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1、第8章 固态传感器传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器固态传感器主要是指半导体传感器。利用半导体材料的各种物理效应（磁敏、光敏、湿敏），将被测物理量的变化转换为便于处理的电信号。优点：（1）基于物性变化测量，没有运动部件，体积小，简单（2）动态特性好，输出为电量。（3）半导体材料便于集成，实现多传感器一体化，集成化（4）功耗低。缺点：（1）半导体材料的物性变化为非线性。（2）易受温度影响。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器8-1 磁敏传感器传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器磁敏传感器是将磁学物理量转换为电信号的传感器。工作原理是半导体中的载流子在磁场中运动时受洛仑兹力的作
2、用而发生偏转的原理。磁敏传感器的主要形式：（1）霍尔元件（2）磁敏二极管或磁敏三极管传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器一、霍尔元件（一）霍尔效应霍尔现象是美国物理学家霍尔于1879年发现的。在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流I，假设载流子为电子（N型半导体），它沿与电流I相反方向运动。由于洛仑兹力fL的作用，电子将向一侧偏转，并在该侧形成电子的积累。而另一侧形成正电荷积累，于是元件的横向形成电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移。当电子所受到的电场力fE与洛仑兹力fL相等时，电子的积累达到动态平衡。此时，两端之间建立的电场称为霍尔电场，电势称为霍尔电势。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态
3、传感器霍尔电势的定量分析电子以平均速度V运动，并指定正电荷所受洛仑兹力方向为正，电子在磁场中所受洛仑兹力为：两侧累积电荷形成的电场与规定的正方向相反：当两个力达到动态平衡时，设电子浓度为n，则电流密度为：传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器代入霍尔系数（二）霍尔系数RH和灵敏度由电阻率公式载流子迁移率，即单位电场作用下载流子运动速度。霍尔元件的选择：要求电阻率和载流子速度均大。绝缘体：电阻率很大，但载流子和迁移速度极小。金属： 载流子浓度很大，但电阻率很低。半导体既有较大的电阻率，同时又有可以移动的多数载流子因而具有较大的霍尔系数。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器霍尔元件的灵敏
4、度霍尔电势UH的大小正比于控制电流I和磁感应强度B，即灵敏度为：结论：（1）元件厚度d对灵敏度影响很大，厚度越薄，灵敏度越高。厚度过薄，会导致电阻增大。（2）半导体既有较大的电阻率，同时又有较高的载流子迁移速度，因而具有较大的霍尔系数。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器（三）霍尔元件的材料和符号N型锗半导体、锑化铟（InSb)、砷化铟（InAs）半导体。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器（四）电路基本形式E电源，R调整电阻。负载RL霍尔元件串联使用传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器（五）电磁特性1.UH-I特性2.当磁场恒定时，在一定温度下控制电流I与霍尔电势UH的3.
5、关系。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器1.UH-I特性2.当控制电流恒定时，在一定温度下磁场强度与霍尔电势UH的关系。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器（六）霍尔元件误差分析及补偿1. 元件几何尺寸2. 不等位电势U0及其补偿制作霍尔元件时，霍尔电极不在同一等位面上。当控制电流流过时，即使磁感应强度为零，在霍尔电极上仍有电势存在。不等位电势的补偿电路传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器3. 感应电势及其补偿霍尔元件在交变磁场中工作时，如果霍尔电势的引线布局不合理，在回路中会产生附加感应电势。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器4. 温度误差及其补偿半导体材料的电阻
6、率、迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。霍尔元件的参数如内阻、霍尔电势等均随温度而改变。补偿方法：在控制电流极并联适当的补偿电阻r0，当温度升高时，自动调整流过霍尔元件的电流，起到补偿作用。补偿电路r0确定方法：当温度由T0变为T时，使输出UHT=UH0为保证UHT=UH0传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器二、磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管工作原理基区载流子密度减小，电流减小，电阻增大。基区载流子密度增大，电流增加，电阻减小。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器磁敏三极管工作原理基极电流大于集电极电流集电极电流明显下降集电极电流明显增大传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器
7、磁敏管的应用漏磁探伤仪传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器8-2 光敏传感器传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器一、光电效应在光线作用下，物体内部的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。典型器件：光电管单个光子的能量：单个光子的能量被单个电子吸收，如光子能量大于该材料的逸出功A0，电子就会从物体表面逸出，产生光电子。（一）外光电效应传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器外光电效应特点（1）光电子能否产生，取决于光子能量是否大于材料逸出 功。光线频率大于红限频率，有光电子产生。 光强光子能量大。（2）入射光频率如大于红限频率，光电子数量与光强成正比。（3）光电子逸出时有
8、初始动能。光电管即使没有阳极电压， 也会产生光电流。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器（二）内光电效应受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应称为内光电效应。（1）光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态（价带）过渡到自由状态（导带），从而引起材料电阻率变化。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器（2）光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。硅光电池传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器二、光敏电阻光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态（价带）过渡到自由状态（导带），从而引起材料电阻率变化。光敏电阻参数：暗电阻
9、、亮电阻、光电阻传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器三、光电池光电池是利用光生伏特效应把光直接转变为电能的器件。工作原理由于热运动，N区电子向P区扩散，P区空穴向N区扩散。在PN结附近形成由N指向P的电场。阻止多数载流子运动。光照到PN节区时，产生电子-空穴对。在此电场作用下，N区光生空穴被拉到P区，呈负极性；P区光生电子被拉到N区，呈正极性。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器四、光敏二极管在无光照时，光敏二极管工作在截止状态，只有微小暗电流。有光照时，PN结附件受光子轰击，产生电子空穴对。P和N区的少数载流子浓度大大增加，在反偏电压作用下，向对方区域移动，形成光电流。传感器原理
10、及应用第3版 王华翔 固态传感器传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器8-4 气敏传感器传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器气敏传感器能够感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件，能够将气体种类及其浓度等信息转换成电气信号（电流或者电压）。种类：接触燃烧式气敏元件、金属氧化物气敏元件、氧化锆氧敏元件。一、接触燃烧式气体传感器（一）检测原理可燃性气体（H2, CO, CH4, LPG)与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热（无焰接触燃烧热），使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器二、半导
11、体气体传感器以金属氧化物半导体为基础材料，当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性（如电导率）发生改变。特性参数（1）电阻值（2）灵敏度（3）分辨力（4）响应时间传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器三、气敏传感器应用传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器8-5 湿度传感器传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器湿度传感器根据材料不同，分为：电解质型、陶瓷型、高分子型和半导体型。一、湿度的表示方法空气中含有水蒸气的量称为湿度。湿度的表示方法有：质量百分比、体积百分比、相对湿度和绝对湿度、露点。（1）质量百分比和体积百分比质量百分比：质量为M的混合气体中，若水蒸气的质量为m，则质
12、量百分比为：体积百分比：在体积为V的混合气体中，若含水蒸汽的体积为 v，则体积百分比为：传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器（二）相对湿度和绝对湿度水蒸汽压是指在一定温度条件下，混合气体中存在的水蒸汽分压（e）。饱和蒸汽压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸汽压的最大值（es）。在某一温度下，水蒸气压和饱和蒸汽压得百分比，称为相对湿度。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器（三）露点水的饱和蒸汽压随着温度下降而降低。在同样的空气水蒸气压下，气温越低，空气的水蒸气压力与该温度下的水的饱和蒸汽压差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中的水蒸气压将与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠。此时相对湿度为100%。这一特定的温度，人们称为空气的露点温度，简称露点。传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器二、湿度传感器（1）电解质湿度传感器（2）陶瓷湿度传感器（3）高分子湿度传感器传感器原理及应用第3版 王华翔 固态传感器
