【湿敏传感器实验 300字】- 天天范文
湿敏传感器实验（300字）
来自：www.ttfanwen.com字数：300
实验目的：了解湿敏的原理和应用。
所需单元及元件：电压放大器、F/V表、电桥、RH湿敏电阻、直流稳压电源、主、副电源。
有关旋钮的初始位置：直流稳压电源置±2V档、F/V表置2V档。
实验步骤：
1．观察湿敏电阻结构，它是在一块特殊的绝缘基地上浅射了一层高分子薄膜而形成，按图37接线。
2．取二种不同潮湿度的海绵或其他易吸潮的材料。分别轻轻地与传感器接触，观察电压表数字变化，此时电压表的指示__________,也就是RH阻值变____________，说明RH检测到了湿度的变化，而且随着湿度的不同阻值变化也不一样。注意取湿材料不要太湿，有点潮就行了。否则会产生湿度饱和现象，延长脱湿时间。
3．RH的通电稳定时间、脱湿时间与环境的温度、湿度有关。这点请实验者注意。 问题：
你能用RH做成一个湿度测量仪吗？请画出电路图并加以说明。
第二篇：气敏和湿敏传感器 1700字
目 的：了解气敏器的原理与应用。
单 元：直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、MQ3气敏传感器、主、副电源。
旋钮初始位置：直流稳压电源±4V档、F/V表置2V档、差动放大器增益置最小、电桥单元中的W1逆时
针旋到底、主、副电源关闭。
步 骤：1.仔细阅读后面附上的“使用说明”，差动放大器的输入端 (+)、(-) 与地短接，开启主、副
电源，将差动放大器输出调零。
2．关闭主、副电源 ，按图4接线。
3．开启主、副电源，预热约5分钟，用浸有酒精的棉球靠近传感器，并轻轻吹气使酒精挥
发并进入传感器金属网内，同时观察电压表的数值变化，此时电压读数
它反映了传感器AB两端间的电阻随着
发生了变化。说明MQ3检测到了
酒精气体的存在与否，如果电压表变化不够明显，可适当调大“差动放大器”增益。
思 考 题：如果需做成一个酒精，你认为还需采取哪些手段？
示：1.需进行浓度标定；
2.在电路上还需增加??。
MQ系列气敏元件使用说明
1．具有很高的灵敏度和良好的选择性。
2．具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。
二、结构、外形、元件符合
1．MQ系列气敏元件的结构和外形如图4A所示，由微型AL203陶瓷管、SN02敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢网的腔体内，加热器为气敏元件的工作提供了必要的工作条件。
2．好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个脚用于信号取出，2个脚用于提供加热电流。
1．标准回路：如图4B所示，MQ气敏元件的标准测试问路由两部分组成。其一为加热回路。其二为
信号输出回路，它可以准确反映传感器表面电阻的变化。
2．传感器的表面电阻Rs的变化，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号Vrl输出而获得的。二者之间的关系表述为RS/RL=(VC-VRL)/VRL3。
3．标准工作条件：
4．环境条件
5．灵敏度特性
气敏传感器实验实物连接图
接线方法：1.
直流稳压电源旋钮调到±4V；
V+插孔与f①和A③串联；
f②与电桥平衡中②及差动放大器正输入孔②串联,并
与黑色接地孔接通；
B④与电桥平衡中④及差动放大器负输入空④相连接；
差动放大器输出端⑤与F/V表的Vi孔连接。
湿敏电阻（RH）实验
目 的：了解湿敏传感器的原理与应用。
机 理：湿敏膜是高分子电解质，其电阻值的对数与相对湿度是近似线性关系。在电路用字母“RH”
测量范围：10%-95%
工作精度：3%
阻值：几兆欧—几千欧
命：一年以上
响应时间：汲湿，脱湿小于10秒
传感器尺寸：4×6×0.5mm3
工作温度：0℃-50℃
源：AC：1KHz,2-3V或DC
温度系数：0.5RH%/℃
所需单元元件：电压放大器、F/V表、电桥、RH湿敏电阻、直流稳压电源、主副电源。
旋钮初始位置：直流稳压电源置±2V档、F/V表置2V档。
步 骤：(1) 观察湿敏电阻结构，它是在一块特殊的绝缘基底上浅射了一层高分子薄膜而形成的，按
(2) 取二种不同潮湿度的海绵或其它易吸潮的材料。分别轻轻地与传感器接触，观察电压表
数字变化，此时电压表的指示
，也就是RH 阻值变
， 说明RH检测
到了温度的变化，而且随着湿度的不同阻值变化也不一样。注意取湿材料不要太湿，有点潮
就行了。否则会产生湿度饱和现象，延长脱湿时间。
(3) RH的通电稳定时间、脱湿时间与环境的湿度、温度有关。这点请实验者注意。
问 题：你能用RH做成一个湿度测量仪吗？请画出电路图并加以说明。
实物连接图
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自动检测技术课堂笔记(全).doc 22页
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什么是检测：指利用各种物理、化学效应，选择合适的方法与装置，将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量的过程。
什么是自动检测与转换技术：指能够自动地完成整个检测处理过程的技术称为。。。
检测技术在国民经济中的地位和作用
答：1.在机械制造行业中
2.在电力等行业中
3.在交通领域中
4.在国防科研中
5.在导弹、卫星研制中
6.在日常生活中
工业检测技术的内容
1.热工量，2.机械量，3.几何量，4.物体的性质和成分量，5.状态量，6.电工量
三、自动检测系统的组成
1.自动检测系统的组成：1.传感器，2.信号调理，3.数据处理装置，4.显示器，5.执行机构
2.传感器：指一个能将被测的非电量变换成电量的器件（确切定义如1-3）
四、检测技术的发展趋势
1.不断提高检测系统的测量准确度，量程范围，延长使用寿命，提高可靠性。
2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域。
3.发展集成化、功能化的传感器
4.采用计算机技术，使检测技术智能化。
5.发展网络化传感器及检测系统。
1.本书配套www.liangsen.net或www.sensor-measurement.net
检测技术的基本概念
测量得到的定量的结果
&1-1测量的基本概念及方法
测量：借助专门的技术和仪表设备，采用一定的方法取得某一客观事物定量数据资料的认识过程
测量方法的分类：1.静态和动态测量
根据被测量是否随时间变化
2.直接和间接测量
间接测量比较复杂（用函数关系计算求得）
3.模拟式和数字式测量
4.接触式和非接触式测量
5.在线和离线测量 生产过程边生产边测量称在线测量。
&&1-2 测量误差及分类
真值：指在一定条件下被测量客观存在的实际值。
真值分类：1.理论真值：三角形内角和为180度
2.约定真值：银的凝固点为961.78度
3.相对真值：凡准确度高两级的仪表的误差与准确度低的仪表的误差比在1/3以下时，则高两级仪表的测量
值可以认为是相对真值
测量误差：指测量值与真值之间的差值
测量误差的分类：1.绝对误差和相对误差
2.粗大误差、系统误差和随机误差
3.静态误差和动态误差
绝对误差和相对误差
1.绝对误差Δ：测量值Ax与真值A0之间的差值：Δ= Ax- A0
2.相对误差 1.示值（标称）相对误差γx :
指用绝对误差Δ与被测量值Ax的百分数比来表示γx = Δ/ Ax *100%
2. 满度（引用）相对误差γm :测量下限为0的仪表的γm= =Δ/Am *100%（Am 仪表满度值）（Am =Amax-Amin)
满度（引用）相对误差常被用来确定仪表的准确度等级S ：S= Δm/Am *100 ( Δm 指最大误差值）
准确度等级也称为精度等级
例1-1（P11)
某压力表准确度为2.5级，量程0-1.5MPa,测量结果显示为0.7MPa，试求：1.可能出现的最大满度相对误差γm， 2.可能出现的最大绝对误差Δm为多少千帕，3.可能出现的最大示值相对误差γx
解：1.可能出现的最大满度相对误差即为准确度等级：γm=2.5%
2.Δm=γm*Am=2.5%*1.5=0.0375MPA=37.5KPA
3.γx=Δm/Ax*100%=0.*100%=5.36%
例1-2（P12）
现有0.5级的0-300度的和1.0级的0-100度的两个温度计，要测量80度的温度，试问哪一个好？
解：本题是要确定两个温度计的γx，选小的。
γx = Δ/ Ax *100%
1.Δm1=300*0.5%=1.5度，AX=80度
γx1=1.5/80*100%=1.875%
2.Δm2=100*1%=1度，AX=80度
γx2=1/80*100%=1.25%
故选择1.0级的0-100度的温度计
例1-3（P18）
1.某压力仪表厂生产的压力表满度相对误差均控制在0.4%-0.6%，该压力表的准确度等级应定为 C
级，另一家厂需要购买压力表，希望压力表的满度相对误差小于0.9%应购买
B 级的压力表 A.0.2 B.0.5 C.1.0 D.1.5
例1-4（P18）
2.某人在三家店分别购买100
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传感器与检测技术课后题答案
总热电动势不变。 中间温度定律：热电偶AB在接点温度为t,t0时的热电动势EAB(t,t0)等于它在接点温度t,tc和tc,t0时的热电动势EAB(t,tc)和EAB(tc,t0)的代数和。 标准电极定律：如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两个导体A、B组成的热电偶所产生的热电动势可由下式来确定： EAB(t,t0)=EAC(t,t0)-EBC(t,t0) 均质导体定律：如果组成热电偶的两个热电极的材料相同，无论两接点的温度是否相同，热电偶回路中的总热电势均为0. 8.4试说明热电偶的类型与特点。
结构上分为普通热电偶和特殊热电偶。 8.5热电偶的冷端温度补偿有哪些方法？各自的原理是什么？
补偿导线法、冷端温度恒温法、冷端温度计算校正法、电桥法。 8.6试设计测温电路，实现对某一点的温度、某两点的温度差、某三点的平均温度进行测量。 8.7用两只K型热电偶测量两点温度差，其连接电路如图8-30所示。已知t1?4200C，t0?30C，测得两点的温差电势为15.24mV，问两点的温差是多少？如果测量t1温度的那0只热电偶错用的是E型热电偶，其他都正确，则两点的实际温度是多少？
8.8将一支镍铬-镍硅热电偶与电压表相连，电压表接线端是50℃，若电位计上读数是6.0mV，问热电偶热端温度是多少？197度 8.9铂电阻温度计在100℃时的电阻值是139?，当它与热的气体接触时，电阻值增至281?，试确定该气体的温度？（设0℃时的电阻值为100?）. 8.10镍铬-镍硅热电偶的灵敏度为0.04mV/℃,把它放在温度为1200℃处，若以指示表作为冷端，此处温度为50℃，试求热电动势的大小。46mV 8.11将一灵敏度为0.08mV/℃的热电偶与电压表连接，电压表接线端是50℃，若电位计上读数60mV，求热电偶的热端温度。800 8.12使用K型热电偶，参考端温度为0℃，测量热端温度为30℃和900℃时，温差电势分别为1.203 mV和37.326mV。当参考端温度为30℃，测量点温度为900℃时的温差电势为多少？36.123 mV 8.13如果将图8-12中得两支相同类型的热电偶顺向串联，是否可以测量两点间的平均温度，为什么？可以测量总温度 8.14热电阻有什么特点？ （1）热电阻测量电路优点：精度高，性能稳定，适于测低温。 （2）热惯性大，需辅助电源。 8.15试分析三线制和四线制接法在热电阻测量中的原理及其不同特点。 三线制：热电阻引出3根导线，其中两根分别与电桥的相邻两臂串联，另外一根与电桥电源相串联，它对电桥的平衡没有影响。广泛用于工业测温。 四线制：热电阻引出4根导线，分别接在电流和电压的回路，4根导线的电阻对测量都没有影响。 8.16对热敏电阻进行分类，并叙述其各自不同的特点。 正温度系数、正温度系数、临界温度系数热敏电阻。 8.17某热敏电阻，其B值为2900K，若冰点电阻为500k?,求该热敏电阻在100℃时的阻抗。 29 k? 9.1什么是光电式传感器？光电式传感器的基本工作原理是什么？ 利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。
光电式传感器的基本工作原理是基于光电效应的，即因光照引起物体的电学特性而改变的现象。 9.2光电式传感器按照工作原理可分为哪四大类？ 反射式、透射式、 9.3光电式传感器的基本形式有哪些？ 9.4什么是光电效应？内光电效应？外光电效应？ 内光电效应、外光电效应 9.5典型的光电器件有哪些？
光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光敏二极管、光电耦合器 9.6光电管是如何工作的？其主要特性是什么？
光照在光电管的阴极上，阴极电子吸收光子，克服表面功，向外发生电子，电子在外加电场的作用下，被光电管的阳极收集并形成光电流。 9.7简述光电倍增管得工作原理。光电倍增管的主要参数有哪些？
倍增系数；光电阴极灵敏度和光电管总灵敏度；暗电流；光谱特性。 9.8试画出光敏电阻的结构；光敏电阻的主要参数有哪些？ 暗电阻，亮电阻，暗电流，亮电流，光电流。 9.9试区分硅光电池和硒光电池的结构与工作原理。 9.10试解释光敏管的工作原理。介绍光敏二极管和光敏晶体管的主要特性。 光谱特性、伏安特性、光照特性、频率特性。 9.11试介绍MOS光敏单元的工作原理。 一个MOS电容器是一个光敏元，可以感受一个像素点，CCD的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和输出。 9.12CCD的电荷转移原理是什么？ CCD器件基本结构式一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底：氧化层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小。任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。为了保证信号电荷按确定的方向和路线移动，在MOS光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。 9.13 试对面阵型CCD图像传感器进行分类，并介绍它们各自有何特点？ 9.14为什么要求CCD器件的电荷转移效率要很高？ 9.15举例说明CCD图像传感器的应用。 9.16什么是全反射？光纤的数值孔径有何意义？ 数值孔径是光纤的一个重要参数，它能反映光纤的集光能力，光纤的数值孔径越大，集光能力就越强。 9.17试区分功能型和非功能型光纤传感器。 功能型是传感型，非功能型是传光型。 9.18试解释波长调制型光纤传感器的工作原理。 9.19举例说明利用光纤传感器实现温度的测量方法。 9.20试分析二进制码盘和循环码盘的特点。 二进制码盘最大的问题是任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。 循环码是无权码，任何相邻的两个数码间只有一位是变化的。 9.21试区别接触式码盘和非接触式码盘的优缺点。 9.22试解释光电编码器的工作原理。 9.23一个8位光电码盘的最小分辨率是多少？如果要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度至少为0.01mm，则码盘半径应有多大？ 1.40625度，0.0245弧度，0.0408mm 9.24利用某循环码盘测得结果为“0110”，其实际转过的角度是多少？ 二进制码为0100，90度 9.25试分析脉冲盘式编码器的辨向原理。 9.26计量光栅是如何实现测量位移的？
主光栅与运动部件连在一起，当被测物体运动时，在主光栅、指示光栅后面形成黑白相间的莫尔条纹，条纹宽度和运动部件的位移成正比。 9.27计量光栅中为何要引入细分技术？细分的基本原理是什么？ 光栅测量原理是以移过的莫尔条纹数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。现代测量不断提出高精度的要求，为了提高分辨率，测量比光栅栅距更小的位移量，可以采用细分技术。 细分就是为了得到比栅距更小的分度值，即在莫尔条纹信号变化的一个周期内，发出若干个计数脉冲，以减少每个脉冲相当的位移，相应地提高测量精度。 10.1红外探测器有哪些类型？并说明它们的工作原理。 （1）热探测器：有热敏电阻型、热电阻型、高莱气动型和热释电型 （2）光子探测器 10.2什么是热释电效应？热释电效应与哪些因素有关？
在居里点以下时，由于温度的变化引起铁电体的极化强度改变的现象称为热释电效应。
热释电效应与铁电体材料、敏感面、厚度均有关（等效电容） 10.3什么被称为“大气窗口”，它对红外线的传播有什么影响？ 通常把太阳光通过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。 红外线传播过程中通过大气窗口时，会使红外辐射逐渐减弱。 10.4红外敏感元件大致分为哪两类？它们的主要区别是什么？ 热探测器：响应波段宽，响应范围为整个红外区域，室温下工作，使用方便。 光子探测器：灵敏度高、响应速度快，具有较高的响应频率，但探测器波段较窄，一般工作于低温 10.5请根据气体对红外线有选择性吸收的特性，设计一个红外线气体分析仪。使其能对气体的成分进行分析。（提示：不同气体对红外线能量的吸收是不同的） 10.6微波的特点是什么？ （1）需要定向辐射装置 （2）遇到障碍物容易反射 （3）绕射能力差 （4）传输特性好，传输过程中受烟雾、灰尘等的影响较小 （5）介质对微波的吸收大小与介质介电常数成正比。 10.7试分析反射式和遮断式微波传感器的工作原理。 （1）反射式：发生天线和接收天线位于检测物体的同一侧， 根据检测物体反射回来的微波信号的功率或微波信号从发出到接收到的时间间隔来实现测量位置和位移等参数。 （2）遮断式：发生天线和接收天线位于检测物体的两边，根据接收天线收到的微波功率的大小来判断发送天线和接收天线之间有无被测物体或位置等。 10.8试分析微波传感器的主要组成及其各自的功能。
微波发生器、微波天线、微波检测器。 10.9微波传感器有何优缺点？ （1）优点：非接触式传感器；波长范围为1m～1mm，有极宽的频谱；频率高、时间常数小、反应速度快；无须进行非电量转换；适合遥测、遥控；不会带来显著的辐射。 （2）缺点：存在零点漂移；测量环境对测量结果影响较大。 10.10举例说明微波传感器的应用。 （1）微波液位计 （2）微波湿度传感器 （3）微波辐射计 （4）微波无损检测仪 （5）微波物位计 （6）微波定位传感器 （7）微波多普勒传感器 10.11超声波在介质中传播具有哪些特性？ （1）超声波有纵波、横波、表面波三种 （2）超声波的传播速度与波长和频率的乘积成正比 （3）满足光的反射和折射定律 10.12超声波传感器主要有哪几种类型？试述其工作原理。 （1）压电式超声波传感器 （2）磁致伸缩式超声波传感器：当超声波作用在磁致伸缩材料上时，引起材料伸缩，从而导致它的内部磁场发生改变。根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈便获得感应电动势。 10.13在用脉冲回波法测量厚度时，利用何种方法测量时间间隔?t有利于自动测量？若已知超声波在被测试件中的传播速度为5480m/s，测得时间间隔为25?s，试求被测试件的厚v?t?6度。d???0.0685m 10.14超声波测物位有哪几种测量方式？各有什么特点？ （1）单换能器在液体中（2）双换能器在液体中 （3）单换能器在空中（4）双换能器在空中 当换能器位于液体中时，衰减比较小 当换能器位于空气中时，便于安装和维护，当衰减比比较大。 10.15试述时差法测流量的基本原理，存在的问题及改进方法。
通过测量超声波在顺流和逆流中传播的时间差求得流体流速的一种方法。v?c22Lcos??t，测量精度主要取决于时间差的测量精度。同时，超声波声速一般随介质的温度变化而变化，因此将造成温漂。 10.16超声波用于探伤有哪几种方法？试述反射法探伤的基本原理。 穿透法探伤和反射法探伤。 11.1气敏传感器有哪几种类型？简述电阻式气敏传感器的工作原理。 11.2为什么大多数气敏器件都装有加热器？ 11.3气敏传感器一般应用于哪些方面？试举例说明，并阐述其基本原理。 11.4试述电阻式湿敏传感器的基本原理、主要类型及各自特点。 11.5陶瓷式电阻湿敏传感器的导电机理是什么？有何特点？ 11.6当对房间内湿度进行控制时，可采用哪些方法？试举例说明，并解释其原理。 12.1简述生物传感器的概念和特点。 12.2简述生物传感器的工作原理。 12.3简述生物传感器的分类方法。 12.4简述生物芯片的种类。 12.5简述生物传感器的发展。 13.1什么是智能传感器？ 13.2智能传感器有何特点？ 13.3智能传感器如何实现？ 13.4如何设计智能传感器？ 13.5什么是模糊传感器？ 13.6模糊传感器的一般结构是什么？ 13.7模糊传感器的基本功能有哪些？ 13.8什么是微机电系统？ 13.9微机电系统的基本结构是什么？ 13.10简要介绍主要的MEMS制造技术。 13.11什么是微传感器？微传感器有何特点？ 13.12什么是网络传感器？ 13.13网络传感器的基本结构是什么？ 13.14网络传感器是如何分类的？ 13.15简要介绍IEEE1451网络传感器。 13.16网络传感器的主要发展方向是什么？ 14.1试分析检测技术有何重要意义。 14.2什么是测量？ 14.3测量方法是如何进行分类的？ 14.4简述测量系统的结构。 14.5测量系统是如何分类的，各有何特点？ 14.6实现参数检测的一般方法主要有哪些？ 14.7针对常见的过程量，简述其主要的检测方法。 14.8简述常见的机械量检测方法。 14.9检测技术的发展趋势是什么？ 20.1试画出数据采集系统模型框图。 20.2采样/保持器的主要作用是什么？ 20.3自动检测系统的软件主要由哪几部分构成，它们分别起什么作用？ 20.4举例说明自动检测系统的设计步骤和方法。 20.5试说明无线传感器网络信息获取的关键技术。 20.6试说明自动检测系统的发展。 20.7以某一检测量为例（如压力、速度等），设计一个自动检测系统，给出其系统组成并说明其工作原理。
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ch11 气敏湿敏传感器及其应用
第8章 半导体传感器第8章 半导体传感器8.1 半导体温度传感器 8.2 半导体湿度传感器 8.3 半导体气体传感器 8.4 半导体磁敏传感器第8章 半导体传感器离子感烟器? 离子感烟器工作原理： 探测器上有一只发光二极管和为探测器现场的显示。如 果探测器通电，处于正常监视状态，LED会每10秒闪亮一次 。在报警状态，LED将锁定恒亮直至探测器复位。每一探测 器内含一对常开触点（A型）用于联接到报警控制电路还一组 常开/常闭辅助触点（C点）。对探测器电源的监视是通过在 探测器电源回路末端安装一电源监视终端断电器来完成。当 电流加向并流过探测器时，终端电源监视模块被上电，其断 电器触点闭合使控制器的报警回路形成闭合的串联电路。一 旦断电或探测器回路断开，终端模块将失电，断电器触点脱 开并向控制器触发故障信号。第8章 半导体传感器8.1 半导体温度传感器8.1.1 接触型半导体传感器 1.半导体热敏电阻 1）半导体热敏电阻的主要参数及其特性 热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件,一般用半导 体材料做成,属体型元件。它的主要特点如下:(1)灵敏度高,其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上,能检测出10-6℃温度变化。第8章 半导体传感器(2)小型,元件尺寸可做到直径为0.2mm,能够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、生物体血管 等处的温度。(3)使用方便,电阻值可在0.1～100kΩ之间任意选择。半导体热敏电阻的工作原理一般用量子跃迁观点 进行分析。由于热运动（譬如温度升高）,越来越多载 流子克服禁带宽度（或电离能）引起导电,这种热跃迁 使半导体载流子浓度和迁移率发生变化,根据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。第8章 半导体传感器热敏电阻的主要参数有:①标称阻值RH 在环境温度为(25±0.2)℃时测得的阻值,也称冷电 阻,单位为Ω。 ②电阻温度系数αt热敏电阻的温度每变化1℃时,阻值的相对变化率,单位为%/℃。如不作特别说明,是指20℃时的温度系数。 1 dR ?t ? R dT (8.1) 式中,R为温度为T(K)时的阻值。第8章 半导体传感器③时间常数τ它是指热敏电阻从温度为T0 的介质中突然移入温 度为T的介质中,热敏电阻的温度升高ΔT=0.63(T-T0)所 需的时间,单位为s。它表征热敏电阻加热或冷却的速度。 ④散热系数H 它是指热敏电阻自身发热使其温度比环境温度高 出1℃所需的功率,单位为W/℃或mW/℃。它取决于热 敏电阻的形状、封装形式以及周围介质的种类。第8章 半导体传感器⑤最高工作温度Tm它是指热敏电阻长期连续工作所允许的最高温度,在该 温度下,热敏电阻性能参数的变化应符合技术条件的规定。 热敏电阻主要有三种类型,即 正温度系数型（PositiveTemperatureCoefficient）（简称PTC型）、负温度系数型（NegativeTemperatureCoefficient）（简称NTC型） 临界温度系数型（CriticalTemperatureResistor）（简称CTR 型）。它们的电阻特性如图8.1所示。第8章 半导体传感器1 08 1 07 1 06 ③C TR ②PTCcm ? / ??1 05 1 04 1 03 1 02 1 01①NTC04080 t/℃1 201 602 00图8.1 半导体热敏电阻的温度特性第8章 半导体传感器正温度系数（PTC）型热敏电阻是由在BaTiO3 和SrTiO3 为主的成分中加入少量Y2O3 和Mn2O3 构成的烧 结体。其特性曲线是随温度升高而阻值增大,其色标标 记为红色。负温度系数（NTC）型半导体热敏电阻研究最早,生产最成熟,是应用最广泛的热敏电阻之一,通常是一种氧化物 的复合烧结体,特别适合于-100～300°C之间的温度测 量,其色标标记为绿色。其阻值与温度的关系为B TR ? Ae式中,R为温度T时的阻值,单位为Ω;T为温度,单位是K;A,B 为取决于材质和结构的常数,其中A的量纲为Ω,B的量纲为 K。第8章 半导体传感器1 1 R ? R0 exp[ B( ? )] T T0式中,R为任意温度T时热敏电阻的阻值,T为任意温度［K］,R0为标准温度T0［K］时的阻值,B称为负温度材料系数也称为B常数。 1 R B? ln 1 1 R0 ? T T0B T? R B ln ? R0 T0 1 dR B ?t ? ?? 2 R dT T第8章 半导体传感器3 50 0 3 10 0 3 30 00501 001 50图8.2 B常数的温度特性第8章 半导体传感器热敏电阻的温度系数随温度减小而增大,所以低温时热敏电阻温度系数大,所以灵敏度高,故热敏电阻常用 于低温（-100～300°C）测量。 在稳态情况下,热敏电阻上的电压和通过的电流之 间的关系,称为伏安特性。热敏电阻的典型伏安特性如 图8.3所示。5010电压 / V? 0k 47 ? 0k 22 k? 00 1 ? 7k 4 k? 2250 mW1k? 10 ? 7k 4. k? .2 210W 1mmW1k?0 .1 0 .0 10 .11 电流 / mA101 00从图中可见,在小电流情况下,电压降和电流成正比,这一工作区是线 性区,这一区域适合温度测量。随电流增加,电压上升变缓,曲线呈非 线性,这一工作区是非线性正阻区。当电流超过一定值以后,曲线向 下弯曲出现负阻特性,称为负阻区。第8章 半导体传感器流过热敏电阻的电流与时间的关系,称为安时特性,如图8.4所示。它表示热敏电阻在不同电压下,电流达到 稳定最大值所需要的时间。对于一般结构的热敏电阻, 其值均在0.5~1s之间。50 40 E＝8 0 V 70 V电流 / mA30 20 10 060 V 50 V 40 V 30 V1234 时间 / s56789第8章 半导体传感器目前半导体热敏电阻还存在一定缺陷,主要是互换性和稳定性还不够理想,虽然近几年有明显改善,但仍比不上金 属热电阻,其次是它的非线性严重,且不能在高温下使用, 因而限制了其应用领域。第8章 半导体传感器2）热敏电阻温度传感器①热敏电阻测温的基本电路? ?RTh Ub Rs U o ut 3 k? Ub 3 32 .2 ?RTh Uo ut Rs 3 .3 2 2 ? k在0～100°C温度范围内有如下关系:UoutU b Rs ? RTh ? Rs第8章 半导体传感器从公式R ? R0 exp[ B(阻值之间有非线性特性。为了改善它的线性,适当调整 Rs值,使得特性曲线通过0°C、50°C、100°C三个温1 1 ? )] T T0可知,温度和热敏电阻的度点。从Uout(50)×2=Uout(0)+Uout(100)的关系,利用各点热敏电阻的阻值可求出Rs值,2 RTh 0 RTh100 ? RTh 0 RTh 50 ? RTh 50 RTh100 Rs ? 2 RTh 50 ? RTh100 ? RTh 0第8章 半导体传感器如果热敏电阻的三个温度点的阻值各为RTh0=30.0kΩ; RTh50=4.356kΩ; RTh100=1.017kΩ 代入公式（8.8）后得到Rs=3.322kΩ。 可以在较宽范围实现线性化第8章 半导体传感器②利用两个热敏电阻,求出其温度差的电路测量温度差的电路是充分利用热敏电阻高灵敏度 的一个例子。在温度测量中,测量温度的绝对值一般能 测量到0.1°C左右的精度,要测到0.01°C的高精度是很 困难的。但是,如果在具有两个热敏电阻的桥式电路中, 在同一温度下,调整电桥平衡,当两个热敏电阻所处环境 温度不同,测量温度差时,精度可以大大提高。第8章 半导体传感器图8.10示出这种求温度差的电路图。图（a）电路的测温范围较小,而且两个热敏电阻的B常数应该一致, 但灵敏度高;图（b）电路的测温范围较大,而且对B常数一致性的要求也不严格,因为它们可以用Rs来适当调整。?R3 Eb R1 R2 (a)?RTh1 Eb?RTh1RTh2?RTh2 (b)Rs1Rs2第8章 半导体传感器2. PN结型热敏器件 利用半导体二极管、晶体管、可控硅等的伏安特 性与温度的关系可做出温敏器件。 它与热敏电阻一样具有体积小、反应快的优点。此外,线性较好且价格低廉,在不少仪表里用来进行温度补偿。特别适合对电子仪器或家用电器的过热保护,也 常用于简单的温度显示和控制。不过由于PN结受耐热 性能和特性范围的限制,只能用来测量150°C以下的温 度。第8章 半导体传感器分立元件型PN结温度传感器也存在互换性和稳定性不够理想的缺点,集成化PN结温度传感器则把感温部 分、放大部分和补偿部分封装在同一管壳里,性能比较一致而且使用方便。1)晶体二极管PN结热敏器件 根据半导体器件原理,流经晶体二极管PN结的正向 电流ID与PN结上的正向压降UD有如下关系I D ? I seqU D kT（8.10）第8章 半导体传感器温度灵敏度为Ug0 ? UD dU D k ? ?[ ?? ] dT T q(8.12)dU D ? ?2mV / K dT第8章 半导体传感器硅二极管正向电压的温度特性如图8.11所示。显而易见, 在40～300K之间有良好的线性。当正向电流一定时,二极管的种类 不同,其温度特性也不同,正向电流变化时,温度特性也随之变化。正方向电压 / VFJT1 000( 100 ? FD3 A) 00 (1 00 ? FD2 A) 00 (1 00 ? FD A) 200 (10 ?A )0 20601 001 40 温度 / K1 802 202 603 00图8.11 硅二极管正向电压的温度特性第8章 半导体传感器二极管测温电路如图8.12所示。利用二极管VD、R1、R2、 R3和RW组成一电桥电路,再用运算放大器把电桥输出电信 号放大并起到阻抗变换作用,可提高信号的质量。 VR1 RW R3R2 R4 R5 R6Rf－ ＋VD图8.12 二极管测温电路第8章 半导体传感器2) 晶体三极管温度传感器根据晶体管原理,处于正向工作状态的晶体三极管, 其发射极电流和发射结电压能很好地符合下面关系qU BE kTI E ? I se (e反向饱和电流。? 1)式中,IE为发射极电流,UBE为发射结压降,Ise为发射结的 因为在室温时,kT/q=36mV左右,因此,在一般发射结正 向偏置的条件下,都能满足UBE&&kT/q的条件,这时上式可 以近似为I E ? I seeqU BE kT（8.13）第8章 半导体传感器对上式取对数,得U BEk IE 令 a ? ln =常数,则 q I sekT I E ? ln q I se(8.14)U BE ? aT(8.15)第8章 半导体传感器由上式可知,温度T与发射结压降UBE有对应关系可根据这一关系通过测量UBE来测量温度T值,且在温度 不太高的情况下,两者近似成线性关系,其灵敏度为dU BE k IE ? a ? ln ? 常数 dT q I se第8章 半导体传感器图8.13为硅半导体 晶体管的基极―发射极 间电压UBE 和集电极电 流IC关系的温度特性。1 0235 38 3 5.8 K 30 0 25 5.2 .5 22 3.310IC / ?A12 4 .71 0－2 1 0－4 1 0－6 00 .20 .417 6.80 .6 UBE / V0 .877 .51 .01 .2图8.13 UBE与IC的温度特性第8章 半导体传感器图8.14为晶体管温度传感器用作电子体温计的原理 图及其输出特性。在0～50°C的范围内,输出电压变化 为0～-1V,测温精度不低于0.05°C。屏蔽线R2 1 M?3 XI 2 INV R5 6 80 k ?18输出电压 / VR1 7 k?1 00 p F 1 50 k ? －7 V 7 4 R6 2 M? －7 V (a) 输出电压R4－1 .0 －0 .8 －0 .6 －0 .4 －0 .2 0 10 20 30 40 50 温度 / ℃ (b)?A7 4 86R3 ? D8 1 1 1 00 k 传感三极管图8.14 晶体管体温计原理图及测温输出特性第8章 半导体传感器3)可控硅热敏开关结型热敏器件另一种类型是利用可控硅元件的热开 关特性制成的可控硅热敏开关,是一种无触点热开关元件。当元件处于关态时,流过阳极与阴极之间的电流ID为I C 0 ? a1 I G ID ? 1 ? (a1 ? a2 )式中,IG为流过阳极与栅接触电阻的旁路选通电 流;a1为空穴电流增长率，a2为电子电流增长率，IC0为集电极截止电流。第8章 半导体传感器I C 0 ? a1 I G ID ? 1 ? (a1 ? a2 )当截止电压一定时,随温度的上升,热激电子空穴对成指数增加,使IC0增大,a1和a2也增大。当温度达到一定值,使a1+a2=1时,元件即由截止状态转换为导通状态。图 8.15为可控硅热敏开关元件的开关电压与开关温度之间的关系特性。可控硅热敏开关元件具有温度传感和开关两种特 性,开关温度可通过调整栅极电阻上的外加电压进行控 制,导通状态具有自保持能力,并能通过较大电流。第8章 半导体传感器140 120TT201 条件 CCA＝0.001 ?F开关电压力 SW / V U100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 RCA＝100 k? 470 k? 1 M? RCA＝33 k? 10 k? 3.3 k? 330 ? 1 U DRM 2 140 160开关温度TSW / ℃图8.15 可控硅热敏开关元件的温度特性第8章 半导体传感器图8.16为可控硅热敏开关元件（T?Thy）用于控温的原理图。在设定温度下处于关闭状态,设定温度由VR调整。由于RC电路的相移作用,流经C1,R1,R2的电流 相位较电源电压超前,故可控硅管（SCR）V从电源的零相位开始导通,并向负载提供半波电功率。当温度超过设定温度时,可控硅热敏开关（T?Thy）导通致使可控硅管（SCR）V截止,从而达到控温作用。C1 0 .1 5?F R5 1 00? 负载 5 0 W R1 8 .2 k ? R2 6 .8 ?~AC 10 0 V 5 0 ~ 6 0Hz R1 1 k? VR 5 00 k ? CG ZDV SCR2AM -4C2 0 .1 ?FMZ324T? Thy 2 01R3 1 k?第8章 半导体传感器表8.1 可控硅热敏开关的应用范围第8章 半导体传感器3.集成（IC）温度传感器集成电路（IC）温度传感器是近期开发的,把温度 传感器与后续的放大器等用集成化技术制作在同一基片 上而成的,集传感与放大为一体的功能器件。这种传感 器,输出特性的线性关系好,测量精度也比较高,使用起来 方便,越来越受到人们的重视。它的缺点是灵敏度较低。第8章 半导体传感器IC传感器的基本特性如下： （1）可测得线性输出电流（1μA/°C）。 （2）检测温度范围广(-55～150°C)。 （3）测量精度为±1°C。 （4）无调整时也可使用。 （5）直线性很好,满量程非线性偏离:±0.5°C。 （6）使用电源范围广（+4～+30V）。第8章 半导体传感器IC温度传感器的设计原理是,对于集电极电流比一定的两个晶体管,其UBE之差ΔUBE与温度有关。 由U BE ? kT I E ln q I se知,发射结压降与发射极电流IE及反向饱和电流Ise有关,两个晶体管的发射结正向压降分别为kT I E1 U BE1 ? ln q I se1 U BE 2 kT I E 2 ? ln q I se 2kT I E1 I se 2 ? ln q I E 2 I se1则两个晶体管发射结压降差?U BE ? U BE1 ? U BE 2（8.16）第8章 半导体传感器(8.16）式表明ΔUBE 与绝对温度T成正比。选择特 性相同的两个晶体管,则Ise1=Ise2,两个晶体管的电流放大 系数也应相同,当两个晶体管的集电极电流分别为IC1、IC2时,?U BEkT I C1 ? ln q IC 2（8.17）ΔUBE经后级放大器放大后,可使传感器的输出随温度产 生10mV/℃的变化量。 IC温度传感器按输出方式可分为电压输出型和电流输出型。图8.18为电压输出型IC温度传感器原理图。图中V1 、V2为集电极电流分别为I1、I2的两个性能相同的晶体管。图 8.19为放大器的原理框图。第8章 半导体传感器V＋ I1 R3 R2 I2 V2 V1 R1 GND图8.18 电压输出型IC温度传感器原理图Usc第8章 半导体传感器3V＋10 mV / K2 ＋ 放大器 － 50 k ? 1输入输出传感器4V－图8.19 电压输出型IC温度传感器放大器的原理框图第8章 半导体传感器vV1V2V3 ＋ UT －V4 R－图8.20 电流输出型IC温度传感器原理图第8章 半导体传感器电流输出型IC温度传感器原理图如图8.20所示。从图中不难看出: UBE1=UBE2; IC3=IC4V1vV2C设计时,取V3 发射极面积为V4 发射极面积的8倍, 于是根据式(8.17)得电阻R上的电压输出为V3 ＋ V4 RkT UT ? ln8 ? 0.1792mV / K UT q － 图中集电极电流由UT/R决定,电路中流过的电流为流过R的电流的2倍。取R=358Ω,则可获得灵敏度为1μA/K的温度传感器。－第8章 半导体传感器IC温度传感器的一大特点是应用起来很方便。图8.21表示最简单的绝对温度计（开耳芬温度计）。如果 把它的刻度换算成摄氏、华氏温度刻度时就可以做成各种温度计了。图8.22表示用串联电路时测量低温度的电路图。图8.23表示用并联电路时测量平均温度值的电 路图。第8章 半导体传感器－ IC ＋ ?A＋ 5 00?A －4 ~ 30 V图8.21 开耳芬温度计第8章 半导体传感器－＋ － IC×3 ＋ －＋ ?A 5 00?A －＋图8.22 低温测量温度计第8章 半导体传感器－－－ IC×3＋＋＋＋ mA 1 .5 mA －图8.23 测量平均温度的电路图第8章 半导体传感器4.半导体光纤温度传感器光纤的特征是对电、磁及其他辐射的抗干扰性好, 而且细、轻、能量损失少。因此,利用光纤做的传感器, 在恶劣的环境下也能正常工作。 图8.24表示各种半导体禁带宽度的温度特性,从图 中可看出,半导体的禁带宽度Eg 随温度T增加近似线性 地减小。因此,半导体吸收边波长λg（λg=ch/EG,式中,c为 光速,h为普朗克常数）随温度增加而向长波长方向位移,如图8.25所示。利用半导体材料的光吸收与温度的关系,可以构成透射式光纤温度传感器。第8章 半导体传感器2 .2 1 .8GaPEg / eV1 .4 1 .0 SiGaA sInP0 .6 0 .2 0 1 00 3 00 T/KGe(掺 杂)( Ge 本 征 )5 00图8.24 各种半导体禁带宽度的温度特性第8章 半导体传感器1 .5 1 .4 光源光谱 50 40 30 T1 T2 T3 T1 ＜T2 ＜T3 20 10相对光强1 .3 1 .2 1 .10 .8?g 0 .9波长 / ?m1 .0图8.25 半导体材料的吸收特性透过率 / ％第8章 半导体传感器图8.26（a）为测量原理图。在输入光纤和输出光纤之间夹一片厚度约零点几毫米的半导体材料,并用不 锈钢管加以固定,如图8.26(b)所示。光纤 光源 温度敏感元件 (半导体光吸收片) 光纤 输出 放大器 光电二极管 (a) 光纤 半导体吸收片 (b) 光纤 光纤接头 不锈钢管图8.26 半导体吸收式光纤温度传感器的测温原理图第8章 半导体传感器选择适当的半导体发光二极管LED,使其光谱范围 正好落在吸收边的区域。半导体材料的光吸收,随着吸 收边波长变短而急剧增加,直到光几乎不能透过半导体。 相反,波长比λg长的光,半导体透过率就高。由此可见,半 导体透射光强随温度的增加而减少。用光电探测器检 测出透射光强的变化,并转换成相应的电信号,便能测量 出温度。 为了进一步提高传感器的稳定性及抗干扰能力,并提高测量精度,可采用以下两种方法。第8章 半导体传感器1）双光纤参考基准通道法其结构框图如图8.27所示。光源采用GaAlAs-LED, 半导体吸收材料CdTe或GaAs作为测量元件。探测器选 用Si-PIN发光二极管。从图中可看出,此方案与前一方 案的区别在于增加了一条参考光纤及相应的探测器。 由于采用了参考光纤和除法器,消除了干扰,提高了测量 精度。这种温度计测温范围为-40～120°C,精度为 ±1°C。第8章 半导体传感器2）双光源参考基准通道法图8.28为测温示意图。发光二极管LED （AlGaAs,λ1=0.88μm;InGaAsP,λ2=1.27μm）交替地发出 光脉冲,经耦合器送入光纤探头,每个光脉冲的宽度为 10ms。半导体GdTe(或GaAs)对一只LED发射波长为λ1 的光的吸收与温度有关,而对另一只LED发出的波长为 λ2的光几乎不吸收,这样可以作为参考光,经Ge-APD光 电探测器送入采样保持电路,得到正比于脉冲幅值的直流信号,最后采用除法器获得温度信号。该温度计测温范围为-10～300°C,精度为±1°C。第8章 半导体传感器参考光纤 光源激励 光源 测量光纤 U1 U0 除法器 至处理显示 U2 放大 对称式光纤探测器 放大 探头图8.27 双光纤参考基准通道法原理框图第8章 半导体传感器LED 耦合器?1 ?2?1脉冲发生器LED ÷ 输出?2探头Ge-APD?1?2采样保持图8.28 双光源参考基准通道法原理框图第8章 半导体传感器8.1.2 非接触型半导体温度传感器温度为T的物体对外辐射的能量E与波长λ的关系, 可用普朗克定律描述,即C2 ? 1]?1 （8.18） ?T 式中,εT为物体在温度T之下的发射率（也称为“黑度系 数”,当εT=1时物体为绝对黑体）;C1为第一辐射常数 （第一普朗克常数）,C1=3. W?m2;C2为第二 辐射常数（第二普朗克常数）,C2=1. m? K。 E (?T ) ? ? T C1? ?5 [exp第8章 半导体传感器根据斯特藩-玻耳兹曼定律,将上式在波长自0到无穷大进行积分,当εT=1时可得物体的辐射能??0E (?T )d ? ? ? bTb4(8.19)此处,σb是黑体的斯特藩-玻耳兹曼常 数,σb=5.7×10-8W?m-2?K-4;Tb是黑体的温度。第8章 半导体传感器一般物体都不是“黑体”,其发射率εT不可能等于1,而且普通物体的发射率不仅和温度有关且和波长有关, 即εT=εT(λ?T),其值很难求得。虽然如此,辐射测温方法 可避免与高温被测体接触,测温不破坏温度场,测温范围 宽,精度高,反应速度快,即可测近距离小目标的温度,又 可测远距离大面积目标的温度。辐射能与温度的关系 通常用实验确定。第8章 半导体传感器黑体的辐射规律之中,还有维恩位移定律,即辐射能量的最大值所对应的波长λm 随温度的升高向短波方向 移动,用公式表达为2898 ?m ? ?m T(8.20)利用以上各项特性构成的传感器,必须由透镜或反 射镜将物体的辐射能会聚起来,再由热敏元件转换成电 信号。常用的热敏元件有热电堆、热敏或光敏电阻、 光电池或热释电元件。第8章 半导体传感器透镜对辐射光谱有一定的选择性,例如光学玻璃只能 透 过 0.3 ～ 2.7μm 的 波 长 , 石 英 玻 璃 只 能 透 过 0.3 ～ 4.5μm的波长。热敏元件,尤其是光敏元件也对光谱有选择性。这样就使得接收到的能量不可能是物体的全部辐射能,而只是部分辐射能。真正的全辐射温度传感 器是不存在的。图8.29为热辐射温度计的原理框图。由光学系统接收来的被测物体的辐射能,经光调制盘进行调制后进入 传感器,然后经同步整流取出信号,再经放大后输出。为 了能够正确测量,还应对被测对象的发射率进行修正。第8章 半导体传感器用热辐射传感器制成的温度计测温范围为(-50～+3500)℃,测量灵敏度为0.01～1K,精度为±(0.5～2)%。 红外热辐射传感器,从原理上又可分为热电型和光 量子型。热电型是指由于辐射热引起元件温度的微小 变化,导致电阻一类的物理量的变化,而达到测温的目的。 这类传感器一般与波长无关。光量子型是利用光电效 应制成的,因而与波长有关。第8章 半导体传感器光圈 半透镜 被测 物体观察透镜比较电灯 物镜 电机 旋转调制盘 旋转同步检测 滤波器 检测器(PbS等) A1 同步 整流 A2 线性化 处理 输出图8.29 热辐射温度计的原理框图第8章 半导体传感器热释电元件和压电陶瓷一样,都是铁电体,如铌酸锶钡、钛酸铅、铌酸钽等,除具有压电效应外,在辐射能量 照射下也会放射出电荷。经高输入阻抗的放大电路放大之后,可得到足够大的电信号。但是在连续不断的照射下,它并不能产生恒定的电动势,必须对辐射进行调制, 使成为断续辐射,才能得到交变电动势。因此,应该用交 流放大电路。热释电元件的响应时间短,通常把它和场 效应管封装在同一外壳里,辐射经锗或硅窗口射入,由场 效应管阻抗变换后与放大电路配合。其结构和电路如 图8.30所示。第8章 半导体传感器硅窗D 热释电 元件 场效应 管 G S 10 M ? 10 k ?(b)(a)图8.30 热释电辐射传感器第8章 半导体传感器热释电元件多用于红外波段的辐射测温中。图8.30中只 画出了管壳内部电路,使用时还需配接放大器。由于管内已有 阻抗变换,放大器设计比较简单,只需将交流信号放大到一定 程度再解调成直流即可反映被测温度。光量子型传感器可以分为光导（PC）型、光电（PV） 型、光电磁（PEM）型、肖特基（ST）型。PC型结构是电阻体光照后引起阻值变化;PV型为一PN结二极管,其耗尽层上由于光照射生成电子空穴 对,检测由此产生的光电流;PEM型是利用PEM效应,即在加上电场及磁场的同时,由于光 照而产生与光强成比例的感应电荷;肖特基型是根据金属与半导体接触形成的肖特基势垒随光照 而变化的原理制备的。第8章 半导体传感器红外光 红外光I 偏置电流 (a) (b) 磁场 PN金属 半导体电场I (c) (d )图8.31 光量子型红外传感器示意图(a)PC型；(b)PV型；(c）PEM型;（d）ST型第8章 半导体传感器1 01 2 Si PbS比检测率D*1 01 1 可见光 1 01 0 灵敏度Hg Cd TeInSb 1 09热敏电阻 辐射热测量计 热电堆1 08 0 .4 0 .6 0 .81 .0246 8 1020 30波长? / ?m图8.32 红外传感器的光谱特性第8章 半导体传感器8.2 半导体湿度传感器8.2.1 湿度的定义 湿度是指大气中的水蒸气含量. 在物理学和气象学中,对大气（空气）湿度的表征通常使 用绝对湿度、相对湿度和露（霜）点湿度。在一定温 度和压力条件下,单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量为绝对湿度:mV PV ? V(g/m3)第8章 半导体传感器为了更好地描述一些与湿度有关的自然现象,目前,普遍用相对湿度（缩写为RH）来表示湿度。所谓相对湿度是 指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度PS的百分比,即满足如下关系:P H ? V ? 100% PS（8.21）保持压力一定而降温,使混合气体中的水蒸气达到 饱和而开始结露或结霜时的温度称为露点温度,单位为℃。第8章 半导体传感器8.2.2 湿度传感器的主要参数1.湿度量程 能保证一个湿敏器件正常工作的环境湿度的最大 变化范围称为湿度量程。湿度范围用相对湿度 （0~100）%RH表示,量程是湿度传感器工作性能的一 项重要指标。第8章 半导体传感器2. 感湿特征量-相对湿度特性曲线每种湿度传感器都有其感湿特征量,如电阻、电容、 电压、频率等,在规定的工作温度范围内,湿度传感器的 感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线,称为相对 湿度特性曲线,简称感湿特性曲线。通常希望特性曲线 应当在全量程上是连续的且呈线性关系。有的湿度传 感器的感湿特征量随湿度的增加而增大,这称为正特性 湿敏传感器;有的感湿特征量随湿度的增加而减小,这称 为负特性湿敏传感器。第8章 半导体传感器3.感湿灵敏度在某一相对湿度范围内,相对湿度改变1%RH时,湿 度传感器感湿特征量的变化值或百分率称为感湿灵敏度,简称灵敏度,又称湿度系数。感湿灵敏度表征湿度传感器对湿度变化的敏感程度。如果湿度传感器的特性 曲线是线性的,则在整个使用范围内,灵敏度就是相同的; 如果湿度传感器的特性曲线是非线性的,则灵敏度的大 小就与其工作的相对湿度范围有关。第8章 半导体传感器4.温度系数温度系数是反映湿度传感器的感湿特征量-相对湿 度特性曲线随环境温度而变化的特征。感湿特征量随环境温度的变化越小,环境温度变化所引起的相对湿度的误差就越小。温度系数分为特征量温度系数和感湿 温度系数。 在环境湿度保持恒定的情况下,湿度传感器特征量 的相对变化量与对应的温度变化量之比,称为特征量温 度系数。如感湿特征量是电阻,则电阻温度系数为电阻温度系数（%/°C）?R2 ? R1 ? 100 R1?T第8章 半导体传感器H 2 ? H1 感湿温度系数（%RH/°C）? ?T式中,ΔT为一个温度(25°C)与另一规定环境温度之 差;H1 为温度为25°C时湿度传感器的某一电阻值对应 的相对湿度值;H2为另一规定环境温度下,湿度传感器的同一电阻值对应的另一相对湿度值。第8章 半导体传感器5.响应时间在一定的温度下,当相对湿度发生跃变时,湿度传感 器的感湿特征量之值达到稳态变化量的规定比例所需 要的时间称为响应时间,也称为时间常数。一般是以相 应于起始和终止这一相对湿度变化区间63%的相对湿 度变化所需要的时间,叫响应时间,单位是s,也有规定从 始到终90%的相对湿度变化作为响应时间的。响应时 间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大多数湿度 传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间,一般以脱 湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。第8章 半导体传感器6.湿滞回线湿度传感器在升湿和降湿往返变化时的吸湿和脱 湿特性曲线不重合,所构成的曲线叫湿滞回线。由于吸 湿和脱湿特性曲线不重合,对应同一感湿特征量之值,相 对湿度之差称为湿滞量。湿滞量越小越好,以免给湿度 测量带来难度和误差。第8章 半导体传感器7.电压特性用湿度传感器测量湿度时,由于加直流测试电压引 起感湿体内水分子的电解,致使电导率随时间的增加而 下降,故测试电压应采用交流电压。湿度传感器感湿特 征量之值与外加交流电压之间的关系称为电压特性。 当交流电压较大时,由于产生焦耳热,对湿度传感器的特 性会带来较大影响。 8.频率特性 湿度传感器的阻值与外加测试电压频率有关。在 各种湿度下,当测试频率小于一定值时,阻值不随测试频 率而变化,该频率被确定为湿度传感器的使用频率上限。 当然,为防止水分子的电解,测试电压频率也不能太低。第8章 半导体传感器9.其它特性与参数精度是指湿度量程内,湿度传感器测量湿度的相对 误差。 工作温度范围表示湿度传感器能连续工作的环境温 度范围,它应由极限温度来决定,即由在额定功率条件下, 能够连续工作的最高环境温度和最低环境温度所决定。 稳定性是指湿度传感器在各种使用环境中,能保持 原有性能的能力。一般用相对湿度的年变化率表示,即±%RH/年。寿命是指湿度传感器能够保持原来的精度,能够连 续工作的最长时间。第8章 半导体传感器8.2.3湿度传感器器件目前常用的湿度传感器种类有:机械式湿度传感器, 如利用脱脂处理后的毛发（现多改成竹膜、乌鱼皮膜、 尼龙带等材料）,在空气相对湿度增大时毛发伸长,带动 指针转动构成的毛发式湿度计等;由两个完全相同的玻 璃温度计,其中一个感温包直接与空气接触,指示干球温 度,另一感温包外有纱布且纱布下端浸在水中经常保持 湿润,指示的是湿球温度,由干球温度和湿球温度之差即 可换算出相对湿度的干湿球湿度计。第8章 半导体传感器这些湿度计的主要缺点是灵敏度和分辨率等都不够 高,而且是非电信号的湿度测量,难以同电子电路和自动控 制系统及仪器相联结。 根据所使用的材料的不同,湿度传感器分为电介质型、陶瓷 型、高分子型和半导体型等。这里只介绍半导体湿度传 感器。从性能的总体来看,无论哪一种材料制成的传感器, 都有它各自的特点,既有长处,也有短处,它们分别能满足 某些方面的要求。近几年来出现的半导体陶瓷感湿元件、 MOS型感湿元件和结型湿敏器件已达到较好水平,具有 工作范围宽,响应速度快,耐环境能力强等特点,是当前湿 度传感器的发展方向。第8章 半导体传感器1.元素半导体湿敏器件在电绝缘物表面上通过蒸发等工艺,制备一层具有吸湿 性的元素半导体薄膜,可形成湿敏电阻器。湿敏传感器就是 利用上述湿敏电阻器的电阻值随湿气的吸附与脱附过程而 变化的现象制成的。通常利用Ge和Se等元素半导体的蒸发 膜制备湿敏器件,锗的蒸发膜厚度适用于高湿度的测量。锗 的湿敏器件的特点是不受环境中灰尘等的影响,能够得到比 较精确的测量结果。然而在制备器件时,锗的蒸发膜的老化 需要较长时间,并且器件的重复性差。第8章 半导体传感器利用金属硒蒸发膜或无定型硒蒸发膜都可以做湿敏器件。一般来说,硒蒸发膜的湿敏器件的电阻值比锗蒸 发膜的湿敏器件电阻值低,被测湿度范围较大,但它也有 和锗膜湿敏器件同样的需要较长老化时间的缺点。第8章 半导体传感器图8.33为硒蒸发膜湿度传感器的结构,在绝缘瓷管表面上镀一层铂膜,然后以细螺距将铂膜刻成宽约0.1cm 的螺旋状,以此作为两个电极。在两个电极之间蒸发上硒,A为铂电极,B为硒蒸发膜层。图8.34为硒蒸发膜湿度传感器的电阻-湿度特性。由于这种传感器不使用吸湿 性盐和固定剂,所以能够在高温下长期连续使用。AB图8.33 硒蒸发膜湿度传感器的结构第8章 半导体传感器1 00 2 0℃ 10电阻 / ?×10 61 0 .1 0 .0 1 204060801 00相对湿度 / ％图8.34 硒蒸发膜湿度传感器电阻-湿度关系第8章 半导体传感器2. 金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件金属氧化物半导体陶瓷材料具有较好的热稳定性及其抗 沾污的特点,逐渐被人们所重视,相继出现了各种半导体 陶瓷湿敏器件。 半导体陶瓷使用寿命长,可以在很恶劣的环境下使用几万 小时,这是其它湿敏器件所无法比拟的。半导体陶瓷湿 敏器件,在对湿度的测量方面,可以检测1%RH这样的低 湿状态,而且还具有响应快、精度高、使用温度范围宽、湿滞现象小和可以加热清洗等各种优点。所以,半导体陶瓷湿敏器件已在当前湿度敏感器件的生产和应用中 占有很重要的地位。第8章 半导体传感器金属氧化物半导体陶瓷材料,按其制备方法的不同可分为两大类:一类就是把一些金属氧化物微粒经过粘 结而堆积在一起的胶体,人们通常将这种未经烧结的微粒堆积体称为陶瓷,用这种陶瓷材料制成的湿度敏感器件,一般称为涂覆膜型湿度敏感器件。另一类陶瓷材料 是经过研磨、成型和按一般制陶方法烧结而成具有典 型陶瓷结构的各种金属氧化物半导体陶瓷材料。它们 共同的特点是多孔状的多晶烧结体。因此,有时也将它 们称为烧结型陶瓷材料。第8章 半导体传感器1）涂覆膜型Fe3O4湿度敏感器件涂覆膜型湿度敏感器件有许多种类,其中比较典型 且 性 能 较 好 的 是Fe3O4 湿 度 敏感 器 件 。 一 般 来 说, 像 Fe3O4这样的金属氧化物是很好的吸附水和脱水速干的 材料。同时, Fe3O4 比其它金属氧化物材料具有比较低 的固有电阻,而且对基板附着性好,因此,使用Fe3O4 做湿 敏器件,不但工艺简单,而且价格低廉。第8章 半导体传感器把氯化铁和氯化亚铁按2∶1的比例加水混合成溶液,然后加进NaOH,这时就沉淀出黑色Fe3O4 。用纯水 洗去杂质,可做成质量很好的Fe3O4胶体。这类器件的特点是物理特性和化学特性比较稳定,结构、工艺简单,测湿量程宽,重复性和一致性较好,寿 命长,成本低等。Fe3O4和Al2O3湿度敏感器件材料就属 于涂覆膜型湿度敏感器件材料。除此之外,作为涂覆 膜型湿度敏感器件材料的还有Cr2O3、Ni2O3、Fe2O3、 ZnO等。第8章 半导体传感器1 08R /?1 07 1 06 1 05 1 04 1 03 0 0 .2 0 .4 0 .6 RH 0 .8 1图8.35 Fe3O4胶体膜传感器的电阻与湿度的关系第8章 半导体传感器2）多孔质烧结型陶瓷湿敏器件目前,从各国湿度传感器的产量中可以看出,约有 50%以上是烧结型的,而厚膜和薄膜各占15%到20%。以 不同的金属氧化物为原料,通过典型的陶瓷工艺制成了 品种繁多的烧结型陶瓷湿度传感器,其性能也各有优劣。第8章 半导体传感器多孔质烧结型陶瓷MgCrO4-TiO2湿敏器件的结构如图8.36所示。加热丝 感湿体 Ru O2 电极 隔漏环 底板图中1、4是加热器引出 线。电极材料选用RuO2, 这是因为所制成的RuO2 电极具有多孔性,允许水 分子通过电极到达陶瓷 表面,同时RuO2的热膨胀 系数与陶瓷体相一致,附 着力也比较好。另 外,RuO2化学性能稳定。4 1 3 2 感湿体引线 接线柱图8.36 烧结型MgCrO4-TiO2湿敏传感器结构第8章 半导体传感器图8.37 MgCrO4DTiO2系陶瓷湿度传感器的特性? (a)电阻-湿度特性;(b)电阻-温度特性;(c)响应时间特性第8章 半导体传感器3）厚膜陶瓷湿度传感器厚膜湿度传感器主体部分结构如图8.38所示,是在氧化铝 基片上印刷梳状电极,梳状电极相互交错排列并成平行 线。图8.38 厚膜湿度传感器主体部分结构图第8章 半导体传感器传感器的电阻值与温度、湿度的关系,在常温下,相对 湿 度 大 于 30%RH 时 , 电 阻 值 小 于 1MΩ, 当 湿 度 从 30%RH变化到90%RH时,电阻值约变化三个数量级。温度对电阻-湿度特性有影响,低湿时影响较大,相对湿度不变的情况下,随着温度升高,电阻值变小。第8章 半导体传感器4）薄膜湿度传感器薄膜湿度传感器的结构一般有两种形式,一种是在硼硅玻 璃或蓝宝石衬底上沉积一层氧化物薄膜,然后在薄膜上再蒸发 一对梳状电极;另一种是先在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上,用真 空蒸发方法制作下金电极,再用喷镀法或溅射法生成一层多孔 质的氧化物薄膜,然后再在此薄膜上蒸发上金电极,为了让水 蒸气顺利通过,金的厚度在70nm左右。薄膜湿度传感器的结 构如图8.39所示。第8章 半导体传感器图8.39 薄膜湿度传感器的结构第8章 半导体传感器图8.40 Ta2O5薄膜湿度传感器的电容-湿度特性第8章 半导体传感器制作薄膜湿度传感器的主要薄膜材料是Ta2O5 和Al2O3。它们都具有很高的热稳定性和化学稳定性,因此 用它们制成的湿度传感器能在很高的环境温度下工作。 感湿膜很薄,响应时间很快（约1~3s）,特别适宜在高速 湿度响应场合下使用。 薄膜湿度传感器的感湿特征量往往都采用电容量, 由于纯水的介电常数比较大,当环境相对湿度增加时,薄 膜湿度传感器所吸附的水分子增多,因而使电容量增大。图8.40是Ta2O5 薄膜湿度传感器的电容―湿度特性。它具有正电容湿度系数。第8章 半导体传感器3．多功能半导体陶瓷湿度传感器随着微机的普及,产业和家庭电器方面的自动控制 技术发展迅速,这就要求研究和生产更方便的各种传感 器,其中对能够同时检测湿度、温度和气体的多功能传 感器的呼声尤其高,比如,冷暖空调机的温度和湿度的控 制,干燥机的温度控制和水分的检测,电子灶的温度、湿 度和各种气体的检测方面越来越多地要求使用这种多 功能传感器。第8章 半导体传感器MgCr2O4-TiO2系多功能半导体陶瓷材料的导电性一 般是空穴导电,在300～550°C温度范围内对各种气体都 较敏感。比如,在以氧气为首的氧化性气氛中这种陶瓷材 料的电阻减少,而随着硫化氢、酒精、氢等还原性气体浓 度的增加其电阻率增加。MgCr2O4-TiO2系陶瓷高温气敏 特性如图8.41所示。第8章 半导体传感器图8.41 MgCr2O4-TiO2系陶瓷高温气敏特性第8章 半导体传感器金属氧化物半导体陶瓷材料BaTiO3-SrTiO3 的介电常数与温度的依赖性是极其明显的,因此也就成为热敏 器件的理想材料,通过掺入少量的MgCr2O4 以及利用陶 瓷体本身所具有的多孔结构,就可制得多功能的湿度-温 度传感器。这就是巧妙利用了半导体陶瓷材料的体单 晶性质和表面性质而做的复合功能传感器。其等效电 路如图8.42所示。第8章 半导体传感器图8.42 湿度-温度传感器的等效电路第8章 半导体传感器4．MOSFET湿敏器件用半导体工艺制成的MOS型场效应管湿敏器件,由 于是全固态湿敏传感器,有利于传感 器的集成化和微型 化,因此是一种很有前途和价值的湿度传感器。图8.43 表示MOS型场效应管湿敏器件的典型结构。从图中看 出,这种湿敏器件是在MOS型场效应管的栅极上涂覆一 层感湿薄膜,在感湿薄膜上增加另一电极而构成的新型 湿敏器件。第8章 半导体传感器图8.43 MOSFET湿敏器件结构第8章 半导体传感器5．结型湿敏器件利用肖特基结或PN结二极管的反向电流或者反向击 穿电压随环境相对湿度的变化,可以制成一种结型湿度敏 感器件。在结型湿度敏感器件中,二氧化锡湿敏二极管是 比较有代表性的。 这种二极管是采用电阻率为5Ω?cm的N型硅单晶材料 制作的。制作过程为：将硅片置于通氧和水汽的、温度 达520℃左右的石英管道炉中,使其生成一层SiO2,再在SiO2上淀积一层透明而又导电的SnO2薄膜,最后在硅片的背面和SnO2层上用真空镀膜方法制作金属Al电极。第8章 半导体传感器电极膜的厚度不宜太厚,以便SnO2表面和空气中的水蒸气相接触,理想的厚度为100?左右。SnO2具有很好 的导电性,因而这种结构的二极管可看作是一个肖特基结或异质结,具有整流特性。上述二极管的结区直接暴露于环境气氛之中,结果发现,在二极管处于反向偏压状 态时,在雪崩击穿区附近,其反向电流直接与环境的相对 湿度有关,或者说,其反向击穿电压随环境相对湿度而改 变,即使二极管具有了感湿特性。图8.44表示二氧化锡湿 敏二极管的结构。图8.45为SnO2湿敏二极管雪崩电流与 相对湿度的关系。从图中看出,随着相对湿度增加,反向 电流减少。第8章 半导体传感器图8.44 SnO2湿敏二极管的结构第8章 半导体传感器图8.45 SnO2湿敏二极管雪崩电流与相对湿度关系第8章 半导体传感器8.2.4 半导体陶瓷湿度传感器的检测精度大部分半导体陶瓷湿度传感器是利用电阻值变化 检测湿度的。这样在实际应用时可在很大程度上简化 检测电路,在空调机、加湿器、除湿器等民用家电产品 中应用陶瓷湿度传感器时,应当考虑其成本。因此,在研 究传感器特性时,应当考虑检测电路的结构和精度,图 8.46表示陶瓷湿度传感器在广泛湿度范围检测湿度时使 用的电路。第8章 半导体传感器图8.46 放大电路第8章 半导体传感器8.3 半导体气体传感器表8.2给出了半导体气敏器件的分类。从表中看出, 目前研究和使用的半导体气敏器件大体上可分为电阻 式和非电阻式两大类。电阻式又可分成表面电阻控制 型和体电阻控制型。非电阻式又可分为利用表面电位 的、二极管整流特性的和晶体管特性的三种。第8章 半导体传感器表8.2 半导体气敏器件的分类第8章 半导体传感器8.3.1 半导体电阻型气敏器件适宜制作半导体气敏传感器的材料主要是氧化物。 由于半导体材料的特殊性质,气体在半导体材料颗粒表 面的吸附可导致材料载流子浓度发生相应的变化,从而 改变半导体元件的电导率。由氧化物半导体粉末制成 的气敏元件,具有很好的疏松性,有利于气体的吸附,因此 其响应速度和灵敏度都较好。通常所指的氧化物半导 体气敏传感器,就是由粉末状氧化物经烧结或沉积而制 成的。第8章 半导体传感器1．表面电阻控制型气敏器件它是利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件 电阻值变化特性制成的一类传感器。多数是以可燃性 气体为检测对象,但如果吸附能力很强,即使是非可燃性 气体也能作为检测对象。这种类型的传感器,具有气体 检测灵敏度高、响应速度比一般传感器快、实用价值 大等优点。第8章 半导体传感器表面电阻控制型半导体气敏器件的工作原理,主要是靠表面电导率变化的信息来检验被接触气体分子。 因此,要求做这种器件的半导体材料的体内电导率一定要小,这样才能提高气敏器件的灵敏度。第8章 半导体传感器图8.47 表面电阻控制型气体传感器的结构? (a)烧结型；(b)薄膜型;(c)厚膜型;(d)多层结构型第8章 半导体传感器引线 零位 引线 电极催化介层 矾-钼-三氧化二铝 灯丝 绝缘管 (d )图8.47 表面电阻控制型气体传感器的结构? (a)烧结型；(b)薄膜型;(c)厚膜型;(d)多层结构型第8章 半导体传感器气敏器件的阻值R与空气中被测气体的浓度C成对数关系变化:lg R ? m lg C ? n(8.22)式中,n与气体检测灵敏度有关,除了随传感器材料和 气体种类不同而变化外,还会由于测量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化。m是随气体浓度而变化的传感器灵敏度（也称为气体分离度）,对于可燃性气 体,1/3≤m≤1/2。第8章 半导体传感器图8.48 氧化锡气敏传感器阻值与被测气体浓度的关系第8章 半导体传感器2．体电阻控制型气敏器件除了表面电阻控制型半导体气敏器件之外,目前还有 体电阻控制型半导体气敏器件。 体电阻控制型半导体气敏器件与被检测气体接触时, 引起器件体电阻改变的原因比较多。对热敏型气敏器件 而言,在600～900°Ｃ下,在半导体表面吸附可燃性气体时, 由于这类器件的工作温度比较高,被吸附气体燃烧使器件 的温度进一步升高,因此,半导体的体电阻发生变化。第8章 半导体传感器目前常使用的ν-Fe2O3气敏器件,其结构如图8.49所示。 (氧化物半导体,由于化学反应强而且容易还原的氧化物,在比较低的 温度下与气体接触时晶体中的结构缺陷就发生变化,继之体电阻发生变化,因此,可以检测各种气体)图8.49 ν-Fe2O3气敏器件结构第8章 半导体传感器当它与气体接触时,随着气体浓度增加形成Fe+2 离子,而变成为Fe3O4,使器件的体电阻下降。也就是说,由 ν-Fe2O3被还原成Fe3O4时形成Fe+2离子。它们之间的还原-氧化反应为:? ? Fe2O3 ? Fe3O4氧化还原（8.23）ν-Fe2O3 和Fe3O4 都属于尖晶石结构的晶体,进行这 种转变时,晶体结构并不发生变化。这种转变又是可逆 的。当被测气体脱离后又氧化而恢复原状态。这就是 ν-Fe2O3气敏器件的工作原理。第8章 半导体传感器Fe2O3 类气敏传感器不用贵金属催化剂,但也要用加热措施, 通常在元件外部由电热丝烘烤。接触还原性气体后电阻值下降。 典型三氧化二铁气敏特性如图8.50所示。图中表明:它对异丁烷 和丙烷很灵敏,适合探测液化石油气。图8.50 Fe2O3气敏特性第8章 半导体传感器8.3.2 非电阻控制型半导体气敏器件MOS二极管气敏器件：利用MOS二极管的电容-电压关系(C-V 特性)来检测气体的敏感器件。图8.52表示这种气敏器件的 结构。图8.53 PdDMOS二极管的C-V特性第8章 半导体传感器MOSFET气敏器件原理：MOSFET金属D氧化物D半导体场效应气敏器件具有产 便于大批量生产。品一致性好、体积小、重量轻、可靠性高、气体识别能力强、第8章 半导体传感器8.3.3 半导体气敏传感器的气敏选择性选择性是检验化学传感器是否具有实用价值的重 要尺度。欲从复杂的气体混合物中识别出某种气体,就 要求该传感器具有很好的选择性。 氧化物半导体气敏传感器的敏感对象主要是还原性气体, 如CO、H2、甲烷、甲醇、乙醇等。为有效将这些性质 相似的还原性气体彼此区分开,达到有选择地检测其中 某单一气体的目的,必须通过改变传感器的外在使用条件和材料的物理及化学性质来实现。第8章 半导体传感器由于各种还原性气体的最佳氧化温度不同,因此首先可以通过改变氧化物传感器的工作温度来提高其对某种气体 的选择性。例如,在某些催化剂如Pd的作用下,CO的氧化温 度要比一般碳氢化合物低得多,因此,在低温条件下使用可提 高对CO气体的选择性。第8章 半导体传感器通过使用某种物理的或化学的过滤膜,使单一气体能通过该膜到达氧化物半导体表面,而拒绝其它气体通过,从而 达到选择性检测气体的目的。如石墨过滤膜,涂在厚膜氧化物传感器表面可以消除氧化性气体（如NOx ）对传感器信号的影响。 提高传感器气敏选择性的最有效、最常用的手段 是利用某些催化剂能有选择性地对被测气体进行催化 氧化的原理来实现。通过选择合适的催化添加剂,可使 由同一种基本氧化物材料制成的气敏传感器具有检测 多种不同气体的能力。第8章 半导体传感器8.3.4 纳米技术在半导体陶瓷气体传感器中的应用纳米材料有两大效应,一是粒子尺寸降到小于电子平均自 由程时,能级分裂显著,这就是量子尺寸效应。另一个显著效应 是表面效应,颗粒细化到一定的程度（100nm以内）后,粒子表 面上的原子所占的比例急剧增大,也即表面体积比增大,当这些 表面原子数量增加到一定程度,材料的性能更多地由表面原子, 而不是由材料内部晶格中的原子决定,使之氧化还原能力增强, 自身的催化活性更加活泼。大量存在晶粒界面缺陷,对材料性质有决定性作用。而且,粒子进一步细化,而使粒子内部发生位错和滑移,所以纳米材料的性能多由晶粒界面和位错等表面缺 陷所控制,从而产生材料表面异常活性。第8章 半导体传感器8.3.5 半导体气体传感器的应用半导体气敏器件由于灵敏度高、响应时间和恢复时间 短、使用寿命长、成本低,而得到了广泛的应用。目前,应用 最广的是烧结型气敏器件,主要是SnO2、ZnO、νDFe2O3等 半导体气敏器件。近年来薄膜型和厚膜型气敏器件也逐渐 开始实用化。上述气敏器件主要用于检测可燃性气体、易 燃或可燃性液体蒸汽。 1．廉价家用气体报警器烧结型SnO2气敏器件基本测试电路如图8.55所示。第8章 半导体传感器图8.55 气敏器件测试电路第8章 半导体传感器这是采用直流电压的测试方法。图中的0～10V直流电源为半导体气敏器件的加热器电源,0～20V直流电 源则提供测量回路电压Uc 。RL为负载电阻兼作电压取 样电阻。从测量回路可得到回路电流Ic为Uc Ic ? Rs ? RLUc ? I c Rc ? RL Rs ? RL（8.25）式中,Rs为气敏器件电阻。另外,负载压降 U RL 为U RL（8.26）第8章 半导体传感器从(8.26)式可得气敏器件电阻Rs,即Rs ?U c ? U RL U RLRL（8.27）这就是说,在空气中或者在某一气体浓度下,半导体 气敏器件的电阻Rs 可由(8.27)式计算。同时,由于半导体气敏器件和某气体相互作用后器件的Rs发生变化时, U R 及数量的大小,也就是达到检测某种气体的目的。L也相应地发生变化,这就是能够知道有无某种气体的情况第8章 半导体传感器图8.56表示新型半导体气敏器件QMDN6型半导体气敏器件的特征。 图8.57是利用QMDN6型半导体气敏器件设计的简单而且廉 价的家用气体报警器电路图。第8章 半导体传感器图8.56 QMDN6灵敏度特性第8章 半导体传感器图8.57 家用报警器电路图 工作原理是:蜂鸣器与气敏器件构成了简单串联电路，当气敏 器件接触到泄漏气体(如煤气、液化石油气)时,其阻值降低,回 路电流增大,达到报警点时蜂鸣器便发出警报。第8章 半导体传感器2．家用煤气（CO）安全报警电路图8.58是家用煤气（CO）安全报警电路,该电路由两部分组 成。一部分是煤气报警器,在煤气浓度达到危险界限前发出警报。 另一部分是开放式负离子发生器,其作用是自动产生空气负离子, 使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧（O3） 反应,生成对人体无害的二氧化碳。第8章 半导体传感器煤气报警电路包括电源电路、气敏探测电路、电子开关电路和声光报警电路。开放式空气负离子发生器电路由 R10～R13、C5～C7、V5～V7、3CTS3及B2等组成。这种负离 子发生器,由于元件少,结构简单,通常无须特别调试即能正常 工作。减小R12的阻值,可使负离子浓度增加。第8章 半导体传感器图8.58 家用煤气（CO）安全报警器原理图第8章 半导体传感器8.4 半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器是指电参数按一定规律随磁性量 变化的传感器,常用的磁敏传感器有霍尔传感器和磁敏 电阻传感器。除此之外还有磁敏二极管、磁敏晶体管 等。磁敏器件是利用磁场工作的,因此可以通过非接触 方式检验。非接触方式可以保证寿命长、可靠性高。第8章 半导体传感器8.4.1 磁敏器件的工作原理当我们制备各种磁敏器件时,首先要了解和研究与 磁学量有关的各种现象。磁现象和电现象不同,它的特 点之一是磁荷（MagneticCharge）不单独存在,必须是 NS成对存在（电荷则不然,正电荷和负电荷可以单独存 在）,并且在闭区间表面全部磁束（磁力线）的进出总 和必等于零,也就是divB=0。磁感应强度、电场强度、 力三者的关系可由如下公式表示:?F ?? e( E ? v ? B)（8.28）第8章 半导体传感器这个公式表示运动电荷e从电场 E受到的力和磁场（磁感应强度B）存在时电流ev（v为电荷速度）所受 到的力,其中第二项称为劳伦兹力。与这个劳伦兹力相抗衡而产生的相反方向的电动势就是霍尔电压。由电感L和电流I产生的磁束Φ之间有如下关系:? ? LId? dB E ? ?( )? ? ( ) dt dt(8.29)当磁束有变化时,在与其相交的电路中将产生电动势(8.30)第8章 半导体传感器8.4.2 半导体磁敏器件1．霍尔器件及其特性 1)霍尔器件 霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而 产生电动势的物理效应。图8.59为霍尔效应原理图。如图所示,在厚度为d的半导体长方形薄片上形成四个电极,宽度为w的控制电极①和②之间通直流电流Ic,而在垂直 于半导体薄片表面的方向加磁感应强度B时,则在长度为l的电极③和④之间根据式(8.28)的原理产生霍尔电压。第8章 半导体传感器图8.59 霍尔效应的原理图第8章 半导体传感器图8.60 霍尔电压形成的定性说明?(a)磁场为0时电子在半导体中的流动; (b)电子在劳伦兹力作用下发生偏转;?(c)电荷积累达到平衡时,电子在流动第8章 半导体传感器假设霍尔元件使用的材料是N型半导体,导电的载流子是电子。外加电场从电极①到②方向,大小为E。 电子在这一电场作用下将从电极②到①方向作漂移运动。第8章 半导体传感器因为电子带的电荷为-e,在磁场作用下,由（8.28）式得劳伦兹力为F ? ? evB(8.32)因此,劳伦兹力FL的方向是从电极④到③,它的数值 就是evB。这个力使电子在电极③上积累,积累电荷在半导体中形成从电极④到③方向的电场EH,称为霍尔电场。在平衡时霍尔电场EH对电子的作用力与劳伦兹力大小相 等方向相反而相互平衡,即?eEH ? e? B(8.33)第8章 半导体传感器所以,霍尔电场强度的大小为?EH ? ? BU H ? EH ?或(8.34)这一电场在电极③到④方向建立霍尔电压UH?(8.35) (8.36)U H ? ? B?I c ? ?ne?? d Ic ? ?? ne? d在电子浓度为n时,有? (8.37) (8.38)第8章 半导体传感器代入（8.36）式,得1 UH ? ? IcB ned对N型半导体材料,定义霍尔系数RH为(8.39)1 RH ? ? ne IcB 将(8.39)式写成 U H ? RH d 或 U H ? KH IcB(8.40) (8.41)? (8.42)?第8章 半导体传感器在N型材料中1 KH ? ? ned(8.43)KH称为霍尔灵敏度或乘积灵敏度,单位为mV/mA?T,它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度 时产生的霍尔电压的大小。第8章 半导体传感器U H ? KH I c B霍尔器件可以作为测量磁场大小和方向的传感器,这个传 感器的灵敏度与电子浓度n成反比。半导体材料的n比金 属小很多,所以灵敏度较高。另外,霍尔器件的灵敏度与 它的厚度d成反比, d越小,灵敏度越高。第8章 半导体传感器上面讨论的是磁场方向与器件平面垂直,即磁感应强度B与器件平面法线n平行的情况。在一般情况下,磁 感应强度B的方向和n有一个夹角θ,这时(8.42)式应推广为UH ? KH I c B cos?(8.44)第8章 半导体传感器当霍尔元件使用的材料是P型半导体时,导电的载流子为带正电的空穴,它的浓度用p表示。空穴带正电, 在电场E作用下沿电力线方向运动（与电子运动方向相反）。因为空穴的运动方向与电子相反,所带电荷也与电子相反,结果它在劳伦兹力作用下偏转的方向与电子 却相同。因此,积累电荷就有不同符号,霍尔电压也就有相反符号。在P型材料的情况下,霍尔系数为正,即1 RH ? pe霍尔灵敏度也是正的,即(8.45)1 KH ? ped(8.46)第8章 半导体传感器因而我们可以根据一种材料霍尔系数的符号判断它的导电类型。 使用霍尔元件时,除注意其灵敏度外,应考虑输入及输出阻抗、额定电流、温度系数和使用温度范围。输入阻抗是 指Ic进出端之间的阻抗,输出阻抗是指霍尔电压输出的正负端 子间的内阻,外接负载阻抗最好和它相等,以便达到最佳匹配。 额定电流是指Ic允许的最大值。由于半导体材料对环境温度 比较敏感,所以温度系数和使用温度范围也不容忽视,以免引 起过大误差。国产典型霍尔元件的性能请参阅表8.3。第8章 半导体传感器表8.3 国产典型霍尔元件的性能第8章 半导体传感器2) 霍尔器件的特性从公式（8.42）中看出,霍尔电压与乘积灵敏度、 控制电流Ic和磁感应强度B有关。因此,在磁场恒定的情况下,选用灵敏度较低的元件时,如果允许控制电流较大的话,也可能得到足够大的霍尔电压。比如InSn霍尔器 件HTD2,它的灵敏度比N型Ge的元件HZD1小许多,但 控制电流能增加到300mA,可得到的霍尔电压UH反而可 能比HZD1大。第8章 半导体传感器在控制电流恒定的情况下,UH与B的关系只能在一定范围内保持线性,一般只在B&0.5T（相 当于5000Gs以下）时可认为是线性关系,尤其是 HZD4型元件线性较好。当磁场交变时,UH也是交变的, 但频率只限几千赫兹以下。 元件的输入阻抗及输出阻抗并不是常数,随磁场增 强而增大,这是半导体的磁阻效应。为了减少这种效应 的影响,控制电流Ic最好用恒流源提供。第8章 半导体传感器8.4.3 磁传感器应用举例1.电流测量 图8.75为磁平衡方式的霍尔器件测量电流的原理图。 被测电流I1产生的磁感应强度为B1时,根据B1的存在,霍 尔器件输出霍尔电压。这个电压通过OP放大器向反馈 线圈N2供给电流I2。在霍尔电压UH=0时,有I1 N1 ? I 2 N 2 N1 I2 ? I1 N2(8.49)?第8章 半导体传感器第8章 半导体传感器式中,N1、N2分别为被测电流线圈和反馈线圈的圈数。 通过电阻R测量I2 时可得到与I1 成比例的值。从 （8.49）式中可看出I2 与N1/N2 成比例,因此,可大大改 善霍尔器件的温度关系和磁场关系。第8章 半导体传感器图8.76中的电路和图8.75类似。但它是用两个霍尔器件来改善温度关系和磁场关系的电路图。根据被测电 流I1 产生的磁感应强度B1,霍尔器件H1 产生霍尔电压UH1 。这个电压通过OP放大器向N2 线圈提供I2电流。这时由I2产生的磁感应强度B2 在霍尔器件H2 中产生霍尔电压UH2 。 当适当选择I2 的方向使UH1+UH2=0时,I2 则在U Ｈ１ =UH2 时平衡。因此,I2由下式决定U H 1 ? k1I1N1 U H 2 ? k2 I 2 N 2因为UH1=UH2，所以k1 ?N1 I2 ? ?I1 k2 ?N 2(8.50)第8章 半导体传感器如果霍尔器件H1和H2的特性相同,则k1=k2。因此,I2由下式给出N1 I2 ? ?I1 N2善霍尔器件的温度和磁场特性。(8.51)由（8.51）式看出,I2 只与N1/N2 有关,因此,能够改第8章 半导体传感器图8.76 使用两个霍尔器件测电流的线路图第8章 半导体传感器2．位移测量位移测量原理图如图8.77所示。二只磁阻元件RM1、 RM2组成电桥,并设磁铁处于两个磁阻元件之间 时,RM1=RM2,因R1=R2,故电桥处于平衡状态,电桥无输出。 当位移变化时,迫使磁铁移动,则两个磁阻元件受磁场强 度不同的磁场作用,则RM1与RM2的阻值不相等,电桥失去 平衡,此时电桥输出电压与位移有关。当位移方向相反 时,电桥输出极性发生变化,因此,磁阻元件就可检测位移, 同时可判断位移方向。第8章 半导体传感器图8.77 位移测量原理第8章 半导体传感器3．无刷直流电机 图8.78给出了无刷直流电机的基本结构图。从图可见,转 子是由径向磁化的永久磁铁构成,设磁铁的N极指向L1时霍尔传感器H1的输出为:x1高,x2低,霍尔传感器H2的输出是平衡的;而当N极指向L2 时,H1的输出平衡,H2的输出为:y1高,y2低等等。我们 把霍尔传感器输出与转子位置的关系列成表8.4形式,第8章 半导体传感器如利用霍尔传感器的输出来控制通过线圈L1 到L4 的电流,通过适当设计电路可以在N指向L1 时,使L2中有磁化 电流流过,产生把转子N极拉向L2的力,而在N指向L2 时, 使L3 中有磁化电流流过,产生把转子N极拉向L3 的力…… 这样就可使转子不停地转动。?第8章 半导体传感器4．涡轮流量计利用磁敏二极管或三极管对磁铁周期性地接近或 远离,可输出频率信号。若采用磁性齿轮,则磁敏二极管 或三极管的输出波形近似正弦波,其频率与齿轮的转速 成正比。图8.79是涡轮流量计。传感器安装在与涡轮相 垂直的位置上,利用转速与流量成正比的关系,可以测量 流量。这种传感器的低速特性很好,因此无论流量大小 都能很好计量。第8章 半导体传感器图8.79 涡轮流量计
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