1、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。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 霍尔式传感器霍尔式传感器6.1.2 其他磁敏传感器其他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。它的应用可以分为和两类，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
2、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。123 一块长为一块长为l、宽为、宽为b、厚为、厚为d的半导体薄片置于磁感的半导体薄片置于磁感应强度为应强度为B的磁场的磁场(磁场方向垂直于薄片磁场方向垂直于薄片)中，当有中，当有电流电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势生电动势Un。这种现象称为霍尔效应。霍尔式传。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。感器是由霍尔元件所组成。dIBRUHH令令 则则(6-1)(6-2)(6-3)HHRKd HHUK IB 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
3、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，。若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为B cos，因此：cosHHUK IB(6-4)控制电流级控制电流级 霍尔电极霍尔电极a、b两根引线称为控制电流端引线，其焊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）。接处称为控制电流极（或称激励电极）。c、d两根霍尔输出引线，其焊接处称为霍两根霍尔输出引线，其焊接处称为霍尔电极（要求欧姆接触）。尔电极（要求欧姆接触）。输入电阻指控制电流极间的电阻值。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。输出电阻
4、指霍尔电极间的电阻值。使霍尔元件温升使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额定激励电流。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。电流。当霍尔元件通以额定激励电流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。输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势。不等位电势的补偿不等位电势的补偿 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
5、电位面上。此外，材质不均匀、几何尺寸不均匀等原在同一等电位面上。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，判断应在某一桥两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻臂上并联一定的电阻。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。霍尔元件与一般半导体器件一样，。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；为霍尔元件
6、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。0(1)HHKKT(6-6)保持KHI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，根据上图可得恒流源供电恒流源供电 10000HrIIRr000HHHUKIB(6-7)(6-8)、分别为霍尔元件内阻、补偿电阻的温度系数分别为霍尔元件内阻、补偿电阻的温度系数 HrIIRr0(1)HHHHHUKIBKTIB(6-9)(6
7、-10)00rR(6-11)00rR(6-12)采用热敏电阻采用热敏电阻2霍尔式微位移传感器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，。12 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，。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：)273.01220BB（6-13）磁阻效应磁阻效应122220
8、273.0BKB（6-14）磁敏二极管磁敏二极管2图图b图图c图图d未加磁场前，未加磁场前，电子、空穴的运动电子、空穴的运动 磁场方向使电子、空穴磁场方向使电子、空穴 向向r面偏转，电流很小面偏转，电流很小 磁场方向使电子、空穴向磁场方向使电子、空穴向 光滑面偏转，电流变大光滑面偏转，电流变大6.1 磁敏传感器6.2 湿敏传感器6.3 其他固态传感器第第6章章 固态传感器固态传感器 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。1 VPv：空气中水蒸气分压；：空气中水蒸气分压；M：水蒸气的摩尔质量：水蒸气的摩尔质量R：理想气体常数；：理想气体常数；T
9、：空气的绝对温度：空气的绝对温度RTMPVv(6-15）2 V w相对湿度RHTwv%100)(6-16)湿敏传感器湿敏传感器主要特性主要特性指被测湿度作单位值变化指被测湿度作单位值变化时所引起的输出量（感湿时所引起的输出量（感湿特征量）的变化程度。灵特征量）的变化程度。灵敏度是特性曲线的斜率。敏度是特性曲线的斜率。保证一个湿敏器件能够保证一个湿敏器件能够正常工作所允许的相对正常工作所允许的相对湿度的最大范围。湿度的最大范围。当环境湿度恒定时，温当环境湿度恒定时，温度每变化度每变化1，引起湿，引起湿度传感器感湿特征量的度传感器感湿特征量的变化量。变化量。指湿敏传感器的输出量指湿敏传感器的输出量
10、（或称感湿特征量）与（或称感湿特征量）与被测湿度（例如相对湿被测湿度（例如相对湿度）间的关系曲线。度）间的关系曲线。对湿敏传感器的要求对湿敏传感器的要求 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氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境湿度的改变而变化湿度的改变而变化，从而实现了对湿度的电测量。组合式氯化锂的阻湿特性030 60 900.010.1110相
11、对湿度/%R/108氯化锂湿敏元件湿滞回氯化锂湿敏元件湿滞回差较小，受测试环境风差较小，受测试环境风速的影响小，检测精度速的影响小，检测精度高达高达5%，但其耐热，但其耐热性差，不能用于露点以性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。性不理想，使用寿命短。优点优点优点优点 该湿度传感器的感湿体是该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。系多孔陶瓷。MgCr2O4属属于于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
12、料好。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中加入一定的TiO2。这样在。这样在1300的空气中可烧结成相当理想的瓷体。的空气中可烧结成相当理想的瓷体。烧结体型烧结体型1 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，。涂覆膜型涂覆膜型2 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，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
13、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。薄膜型薄膜型3 有机纤维素具有的特性，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：及等。采用丙烯酸塑料作为基片，在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电极。在其上浸涂一层由羟乙基纤维素、导电碳黑和润湿性基
14、纤维素、导电碳黑和润湿性分散剂组成的浸涂液，待溶剂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蒸发后即可获得一层具有胀缩特性的感湿膜。最后经老化、特性的感湿膜。最后经老化、标定后即可进行湿度测量使用。标定后即可进行湿度测量使用。利用作为感湿材料，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080。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。用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。6.1 磁敏传感器6
15、.2 湿敏传感器6.3 其他固态传感器第第6章章 固态传感器固态传感器 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，。表表6-1 常见半导体气敏元件的分类常见半导体气敏元件的分类主要物理特性类 型检测气体气敏元件电阻型电 阻表面控制型可燃性气体SnO2、ZnO等烧结体、薄膜、厚膜体控制型酒精可燃性气体氧气氧化镁、SnO2氧化钛（烧结体）T-Fe2O3非电阻型二极管整流特性表面控制型氢气一氧化碳酒精铂硫化镉铂氧化钛金属半导体结型二极管晶体管特性氢气、硫化氢铂栅、钯栅MO
16、S场效应管电阻型电阻型1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三类。这类器件以半导体SnO2为基体材料（其粒度在1m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。烧结型烧结型a烧结型器件的制作方法烧结型器件的制作方法简单，器件寿命长；但简单，器件寿命长；但由于烧结不充分，器件由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致料较贵重，电性能
17、一致性较差，因此应用受到性较差，因此应用受到一定限制。一定限制。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。薄膜型薄膜型bSnO2半导体薄膜的气半导体薄膜的气敏特性最好，但这种敏特性最好，但这种半导体薄膜为物理性半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性附着，因此器件间性能差异较大。能差异较大。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。厚膜型厚膜型c这种工艺制成的元这种工艺制成的元件机械强度高，一件机械强度高
18、，一致性好，适于大批致性好，适于大批量生产。量生产。非电阻型非电阻型2 非电阻型气敏器件是利用MOS二极管的电容电压特性（CV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。以以MOS二极管气敏器件为例，在二极管气敏器件为例，在P型半导体硅片上，利用热氧化型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为工艺生成一层厚度为50100nm的二氧化硅（的二氧化硅（SiO2）层，然后在其上）层，然后在其上面蒸发一层钯金属薄膜，作为栅电极，如图面蒸发一层钯金属薄膜，作为栅电极，如图6-
19、15所示。由于所示。由于SiO2层电层电容容Ca是固定不变的，是固定不变的，SiSiO2界面电容界面电容Cs是外加电压的函数，所以总是外加电压的函数，所以总电容电容C是栅偏压的函数，其函数关系称为该是栅偏压的函数，其函数关系称为该MOS管的管的。由于。由于钯对氢气（钯对氢气（H2）特别敏感，当钯在吸附了）特别敏感，当钯在吸附了H2以后，会使钯的功函数降以后，会使钯的功函数降低。导致低。导致MOS管的管的C-V特性向负偏压方向平移，如图特性向负偏压方向平移，如图6-16所示。据此所示。据此可测定可测定H2的浓度。的浓度。半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种，是基于内光电效应将光信号转变为电
20、信号的光辐射探测器件。但不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的都是在一定波长范围内光的强度，或者说光子的数目。而半导体色敏器件则可用来从可见光到近红外波段内单色幅射的波长。半导体色敏传感器相当于两只结构半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合，故又称不同的光电二极管的组合，故又称光电双结二极管。光电双结二极管。PNP不是不是一个三极管，而是结深不同的两个一个三极管，而是结深不同的两个PN结二极管，浅结的二极管是结二极管，浅结的二极管是P-N结；深结的二极管是结；深结的二极管是P-N结。结。正是由于这正是由于这一特性使得这种器件可以用于颜色一特性使得这种器件可以用于颜色的识
21、别，也就是可以用来测量入射的识别，也就是可以用来测量入射光的波长。将两只结深不同的光电光的波长。将两只结深不同的光电二极管组合，就构成了可以测定波二极管组合，就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。长的半导体色敏传感器。表示半导体色敏器件所能检测的波长范围。图6-18(a)给出了国内研制的CS1型半导体色敏器件的光谱特性，其波长范围是4001000nm。光谱特性光谱特性短路电流比波长特性短路电流比波长特性温度特性温度特性表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。光谱特性光谱特性短路电流比波长特性短路电流比波长特性温度特性温度特性由于半导体色敏器件测定的是两只光电二极管的
22、短路电流之比，而这两只光电二极管是做在同一块材料上的，具备基本相同的温度系数。这种内部的补偿作用使半导体色敏器件的短路电流比对温度不十分敏感，所以通常可不考虑温度的影响。光谱特性光谱特性短路电流比波长特性短路电流比波长特性温度特性温度特性 离子敏感器件是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管。它是由离子选择性电极(ISE)与金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）组合而成，简称ISFET。ISFET是用来测量溶液（或体液）中的离子活度（即指溶液中真正参加化学反应或离子交换作用的离子有效浓度）的微型固态电化学敏感器件。在栅极G不加偏压时，栅氧化层下面的硅是P型，而源漏是N型，故源漏之间不导
23、通。当栅源之间加正向偏压VGS，且有VGSVT（阈电压）时，则栅氧化层下面的硅就反型，从P型变为N型。这个N型区就将源区和漏区连接起来，起导电通道的作用，称为沟道，这种类型称为。如果将普通的如果将普通的MOSFET的金属栅去的金属栅去掉，让绝缘体氧化层直接与溶液相掉，让绝缘体氧化层直接与溶液相接触；或者将栅极用铂膜作引出线，接触；或者将栅极用铂膜作引出线，并在铂膜上涂覆一层离子敏感膜，并在铂膜上涂覆一层离子敏感膜，就构成了一只就构成了一只ISFET。当将当将ISFET插入溶液时，被测溶液插入溶液时，被测溶液与敏感膜接触处就会产生一定的界与敏感膜接触处就会产生一定的界面电势，这一界面电势的大小将直面电势，这一界面电势的大小将直接影响了接影响了VT的值，的值，漏源电流的大小漏源电流的大小又与又与VT值有关。因此值有关。因此ISFET的漏源的漏源电流将随溶液中离子活度的变化而电流将随溶液中离子活度的变化而变化，于是从漏源电流的大小就可变化，于是从漏源电流的大小就可以确定离子的活度。以确定离子的活度。特点特点应用应用
