现代检测技术半导体式传感器.ppt

,第10章半导体传感器,10.1霍尔式传感器,10.2气敏传感器,10.3湿敏传感器,1970年，荷兰科学家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。半导体传感器以易于实现集成化、微型化、灵敏度高等诸多优点，一直引起世界各国科学家的重视和兴趣。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。这类传感器主要是以半导体为敏感材料，在各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，即可反映被测参数值。,第10章半导体传感器,第10章 半导体传感器,它与各种结构型传感器相比，具有如下特点：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。灵敏度高，动态性能好，输出为电物理量。采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化、智能化。功耗低，安全可靠。,第10章 半导体传感器,同时，半导体传感器也存在以下一些缺点：线性范围宽，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路。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。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。从所使用的材料来看，凡是使用半导体为材料的传感器都属于半导体式传感器，如霍尔元件、光敏、磁敏、二极管和三极管热敏电阻、压阻式传感器、光电池、气敏、湿敏、色敏和离子敏等传感器。,第10章 半导体传感器,霍尔效应 半导体薄片，若在它的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为的磁场，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(霍尔电动势或称霍尔电压)，这种现象称为霍尔效应。,10.1霍尔式传感器,10.1霍尔式传感器,图10-1 霍尔效应原理图,10.1 霍尔效应原理图,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。如图10-1中一块长为，宽为，厚度为的N型半导体薄片，沿其长度方向（控制电流端）通过电流，那么，半导体中的载流子(电子)将沿着与电流相反的方向运动，若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场，则由于洛伦兹力的作用，电子向一边偏转，并使该边积累电子，而另一边则积累电荷，于是产生电场，该电场阻止运动电子的继续偏转当电场作用在运动电子上的电场力与洛伦兹力相等时，电子积累便达到动态平衡。,10.1霍尔式传感器,在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电动势就称为霍尔电势，其大小可用下式表示：,10.1霍尔式传感器,流过基片的电流常称为激励电流或控制电流，假设它分布均匀，则有将上述公式进行合并整理得,10.1霍尔式传感器,令 则得：由上式可知，霍尔电势的大小正比于控制电流和磁感应强度的乘积；称为霍尔元件的灵敏度，它是表征在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的一个重要参数。,还说明，当控制电流方向或磁场方向改变时，输出电动势方向也将改变。但当电流和磁场方向同时改变时，霍尔电动势方向不变。,10.1霍尔式传感器,2、结构和符号 霍尔元件的结构由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔元件是一块矩形半导体薄片，在短边的中间以点的形式焊上两根控制电流端引线11，在元件长边两端面上焊上两根霍尔输出端引线22，在焊接处要求接触电阻小，呈纯电阻性质(欧姆接触)。霍尔片一般用非磁性金属陶瓷或环氧树脂封装。,10.1霍尔式传感器,图10-2 霍尔元件的结构和符号,10.1霍尔式传感器,3、基本电路 霍尔元件的基本电路如图10-3所示。控制电流由供给，为调节控制电流大小的调节电阻。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，以或，或两者同时作为输入信号输入，而输出信号则正比于或，或两者的乘积由于建立霍尔效应所需的时间很短(约之间)，因此控制电流用交流时，频率可以很高(几千兆赫)。,10.1霍尔式传感器,图10-3 霍尔元件的基本电路,4、基本特性 霍尔元件的电磁特性包括控制电流(直流或交流)与输出之间的关系、霍尔输出与磁场(恒定或交变)之间的关系等特性。（一）特性 在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势与控制电流之间呈线性关系。直线的斜率称为控制电流灵敏度，用表示。（二）特性 当控制电流定时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈线性关系，只有当元件工作在 以下时，线性度才比较好。,10.1霍尔式传感器,基本误差及其补偿,（一）元件的几何尺寸、电极接点大小对性能的影响,在霍尔电动势表达式中,是把霍尔片的长度看作无限大来考虑的。实际上霍尔片总有一定长度比，而元件的长宽比是否合适对霍尔电动势大小有直接关系。为此上式可写成：式中，为元件的形状系数。,基本误差及其补偿,（二）零位误差：包括不等位电动势、寄生直流电动势等不等位电动势及其补偿 不等位电动势是一个主要的零位误差。由于在制作霍尔元件时，不能保证将控制电流极焊在同一位面上，因此，当控制电流流过元件时，即使磁场强度等于零，在霍尔电动势极上仍有电动势存在，该电动势就称为不等位电动势。,基本误差及其补偿,如果确知控制电流极偏离等位面的方向，就可以采用补偿的方法来减小不等位电势。常用的几种补偿电路如图,基本误差及其补偿,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。寄生直流电动势与工作电流有关，随工作电流减小而减小。,基本误差及其补偿,此外，霍尔电动势极的焊点大小不一致，两焊点的热容量不一致产生温差也是造成寄生直流电动势的另一个原因。寄生直流电动势是霍尔元件零位误差的一个组成部分，它的存在对霍尔元件在交流情况下使用是有很大妨碍的。为了减少寄生直流电动势，在元件制作和安装时，应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件。,基本误差及其补偿,(3)感应电动势 霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电流，由于霍尔电动势极引线布置不合理，在输出回路中也会产生附加感应电动势，这电势的大小正比于磁场变化的频率和磁感应强度的幅值，并与霍尔电动势极引线构成的感应面积成正比，如图10-5a所示,基本误差及其补偿,图 10-5 感应电动势示意图及其补偿,基本误差及其补偿,三 温度误差补偿 因为半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度随温度变化，故霍尔元件的性能参数，如内阻、霍尔电动势等也将随温度变化。采用恒流源 采用恒流源，可免去霍尔元件输入电阻随温度变化对霍尔元件输出电压的影响。,基本误差及其补偿,选取合适的负载电阻采用恒流源法补偿霍尔极开路时输入电阻的温度系数。实际上，霍尔元件的输出电阻随温度变化时会引起负载上输出电压变化，也需进行补偿。,基本误差及其补偿,采用补偿元件 为了减小霍尔元件的温度误差，常选用温度系数小的元件(如砷化铟)或采用温度补偿措施。图10-6所示是一种既简单、效果又好的补偿电路。在控制电流极并联一个合适的补偿电阻，它起着分流作用。当温度升高时，霍尔元件内阻迅速增加。所以通过元件的电流减少，而通过补偿电阻的电流却增加。这样利用元件内阻的湿度特性和一个补偿电阻，就能自动调节通过霍尔元件的电流大小，起到补偿作用。,基本误差及其补偿,图10-6 温度补偿电路,基本误差及其补偿,图10-7 桥路补偿法的温度补偿电路,基本误差及其补偿,霍尔元件的不等位电势用调节的方法进行补偿。在霍尔输出电极上串入一个温度补偿电桥，此电桥的四个臂中有一个是锰铜电阻并联的热敏电阻，以调整其温度系数，其他三臂均为锰铜电阻。因此补偿电桥可以给出一个随温度而改变的可调不平衡电压，该电压与温度为非线性关系，只要细心地调整这个不平衡的非线性电压就可以补偿霍尔元件的温度漂移，在 温度范围内效果是可以令人满意的。,霍尔传感器的应用,一、利用 与I的关系 当磁场恒定时，在一定温度下，霍尔电压与控制电路成很好的线性关系，利用这一特性，霍尔元件可用于直接测量电流和能转换为电流的其它物理量。,霍尔传感器的应用,二、利用 与B的关系可用于测量磁场及可转换为磁场的其它物理量 如果保持霍尔元件的激励电流不变，而让它在均匀梯度的磁场中移动时，则其输出的霍尔电压就取决于它在磁场中的位置。利用这一原理可以测量微位移和可转换为微位移的其他量，如压力、加速度、振动等。利用霍尔元件的关系还研制出霍尔式罗盘、方位传感器、转速传感器、接近开关、无触点开关、导磁产品计数器等。,霍尔传感器的应用,当控制电流一定时，霍尔电压与磁感应强度成正比。利用这个关系可以测得交、直流磁感应强度、磁场强度等。利用霍尔元件制作的钳形电流表可以在不切断电路的情况下，通过测量电流产生的磁场而测得该电流值。,霍尔传感器的应用,三、利用 与 的关系可进行乘法运算或功率测量 如果控制电流为，磁感应强度 由激励电流 生，则据，霍尔电压可表示为 利用上述乘法关系，将霍尔元件与激励线圈、放大器等组合起来，可以做成模拟运算的乘法器、开方器、平方器、除法器等。,霍尔传感器的应用,四、典型应用 用于非电量检测的霍尔传感器，通常是通过弹性元件和其他传动机构将待测非电量（如力、压力、应变和加速度等）转换为霍尔元件在磁场中的微小位移。为了获得霍尔电压随位移变化的线性关系，传感器的磁场应具有均匀的梯度变化的特性。这样当霍尔元件在这种磁场中移动时，如使控制电流保持恒定，而使霍尔元件在一个均匀的梯度磁场中沿方向移动，则霍尔电压就只取决于它在磁场中的位移量，并且磁场梯度越大，灵敏度越高，梯度变化越均匀，霍尔电压与位移的关系越接近于线性。,霍尔传感器的应用,如图10-8所示是一种产生梯度磁场的磁系统，由极性相反、磁场强度相同的两个磁钢形成一个如图b所示的均匀的梯度磁场、位移轴的零点位于两磁钢的正中间处。,霍尔传感器的应用,图10-8 霍尔式位移传感器原理示意图,10.2气敏传感器,为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。目前实用气体检测方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法具有使用方便、费用低和可把气体浓度转换成相应电量输出的特点。由于接触燃烧法中使用的催化剂长期使用时容易劣化和中毒，灵敏度又较低，故现在多使用半导体气敏传感器。,10.2气敏传感器,气敏电阻是利用半导体与气体接触而电阻发生变化的效应制成的气敏元件。半导体陶瓷与气体接触时电阻发生变化，当接触氧化性气体时，气敏电阻的阻值将增大；当接触还原性气体时，气敏电阻的阻值将减小；被测气体浓度越大，电阻变化越大。,10.2气敏传感器,1.材料 半导体陶瓷是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料。在诸多的半导体气敏元件中，由于用氧化锡 制成的元件有一系列优点，故应用最为广泛。,10.2气敏传感器,(1)气敏元件阻值随检测气体浓度具有指数变化关系，因此这种器件非常适用于微量低浓度气体的检测。(2)材料的物理、化学稳定性较好，与其它类型气敏元件(如接触燃烧式气敏元件)相比，气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。(3)气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短时间使用。,10.2气敏传感器,(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。待检测气体可通过元件电阻变化直接转变为电信号，且元件电阻率变化大，因此信号处理可不用高倍数放大电路就可实现。由于上述特点，半导体气敏元件一直是目前世界上生产量大、应用面广的气敏元件。半导体气敏元件一直是目前世界上生产量大、应用面广的气敏元件。,2.组成气敏电阻体和加热器 3.结构 气敏元件主要有三种类型：烧结型、薄膜型和厚膜型。其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟、应用最广泛的元件。,10.2气敏传感器,10.2气敏传感器,图10-9 半导体气敏电阻元件的结构,10.2气敏传感器,4.电路符号 直热式：直热式气敏元件的优点是：热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响；加热丝在加热和不加热状态下产生涨缩，易造成与材料的接触不良。旁热式：旁热式气敏元件克服了直热式的缺点，其测量极与加热丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间的互相影响；元件热容量大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。故这种结构元件稳定性、可靠性都较直热式有所改进。,10.3湿敏传感器,概述 湿度是指大气中所含的水蒸气量。它有两种最常用的表示方法，即绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指一定大小空间中水蒸气的绝对含量，可用 表示。绝对湿度也称水气浓度或水气密度。绝对湿度也可用水的蒸气压来表示。设空气的水气密度为，与之相应的水蒸气分压为，根据理想气体状态方程，可以得出其关系式为：,10.3湿敏传感器,湿度传感器依据使用材料分类：电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。,10.3湿敏传感器,高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。,10.3湿敏传感器,氯化化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。氯化锂溶液的当量电导随着溶液浓度的增高而下降。环境的相对湿度高，氯化锂溶液将因吸收水份而浓度降低；反之，环境的相对湿度低，则氯化锂溶液的浓度就高。因此，氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境相对湿度的改变而变化，从而实现了湿度的测量。,10.3湿敏传感器,图10-10 自动气象站湿度测报原理方框图,