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1、第八章半导体传感器第一节半导体温度传感器大致可分为接触型和非接触型，前者是让温度传感器直接与待测对象 接触，后者是使温度传感器与竺测对象离开一定距离，检测从待测对 象放射出的红外线，从而达到测温的目的。8. 1. 1接触型半导体传感器1. 半导体热敏电阻特点：灵敏度高，小型，使用方便缺点：互换性和稳定性还不够理想，非线性严重，不可在高温下使用2. PN结型热敏器件优点：体积小，反应快，线性较好，价格低廉，用途：电子仪器和家用电器的过热保护，简单的温度显示和控制 局限：只能用来测量150摄氏度以下的温度3 .集成温度传感器反温度传感器与后续的放大器等用集成化技术制作在同一基片上而 成的，集传感与
2、放为一体的功能器件。优点：线性关系，精度高，使用方便。4. 半导体光纤温度传感器优点：抗干扰性好，细，轻，能量损失小8. 1. 2非接触型半导体温度传感器温度为T的物体对外辐射的能量E与波长的关系，可用普朗克定律 描述，根据斯特藩-玻耳兹曼定律，可求得物体的辐射能。辐射测温法可避免与高温被测物体接触，测温不破坏温度场，测温范 围宽，精度高，反应速度快，即可测近距离小目标的温度，又可测远 距离大面积目标的温度。红外热辐射传感器，从原理上又可分为热电型和光量子型。热电型是 指由于辐射热引起无件温度的微小变化，导致电阻一类的物理量度的 变化，而达到测温的目的。这类传感器一般与波长无关。光量子型是 利
3、用光电效应制成的，因而与波长有关。热电型红外传感器的优点是使用方便，缺点是响应速度慢，灵敏度低。 光量子型传感器可以分为光导型，光电型，光电磁型，肖特基型。第二节半导体湿度传感器湿度测量精度不高的原因在于空气中所含的水蒸气含量极少，比空气 少得多，并且难于集中在湿敏无件表面；此外水蒸气会使一些感湿材 料溶触，腐蚀，老化，从而丧失原有的感湿性能；再者湿度信息的传 递必须靠水对感湿无件直接接触来完成，因此感湿无件只能暴露在竺 测环境中，而不能密封，易损坏。半导体湿敏元件和MOS型湿敏无件工作范围宽，响应快，耐环境能 力强，故应用较广。8. 2. 1湿度的定义在一定温度和压力条件下，单们体积的混合气
4、体中所含水蒸气的质量 为绝对湿度。相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿 度的百分比。空气的相对湿度越高越容易结霜，而混合气体中的水蒸气压就是在该 混合气体中露点温度下的饱和水蒸气压，所以通过测定空气露点的温 度，就可以解决测定空气的水蒸气压的问题。8. 2. 2湿度传感器的主要参数1. 湿度量程能保证一个湿敏器件正常工作的环境湿度的最大变化范围称为湿度 量程。2. 感湿特征量一相对湿度特性曲线在规定的工作温度范围内，湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度 变化的关系曲线，称为相对湿度特性曲线，简称感湿特性曲线。3. 感湿灵敏度在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1%RH时，湿
5、度传感器感湿 特征量的变化值或百分率称为感湿灵敏度，简称灵敏度，又称湿度系 数。感湿灵敏度表征湿度传感器对湿度变化的敏感程度。4. 温度系数温度系数是反映湿度传感器的感湿特征量一相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特征。5. 响应时间在一定的温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的感湿特征量 之值达到稳态变化量的规定比例所需要的时间称为响应时间。6. 湿滞回线湿度传感器在升湿和降湿往返变化时的吸湿和脱湿特性曲线不重合， 所构成的曲线叫湿滞回线。7. 电压特性湿度传感器感湿特征量之值与外加交流电压之间的关系称为电压特 性。8. 频率特性湿度传感器的阻值与外加测试电压频率有关。9. 其它特性和参数
6、精精度是指湿度量程内，湿度传感器测量湿度的相对误差。工作温度东围表示湿度传感器能边续工作的环境湿度范围。稳定性是指湿度传感器在各种使用环境中，能保持原有性能的能力。寿命是指湿度传感器能够保持原来的精度，能够连续工作的最长时 间。8. 2. 3湿度传感器器件目前常用种类有机械式湿度传感器材料不同可分为电介质，陶瓷型，高分子型和半导体型等近年常用的有半导体陶瓷感湿元件，MOS型感湿元件和结型湿敏器 件已达到较好水平，具有工作范围宽响应速度快，耐环境能力强等。1. 元素半导体湿敏器件2. 金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件1）涂覆膜型Fe3O4湿度敏感器件2）多孔质烧结型陶瓷湿敏器件3）厚膜陶瓷湿度传感器
7、4）薄膜湿度传感器3. 多功能半导体陶瓷湿度传感器现代社会要求研究和生产更方便的各种传感器其中对能够同时检测 湿度，温度和气体的多功能传感器，如冷暖空调，干燥机，电子灶等 都需要用到。4. MOSFET湿敏器件5. 结型湿敏器件8. 2. 4半导体陶瓷湿度传感器的检测精度第三节半导体气体传感器需要对各种可燃气体，有毒性气体进行定量分析和检测。常用方法：电化学方法，光学方法，电学方法等到，其中电学方法中 半导体气敏器件因灵敏度好，价格低，制作简单，体积小等原因目前 受到人们的重视。半导体气体传感器，是利用半导体气敏无件同气体接触，造成半导体 性质变化，借此来检测特定气体的成分和浓度的传感器。目前
8、使用的大体可分为电阻式和非电阻式。电阻式又可分为表面电阻 控制型和体电阻控制型。非电阻碍式又可分为利用表面电位的，二 极管整流特性的和晶体管特性的三种。8. 3. 1半导体电阻型气敏器件1. 表面电阻控制型气敏器件它是利用半导体表面因吸附气体引起半导体无件电阻值变化特性制 成的一类传感器。2体电阻控制型气敏器件在半导体表面吸附可燃性气体时，由于这类器件的工作温度比较高， 被吸附气体燃烧使器件的温度进一步升高，因此，半导体的体电阻 发生变化。8. 3. 2非电阻控制型半导体气敏器件1. 肖特基二极管气敏器件2. MOS二极管气敏器件3. MOSFET气敏器件原理8. 3. 3半导体气敏传感器的气
9、敏选择性提高传感器气敏选择性的最有效，最常用的手段是利用某些催化剂能 有选择性地对被测气体进行催化氧化的原理来实现。通过选择合适的 催化添加剂，可使由同一种基本氧化物材料制成的气敏传感器具有检 测多种不同的气体的能力。8. 3. 4纳米技术在半导体陶瓷气体传感器中的应用纳米材料有两大效应，一是量子尺寸效应，另一个是表面效应。颗粒 细化到一定的程度，粒子表面体积比增大，使氧化还原能力增强，自 身的催化活性更加活泼，所以纳米材料的性能多由晶粒界面和位错等 表面缺陷所控制，从而产生材料表面异常活泼。8. 3. 5半导体气体传感器的应用1. 廉价家用气体报警器2. 家用煤气安全报警电路第四节半导体瓷敏
10、传感器半导体磁敏传感器是指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器，常 用的有霍尔传感器和磁敏电阻传感器。利用磁场作为媒介来检测位 移，振动，力，转速，加速度，流量，电流，电功率等。可实现非接 触测量，并且不从磁场中获取能量。8. 4. 1磁敏器件的工作原理8. 4. 2半导体磁敏器件1. 霍尔器件及其特性1) 霍尔器件主要利霍尔效应2) 霍尔器件的特性霍尔器件有零位误差，其主要原因在于：(1) 不等位电势。(2) 寄生直流电势。(3) 感应零电势。(4) 自激场零电势。2. 磁阻器件霍尔电压只有毫伏数量级，而磁阻器件却能给出伏极的信号。特点：灵敏度非常高用途：磁场检测器，无接触电位器，磁带录像机的记录再生磁头等方 面。3. 磁二极管4. 磁敏三极管8. 4. 3磁传感器应用举例1. 电流测量2. 位移测量3. 无刷直流电机4. 涡轮流量计
