检测与转换技术 第３版 教学课件 作者 常健生 石要武 吉林工业大学 主编 第08章.pptVIP

* 第八章　常用半导体传感器 第二节　气敏传感器 第三节　湿敏传感器 第一节　霍尔传感器 第一节　霍尔传感器 一、工作原理、材料及结构特点 （一）霍尔效应 　　金属或半导体薄片，若在它的两端通过控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场方向上（即霍尔输出端之间）将产生电动势UH （霍尔电动势或称霍尔电压）。这种现象称为霍尔效应。 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。 相应的电动势就称为霍尔电势UH，其大小可用下式表示： （二）材料及结构特点 　　霍尔元件一般采用N型锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。 　　霍尔元件的结构由霍尔片、引线和壳体组成。 （三）基本电路 　　霍尔元件的基本电路。控制电流由E供给，RP为调节控制电流大小的调节电阻。R f为一般电阻作为负载电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器的内阻。在磁场作用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，以I或B，或两者同时作为输入信号输入，而输出信号则正比于I或B，或两者的乘积。 二、电磁特性 （一）UH—I特性　　 （二）UH—B特性 三、误差分析及误差补偿方法 　　霍尔传感器输入、输出关系简单，且线性好，但是影响它的性能的因素及造成误差的原因很多，主要有以下几个方面： （一）元件的几何尺寸，电极接点大小对性能的影响 　　实际上霍尔片总有一定长度比Ｌ／l，而元件的长度比是否合适对霍尔电动势大小有直接关系。 （二）不等位电动势U0及其补偿 　　不等位电动势是一个主要的零位误差。 常见的几种补偿电路。 （三）寄生直流电动势 　　由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触，在控制电流极和霍尔电动势极上都可能出现整流效应。因此，当元件通以交流控制电流（不加磁场）时，它的输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电动势分量，这电动势就称为寄生直流电动势。 （四）感应电动势 　　霍尔元件在交变磁场中工作时，在输出回路中也会产生附加感应电动势。 　　感应电动势也是造成零位误差的一个因素。在磁路气隙中安置另一辅助霍尔元件，如两元件特性相同，可以起到较好的补偿效果。 （五）温度误差补偿 四、霍尔传感器的应用 　　霍尔元件在测试技术、自动化技术和信息处理等方面有着广泛的应用。 第二节　气敏传感器 一、SnO2半导体气敏元件的特点 （1）气敏元件阻值随检测气体浓度具有指数变化关系。 （2） SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 （3） SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，可连续长时间使用。 （4）元件结构简单，成本低，可靠性高，力学性能良好。 （5）对气体检测不需要复杂的处理设备。 二、SnO2的基本性质 　　SnO2对多种气体具有气敏特性。 　　一般吸附还原性气体时电导率升高，而吸附氧化性气体时其电导率降低。 三、SnO2气敏元件的结构 　　SnO2气敏元件主要有三种类型：烧结型、薄膜型和厚膜型。 　　烧结型SnO2气敏元件是以多孔质陶瓷SnO2为基材，添加不同物质采用传统制陶方法进行烧结。 四、SnO2气敏元件的工作原理 五、基本测量电路 　　烧结型SnO2气敏元件基本测量电路。 六、烧结型SnO2气敏元件的基本特性 l．灵敏度特性　　　　2．温湿度特性 3．加热特性 4．初期恢复特性　　 5．初期稳定特性 6．长期工作稳定性 七、气敏传感器的应用 （1）检漏仪或称探测器。 （2）报警器。 （3）自动控制仪器。 （4）测试仪器。 第三节　湿敏传感器 一、概述 　　随着现代科学技术的发展，一方面对湿度测量提出精度高、速度快的要求，另一方面又要求把湿度转换成电信号以适应自动检测、自动控制的要求。于是相继开发出基于不同工作原理的湿敏元件。 二、烧结型半导体陶瓷湿敏元件 （一）工作原理 　　在完全脱水的金属氧化物半导体陶瓷的晶粒表面上，裸露着正金属离子和负氧离于。水分子电离后，离解为正氢离子和负氢氧根离子。 　　于是在陶瓷晶粒的表面上就形成了负氢氧根离子和正金属离子以及氢离子与氧离子之间的第一层吸附—化学吸附。在已形成的化学吸附层中，吸附的水分子和由氢氧根离解出来的正氢离子，就以水合质子H3O+的形式构成为导电的载流子。 　　水分子在已完成第一层化学吸附之后，随着形成第二、第三层的物理吸附，同时使导电载流子H3O+的浓度进一步增大。这些H3O+ 在吸附水层中的导电行为，将同导电的电解质溶液中的导电离子的行为一样。在这种情况下，必将导致金属氧化物半导体陶瓷总阻值的下降，从而具有感湿特性。 （二）MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷湿度敏感元件 　　MgCr2O4-TiO2半导体陶瓷湿敏元件的结构。在4mm×5mm×0.3mm的MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面，设置多孔金电极，并用掺