2 半導(dǎo)體色敏

18、傳感器,半導(dǎo)體色敏傳感器是半導(dǎo)體光敏感器件中的一種，是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓廨椛涮綔y器件。但不管是光電導(dǎo)器件還是光生伏特效應(yīng)器件，它們檢測的都是在一定波長范圍內(nèi)光的強度，或者說光子的數(shù)目。而半導(dǎo)體色敏器件則可用來直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色幅射的波長。,半導(dǎo)體色敏傳感器的基本原理,半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，故又稱光電雙結(jié)二極管。PNP不是一個三極管，而是結(jié)深不同的兩個PN結(jié)二極管，淺結(jié)的二極管是P-N結(jié)；深結(jié)的二極管是P-N結(jié)。在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的靈敏度。正是由于這一特性使得這種器件可以用于顏色的識別，也就是可以用來測量入射光的波長。將兩只結(jié)深不同的光電二極管組合，就構(gòu)成了可以測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。,半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征,表示半導(dǎo)體色敏器件所能檢測的波長范圍。圖6-18(a)給出了國內(nèi)研制的CS1型半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性，其波長范圍是4001000nm。,光譜特性,短路電流比波長特性,溫度特性,半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征,表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力，是賴以確定被測波長的基本特性。,光譜特性,短路電流比波長特性,溫度特性,半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征,由于半導(dǎo)體色敏器件測定的是兩只光電二極管的短路電流之比，而這兩