现代检测技术 半导体式传感器

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1、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

2、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：①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。②灵敏度高，动态性能好，输出为电物理量。③采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化、智能化。④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：①线性范围宽，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路。②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。③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

3、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10.1.1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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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10.1.3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。10.1.3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