第 6 章固态传感器

第6章 固态传感器

第6章固态传感器 • 固态传感器利用某些固体材料的机械、电、磁等的物性型变化来实现信息的直接测量。制造固态传感器的固体材料以半导体材料用得最多。 • 本章主要对利用半导体技术制造的磁敏、湿敏等几类固态传感器的原理及相关特性进行介绍。

第6章固态传感器 6.1 磁敏传感器 6.2 湿敏传感器 6.3 其他固态传感器

6.1.1 霍尔式传感器 6.1.2 其他磁敏传感器 6.1 磁敏传感器

6.1 磁敏传感器 • 磁敏传感器是把磁物理量转换成电信号的传感器，大多是基于载流子在磁场中受洛伦兹力的作用而发生偏转的机理实现对相关物理量的信号检测。 • 它的应用可以分为直接应用和间接应用两类，前者包括测量磁场强度的各种磁场计，如地磁的测量、磁带和磁盘信号的读出、漏磁探伤、磁控设备等；后者是指利用磁场作为媒介来探测非磁信号，如无接触开关、无触点电位器等等。

6.1.1 霍尔式传感器 霍尔效应与霍尔元件 1 霍尔元件基本特性 2 霍尔式传感器的应用 3

霍尔效应和霍尔元件 一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势Un。这种现象称为霍尔效应。霍尔式传感器是由霍尔元件所组成。

霍尔效应和霍尔元件 (6-1) 令则 (6-2) (6-3) • RH为霍尔传感器的霍尔常数，其大小由载流材料的物理性质决定。霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关，一般要求霍尔元件灵敏度越大越好。 • 若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度θ，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为B cosθ，因此： (6-4)

霍尔效应和霍尔元件 控制电流级 a、b两根引线称为控制电流端引线，其焊接处称为控制电流极（或称激励电极）。霍尔电极 c、d两根霍尔输出引线，其焊接处称为霍尔电极（要求欧姆接触）。

霍尔效应和霍尔元件

额定激励电流和最大允许激励电流 使霍尔元件温升10℃所施加的控制电流值称为额定激励电流。以霍尔片允许最大温升为限制所对应的电流称为最大允许激励电流。输入电阻和输出电阻输入电阻指控制电流极间的电阻值。输出电阻指霍尔电极间的电阻值。不等位电势当霍尔元件通以额定激励电流IH而不加外磁场时它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势。霍尔元件基本特性

霍尔元件基本特性 不等位电势的补偿产生不等位电势的原因主要有：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上。此外，材质不均匀、几何尺寸不均匀等原因对不等位电势也有一定的影响。可以把霍尔元件等效为图6-5所示的电桥电路。根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻。

霍尔元件基本特性 常见的几种补偿电路如图6-6所示，其中图6-6（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，调整比较方便。

霍尔元件基本特性 • 霍尔元件与一般半导体器件一样，对温度变化十分敏感。霍尔元件灵敏度系数与温度的关系可写成： • KH0表示温度T0时的KH值；△T=T-T0表示温度变化值；α为霍尔元件灵敏度的温度系数 • 为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，还可以采用其他措施。 (6-6)

霍尔元件基本特性 1 恒流源供电 • 保持KH·I乘积不变，抵消灵敏度系数KH因温度增加的影响。基于这一思想，可以采用图6-7所示的补偿电路。 • 设在某一基准温度T0时，恒流源输出电流为I，霍尔元件的控制电流为IH0，霍尔元件的内阻为R0，补偿电阻r0上流过的电流为I0，根据上图可得 (6-7) (6-8)

霍尔元件基本特性 当温度上升△T达到温度T时，霍尔元件的内阻为R=R0(1+β△T)，补偿电阻的阻值为r=r0(1+δ△T)， 、分别为霍尔元件内阻、补偿电阻的温度系数 (6-9) (6-10) 对上式进行整理，并忽略(ΔT)2 项可得 (6-11)

霍尔元件基本特性 由于霍尔元件灵敏度温度系数、补偿电阻温度系数比霍尔元件内阻温度系数小得多，即：，，于是式（6-11）可以简化为： (6-12) 由式（6-12）可见，当霍尔元件选定后，通过查元件的参数表可得到、、R0，从而可以确定补偿电阻r的阻值。

霍尔元件基本特性 2 采用热敏电阻

霍尔式传感器的应用 结构简单电流、磁场、位移、角度、转速、压力、功率 …… 形小体轻使用方便

霍尔式传感器的应用 霍尔式微位移传感器如果保持霍尔元件的激励电流不变，而让它在一个均匀梯度的磁场中移动时，则其输出的霍尔电势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。当霍尔元件有微小位移时，就有霍尔电势输出，在一定范围内，位移与UH呈线性关系。

6.1.2 其他磁敏传感器 磁敏电阻 1 磁敏二极管 2

磁敏电阻 1 磁阻效应 • 运动的载流子受到洛伦兹力的作用而发生偏转，载流子散射几率增大，迁移率下降，于是电阻增加。这种现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。 • 当温度恒定，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度(B)的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为：（6-13）

磁敏电阻 电阻率的相对变化（6-14）式中：B为磁感应强度，为电子迁移率，0为零磁场下的电阻率，B为磁感应强度为B时的电阻率。

磁敏二极管 2 磁敏二极管磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I。本征区I的一面磨成光滑表面（I区），另一面打毛，设置成r区，因为电子—空穴对易于在粗糙表面复合而消失。

磁敏二极管 未加磁场前，电子、空穴的运动图b 磁场方向使电子、空穴向r面偏转，电流很小图c 磁场方向使电子、空穴向光滑面偏转，电流变大图d

6.2.1 湿度及湿敏传感器基础 6.2.2 氯化锂湿敏传感器 6.2.3 半导体及陶瓷湿敏传感器 6.2.4 高分子聚合物湿敏传感器 6.2 湿敏传感器

6.2.1 湿敏传感器基础 随着现代工农业技术的发展及生活条件的提高，湿度的检测与控制成为生产和生活中必不可少的环节。

6.2.1 湿敏传感器基础 1 绝对湿度 • 指单位体积大气中水汽的质量，可用表达式V=MV/V表示，单位为，绝对湿度也可称为水汽浓度或水汽密度。 • 绝对湿度也可用水的蒸汽压来表示。待测空气可视为一种由水蒸汽和干燥空气组成的二元理想混合气体，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，空气的水汽密度V可表示为： Pv：空气中水蒸气分压；M：水蒸气的摩尔质量 R：理想气体常数； T：空气的绝对温度 (6-15）

6.2.1 湿敏传感器基础 2 相对湿度 • 指某一被测气体的绝对湿度V与在同一温度T下水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度w之比，常用“%RH”表示，这是一个无量纲的值。 • 由以上介绍可见，绝对湿度给出了大气中水份的具体含量，相对湿度则给出了大气的潮湿程度，故使用更为广泛。 (6-16) 相对湿度

6.2.1 湿敏传感器基础 湿度量程特性曲线指湿敏传感器的输出量（或称感湿特征量）与被测湿度（例如相对湿度）间的关系曲线。保证一个湿敏器件能够正常工作所允许的相对湿度的最大范围。湿敏传感器主要特性灵敏度湿度温度系数当环境湿度恒定时，温度每变化1℃，引起湿度传感器感湿特征量的变化量。指被测湿度作单位值变化时所引起的输出量（感湿特征量）的变化程度。灵敏度是特性曲线的斜率。

6.2.1 湿敏传感器基础

6.2.1 湿敏传感器基础 对湿敏传感器的要求使用寿命长，长期稳定性好灵敏度高，感湿特性线性度好使用范围宽，湿度温度系数小响应快，响应时间短湿滞回差小互换性好，易于批生产，成本低廉

氯化锂湿敏元件湿滞回差较小，受测试环境风速的影响小，检测精度高达±5%，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。氯化锂湿敏元件湿滞回差较小，受测试环境风速的影响小，检测精度高达±5%，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。 R/108Ω 10 1 0.1 0.01 60 30 0 90 相对湿度/% 组合式氯化锂的阻—湿特性 6.2.2 氯化锂湿敏传感器氯化锂（LiCl）是典型的离子晶体。高浓度的氯化锂溶液中，锂和氯仍以正、负离子的形式存在,而Li+对水分子的吸引力强，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定湿度的环境中时，若环境的相对湿度高，溶液将因吸收水份而浓度降低，电阻率增高；反之其电阻率下降。因此，氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境湿度的改变而变化，从而实现了对湿度的电测量。

优点 6.2.3 半导体及陶瓷湿敏传感器热稳定性好使用温度范围宽优点抗沾污能力强可加热清洗响应快可工作在恶劣环境下

6.2.3 半导体及陶瓷湿敏传感器 1 烧结体型该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。MgCr2O4属于P型半导体，其特点是感湿灵敏度适中，电阻率低，阻值温度特性好。为改善烧结特性和提高元件的机械强度及抗热骤变特性，在原料中加入一定的TiO2。这样在1300℃的空气中可烧结成相当理想的瓷体。

6.2.3 半导体及陶瓷湿敏传感器 2 涂覆膜型此类湿度敏感元件是把感湿粉料（金属氧化物）调浆，涂覆在制好的梳状电极或平行电极的滑石瓷、氧化铝或玻璃等基板上，经低温烘干后制成。四氧化三铁、五氧化二钒及三氧化二铝等湿敏元件均属此类，涂覆膜型湿敏器件有多种品种，其中比较典型且性能较好的是Fe3O4湿敏器件。

6.2.3 半导体及陶瓷湿敏传感器 3 薄膜型 • 利用三氧化二铝做电介质构成电容器，由于多孔的三氧化二铝薄膜易于吸收空气中的水蒸汽，从而改变了其本身的介电常数，这样电容器的电容值就会随着空气中水蒸汽分压而变化，从而可以测量出空气的相对湿度。 • 目前以铝为基础的湿敏元件在有腐蚀剂和氧化剂的环境中使用时，都不能保证长期稳定性，但以钽作为基片，利用阳极氧化法形成氧化钽多孔薄膜是一种介电常数高、电特性和化学特性较稳定的薄膜，以此薄膜制成电容式湿敏元件可以大大提高元件的长期稳定性。

采用丙烯酸塑料作为基片，在基片两长边的边缘上形成金属电极。在其上浸涂一层由羟乙基纤维素、导电碳黑和润湿性分散剂组成的浸涂液，待溶剂蒸发后即可获得一层具有胀缩特性的感湿膜。最后经老化、标定后即可进行湿度测量使用。采用丙烯酸塑料作为基片，在基片两长边的边缘上形成金属电极。在其上浸涂一层由羟乙基纤维素、导电碳黑和润湿性分散剂组成的浸涂液，待溶剂蒸发后即可获得一层具有胀缩特性的感湿膜。最后经老化、标定后即可进行湿度测量使用。 6.2.4 高分子聚合物湿敏传感器有机纤维素具有吸湿溶胀、脱湿收缩的特性，利用这种特性，将导电的微粒或离子掺入其中作为导电材料，就可将其体积随湿度的变化转换为感湿材料电阻的变化，从而完成对环境湿度的测量。这一类的胀缩性有机物湿敏元件主要有：碳湿敏元件及结露敏感元件等。

6.2.4 高分子聚合物湿敏传感器 高分子聚合物薄膜湿敏元件是一类比较理想的湿敏元件。作为感湿材料的高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。目前这类高分子聚合物材料主要有等离子聚合法形成的聚苯乙烯及醋酸纤维素等。利用醋酸纤维作为感湿材料，形成电容式湿敏元件。其响应速度快，重复性能好，最适宜的工作温度范围为0～80℃。用等离子聚合法聚合的聚苯乙烯因有亲水的极性基团，随环境湿度大小而吸湿或脱湿，从而引起介电常数的改变。

6.3.1 气敏传感器 6.3.2 半导体色敏传感器 6.3.3 离子敏感器件（ISFET） 6.3 其他固态传感器

6.3.1 气敏传感器 气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多，性质各不相同，因此，实现气—电转换的传感器种类也很多。按构成材料可将气敏传感器分为半导体和非半导体两大类，目前使用最多的是半导体气敏传感器。

6.3.1 气敏传感器 表6-1 常见半导体气敏元件的分类

半导体气敏传感器类型及结构 1 电阻型 • 半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。 • 目前使用较广泛的是电阻型气敏器件，一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。按其制造工艺可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类。

烧结型器件的制作方法简单，器件寿命长；但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制。烧结型器件的制作方法简单，器件寿命长；但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制。半导体气敏传感器类型及结构 a 烧结型这类器件以半导体SnO2为基体材料（其粒度在1μm以下），添加不同杂质，采用传统制陶方法进行烧结。烧结时埋入加热丝和测量电极，制成管芯，最后将加热丝和测量电极焊在管座上，加特制外壳构成器件。

SnO2半导体薄膜的气敏特性最好，但这种半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性能差异较大。SnO2半导体薄膜的气敏特性最好，但这种半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性能差异较大。半导体气敏传感器类型及结构 b 薄膜型薄膜型气敏器件采用蒸发或溅射工艺在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下），制作方法也很简单。

这种工艺制成的元件机械强度高，一致性好，适于大批量生产。这种工艺制成的元件机械强度高，一致性好，适于大批量生产。半导体气敏传感器类型及结构 c 厚膜型这种器件是将氧化物半导体材料（如SnO2或ZnO等材料）与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶用丝网印制到事先装有铂电极的绝缘基片上（如Al2O3等），经烧结制成。

半导体气敏传感器类型及结构 2 非电阻型非电阻型气敏器件是利用MOS二极管的电容－电压特性（C－V特性）的变化，以及MOS场效应晶体管（MOSFET）的阈值电压的变化等物理特性而制成的半导体气敏器件。由于这类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价格便宜。

半导体气敏传感器类型及结构 以MOS二极管气敏器件为例，在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50～100nm的二氧化硅（SiO2）层，然后在其上面蒸发一层钯金属薄膜，作为栅电极，如图6-15所示。由于SiO2层电容Ca是固定不变的，Si－SiO2界面电容Cs是外加电压的函数，所以总电容C是栅偏压的函数，其函数关系称为该MOS管的C－V特性。由于钯对氢气（H2）特别敏感，当钯在吸附了H2以后，会使钯的功函数降低。导致MOS管的C-V特性向负偏压方向平移，如图6-16所示。据此可测定H2的浓度。

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