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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 6.2 6.3 磁敏传感器 湿敏传感器 其他固态传感器 6.1 磁敏传感器 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 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 1 霍尔效应与霍尔元件 2 霍尔元件基本特性 3 霍尔式传感器的应用 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 U H RH 令 则 KH RH d IB d U H KH IB (6-1) (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： U H KH IB cos (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 霍尔元件基本特性 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 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： KH KH 0 (1 T ) (6-6) 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。 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 r0 I R0 r0 (6-7) U H 0 KH 0 I H 0 B (6-8) IH 0 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 r IH I (6-9) Rr (6-10) U H KH I H B KH 0 (1 T ) I H B 对上式进行整理，并忽略(ΔT)2 项可得 r0 R0 (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（611）可以简化为： r0 R0 (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 1 磁敏电阻 2 磁敏二极管 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） B （ 0 1 0.273 B ) 2 2 磁敏电阻 电阻率的相对变化 0 0.273 2 B 2 K 2 B 2 （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 图b 未加磁场前， 电子、空穴的运动 图c 磁场方向使电子、空穴 向r面偏转，电流很小 图d 磁场方向使电子、空穴向 光滑面偏转，电流变大 第6章 固态传感器 6.1 6.2 6.3 磁敏传感器 湿敏传感器 其他固态传感器 6.2 湿敏传感器 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 6.2.1 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 M v RT (6-15） 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 6.2.1 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。 v 相对湿度 ( ) T 100% RH w (6-16) 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 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。 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。 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 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。 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。 10 R/108Ω 1 0.1 0.01 0 30 60 90 相对湿度/% 组合式氯化锂的阻—湿特性 6.2.3 半导体及陶瓷湿敏传感器 热稳定性好 抗沾污能力强 响应快 使用温度范围宽 优点 优点 可加热清洗 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。 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。 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 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。 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。 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℃。 第6章 固态传感器 6.1 6.2 6.3 磁敏传感器 湿敏传感器 其他固态传感器 6.3 其他固态传感器 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） 6.3.1 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 主要物理特 性 电 阻 型 非 电 阻 型 电 类 型 检测气体 气敏元件 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 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 氢气、硫 化氢 铂栅、钯栅MOS场效应 管 阻 二极管整流 特性 表面控制 型 晶体管特性 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。 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。 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 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。 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 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。 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 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。 6.3.2 半导体色敏传感器 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 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直接测量从可见光 到近红外波段内单色幅射的波长。 半导体色敏传感器的基本原理 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 光电双结二极管。P＋－N－P不是 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P＋N结；深结的二极管是P-N结。在半 导体中不同的区域对不同的波长分 别具有不同的灵敏度。正是由于这 一特性使得这种器件可以用于颜色 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 二极管组合，就构成了可以测定波 长的半导体色敏传感器。 半导体色敏传感器的基本特征 光谱特性 短路电流比－波长特性 温度特性 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CS－1 型半导体色敏器件的光谱特性，其波长 范围是400～1000nm。 半导体色敏传感器的基本特征 光谱特性 短路电流比－波长特性 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。 半导体色敏传感器的基本特征 光谱特性 短路电流比－波长特性 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。 6.3.3 离子敏感器件 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。 ISFET的结构与工作原理 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，故源漏之间不导通。当栅源之间加正向偏压VGS， 且有VGS>VT（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N沟道增强型 MOSFET。 ISFET的结构与工作原理 如果将普通的MOSFET的金属栅去 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， 并在铂膜上涂覆一层离子敏感膜， 就构成了一只ISFET。 当将ISFET插入溶液时，被测溶液 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 接影响了VT的值，漏源电流的大小 又与VT值有关。因此ISFET的漏源 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 以确定离子的活度。 ISFET的特点和应用 全固态 化结构 无机离 子检测 阻抗 优势 特点 响应速 度快 易于 集成 环境 保护 应用 其他 方面