固态传感器课件.ppt
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- 固态 传感器 课件
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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
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