半导体传感器

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1、第第3 3章章 半导体传感器半导体传感器 磁敏式传感器按其结构可分为体型和结型两大类，前者有霍尔传感磁敏式传感器按其结构可分为体型和结型两大类，前者有霍尔传感器，其材料主要有器，其材料主要有InSbInAs，Ge，Si，GaAs等和磁敏电阻等和磁敏电阻(InSb，InAs)；后者有磁敏二极管；后者有磁敏二极管(Ge,Si)、磁敏晶体管、磁敏晶体管(Si)。磁敏传感器的应。磁敏传感器的应用范围可分为模拟用途和数字用途两种。例如利用霍尔传感器测量磁场用范围可分为模拟用途和数字用途两种。例如利用霍尔传感器测量磁场强度，用磁敏电阻、磁敏二极管作无接触式开关等。强度，用磁敏电阻、磁敏二极管作无接触式开关

2、等。3.1.1 霍尔传感器霍尔传感器 霍霍尔尔传传感感器器是是利利用用霍霍尔尔效效应应实实现现磁磁电电转转换换的的一一种种传传感感器器，有有普普通通型型、高高灵灵敏敏度度型型、低低温温度度系系数数型型、测测温温测测磁磁型型和和开开关关式式的的霍霍尔尔元元件件。由由于于霍霍尔尔传传感感器器具具有有灵灵敏敏度度高高、线线性性度度好好、稳稳定定性性高高、体体积积小小和和耐耐高高温温等等特特件件应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。3.1 3.1 磁敏式传感器磁敏式传感器1 1霍尔效应霍尔效应 长长为为L、宽宽为

3、为b、厚厚为为d的的导导体体（或或半半导导体体）薄薄片片，被被置置于于磁磁感感应应强强度度为为B的的磁磁场场中中（平平面面与与磁磁场场垂垂直直），在在与与磁磁场场方方向向正正交交的的两两边边通通以以控控制制电电流流 I，则则在在导导体体另另外外两两边边将将产产生生一一个个大大小小与与控控制制电电流流 I 和和磁磁感感应应强强度度 B 乘乘积积成成正正比比的的电电势势UH，且且UHKHIB，其其中中KH为为霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏度度。这这一一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件。现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件。 2工作原理工作原理 霍霍尔尔

4、效效应应是是导导体体中中自自由由电电荷荷受受洛洛仑仑兹兹力力作作用用而而产产生生的的。设设霍霍尔尔元元件件为为N型型半半导导体体，当当它它通通以以电电流流 I 时时，半半导导体体中中的的电电子子受受到到磁磁场场中中洛洛仑仑兹兹力力FL的的作作用用，其其大大小小为为式中式中为电子速度，为电子速度，B 为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在 FL 的作用的作用下，电子向垂直于下，电子向垂直于 B 和和的方向偏移，在器件的某一端积聚负电荷，另一的方向偏移，在器件的某一端积聚负电荷，另一端面则为正电荷积聚。端面则为正电荷积聚。2电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，

5、该静电场对电子的作用力为电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中式中EH为霍尔电场，为霍尔电场，e为为电子电量，电子电量，UH为霍尔电为霍尔电势。当势。当FL = FE时，电子时，电子的积累达到动平衡，即的积累达到动平衡，即所以所以 。设流。设流过霍尔元件的电流为过霍尔元件的电流为 I 时，时，式中式中bd为与电流方向垂直的截面积，为与电流方向垂直的截面积，n 为单位体积内自由电子数为单位体积内自由电子数(载流子载流子浓度浓度)。则。则3令令 则则KH为霍尔元件的灵敏

6、度。为霍尔元件的灵敏度。 由由上上述述讨讨论论可可知知，霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏度度不不仅仅与与元元件件材材料料的的霍霍尔尔系系数数有有关关，还还与与霍霍尔尔元元件件的的几几何何尺尺寸寸有有关关。一一般般要要求求霍霍尔尔元元件件灵灵敏敏度度越越大大越越好好，霍霍尔尔元元件件灵灵敏敏度度的的公公式式可可知知，霍霍尔尔元元件件的的厚厚度度d与与KH成反比。成反比。RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。

7、3霍尔系数及灵敏度霍尔系数及灵敏度令令 则则4 二、霍尔元件的主要技术参数二、霍尔元件的主要技术参数 1额定功耗额定功耗P0 霍霍尔尔元元件件在在环环境境温温度度T25时时，允允许许通通过过霍霍尔尔元元件件的的控控制制电电流流 I 和和工工作作电电压压 V 的的乘乘积积即即为为额额定定功功耗耗。一一般般可可分分为为最最小小、典典型型、最最大大三三档档，单单位位为为mw。当当供供给给霍霍尔尔元元件件的的电电压压确确定定后后，根根据据额额定定功功耗耗可可以以知知道道额额定定控控制制电电流流 I 。有有些些产产品品提提供供额额定定控控制制电电流流和和电电压，不给出额定功耗。压，不给出额定功耗。 2输

8、入电阻输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻R0 Ri是是指指流流过过控控制制电电流流的的电电极极（简简称称控控制制电电极极）间间的的电电阻阻值值，R0是是指指霍霍尔尔元元件件的的霍霍尔尔电电势势输输出出电电极极（简简称称霍霍尔尔电电极极）间间的的电电阻阻，单位为单位为。可以在无磁场即。可以在无磁场即B0时，用欧姆表等测量。时，用欧姆表等测量。 3不平衡电势不平衡电势U0 在在额额定定控控制制电电流流 I 之之下下，不不加加磁磁场场时时，霍霍尔尔电电极极间间的的空空载载霍霍尔尔电电势势称称为为不不平平衡衡(不不等等)电电势势，单单位位为为mV。不不平平衡衡电电势势和和额额定定控控制电流制电流 I 之

9、比为不平衡电阻之比为不平衡电阻r0。 4霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在在一一定定的的磁磁感感应应强强度度和和控控制制电电流流下下，温温度度变变化化1时时，霍霍尔尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数，单位为，单位为1。5 5内阻温度系数内阻温度系数 霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1时，输入电时，输入电阻只阻只Ri与输出电阻与输出电阻R0变化的百分率称为内阻温度系数变化的百分率称为内阻温度系数，单位为，单位为1。一般取不同温度时的平均值。一般取不同温度时的平均值。 6灵敏度灵敏度KH 其定义向前述

10、。有时某些产品给出无负载时灵敏度（在某一控制电其定义向前述。有时某些产品给出无负载时灵敏度（在某一控制电流和一定强度磁场中、霍尔电极间开路时元件的灵敏度）。流和一定强度磁场中、霍尔电极间开路时元件的灵敏度）。6三、霍尔元件连接方式和输出电路三、霍尔元件连接方式和输出电路 1基本测量电路基本测量电路 控控制制电电流流I由由电电源源E供供给给，电电位位器器W调调节节控控制制电电流流I的的大大小小。霍霍尔尔元元件件输输出出接接负负载载电电阻阻RL，RL可可以以是是放放大大器器的的输输入入电电阻阻或或测测量量仪仪表表的的内内阻阻。由由于于霍霍尔尔元元件件必必须须在在磁磁场场与与控控制制电电流流作作用用

11、下下，才才会会产产生生霍霍尔尔电电势势UH，所所以以在在测测量量中中，可可以以把把 I 与与 B 的的乘乘积积、或或者者 I，或或者者 B 作作为为输输入入情情号号，则则霍霍尔元件的输出电势分别正比于尔元件的输出电势分别正比于 IB 或或 I 或或 B。 2连接方式连接方式 为为了了获获得得较较大大的的霍霍尔尔输输出出电电势势，可可以以采采用用几几片片叠叠加加的的连连接接方方式式。下下图图(a)为为直直流流供供电电，控控制制电电流流端端并并联联输输出出串串联联。下下图图(b)为为交交流流供供电电，控控制制电电流流端端串串联联变变压压器器叠叠加加输输出。出。7 3霍尔电势的输出电路霍尔电势的输出

12、电路 霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，实际使用中必须加差分级，实际使用中必须加差分放大器。霍尔元件大体分为放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有用方式，因此，输出电路有如右图所示两种结构。当霍如右图所示两种结构。当霍尔元件作线性测量时，最好尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不平衡选用灵敏度低一点、不平衡电势电势U0小、稳定性和线性度小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。优良的霍尔元件。 例例如如，选选用用KH5mV/mAkGs，控控制制电电流

13、流为为5mA的的霍霍尔尔元元件件作作线线性性测测量元件测量量元件测量1Gs10kGs的磁场，则霍尔器件最低输出电势的磁场，则霍尔器件最低输出电势UH为为 UH5mV/mAkGs5mA10-3kGs25V最大输出电势为最大输出电势为 UH5mV/mAkGs5mA10kGs250mV故故要要选选择择低低噪噪声声、低低漂漂移移的的放放大大器器作作为为前前级级放放大大。当当霍霍尔尔元元件件作作开开关关使使用用时时，要要选选择择灵灵敏敏度度高高的的霍霍尔尔器器件件。例例如如，KH20mV/mAkGs，如如果果控控制制电流为电流为2mA，施加一个，施加一个300Gs的磁场，则输出霍尔电势为的磁场，则输出霍

14、尔电势为 UH20mV/mAkGs2mA300G s120mV这时选用一般的放大器即可满足。这时选用一般的放大器即可满足。8四、霍尔元件的测量误差和补偿方法四、霍尔元件的测量误差和补偿方法 霍霍尔尔元元件件在在实实际际应应用用时时，存存在在多多种种因因素素影影响响其其测测量量精精度度，造造成成测测量量误误差差的的主主要要因因素素有有两两类类：一一类类是是半半导导体体固固有有特特性性；另另一一类类为半导体制造工艺的缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误差。为半导体制造工艺的缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误差。 1零位误差及补偿方法零位误差及补偿方法 零零位位误误差差是是霍霍尔尔元元件件在在加加

15、控控制制电电流流而而不不加加外外磁磁场场时时，而而出出现现的的霍霍尔尔电电势势称称为为零零位位误误差差。不不平平衡衡电电势势U0是是主主要要的的零零位位误误差差。因因为为在在工工艺艺上上难难以以保保证证霍霍尔尔元元件件两两侧侧的的电电极极焊焊接接在在同同一一等等电电位位面面上上。如如下下图图(a)所所示示。当当控控制制电电流流I流流过过时时，即即使使末末加加外外磁磁场场，A、B两两电电极极此此时时仍仍存存在在电电位位差差，此此电电位位差差被被称称为为不不等等位位电电势势（不不平平衡衡电电势）势）U0。9 下图给出几种常用的补偿方法。为了消除不等位电势，可在阻下图给出几种常用的补偿方法。为了消除

16、不等位电势，可在阻值较大的桥臂上并联电阻，如下图值较大的桥臂上并联电阻，如下图(a)所示，或在两个桥臂上同时所示，或在两个桥臂上同时并联如下图并联如下图(b)、(c)所示的电阻。所示的电阻。10 2温度误差及其补偿温度误差及其补偿 由由于于载载流流子子浓浓度度等等随随温温度度变变化化而而变变化化，因因此此会会导导致致霍霍尔尔元元件件的的内内阻阻、霍霍尔尔电电势势等等也也随随温温度度变变化化而而变变化化。这这种种变变化化程程度度随随不不同同半半导导体体材材料料有有所所不不同同。而而且且温温度度高高到到一一定定程程度度，产产生生的的变变化化相相当当大大。温温度度误误差差是是霍霍尔尔元元件件测测量量

17、中中不不可可忽忽视视的的误误差差。针针对对温温度度变变化化导导致致内内阻阻(输输入入、输输出出电电阻阻)的的变变化化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。 (1)利用输出回路并联电阻进行补偿利用输出回路并联电阻进行补偿 在在输输入入控控制制电电流流恒恒定定的的情情况况下下，如如果果输输出出电电阻阻随随温温度度增增加加而而增增大大，霍霍尔尔电电势势增增加加；若若在在输输出出端端并并联联一一个个补补偿偿电电阻阻RL，则则通通过过霍霍尔尔元元件件输输出出电电阻阻输输出出电电阻阻（内内阻阻）R0的的电电流流增增大大，内内阻阻压压降降亦亦增增大大增增大大，输输

18、出出电电压压将将会会减小。只要适当选据补偿电阻减小。只要适当选据补偿电阻RL，就可达到补偿的目的。，就可达到补偿的目的。11 在温度影响下，元件的输出电在温度影响下，元件的输出电阻从阻从Rt0变到变到Rt，输出电阻，输出电阻Rt和电势和电势UHt应为应为 RtRt0 (1+t) ； UHtUHt0 (1+t)式式中中、为为霍霍尔尔元元件件的的输输出出电电势势UHt和和输输出出电电阻阻Rt的的温温度度系系数数。此此时时RL上的电压则为上的电压则为补偿电阻补偿电阻RL上电压随温度变化最小的条件为上电压随温度变化最小的条件为 因因此此当当知知道道霍霍尔尔元元件件的的、及及Rt0时时，便便可可以以计计

19、算算出出能能实实现现温温度度补补偿偿的的电阻电阻RL的值。的值。 因该指出，这种补偿方法，不能完全消除温度误差。因该指出，这种补偿方法，不能完全消除温度误差。 (2)利用输入回路的串联电阻进行补偿利用输入回路的串联电阻进行补偿 霍霍尔尔元元件件的的控控制制回回路路用用稳稳压压电电源源E供供电电，其其输输出出端端处处于于开开路路工工作作状状态态，当输入回路串联适当的电阻当输入回路串联适当的电阻R时，霍尔电势随温度的变化可得到补偿。时，霍尔电势随温度的变化可得到补偿。12 当温度增加时，当温度增加时，霍尔电势的增加霍尔电势的增加值为值为 UH = UHt0t；另；另一方面，元件的一方面，元件的输入

20、电阻随温度输入电阻随温度的增加值为的增加值为 Ri = Rit0t。用稳压源。用稳压源供电时，控制电供电时，控制电流和流和输出电势的输出电势的减小量为减小量为全补偿条件：全补偿条件：在在霍霍尔尔元元件件的的、为为已已知知的的条条件件下下，即即可可求求得得R与与Rt0的的关关系系。但但是是，R仍仍然然是是温温度度t的的函函数数。实实际际的的补补偿偿电电路路如如上上图图 (c)所所示示。调调节节电电位位器器W1可可以以消消除除不不等等位位电电势势。电电桥桥由由温温度度系系数数低低的的电电阻阻构构成成，在在某某一一桥桥臂臂电电阻阻上上并并联联热热敏敏电电阻阻Rt。当当温温度度变变化化时时，热热敏敏电

21、电阻阻将将随随温温度度变变化化而而变变化化，使使补补偿偿电电桥桥的的输输出出电电压压UH相相应应变变化化，只只要要仔仔细细调调节节，即即可可使使其其输输出出电电压压UH与与温温度基本无关。度基本无关。133.1.2 磁敏电阻器磁敏电阻器 磁磁敏敏电电阻阻器器是是基基于于磁磁阻阻效效应应的的磁磁敏敏元元件件。磁磁敏敏电电阻阻的的应应用用范范围围比比较较广广，可可以以利利用用它它制制成成磁磁场场探探测测仪仪、位位移移和和角角度度检检测测器器、安安培培计计以以及及磁磁敏敏交交流流放大器等。放大器等。一、磁阻效应一、磁阻效应 当当一一载载流流导导体体置置于于磁磁场场中中，其其电电阻阻会会随随磁磁场场而

22、而变变化化，这这种种现现象象被被称称为为磁阻效应。磁阻效应。当当温温度度恒恒定定时时，在在磁磁场场内内，磁磁阻阻与与磁磁感感应应强强度度 B 的的平平方方成成正正比比。如如果果器器件只有在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为件只有在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为 式中式中 B 磁感应强度为磁感应强度为B时的电阻率；时的电阻率； 0 零磁场下的电阻率；零磁场下的电阻率； 电子迁移率；电子迁移率； B 磁感应强度。磁感应强度。当电阻率变化为当电阻率变化为B -0时，则电阻率的相对变化为：时，则电阻率的相对变化为： /0 = 0.2732B2 = K2B2。

23、由由此此可可知知，磁磁场场一一定定时时迁迁移移率率越越高高的的材材料料（如如InSb、InAs和和NiSb等等半半导导体材料），其磁阻效应越明显。体材料），其磁阻效应越明显。14二、磁敏电阻的结构二、磁敏电阻的结构 磁敏电阻通常使用两种磁敏电阻通常使用两种方法来制作：一种是在较方法来制作：一种是在较长的元件片上用真空镀膜长的元件片上用真空镀膜方法制成，如右图方法制成，如右图(a)所所示的许多短路电极示的许多短路电极(光栅光栅状状)的元件；另一种是在的元件；另一种是在结晶制作过程中有方向性结晶制作过程中有方向性地地析析出出金金属属而而制制成成磁磁敏敏电电阻阻，如如上上图图(b)所所示示。除除此此

24、之之外外，还还有有圆圆盘盘形形，中心和边缘处各有一电极，如上图中心和边缘处各有一电极，如上图(c)所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。 磁磁阻阻效效应应除除了了与与材材料料有有关关外外，还还与与磁磁敏敏电电阻阻的的形形状状有有关关。若若考考虑虑其其形形状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为式中：式中：L、b分别为电阻的长和宽；分别为电阻的长和宽； 为形状效应系数。为形状效应系数。在恒定磁感应强度下，其长度在恒定磁感应强度下，其长度L与宽度与宽度b比越小，则比越小，则/0越大。越大。15

25、 各种形状的磁敏电阻，其磁阻与各种形状的磁敏电阻，其磁阻与磁感应强度的关系如右图所示。由图磁感应强度的关系如右图所示。由图可见，圆盘形样品的磁阻最大。可见，圆盘形样品的磁阻最大。 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大；因此，使用的，且受温度影响较大；因此，使用磁敏电阻时必须首先了解如下图所磁敏电阻时必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。方案。163.1.3 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 霍霍尔尔元元件件和和磁磁敏敏电电阻阻均均是是用用N型型半半导导体体材材料料制制成成的的体体型型元元件件

26、。磁磁敏敏二二极极管管和和磁磁敏敏三三极极管管是是PN结结型型的的磁磁电电转转换换元元件件，它它们们具具有有输输出出信信号号大大、灵灵敏敏度度高高、工工作作电电流流小小和和体体积积小小等等特特点点，它它们们比比较较适适合合磁磁场场、转转速速、探探伤伤等方面的检测和控制。等方面的检测和控制。 一、磁敏二根管的结构和工作原理一、磁敏二根管的结构和工作原理 1结构结构 磁磁敏敏二二极极管管的的P型型和和N型型电电极极由由高高阻阻材材料料制制成成，在在P、N之之间间有有一一个个较较长长的的本本征征区区I，本本征征区区I的的一一面面磨磨成成光光滑滑的的复复合合表表面面(为为I区区)，另另一一回回打打毛毛

27、，设设置置成成高高复复合合区区(为为r区区)，其其目目的的是是因因为为电电子子 空空穴穴对对易易于于在在粗粗糙糙表表面面复复合合而而消消失失。当当通通过过正正向向电电流流后后就就会会在在P、I、N结结之之间间形形成成电电流流。由由此此可知，磁敏二极管是可知，磁敏二极管是PIN型的。型的。17 当当磁磁敏敏二二极极管管末末受受到到外外界界磁磁场场作作用用时时，外外加加如如下下图图(a)所所示示的的正正偏偏压压，则则有有大大量量的的空空穴穴从从r区区通通过过I区区进进入入N区区，同同时时也也有有大大量量电电子子注注入入P区区而而形形成成电电流流。只只有有少少量量电电子子和和空空穴穴在在I区区复复合

28、合掉掉。当当磁磁敏敏二二极极管管受受到到如如下下图图 (b)所所示示的的外外界界磁磁场场H+(正正向向磁磁场场)作作用用时时，则则电电子子和和空空穴穴受受到到洛洛仑仑兹兹力力的的作作用用而而向向r区区偏偏转转，由由于于r区区的的电电子子和和空空穴穴复复合合速速度度比比光光滑滑面面I区区快快，因因此此，形形成成的的电电流流因因复复合合速速度度加加快快而而减减小小。磁磁场场强强度度越越强强，电电子子和和空空穴穴受受到到洛洛仑仑兹兹力力就就越越大大，单单位位时时间间内内进进入入由由于于r区区而而复复合合的的电电子子和和空空穴穴数数量量就越多，载流子减少，外电就越多，载流子减少，外电路的电流越小。路的

29、电流越小。 当磁敏二极管受到如右图当磁敏二极管受到如右图(b)所示的外界磁场片所示的外界磁场片H- (反反向磁场向磁场)作用时，则电子和空作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向穴受到洛仑兹力作用而向I区区偏移，由于电子、空穴复合偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，则外电路的电率明显变小，则外电路的电流变大。流变大。 利用磁敏二极管的正向导利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电变化的特性，即可实现磁电转换。转换。18 3磁敏二极管的主要特性磁敏二极管的主要特性 (1)磁电待性磁电待性 在在给给定定条条件件下下，磁磁敏敏二二极极管管输输出出

30、的的电电压压变变化化与与外外加加磁磁场场的的关关系系称称为为磁磁敏二极管的磁电持性。敏二极管的磁电持性。 磁磁敏敏二二极极管管通通常常有有单单只只和和互互补补两两种种使使用用方方式式。它它们们的的磁磁电电特特性性如如下下图图所所示示。出出图图可可知知，单单只只使使用用时时，正正向向磁磁灵灵敏敏度度大大于于反反向向；互互补补使使用用时时，正正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。19 (2)伏安特性伏安特性 磁磁敏敏二二极极管管正正向向偏偏压压和和通通过过电电流流的的关关系系被被称称为为磁磁敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性，如如图图

31、所所示示。从从图图可可知知，磁磁敏敏二二极极管管在在不不同同磁磁场场强强度度H下下的的作作用用，其其伏伏安安特特性性将将是是不不一一样样。图图 (a)为为锗锗磁磁敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性；(b)为为硅硅磁磁敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性。图图 (b)表表示示在在较较宽宽的的偏偏压压范范围围内内，电电流流变变化化比比较较平平坦坦；当当外外加加偏偏压压增增加加到到一一定定值值后后，电电流流迅迅速速增增加加、伏伏安安持持性性曲曲线线上上升升很很快快，表表现现出出其动态电阻比较小。其动态电阻比较小。20 (3)温度特性温度特性 一一般般情情况况下下，磁磁敏敏二二极极管管受受湿湿度度影

32、影响响较较大大，即即在在一一定定测测试试条条件件下下，磁磁敏敏二二极极管管的的输输出出电电压压变变化化量量U，或或者者在在无无磁磁场场作作用用时时，中中点点电电压压Um随随温温度度变变化化较较大大。因因此此，在在实实际使用时，必须对其进行温度补偿。际使用时，必须对其进行温度补偿。 互补式温度补偿电路互补式温度补偿电路 选用两只性能相近的磁敏二极管，按相选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压压Um

33、随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如此，互补电路还能提高磁灵敏度。此，互补电路还能提高磁灵敏度。21 差分式电路差分式电路 如如下下图图(c)所所示示。差差分分电电路路不不仅仅能能很很好好地地实实现现温温度度补补偿偿，提提高高灵灵敏敏度度，还可以弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻还可以弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻R1和和R2。 全桥电路全桥电路 全全桥桥电电路路是是将将两两个个互互补补电电路路并并联联而而成成。和和互互补补电电路路一一样样，其其工工作作点点只只能能选选在在小

34、小电电流流区区。该该电电路路在在给给定定的的磁磁场场下下，其其输输出出电电压压是是差差分分电电路路的的两两倍倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些困难。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些困难。 热敏电阻补偿电路热敏电阻补偿电路 如如下下图图(e)所所示示。该该电电路路是是利利用用热热敏敏电电阻阻随随温温度度的的变变化化，而而使使Rt和和D的的分分压压系系数数不不变变，从从而而实实现现温温度度补补偿偿。热热敏敏电电阻阻补补偿偿电电路路的的成成本本略略低低于于上上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一

35、种温度补偿电路。22 二、磁敏三极管的结构和工作原理二、磁敏三极管的结构和工作原理 1磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构 在在弱弱P型型或或弱弱N型型本本征征半半导导体体上上用用合合金金法法或或扩扩散散法法形形成成发发射射极极、基基极极和和集集电电极极。其其最最大大特特点点是是基基区区较较长长，基基区区结结构构类类似似磁磁敏敏二二极极管管，也也有有高高复复合合速速率率的的r区区和和本本征征I区。长基区分为输运基区和复合基区。区。长基区分为输运基区和复合基区。 2磁敏三极管的工作原理磁敏三极管的工作原理 当磁敏三极管末受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散当磁敏三极管末受到磁场作用时，由于

36、基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过长度，大部分载流子通过e-I-b，形成基极电流；少数载流子输入到，形成基极电流；少数载流子输入到c极，因极，因而基极电流大于集电极电流。而基极电流大于集电极电流。 当受到正向磁场当受到正向磁场(H +)作用时，由作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射极的一侧，导致集电极电流显向发射极的一侧，导致集电极电流显著下降；当反向磁场著下降；当反向磁场(H -)作用时，载作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。由此可知，磁敏三极管在正、流增大。由此可知，磁敏三极管在正、反向

37、磁场作用下，其集电极电流出现反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。明显变化。23 3. 磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性 (1)磁电特性磁电特性 磁磁敏敏三三极极管管的的磁磁电电特特性性是是应应用用的的基基础础，是是主主要要特特性性之之一一。例例如如，国国产产NPN型型3BCM（锗锗）磁磁敏敏三三极极管管的的磁磁电电特特性性，在在弱弱磁磁场场作作用用下下，曲曲线线接接近近一条直线，如左下图所示。一条直线，如左下图所示。 (2)伏安特性伏安特性 磁磁敏敏三三极极管管的的伏伏安安特特性性类类似似普普通通晶晶体体管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线。下下右右图图(a)为为不不受受磁磁场场作作

38、用用时时，磁磁敏敏三三极极管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线；下下右右图图 (b)是是磁磁场场为为1kG s，基基极极为为3mA时时，集集电电极极电电流流的的变变化化。由由该该图图可可知知，磁磁敏敏三三极极管管的电流放大倍数小于的电流放大倍数小于1。24 (3)温度特性及其补偿温度特性及其补偿 磁磁敏敏三三极极管管对对温温度度比比较较敏敏感感，实实际际使使用用时时必必须须采采用用适适当当的的方方法法进进行行温温度度补补偿偿。对对于于锗锗磁磁敏敏三三极极管管，例例如如，3ACM，3BCM，其其磁磁灵灵敏敏度度的的温温度度系系数数为为0.8/；硅硅磁磁敏敏三三极极管管(3CCM)磁磁灵灵敏敏度度的的

39、温温度度系系数数为为-0.6/。对对于于硅硅磁磁敏敏三三极极管管可可用用正正温温度度系系数数的的普普通通硅硅三三极极管管来来补补偿偿因因温温度度而而产产生生的的集集电电极极电电流流的的漂漂移移。具具体体补补偿偿电电路路如如图图 (a)所所示示。当当温温度度升升高高时时，BG1管管集集电电极极电电流流Ic增增加加，导导致致BGm管管的的集集电电极极电电流流也也增增加加，从从而而补补偿偿了了BGm管因温度升高而导致管因温度升高而导致Ic的下降。的下降。 图图(b)是是利利用用锗锗磁磁敏敏二二极极管管电电流流随随温温度度升升高高而而增增加加的的这这一一特特性性使使其其作作硅硅磁磁敏敏三三极极管管的的

40、负负载载，当当温温度度升升高高时时，可可以以弥弥补补硅硅磁磁敏敏三三极极管管的的负负温温度度漂漂移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一致、磁极相反的磁致、磁极相反的磁敏三极管组成的差敏三极管组成的差分电路，如图分电路，如图(c)所示，这种电路既所示，这种电路既可以提高磁灵敏度，可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，又能实现温度补偿，它是一种行之有救它是一种行之有救的温度补偿电路。的温度补偿电路。253.1.4 磁敏式传感器应用举例磁敏式传感器应用举例 一、霍尔位移传感器一、霍尔位移传感器 霍霍尔尔位位移移传传感感器

41、器可可制制作作成成如如图图(a)所所示示结结构构。在在极极性性相相反反、磁磁场场强强度度相相同同的的两两个个磁磁钢钢的的气气隙隙间间放放置置一一个个霍霍尔尔元元件件。当当控控制制电电流流I恒恒定定不不变变时时，霍霍尔尔电电势势UH与与外外磁磁感感应应强强度度成成正正比比；若若磁磁场场在在一一定定范范围围内内沿沿x方方向向的的变变化化梯梯度度dB/dx如如图图(b)所所示示为为一一常常数数时时，则则当当霍霍尔尔元元件件沿沿x方方向向移移动动时时，霍霍尔尔电电势势变化也应是一个常数变化也应是一个常数K（位移传感器的输出灵敏度）：（位移传感器的输出灵敏度）：即即UHKx 。这说明霍尔电势与。这说明霍

42、尔电势与位移量成线性关系。其输出电势位移量成线性关系。其输出电势的极性反映了元件位移方向。磁的极性反映了元件位移方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。梯度越均匀，输出线性度越好。 当当x0时，则元件置于磁场中心时，则元件置于磁场中心位置，位置，UH0。这种位移传感器。这种位移传感器一般可测量一般可测量12mm的微小位移，的微小位移，其特点是惯性小，响应速度快，其特点是惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原理可以无接触测量。利用这一原理可以测量与之有关的非电量，如力、测量与之有关的非电量，如力、压力、加速度、液位和压差等。压力、加速度、液

43、位和压差等。26二、汽车霍尔点火器二、汽车霍尔点火器 上上图图是是霍霍尔尔电电子子点点火火器器结结构构示示意意图图。将将霍霍尔尔元元件件(图图中中之之3)固固定定在在汽汽车车分分电电器器的的白白金金座座上上，在在分分火火点点上上装装一一个个隔隔磁磁罩罩1，罩罩的的竖竖边边根根据据汽汽车车发发动动机机的的缸缸数数，开开出出等等间间距距的的缺缺口口2，当当缺缺口口对对准准霍霍尔尔元元件件时时，磁磁通通通通过过霍霍尔尔器器件件而而成成闭闭合合回回路路，所所以以电电路路导导通通，如如上上图图(a)所所示示，此此时时霍霍尔尔电电路路输输出出低低电电平平（小小于于等等于于0.4V）；当当罩罩边边凸凸出出部

44、部分分挡挡在在霍霍尔尔元元件件和和磁磁体体之之间间时时，电电路路截截止，如上图止，如上图(b)所示，霍尔电路输出高电平。所示，霍尔电路输出高电平。 霍尔电子点火器原理如下图所示。霍尔电子点火器原理如下图所示。当霍尔传感器输出低电平时，当霍尔传感器输出低电平时，BG1截截止，止，BG2、BG3导通，点火线圈的初导通，点火线圈的初级有一恒定电流通过。当霍尔传感器级有一恒定电流通过。当霍尔传感器输出高电平时，输出高电平时，BG1导通，导通，BG2、BG3截止，点火器的初级电流截断，截止，点火器的初级电流截断，此时储存在点火线圈中的能量，在次此时储存在点火线圈中的能量，在次级线因以高压放电形式输出，即

45、放电级线因以高压放电形式输出，即放电点火。点火。 汽车霍尔电子点火器，由于它无汽车霍尔电子点火器，由于它无触点、节油，能适用于恶劣的工作环触点、节油，能适用于恶劣的工作环境和各种车速，冷起动性能好等特点，境和各种车速，冷起动性能好等特点，目前国外已广泛采用。目前国外已广泛采用。27 三、磁敏二报管漏磁探伤仅三、磁敏二报管漏磁探伤仅 磁磁敏敏二二极极管管漏漏磁磁探探伤伤仪仪是是利利用用磁磁敏敏二二极极管管可可以以检检测测弱弱磁磁场场变变化化的的特特性性而而设设计计的的。原原理理如如图图所所示示。漏漏磁磁探探伤伤仪仪由由激激励励线线圈圈2、铁铁芯芯3、放放大大器器4、磁磁敏敏二二极极管管探探头头5

46、等等部部分分构构成成。将将待待测测物物1 (如如钢钢棒棒)置置于于铁铁芯芯之之下下，并并使使之之不不断断转转动动，在在铁铁芯芯、线线圈圈激激磁磁后后，钢钢棒棒被被磁磁化化。若若待待测测钢钢棒棒没没有有损损伤伤的的部部分分在在铁铁芯芯之之下下时时，铁铁芯芯和和钢钢棒棒被被磁磁化化部部分分构构成成闭闭合合磁磁路路，激激励励线线圈圈感感应应的的磁磁通通为为，此此时时无无泄泄漏漏磁磁通通，磁磁场场二二极极管管探探头头没没有有信信号号输输出出。若若钢钢棒棒上上的的裂裂纹纹旋旋至至铁铁芯芯下下，裂裂纹纹处处的的泄泄漏漏磁磁通通作作用用于于探探头头，探探头头将将泄泄漏漏磁磁通通量量转转换换成成电电压压信信号

47、号，经经放放大大器器放放大大输输出出，根根据据指指示示仪仪表表的的示示值值可可以以得得知知待待测测铁铁棒中的缺陷。棒中的缺陷。28四、四、半导体半导体InSbInSb磁敏无接触电位器磁敏无接触电位器 半半导导体体InSbInSb磁磁敏敏无无接接触触电电位位器器是是半半导导体体InSbInSb磁磁阻阻效效应应的的典典型型应应用用之之一一。与与传传统统电电位位器器相相比比, ,它它具具有有无无可可比比拟拟的的优优点点: :无无接接触触电电刷刷、无无电电接接触触噪噪音音、旋旋转转力力矩矩小小、分分辨辨率率高高、高高频频特特性性好好、可可靠靠性性高高、寿寿命命长长。半半导导体体InSbInSb磁磁敏敏

48、无无接接触触电电位位器器是是基基于于半半导导体体InSbInSb磁磁阻阻效效应应原原理理，由由半半导导体体InSbInSb磁磁敏敏电电阻阻元元件件和和偏偏置置磁磁钢钢组组成成；其其结结构构与与普普通通电电位位器器相相似似。由由于于无无电电刷刷接接触触，故故称称无接触电位器。无接触电位器。磁敏无接触电位器工作原理示图和输出特性曲线090-90 该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴

49、的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线如图所示。度变化的关系曲线如图所示。29 五、锑化铟五、锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞视中的应用磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞视中的应用 InSb伪伪币币检检测测传传感感器器安安装装在在光光磁磁电电伪伪币币检检测测机机上上，其其工工作作过过程程如如上上图所示，电路原理图如下图所示。图所示，电路原理图如下图所示。 电路工作

50、原理图InSb伪币检测传感器工作原理与输出特性 当纸币上的磁性油墨当纸币上的磁性油墨没有进入位置没有进入位置1时，设输出时，设输出变化为零，如果进入位置变化为零，如果进入位置1，由于，由于R2电阻增大，则输电阻增大，则输出变化为出变化为0.3mV左右；如果左右；如果进入位置进入位置3时，则仍为时，则仍为0；如果进入位置如果进入位置4，则为，则为-0.3mV，如果进入位置，如果进入位置5，则仍为则仍为0，就这样产生输出，就这样产生输出特性，经过放大、比较、特性，经过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检脉冲展宽、显示，就能检测伪币，达到理想效果。测伪币，达到理想效果。303.1.5 新型磁敏传感器新

51、型磁敏传感器 一、巨磁阻效应器件一、巨磁阻效应器件(GMR) 巨巨磁磁阻阻效效应应器器件件是是德德国国西西门门子子公公司司研研制制生生产产的的一一种种新新颖颖的的磁磁敏敏传传感感器器。与与传传统统的的金金属属薄薄膜膜磁磁阻阻相相比比，其其在在弱弱磁磁场场下下的的灵灵敏敏度度更更高高，有有效效检检测测距距离离高高达达25毫毫米米；该该磁磁阻阻传传感感器器与与检检测测磁磁场场的的大大小小无无关关，仅仅对对磁磁场场的的方方向向非非常常敏敏感感。因因而而特特别别适适合合于于制制作作角角度度编编码码器器、无无接接触触电电位位器器,也也可可用用于于GPS导导航系统。航系统。 1工作原理工作原理 巨巨磁磁阻

52、阻效效应应器器件件基基于于多多层层金金属属薄薄膜膜的的磁磁阻阻效效应应，采采用用真真空空（溅溅射射）蒸蒸镀镀、多多层层金金属属薄薄膜膜工工艺艺技技术术制制成成。巨巨磁磁阻阻效效应应器器件件与与传传统统的的金金属属薄薄膜膜磁磁阻阻元元件件不不同同，它它对对磁磁场场强强度度在在515kA/m内内的的范范围围变变化化不不太太敏敏感感、而而对对磁磁场场强度的方向变化却非常敏感。巨磁阻效应器件的阻值随磁场强度的强度的方向变化却非常敏感。巨磁阻效应器件的阻值随磁场强度的GMR工作原理方向的变化关系为：方向的变化关系为： RR0+0.5R（1-cos）式中式中R0为巨磁阻器件在无磁场下为巨磁阻器件在无磁场下

53、电阻值，电阻值，R为在有磁场下的电阻为在有磁场下的电阻变化值，变化值，指磁场强度的空间方向指磁场强度的空间方向,其值为其值为0360。其原理示意图见。其原理示意图见右图。右图。31 2特点特点 对磁场强度在对磁场强度在515kA/m范围内的变化不敏感范围内的变化不敏感,仅对磁场方向敏感仅对磁场方向敏感; 有效检测距离为有效检测距离为25mm; 在弱磁场下灵敏度非常高在弱磁场下灵敏度非常高; 工作温度范围宽工作温度范围宽,其标称阻值其标称阻值R0和和R具有优良的线性温度特性具有优良的线性温度特性; 体积小、功耗低。体积小、功耗低。 3典型技术参数典型技术参数 工作电源电流工作电源电流:7mA;

54、工作温度范围工作温度范围:-40+120; 标称阻值标称阻值:700; 在在515kA/m范围内的灵敏度范围内的灵敏度:4%; 标称阻值温度系数标称阻值温度系数TCR0：0.090.12%/; 磁阻温度系数磁阻温度系数R：-0.12-0.09%; 磁滞（磁滞（10kAm）：）： 2度度; 磁阻效应温度系数磁阻效应温度系数RR0：-0.270.23%； 4应用应用 巨巨磁磁阻阻效效应应器器件件具具有有弱弱磁磁场场下下灵灵敏敏度度高高、对对磁磁场场强强度度方方向向变变化化非非常常敏敏感感的的特特性性，同同时时，巨巨磁磁阻阻效效应应器器件件又又有有优优良良的的线线性性温温度度特特性性。因因此此，可可

55、根根据据实实际际需需要要，通通过过桥桥式式或或半半桥桥式式电电路路结结构构进进行行温温度度补补偿偿，以以满满足足巨巨磁磁阻传感器的性能要求。阻传感器的性能要求。32二、特性新颖敏感元件二、特性新颖敏感元件 Z元件元件 Z元元件件的的发发明明是是俄俄罗罗斯斯传传感感器器专专家家V.D.Zotov教教授授与与他他的的同同事事们们在在1983年年从从一一起起半半导导体体PN结结伏伏安安特特性性实实验验出出现现奇奇怪怪的的结结果果所所引引发发的的，这这种种元件也因此得名：元件也因此得名：Z元件。元件。 Z元元件件是是一一种种N区区被被重重掺掺杂杂补补偿偿的的特特种种PN结结结结构构,它它通通过过负负载

56、载电电阻阻R按按正向偏置接在直流电路中，负载电阻正向偏置接在直流电路中，负载电阻R用于限制工作电流并取出电压信号。用于限制工作电流并取出电压信号。 Z元元件件的的发发明明人人V.D.Zotov教教授授认认为为，“Z效效应应”微微观观机机理理的的核核心心在在于于该该PN结结在在一一定定电电源源电电压压下下能能产产生生一一种种“电电流流细细丝丝”(Current filament)效效应应(或或译译成成潺潺流流效效应应)，并并在在外外部部激激励励下下能能产产生生一一种种所所谓谓“细细丝丝电电流流”(filament Current)冲冲击击或或细细丝丝电电流流振振荡荡。Z元元件件应应用用电电路路的

57、的工工作作原原理理为为在在外外部部激激励励下下能能产产生生“细细丝丝电电流流”冲冲击击或或电电流流振振荡荡的的缘缘故故。在在下下图图1所所示示电电路路中中，若若在在外外部部激激励励下下产产生生细细丝丝电电流流冲冲击击，电电路路中中产产生生工工作作电电流流突突变变，则则负负载载电电阻阻R上上获获得得开开关关量量输输出出。若若外外部部激激励励产产生生细细丝丝电电流流振振荡荡，电电路路中中产产生生振振荡荡电电流流，则则负负载载电电阻阻R上上获获得得脉脉冲冲输输出出；若若外外部部激激励励没没有有达达到到产产生生细丝电流冲细丝电流冲Z元件原理示意图击或细丝电流振荡的阈值，则负载电阻击或细丝电流振荡的阈值

58、，则负载电阻R上获上获得模拟量输出。得模拟量输出。 Z元件它的诱人之处就是无需前置放大器元件它的诱人之处就是无需前置放大器和和A/D转换器，便可直接输出大幅值数字信号，转换器，便可直接输出大幅值数字信号，且是无接触式测量，具有体积小，功耗低且是无接触式测量，具有体积小，功耗低,抗抗噪能力强等优点。噪能力强等优点。333.2 3.2 气敏传感器气敏传感器 气气敏敏传传感感器器是是用用来来测测量量气气体体的的类类别别、浓浓皮皮和和成成分分的的传传感感器器。由由于于气气体体种种类类繁繁多多性性质质各各不不相相同同，不不可可能能用用一一种种传传感感器器检检测测所所有有类类别别的的气气体体，因因此此，能

59、能实实现现气气 电电转转换换的的传传感感器器种种类类很很多多。按按构构成成气气敏敏传传感感器器材材料料可可分分为为半半导导体体和和非非半半导导体体两两大大类类。目目前前实实际际使使用用最最多多的的是是半半导导体体气气敏敏传传感感器器，早早期期所所采采用用的的电电化化学学和和光光学学等等方方法法，由由于于使使用用不不便便已已很很少少采采用。用。 半半导导体体气气敏敏传传感感器器按按照照半半导导体体与与气气体体的的相相互互作作用用是是在在其其表表面面、还还是是在在内内部部，可可分分为为表表面面控控制制型型和和体体控控制制型型两两类类；按按照照半半导导体体变变化化的的物物理理性性质质，又又可可分分为

60、为电电阻阻型型（电电导导控控制制型型、金金属属氧氧化化物物半半导导体体器器件件）和和非非电电阻阻型型（电电压压控控制制型型、MOS器器件件）两两种种。电电阻阻型型半半导导体体气气敏敏元元件件是是利利用用半半导导体体接接触触气气体体时时，其其阻阻值值的的改改变变来来检检测测气气体体的的成成分分或或浓浓度度；而而非非电电阻阻型型半半导导体体气气敏敏元元件件根根据据其其对对气气体体的的吸吸附附和和反反应应，使使其其某某些些有有关关特特性性变变化化对对气体进行直接或间接检测。气体进行直接或间接检测。 自自从从60年年代代研研制制成成功功SnO2(氧氧化化锡锡)半半导导体体气气敏敏元元件件后后，气气敏敏

61、元元件件进进入入了了实实用用阶阶段段。SnO2敏敏感感材材料料是是目目前前应应用用最最多多的的一一种种气气敏敏材材料料，它它已已广广泛泛地地应应用用于于工工矿矿企企业业、民民用用住住宅宅、宾宾馆馆饭饭店店等等内内部部对对可可燃燃气气体体和和有有害气体的检测。害气体的检测。343.2.1 ( (半导体半导体) )电阻型气敏传感器电阻型气敏传感器一、电阻型半导体气敏材料的导电机理一、电阻型半导体气敏材料的导电机理 半半导导体体气气敏敏传传感感器器是是利利用用气气体体在在半半导导体体表表面面的的氧氧化化和和还还原原反反应应导导致致敏敏感元件阻值变化而制成的。感元件阻值变化而制成的。35 当当半半导导

62、体体器器件件被被加加热热到到稳稳定定状状态态，气气体体接接触触半半导导体体表表面面而而被被吸吸附附时时，被被吸吸附附的的分分子子首首先先在在表表面面自自由由扩扩散散，失失去去运运动动能能量量。一一部部分分被被蒸蒸发发掉掉，另另一一部部分分残残留留分分子子产产生生热热分分解解而而吸吸附附在在吸吸附附处处。当当半半导导体体的的功功函函数数小小于于吸吸附附分分子子的的亲亲和和力力(气气体体的的吸吸附附和和渗渗透透特特性性)，则则吸吸附附分分子子将将从从器器件件夺夺得得电电子子而而变变成成负负离离子子吸吸附附，半半导导体体表表面面呈呈现现电电荷荷层层。例例如如氧氧气气等等具具有有负负离离子子吸吸附附倾

63、倾向向的的气气体体被被称称为为氧氧化化型型气气体体或或电电子子接接收收性性气气体体。如如果果半半导导体体的的功功函函数数小小于于吸吸附附分分子子的的离离解解能能，吸吸附附分分子子将将向向器器件件释释放放出出电电子子，而而形形成成正正离离子子吸吸附附。具具有有正正离离子子吸吸附附倾倾向向的的气气体体有有H2、CO、碳碳氢氢化化含含物物和和醇醇类，它们被称为类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体还原型气体或电子供给性气体。 当当氧氧化化型型气气体体吸吸附附到到N型型半半导导体体，还还原原型型气气体体吸吸附附到到P型型半半导导体体上上时时，将将使使半半导导体体的的载载流流子子减减少少，而而使使电电

64、阻阻值值增增大大；当当还还原原型型气气体体吸吸附附到到N型型半半导导体体上上，氧氧化化型型气气体体吸吸附附到到P型型半半导导体体上上时时，则则载载流流子子增增多多，将将使使半半导导体体电电阻阻值值下下降降。由由于于空空气气中中的的含含氧氧量量大大体体上上是是恒恒定定的的，因因此此氧氧化化的的吸吸附附量量也也是是恒恒定定的的，器器件件阻阻值值也也相相对对固固定定。若若气气体体浓浓度度发发生生变变化化，其其阻阻值值也也将将变变化化。根根据据这这一一特特性性，可可以以从从阻阻值值的的变变化化得得知知吸吸附附气气体体的的种种类类和和浓浓度度。半半导导体体气气敏敏器器件件的的响响应应时时间间一一般般不不

65、超超过过1min。N型型材材料料有有SnO2、ZnO、TiO等，等，P型材料有型材料有MoO2、CrO3等。等。36 右上图右上图 表示了气体接触表示了气体接触N型半导体型半导体时所产生的器件阻值变化情况。时所产生的器件阻值变化情况。 二、电阻型半导体气敏传感器的结构二、电阻型半导体气敏传感器的结构电电阻阻型型半半导导体体气气敏敏传传感感器器通通常常由由气气敏敏元元件件、加加热热器器和和封封装装体体等等三三部部分分组组成成。从从制制造造工工艺艺上上可可分分为为烧烧结结型型、薄薄膜膜型型和和厚厚膜型三类。膜型三类。 右右下下图图为为烧烧结结型型气气敏敏器器件件。这这类类器器件件以以SnO2半半导

66、导体体材材料料为为基基体体、将将铂铂电电极极和和加加热热丝丝埋埋入入SnO2材材料料中中，经经加加温温、加加压压，利利用用700900的的制制陶陶工工艺艺烧烧结结成成形形。因因此此，被被称称为为半半导导体体导导瓷瓷，简简称称半半导导瓷瓷。半半导导瓷瓷内内晶晶粒粒直直径径为为1m左左右右，晶晶粒粒的的大大小小对对电电阻阻有有一一定定影影响响，但但对对气气体体检检测测灵灵敏敏度度则则无无很很大大的的影影响响。烧烧结结型型器器件件制制作作方方法法简简单单，器器件件寿寿命命长长；但但由由于于烧烧结结不不充充分分，器器件件机机械械强强度度不不高高，电电极极材材料料较较贵贵重重，电电性性能能一一致致性性较

67、较差差，应应用用受受到到一一走限制。走限制。37 右右图图为为薄薄膜膜器器件件。采采用用蒸蒸发发或或溅溅射射工工艺艺，在在石石英英基基片片上上形形成成氧氧化化物物半半导导体体薄薄膜膜（其其厚厚度度约约在在100nm以以下下)。制制作作方方法法也也很很简简单单。实实验验证证明明，SnO2半半导导体体薄薄膜膜的的气气敏敏特特性性最最好好；但但这这种种半半导导体体薄薄膜膜为为物物理理性性附附着，器件间性能差异较大。着，器件间性能差异较大。 下下图图为为厚厚膜膜型型器器件件。这这种种器器件件是是将将SnO2或或ZnO等等材材料料与与315(重重量量)的的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜硅凝胶混合制

68、成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到装有铂电极的氧化铝胶用丝网印刷到装有铂电极的氧化铝(Al2O3)或氧化硅或氧化硅(SiO2)等绝缘基片等绝缘基片上，再经上，再经400800温度烧结温度烧结1h制成。由于这种工艺制成的元件离散性小、制成。由于这种工艺制成的元件离散性小、机械强度高，适合大批量生产，所以是一种很有前途的器件。机械强度高，适合大批量生产，所以是一种很有前途的器件。图图3-2-1图图3-2-138 加加热热器器可可以以将将附附着着在在敏敏感感元元件件表表面面上上的的尘尘埃埃、油油雾雾等等烧烧掉掉，加加速速气气体体的的吸吸附附，提提高高其其灵灵敏敏度度和和响响应应速速度度。加加热热

69、器器的的温温度度一一般般控控制制在在200400左左右右。加加热热方方式式一一般般有有直直热热式式和和旁旁热热式式两两种种，因因而而形形成成了了直直热热式式和和旁旁热热式式气气敏敏元元件件。直直热热式式是是将将加加热热丝丝直直接接理理入入SnO2或或ZnO粉粉末末中中烧烧结结而而成成，因因此此，直直热热式式常常用用于于烧烧结结型型气气敏敏结构。旁热式是将加热丝和敏感结构。旁热式是将加热丝和敏感元件同元件同 置于一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外再置于一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外再涂上涂上SnO2等材料。等材料。 直热式结构的气敏传感器的优点是制造工艺简单、

70、成本低、功耗小、直热式结构的气敏传感器的优点是制造工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压回路中使用。它的缺点是热容量小，易受环境气流的影响，可以在高电压回路中使用。它的缺点是热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。旁热式结构的气敏传感器克测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响。器件热容量大，降低了料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响。器件热容量大，降低了环境温度对器

71、件加热温度的影响，所以这类结构器件的稳定性、可靠性比环境温度对器件加热温度的影响，所以这类结构器件的稳定性、可靠性比直热式的好。直热式的好。39三、气敏器件的基本特性三、气敏器件的基本特性1SnO2系气敏元件系气敏元件烧烧结结型型、薄薄膜膜型型和和厚厚膜膜型型SnO2气气敏敏器器件件对对气气体体的的灵灵敏敏度度特特性性如如右右图图所所示示。气气敏敏元元件件的的阻阻值值RC与空气中被测气体的浓度与空气中被测气体的浓度C成对数关系：成对数关系： log RCm logC+n式式中中n与与气气体体检检测测灵灵敏敏度度有有关关，除除了了随随材材料料和和气气体体种种类类不不同同而而变变化化外外，还还会会

72、由由于于测测量量温温度度和和添添加加剂剂的的不不同同而而发发生生大大幅幅度度变变化化。m为为气气体体的的分分离离度度，随随气气体体浓浓度度变变化化而而变变化化，对对于于可燃性气体，可燃性气体， 。 在气敏材料在气敏材料SnO2中添加铂中添加铂(Pt)或钯或钯(Pd)等作为催化剂，可以提高其等作为催化剂，可以提高其灵敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、元件的烧结温度和工作灵敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、元件的烧结温度和工作温度都将影响元件的选样性。温度都将影响元件的选样性。40 在在同同一一工工作作温温度度下下、含含1.5%（重重量量）Pd的的气气敏敏元元件件对对CO最最灵灵敏

73、敏；而而含含0.2(重重量量)Pd时时，却却对对CH4最最灵灵敏敏。又又如如同同一一含含量量Pt的的气气敏敏元元件件。在在200以以下下，检检测测CO最最好好；而而在在300时时，则则检检测测丙丙烷烷最最好好；在在400以以上上检检测测甲甲烷烷最最佳佳。经经实实验验证证明明，在在SnO2中中添添加加ThO2 (氧氧化化钍钍)的的气气敏敏元元件件，不不仅仅对对CO的的灵灵敏敏程程度度远远高高于于其其它它气气体体，而而且且其其灵灵敏敏度度随随时时间间而而产产生生周周期期性性的的振振荡荡现现象象；同同时时，该该气气敏敏元元件件在在不不同同浓浓度度的的CO气气体体中中，其其振振荡荡波波形形也也不不一一

74、样样，如如下下图图所所示示。虽虽然然目目前前尚尚不不明明确确其其机机理理，但但可可利利用用这这一现象对一现象对CO浓度作精确的定量检测。浓度作精确的定量检测。41 SnO2气气敏敏元元件件易易受受环环境境温温度度和和湿湿度度的的影影响响，上上图图给给出出了了SnO2气气敏敏元元件件受受环环境境温温度度、湿湿度度影影响响的的综综合合特特性性曲曲线线。由由于于环环境境温温度度、湿湿度度对对其其特特性性有影响，所以便用时，通常需要加温度补偿。有影响，所以便用时，通常需要加温度补偿。42 2ZnO(氧化锌氧化锌)系气敏元件系气敏元件 ZnO系系气气敏敏元元件件对对还还原原性性气气体体有有较较高高的的灵

75、灵敏敏度度。它它的的工工作作温温度度比比SnO2系系气气敏敏元元件件约约高高100左左右右，因因此此不不及及SnO2系系元元件件应应用用普普遍遍。同同样样如如此此，要要提提高高ZnO系系元元件件对对气气体体的的选选择择性性，也也需需要要添添加加Pt和和Pd等等添添加加剂剂。例例如如在在ZnO中中添添加加Pd，则则对对H2和和CO呈呈现现出出较较高高的的灵灵敏敏度度；而而对对丁丁烷烷(C4H10)、丙丙烷烷(C4H8)、乙乙烷烷(C4H6)等等烷烷烃烃类类气气体体则则灵灵敏敏度度很很低低，如如下下图图(a)所所示示。如如果果在在ZnO中中添添加加Pt，则则对对烷烷烃烃类类气气体体有有很很高高的的

76、灵灵敏敏度度，而而且且含含碳碳量量越越多多、灵灵敏敏度度越越高高，而而对对H2和和CO气气体体则则灵灵敏敏度度很很低低，如如下下图图(b)所示。所示。43 3.2.2 非电阻型非电阻型(电压控制型电压控制型)气敏器件气敏器件 非非电电阻阻型型气气敏敏器器件件也也是是半半导导体体气气敏敏传传感感器器之之一一。它它是是利利用用MOS二二极极管管的的电电容容 电电压压特特性性的的变变化化以以及及MOS场场效效应应晶晶体体管管(MOSFET)的的阈阈值值电电压压的的变变化化等等物物性性而而制制成成的的气气敏敏元元件件。由由于于这这类类器器件件的的制制造造工工艺艺成成熟熟，便便于于器器件件集集成成化化，

77、因因而而其其性性能能稳稳定定且且价价格格便便宜宜。利利用用特特定定材材料料还还可可以以使使器器件件对对某某些气体持别敏感。些气体持别敏感。 1.MOS二极管气敏元件二极管气敏元件 MOS二二极极管管气气敏敏元元件件是是在在P型型半半导导体体硅硅片片上上，利利用用热热氧氧化化工工艺艺生生成成一一层层厚厚度度为为50100nm的的二二氧氧化化硅硅(SiO2)层层，然然后后在在其其上上面面蒸蒸发发一一层层钯钯(Pd)的的金金属属薄薄膜膜，作作为为栅栅电电极极，如如下下图图(a)所所示示。由由于于SiO2层层电电容容Ca固固定定不变，而不变，而Si和和SiO2界面电容界面电容CS是外加电压的函数。其等

78、效电路见下图是外加电压的函数。其等效电路见下图8(b)。由由等等效效电电路路可可知知，总总电电容容C也也是是栅栅偏偏压压的的函函数数。其其函函数数关关系系称称为为该该类类MOS二二极极管管的的C V特特性性。由由于于钯钯对对氢氢气气(H2)特特别别敏敏感感，当当钯钯吸吸附附了了H2以以后后会会使使钯钯的的功功函函数数降降低低，导导致致MOS管管的的C V特特性性向向负负偏偏压压方方向向平平移移，如如右右图图(c)所所示示。根根据据这这一一特特性性就就可可用用于测定于测定H2的浓度。的浓度。44 2钯钯 - MOS场效应晶体管气敏器件场效应晶体管气敏器件 钯钯-MOS场场效效应应晶晶体体管管(P

79、d - MOSFET)的的结结构构与与普普通通MOSFET结结构构，参参见见下下图图。从从图图可可知知，它它们们的的主主要要区区别别在在于于栅栅极极(G)。Pd-MOSFET的的栅栅电电极极材材料料是是钯钯(Pd)、而而普普通通MOSFFT为为铝铝(A1)。因因为为Pd对对H2有有很很强强的的吸吸附附性性，当当H2吸吸附附在在Pd栅栅极极上上，引引起起Pd的的功功函函数数降降低低。根根据据MOSFET工工作作原原理理可可知知，当当栅栅极极(G)、源源极极(S)之之间间加加正正向向偏偏压压VGS，且且VGSVT(阈阈值值电电压压)时时，则则栅栅极极氧氧化化层层下下面面的的硅硅从从P型型变变为为N

80、型型。这这个个N型型区区就就将将源源极极和和漏漏极极连连接接起起来来，形形成成导导电电通通道道，即即为为N型型沟沟道道，MOSFET进进入入工工作作状状态态。若若此此时时，在在源源(S)漏漏(D)极极之之间间加加电电压压VDS，则则源源极极和和漏漏极极之之间间有有电电流流(IDS)流流过过。IDS随随VDS和和VGS 的的大大小小而而变变化化，其其变变化化规规律律即即为为MOSFET的的V-A特特性性。当当VGSVT时，时，MOSFET的沟道未形成故无漏源电流。的沟道未形成故无漏源电流。VT的大小除的大小除了了与与衬衬底底材材料料的的性性质质有有关关外外，还还与与金金属属和和半半导导体体之之间

81、间的的功功函函数数有有关关。Pd-MOSFET气气敏敏器器件件就就是是利利用用H2在在钯钯栅栅极极上上吸吸附附后后引引起起阈阈值值电电压压VT下下降降这这一一特特性性来来检检测测H2的的。由由于于这这类类器器件件特特性性尚尚不不够够稳稳定定，只只能能作作H2的的泄漏检测。泄漏检测。45 湿度是指大气中的水蒸气的含量。通常采用绝对湿度和相对湿度两湿度是指大气中的水蒸气的含量。通常采用绝对湿度和相对湿度两种方法表示。种方法表示。一、绝对湿度与相对湿度一、绝对湿度与相对湿度 1绝对湿度绝对湿度 绝绝对对湿湿度度是是单单位位空空间间中中所所含含水水蒸蒸气气的的绝绝对对含含量量（质质量量）。若若被被测测

82、空空气的体积为气的体积为V，被测空气中水蒸气的含量为，被测空气中水蒸气的含量为mV，绝对湿度，绝对湿度=VmV。 2相对湿度相对湿度 相相对对湿湿度度是是指指被被测测气气体体中中的的水水蒸蒸气气压压和和该该气气体体在在相相同同温温度度下下饱饱和和水水蒸蒸气气压压的的百百分分比比，般般用用符符号号%RH表表示示。相相对对湿湿度度给给出出大大气气的的潮潮湿湿程程度度，因因此此它它是是一一个个无无量量纲纲的的值值。在在实实际际使使用用中中多多使使用用相相对对湿湿度度概概念念。虽虽然然人人类类早早已已发发明明了了毛毛发发湿湿度度计计、干干湿湿球球湿湿度度计计，但但因因其其响响应应速速度度、灵灵敏敏度度

83、、准准确确性性等等性性能能都都不不高高，而而且且难难以以与与现现代代的的控控制制设设备备相相联联接接，所所以以只只适适用用于于家家庭庭。50年年代代后后，陆陆续续出出现现了了电电阻阻型型等等湿湿敏敏汁汁，使使湿湿度度的的测测量量精精度度大大大大提提高高，但但是是，与与其其它它物物理理量量的的检检测测相相比比，无无论论是是敏敏感感元元件件的的性性能能还还是是制制造造工工艺艺和和测测量量精精度度都都差差得得多多、困困难难得得多多。原原因因是是空空气气中中水水蒸蒸气气的的含含量量少少，而而且且在在水水蒸蒸气气中中，各各种种感感湿湿材材料料涉涉及及到到的的种种种种物物理理、化化学学过过程程十十分复杂，

84、目前尚未完全清楚所存在问题的原因。分复杂，目前尚未完全清楚所存在问题的原因。3.3 3.3 湿敏传感器湿敏传感器46二、湿敏元件的特性参数二、湿敏元件的特性参数 1湿度量程湿度量程 湿度测量的全量程为湿度测量的全量程为0100RH。但对一种具体的传感器一般。但对一种具体的传感器一般是无法覆盖全量程的，所以湿度传感器的标称量称越大，使用的价值就是无法覆盖全量程的，所以湿度传感器的标称量称越大，使用的价值就越大。越大。 2相对湿度特性曲线相对湿度特性曲线 湿敏元件的感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等随环境相对湿敏元件的感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等随环境相对度变化关系曲线。通常希望这种

85、曲线在在全量程上是连续的，并呈线性度变化关系曲线。通常希望这种曲线在在全量程上是连续的，并呈线性关系。关系。 3灵敏度及其温度系数灵敏度及其温度系数 灵敏度就是相对湿度特性曲线的斜率。灵敏度的温度系数就是相对灵敏度就是相对湿度特性曲线的斜率。灵敏度的温度系数就是相对湿度特性曲线与温度间的关系。湿度特性曲线与温度间的关系。 4响应时间响应时间 当环境相对湿度变化时，湿敏元件输出的特征量随之变化快慢的程当环境相对湿度变化时，湿敏元件输出的特征量随之变化快慢的程度。当然是越短越好。度。当然是越短越好。 5湿滞回线和湿滞回差湿滞回线和湿滞回差 吸湿和脱湿特征曲线的重合程度。原因是湿敏元件吸湿和脱湿的响

86、吸湿和脱湿特征曲线的重合程度。原因是湿敏元件吸湿和脱湿的响应时间不同。应时间不同。47 三、湿敏元件三、湿敏元件 1氯化锂湿敏元件氯化锂湿敏元件 氯氯化化锂锂(LiCl)是是电电解解质质湿湿敏敏元元件件的的代代表表。它它是是利利用用电电阻阻值值随随环环境境相相对对湿湿度度变变化化而而变变化化的的机机理理制制成成的的测测湿湿元元件件。氯氯化化锂锂湿湿敏敏元元件件的的结结构构是是在在条条状状绝绝缘缘基基片片(如如无无碱碱玻玻璃璃)的的两两面面，用用化化学学沉沉积积或或真真空空蒸蒸镀镀法法做做上上电电极极，再再浸浸渍渍一一定定比比例例配配制制的的氯氯化化理理 聚聚乙乙烯烯醇醇混混合合溶溶液液。经经老

87、老化化处处理理，便便制制成成了了氯氯化化理理湿湿敏敏元元件件，其结构如右图其结构如右图(a)所示。所示。 氯氯化化锂锂是是典典型型的的离离子子晶晶体体。实实践践证证明明，其其溶溶液液中中的的离离子子导导电电能能力力与与浓浓度度成成正正比比。氯氯化化锂锂湿湿敏敏元元件件的的电电阻阻值值 湿湿度度特特性性如如上上图图 (b)所所示示。由由图图可可知知，在在5080相相对对湿湿度度范范围围内内，电电阻阻与与湿湿度度的的变变化化成成线线性性关关系系。为为了了扩扩大大湿湿度度测测量量的的线线性性范范围围，可可以以采采用用几几支支浸浸渍渍不不同同浓浓度度氯氯化化锂锂的的湿湿敏敏元元件件组组合合使使用用。氯

88、氯化化锂锂湿湿敏敏元元件件的的检检湿湿优优点点是是滞滞后后小小，不不受受测测试试环环境境风风速速影影响响，检检测测精精度度高高达达5%。缺缺点点是是耐耐热热性性差差，不不能能用用于于露露点点以以下下测测量量。若若用用作作露露点点检检测测，湿湿敏敏元元件件必必须须3个个月月左左右右清清洗洗1次次和和涂涂敷敷(浸浸渍渍)氯氯化化锂锂，故故维维护麻烦。护麻烦。48 2半导体陶瓷湿敏元件半导体陶瓷湿敏元件 半半导导体体陶陶瓷瓷湿湿敏敏元元件件通通常常用用两两种种以以上上的的金金属属氧氧化化物物半半导导体体材材料料混混合合烧烧结结成成多多孔孔陶陶瓷瓷，这这些些材材料料有有ZnO-LiO2-V2O5系系、

89、Si-Na2O- V2O5系系、TiO2-MgO-Cr2O3系系、Fe3O4等等。前前三三种种材材料料的的电电阻阻率率随随湿湿度度增增加加而而下下降降，故故称称为为负负特特性性湿湿敏敏半半导导瓷瓷；最最后后一一种种(Fe3O4)的的电电阻阻率率随随湿湿度度增增加加而而增增大大，故故称称为为正正特特性性湿湿敏敏半半导导瓷瓷。无无论论是是负负特特性性，还还是是正正特特性性的的湿湿敏敏元元件件的的工工作机理至今尚无公认。作机理至今尚无公认。 由由左左下下图图和和右右下下图图知知，当当湿湿度度从从0RH变变化化到到100RH时时，负负特特性性材料的阻值均下降材料的阻值均下降3个数量级，而正特性材料的阻

90、值只增大了约个数量级，而正特性材料的阻值只增大了约1倍。倍。49 MgCr2O4- TiO2湿敏元件湿敏元件 氧氧化化镁镁复复合合氧氧化化物物二二氧氧化化钛钛(MgCr2O4- TiO2)湿湿敏敏材材料料通通常常制制成成多多孔孔陶陶瓷瓷型型“湿湿-电电”转转换换器器件件，它它是是负负特特性性半半导导瓷瓷。MgCr2O4为为P型型半半导导体体。它它的的电电阻阻率率较较低低，阻阻值值温温度度特特性性好好。为为了了提提高高其其机机械械强强度度和和抗抗热热聚聚变变特特性性，增增加加TiO2，MgCr2O4与与TiO2的的比比例例为为70：30，将将它它们们置置于于1300的的温温度度中中烧烧结结而而成

91、成陶陶瓷瓷体体。然然后后，将将该该陶陶瓷瓷体体切切割割成成薄薄片片，在在薄薄片两面，再印制并烧结叉指形氧化钌电极，便成了感湿体。而后，在感片两面，再印制并烧结叉指形氧化钌电极，便成了感湿体。而后，在感湿湿体体外外罩罩上上一一层层加加热热丝丝，用用以以加加热热清清洗洗污污垢垢，提提高高感感湿湿能能力力。器器件件安安装装在在高高致致密密、疏疏水水性性的的陶陶瓷瓷片片底底府府上上。在在测测量量电电极极周周围围设设置置隔隔漏漏环环，防防止止因因吸吸湿湿而而引引起起漏漏电电。国国产产SM-1型型湿湿敏敏半半导导体体传传感感器器就就是是这这种种结结构构形形式。如右图所示。式。如右图所示。50 ZnO-Cr

92、2O3陶瓷湿敏元件陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3湿湿敏敏元元件件的的结结构构是是将将多多孔孔材材料料的的电电极极烧烧结结在在多多孔孔陶陶瓷瓷圆圆片片的的两两表表面面上上，并并焊焊上上Pt引引线线，然然后后将将敏敏感感元元件件装装入入有有网网眼眼过过滤滤器器的的方方形形塑塑料料盒盒中中用用树树脂脂固固定定就就形形成成了了ZnO-Cr2O3陶陶瓷瓷湿湿度度传传感感器器。ZnO-Cr2O3传传感感器器能能连连续续稳稳定定地地测测量量湿湿度度，而而无无需需加加热热除除污污装装置置，因因此此功功耗耗低低于于0.5W，体积小、成木低，也是一种常用的测湿传感器。，体积小、成木低，也是一种常用的测湿传感器。

93、 膜膜型型四四氧氧化化三三铁铁(Fe3O4)湿湿敏元件敏元件 Fe3O4湿湿敏敏器器件件由由基基片片、电电极极和和感感湿湿膜膜组组成成。基基片片选选用用滑滑石石瓷瓷，其其光光洁洁度度为为很很高高，它它的的吸吸水水率率低低，机机械械强强度度高高，物物化化性性能能稳稳定定。基基片片上上用用丝丝网网印印刷刷工工艺艺制制成成梳梳状状金金电电极极。将将预预先先调调好好的的Fe3O4的的胶胶液液涂涂敷敷在在已已有有金金电电极极的的基基片片上上，膜膜厚厚一一般般为为2030微微米米左左右右，经经低低温温烘烘干干后后，引引出出电电极极便便成成产产品品。Fe3O4湿湿敏敏器器件属于负特性的感湿体。件属于负特性的

94、感湿体。51 Fe3O4湿湿敏敏器器件件的的主主要要优优点点是是：在在常常温温、常常湿湿下下性性能能比比较较稳稳定定，有有较较强强的的抗抗结结露露能能力力，它它有有较较为为一一致致的的湿湿敏敏持持性性和和较较好好的的温温度度 湿湿度度特特性性。左左下下图图和和右右下下图图分分别别为为国国产产MCS型型Fe3O4湿湿敏敏器器件件的的电电阻阻-湿湿度度特特性性和和温温度特性曲线。度特性曲线。 膜型膜型Fe2O3湿敏元件湿敏元件Fe2O3湿湿敏敏元元件件湿湿敏敏元元件件在在低低湿湿高高温温条条件件下下具具有有很很稳稳定定的的湿湿敏敏特特性性。例例如如，在在80、580RH的的环环境境中中，重重复复检

95、检测测104次次，重重复复误误差差为为5。元元件耐恶劣环境的能力也很很强。件耐恶劣环境的能力也很很强。52 3高分子湿敏元件高分子湿敏元件 (1)电容式湿敏元件电容式湿敏元件 高高分分子子电电容容式式湿湿敏敏元元件件是是利利用用湿湿敏敏元元件件的的电电容容值值随随湿湿度度变变化化的的原原理理进进行行湿湿度度测测量量的的。将将具具有有感感湿湿性性能能的的高高分分子子聚聚合合物物，例例如如乙乙酸酸-丁丁酸酸纤纤维维素素或或乙乙酸酸-丙丙酸酸纤纤维维素素等等做做成成薄薄膜膜，它它们们具具有有迅迅速速吸吸湿湿和和脱脱湿湿的的能能力力。将将薄薄膜膜覆覆盖盖在在叉叉指指形形金金电电极极(下下电电极极)上上

96、，然然后后在在感感湿湿薄薄膜膜表表面面上上再再蒸蒸镀镀一一层层多多孔孔金金属属膜膜(上上电电极极)，如如此此结结构构就就构构成成了了一一个个平平行行扳扳电电容容器器。当当环环境境中中的的水水分分子子沿沿着着上上电电极极的的毛毛细细微微孔孔进进入入感感湿湿膜膜而而被被吸吸附附时时，湿湿敏敏元元件件的的电电容容值值与与相相对对湿湿度度之之间间具具有有正正比比关关系系，线线性性度度约约为为1 。 (吸吸湿湿-湿湿度度上上升升过过程程、脱脱湿曲线不重合湿曲线不重合) (2)石英振动式湿敏元件石英振动式湿敏元件 在石英品片的表面涂敷在石英品片的表面涂敷一层聚胺酯高分子膜，当膜一层聚胺酯高分子膜，当膜吸湿

97、时，由于膜的重量变化吸湿时，由于膜的重量变化而使石英晶片振荡频率发生而使石英晶片振荡频率发生变化，不同的频率就代表不变化，不同的频率就代表不同程度的湿度。这种湿敏元同程度的湿度。这种湿敏元件，在件，在050”条件下，元条件下，元件检测湿范围为件检测湿范围为0RH100RH，误差为，误差为5RH。53四、水分传感器四、水分传感器 固固体体和和液液体体物物质质内内的的含含水水量量称称为为该该物物质质的的水水分分。测测量量固固体体或或与与水水不不相溶的液体物质内水分含量的仪器称为水分计。相溶的液体物质内水分含量的仪器称为水分计。 1水分在物质中的存在形式及水分含量的表示方法水分在物质中的存在形式及水

98、分含量的表示方法 水分在物质中的存在形式水分在物质中的存在形式 游离水游离水 游游离离水水也也称称自自由由水水，它它分分布布于于物物质质的的表表面面和和间间隙隙中中，也也就就是是附附着着于于物质中的水分。如海绵吸附的水和木材中的水分都属于此类水分。物质中的水分。如海绵吸附的水和木材中的水分都属于此类水分。 结合水结合水 物物质质中中靠靠物物理理和和化化学学作作用用与与分分子子相相结结合合的的水水分分。如如植植物物细细胞胞壁壁中中的的水、水合物中的水均属此类。水、水合物中的水均属此类。 水分含量的表示方法水分含量的表示方法 湿基法湿基法 以湿物质的重量为基准的百分比，即以湿物质的重量为基准的百分

99、比，即 干基法干基法 以干物质的重量为基准的百分比，即以干物质的重量为基准的百分比，即式式中中WC为为湿湿基基水水分分含含量量；WR为为湿湿基基水水分分含含量量；m为为湿湿物物的的重重量量；m/为为干物的重量。干物的重量。54 2水分的测量方法水分的测量方法 水分的测量可分为直接法和间接法两种。直接法主要有干燥法、蒸馏水分的测量可分为直接法和间接法两种。直接法主要有干燥法、蒸馏法等，间接法主要有电导法、电容法、微波法等。直接法基于关于水分的法等，间接法主要有电导法、电容法、微波法等。直接法基于关于水分的定义，准确度高；间接法便于现场测试。定义，准确度高；间接法便于现场测试。 电导法电导法 大量

100、的实验结果表明，纸张、粮食、木材等物质，当物质的水分为大量的实验结果表明，纸张、粮食、木材等物质，当物质的水分为WR（干基法的含水率）时，其电阻（干基法的含水率）时，其电阻Rx为：为： 。即水分为即水分为WR与电阻与电阻Rx成指数关系，水分为成指数关系，水分为WR的对数与电阻的对数与电阻Rx的对数成线的对数成线性关系：性关系： 。 电容法电容法 电容法测量含水率的原理是基于水的相对介电常数同其他物质的相差电容法测量含水率的原理是基于水的相对介电常数同其他物质的相差很大，当物质的含水率较高时测量电容的容量也较大。其含水率的测量范很大，当物质的含水率较高时测量电容的容量也较大。其含水率的测量范围为

101、围为5%40%，测量精度约为，测量精度约为0.2%，但需进行温度补偿。，但需进行温度补偿。 微波法微波法电磁波通过含水物质时，一部分将被水分子吸收而使其强度减弱，由此可电磁波通过含水物质时，一部分将被水分子吸收而使其强度减弱，由此可以测量物质的含水率。实验表明，水分的含量与被吸收的微波强度呈线性以测量物质的含水率。实验表明，水分的含量与被吸收的微波强度呈线性关系；水分子对关系；水分子对2450MHz(s波段波段)和和10680MHz(x波段波段)的电磁波吸收最为显的电磁波吸收最为显著。著。553.4 半导体温度传感器半导体温度传感器二端、三端、四端器件，二端、三端、四端器件，PN结压降、集成温

102、度传感器结压降、集成温度传感器一、温敏二极管（二端器件）一、温敏二极管（二端器件） 原理：基于半导体的原理：基于半导体的PN的结压降的结压降UF与温度与温度T的关系。的关系。对于硅半导体，在室温（对于硅半导体，在室温（T=300K）下：下： 即即在在室室温温下下，温温度度每每升升高高1度度，正正向向结结压压降降就就下下降降2mV。利利用用半半导导体体二二极极管管的的这这一一特特性性可可以以用用来来测测温温。2DWM1型型测测温温专专用用二二极极管管的的特特性性曲曲线线（恒恒流流源源供供电）。电）。 温温敏敏二二极极管管的的测测温温灵灵敏敏度度较较高高，但但测测温温范范围围不不大大，线线性性也也

103、不不太太好好（测测温温专专用用二二极极管管要要好好些些）。所所以以尽尽管管价价格格低低廉廉，但应用并不特别广泛但应用并不特别广泛。56二、集成温度传感器二、集成温度传感器 1电流输出型集成温度传感器电流输出型集成温度传感器 代表性器件：代表性器件：AD590的主要参数（二端器件）的主要参数（二端器件） 静态输出：静态输出：+25 5C (298.2K) 298.2A（+25 5C and VS = +5 V） 测温范围：测温范围：55 +150 C 动态输出：动态输出：1A/K（+25 5C and VS = +5 V） 工作电压：工作电压： + 4 V to +30 V. 特点：特别适合远距

104、离测温！特点：特别适合远距离测温！AD590的封装、符号及典型应用的封装、符号及典型应用57斩波稳零高精度运算放大器斩波稳零高精度运算放大器IC7650的主要性能指标：（典型值）的主要性能指标：（典型值） 失调电压：失调电压：0.5V 失调电压温漂：失调电压温漂：0.01V/ 失调电压时漂：失调电压时漂：0. 1V/M 输入阻抗：输入阻抗：1012 开环增益：开环增益：120dB 1403 1403为精密电压基准源为精密电压基准源(8(8脚，现较少使用脚，现较少使用) )。在本图中分别调节。在本图中分别调节W2 和和W1使：使： 设：设：AD590AD590的温度灵敏度为的温度灵敏度为KP ，

105、 则：则： 即可。即可。绝对温度与摄氏温度间的换算绝对温度与摄氏温度间的换算由于由于tP = 0时，时，UB = UP，所以，所以， t = 0时时OP07输出为零。输出为零。高精度低漂移运算放大器高精度低漂移运算放大器OP07的的主要性能指标：（典型值）主要性能指标：（典型值） 开环增益：开环增益：110dB 失调电压：失调电压：10V 失调电压温漂：失调电压温漂：0. 1V/ 失调电压时漂：失调电压时漂：0. 2V/M 输入阻抗：输入阻抗：8107 UPUBtP 为热电偶的自由端温度。为热电偶的自由端温度。582电压输出型集成温度传感器电压输出型集成温度传感器代表性器件：代表性器件：LM1

106、35的主要参数（三端器件）的主要参数（三端器件）静态输出：静态输出： 2.98V（+25 and IR =1mA）测温范围：测温范围：55 +150 （LM135） 动态电阻：动态电阻：0.6（+25 and IR =1mA）动态输出：动态输出：10mV/ LM135、LM235、LM335的封装外外形及引线的封装外外形及引线基本应用电路基本应用电路恒流源供电电路恒流源供电电路静态输出调整电路静态输出调整电路串联扩展串联扩展灵敏度电路灵敏度电路59可归零电路（可归零电路（t =0；V0 =0）调节调节22K电位器，可以实现当温度为电位器，可以实现当温度为0时，电路输出为零。时，电路输出为零。6

107、0LM135温差测量电路温差测量电路用于测量两个温度传感器的温度差用于测量两个温度传感器的温度差61 3数字输出型集成温度传感器数字输出型集成温度传感器 （频率、（频率、I2C总线、一总线输出型）总线、一总线输出型） AD7414 /I2C总线总线10位位数字温度传感器数字温度传感器 工作电压：工作电压：+2.7V to +5.5V. 封装外形：封装外形：SOT-23 测温范围：测温范围：- 40 to +85 测温精度：测温精度： 2（分辨率（分辨率0.25） DS1820型型8/16一总线一总线数字温度传感器数字温度传感器 DS1820有关参数有关参数 工作电压：工作电压：+3V to +5.5V. 封装外形：封装外形：PR35 测温范围：测温范围：-55 to +125 测温精度：测温精度： 1（分辨率（分辨率0.2） 现在可以买到现在可以买到DS18B2062 4可编程半导体集成温控开关电路可编程半导体集成温控开关电路 典型器件举例典型器件举例AD22105 当当器器件件温温度度超超过过编编程程设设置置点点温温度度（由由编编程程电电阻阻RSET决决定定）时时，2脚脚所所连连接接的的内内部部三三极极管管导导通通（2脚脚为为集集电电极极），输输出出低低电电平平，吸吸入入电电流流可可达达10mA。63