气敏传感器精要.ppt

传感器课程电子教案 第十二章　半导体式物性传感器 1970年，荷兰科学家Bergveld研制出了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管，标志着离子敏半导体传感器的诞生。 由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世。 半导体材料导电能力的大小，是由半导体内载流子的数目决定的。 测量原理：以半导体为敏感材料，在某种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化，通过检测这些物理特性的变化，就可反映被测参数值。 与各种结构型传感器相比，具有如下特点： 1）由于传感器原理是基于物理变化的，因而没有相对运动部件，可以做到结构简单，微型化。 2）灵敏度高，动态性能好，输出为电物理量。 3）采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化和智能化。 4）功耗低，安全可靠。 半导体传感器也存在以下一些缺点： 1）线性范围窄，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路。 2）与所有半导体元件一样，输出特性易受温度影响而漂移，所以应采用补偿措施。 3）性能参数离散性大。 虽然存在上述问题，但半导体传感器仍是目前传感器发展的重要方向，尤其是大规模集成电路技术的不断发展，半导体传感器的技术也日臻完善。 本章主要介绍气敏、湿敏和磁敏半导体式传感器。 第一节　气敏传感器 第二节　湿敏传感器 第三节 磁敏传感器 第一节 气敏传感器 半导体气敏传感器的种类如表 12.2 湿 敏 传 感 器 湿度传感器HS1101 第三节 磁敏传感器 磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。 早在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍 尔效应，但作为实用的磁敏传感器则产生于半 导体材料发现之后。60年代初，西门子公司研 制出第一个实用的磁敏元件；1966年又出现 了铁磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研 制成性能优良、灵敏度高的磁敏二极管；1974年 美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。 一、磁敏电阻器 1. 磁阻效应 将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效 应外，其电阻也会随磁场而变化，这种现象称为 磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻器就是利 用磁阻效应制成的一种磁敏元件。 磁阻效应的表达式为 B——磁感应强度； μ——载流子迁移率； ρ0——零磁场下的电阻率； ρB——磁感应强度为B时的电阻率。 设电阻率的变化为Δρ=ρＢ－ρ0，则电 阻率的相对变化率为 由上式可知，为了提高灵敏度，载流子迁移率高的材料磁阻效应明显。 2. 磁敏电阻的形状 磁阻的大小除了与材料有关外，还和磁敏电阻的几何形状有关。常见的磁敏电阻是圆盘形的，中心和边缘处为两电极。这种圆盘形磁阻器叫科尔比诺圆盘。其磁阻效应叫科尔比诺效应。 考虑到形状的影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系，可以用下式表示 f（L/b）——形状效应系数， L、b分别为磁敏电阻的长度和宽度 各种形状的磁敏电阻器，其磁阻RB与磁感应强 度的关系如图。 图中R0为B=0时的电阻值。 3. 磁敏电阻的应用 磁敏电阻的应用非常广泛。除了用它做成 探头，配上简单线路可以探测各种磁场外，在 测量方面还可制成位移检测器、角度检测器、 功率计、安培计等。此外，可用磁敏电阻制成 交流放大器、振荡器等。 二、磁敏二极管（SMD） 磁敏二极管的结构原理如图 在高阻半导体芯片（本征型I）两端， 分别制作P、N两个电极，形成P-I-N 结。 P、N都为重掺杂区，本征区I 的长度较长。同时对I区的两侧面进行不同 的处理。一个侧面磨成光滑面，另一面打 毛。由于粗糙的表面处容易使电子－空穴 对复合而消失，我们称之为r面，这样就构 成了磁敏二极管。 高复合面与光滑面的复合率差别愈大，磁敏二极管的灵 敏度也就愈高。磁敏二极管在不同的磁场强度和方向下的 伏安特性如图 磁敏二极管与其他磁敏器件相比，具有以下 特点： 1）灵敏度高 磁敏二极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至上千倍，而且线路简单，成本低廉，更适合于测量弱磁场。 2）具有正反磁灵敏度 这一点是磁阻器件所欠缺的。故磁敏二极管可用作无触点开关。 3）灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄 这一点不如霍尔元件。 3、 半导体陶瓷湿敏电阻 半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。 分为负特性湿敏半导体陶瓷、正特性湿敏半导体陶瓷。 电阻随湿度的增加而下降 （1）. 负特性湿敏半导瓷