第 9 章 半导体式传感器

9.1 半导体气敏传感器

9.2 半导体湿敏传感器

9.3 半导体磁敏传感器

以半导体敏感元件为核心的半导体传感器，具有灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小、重量轻、成本低、便于集成化和智能化的优点，但是由于特性的分散性、温度不稳定性和易受干扰的缺点，在某些情况下又限制了半导体传感器的应用。

本章将介绍半导体气敏传感器、湿敏传感器、磁敏传感器和离子敏传感器。

9.1 半导体气敏传感器

气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机或单片机组成自动检测、控制和报警系统。

(1) 能够检测易爆炸气体的允许浓度、有害气体的

允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出报警、显示和控制信号。

(2) 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。 (3) 性能长期稳定性好、重复性好、动态特性好、

响应迅速。 (4) 使用、维护方便，价格便宜等。

气敏传感器的性能必须满足下列条件：

9.1.1 半导体气敏传感器的分类

按材料 半导体陶瓷材料 单晶半导体

按物理特性 电阻型

利用敏感元件吸附气体后电阻值随着被测气体的浓度改变来检测气体的浓度或成分。

按半导体与气体相互作用 表面电阻控制型 体电阻控制型

非电阻型 利用二极管伏安特性和场效应管的阈值电压变化来检测被测气体。

9.1.2 电阻型半导体气敏传感器

1. 材料和结构 许多金属氧化物具有气敏效应，这些金属氧化物都是利

用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因此称之为半导体陶瓷，简称半导瓷。由于半导瓷与半导体单晶相比具有工艺简单、价格低廉等优点，因此已经用它制作了多种具有实用价值的敏感元件。在诸多的半导体气敏元件中，用氧化锡 (SnO2) 制成的元件具有结构简单、成本低、可靠性高，稳定性好、信号处理容易等一系列优点，应用最为广泛。

按其结构可分为烧结型、薄膜型和厚膜型，如图所示：

半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。

图 (a) 所示为烧结型气敏元件，它以多孔质陶瓷如 SnO2 为基材，添加不同物质采用低温 (700℃ ～900℃) 制陶方法进行烧结，烧结时埋入铂电极和加热丝，最后将电极和加热丝引线焊在管座上制成元件。

图 (b) 所示为薄膜型气敏元件，是用蒸发或溅射方法，在石英或陶瓷基片上形成金属氧化物薄膜 ( 厚度在 100nm以下 ) ，用这种方法制成的敏感膜颗粒很小，因此具有很高的灵敏度和响应速度。

图 (c) 所示为厚膜型气敏元件，将气敏材料 (SnO2 、ZnO) 与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝的基片上，在 400℃ ～ 800℃ 的温度下烧结 1个～ 2个小时便制成厚膜型气敏元件。

这些气敏元件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应，从而提高元件的灵敏度和响应速度，一般加热到 200℃ ～ 400℃ 。

2. 工作原理

电阻型半导体气敏传感器气敏元件的敏感部分是金属氧化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被测气体时，半导体微结晶粒子接触介面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而变化。

以半导瓷材料 SnO2 为例

N 型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻变化曲线

当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热时，其阻值急剧下降，阻值发生变化的时间 ( 称响应时间 ) 不到1min ，然后上升，经 2min ～ 10min 后达到稳定，这段时间为初始稳定时间，元件只有在达到初始稳定状态后才可用于气体检测。

当电阻值处于稳定值后，会随被测气体的吸附情况而发生变化，其电阻的变化规律视气体的性质而定： 被测气体是氧化性气体 ( 如 O2 和 NOx) ，被吸附气体分子

从气敏元件得到电子，使 N型半导体中载流子电子减少，因而电阻值增大。

被测气体为还原性气体 ( 如 H2 、 CO 、酒精等 ) ，气体分子向气敏元件释放电子，使元件中载流子电子增多，因而电阻值下降。

可见：

典型气敏元件的阻值－浓度关系

9.1.3 气敏传感器的应用

1. 可燃气体泄漏报警器

2. 防止酒后开车控制器

3. 油烟检测

9.2 半导体湿敏传感器

湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，能感受外界湿度 ( 通常将空气或其他气体中的水分含量称为湿度 ) 变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将环境湿度变换为电信号的装置。

9.2.1 概述

1. 湿度表示法 所谓湿度，就是空气中所含有水蒸气的量，表明大气的干、湿程度，常用绝对湿度和相对湿度表示。

1) 绝对湿度 (Absolute Humidity)

绝对湿度是在一定的温度及压力下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，一般用符号 AH表示，其定义为

vmAHV

2) 相对湿度 (Relative Humidity)

相对湿度是指被测气体中的水蒸气气压和该气体在

相同温度下饱和水蒸气压的百分比。相对湿度给出大气的潮湿程度，因此，它是一个无量纲的值，一般用符号%RH表示，其表达式为

100%v

w

PRH

P

① 按元件输出的电学量分类可分为：电阻式、电容式、频率式等。

② 按其探测功能可分为：相对湿度、绝对湿度、结露和多功能式四种。

③ 按材料则可分为：陶瓷式、有机高分子式、半导体式、电解质式等。

2. 湿敏传感器的分类

水亲和力型湿敏传感器 非水亲和力型湿敏传感器

水分子易于吸附在物体表面并渗透到固体内部的这种特性称为水分子亲和力，水分子附着或浸入湿敏功能材料后，不仅是物理吸附，而且还有化学吸附，其结果使功能材料的电性能产生变化，如 LiCl、 ZnO 材料的阻抗发生变化。因此，这些材料就可以制成湿敏元件，

表 9-2 湿敏传感器分类

9.2.2 湿敏电阻的类型及原理

1. 氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻是典型的电解质湿敏元件，利用

吸湿性盐类潮解，离子电导率发生变化而制成的测湿元件。典型的氯化锂湿敏传感器有登莫式和浸渍式两种：

登莫式传感器结构如图所示， A为涂有聚苯乙烯薄膜的圆管， B为用聚苯乙烯醋酸覆盖在 A上的钯丝。登莫式传感器是用两根钯丝作为电极，按相等间距平行绕在聚苯乙烯圆管上，再浸涂一层含有聚苯乙烯醋酸脂 (PVAC) 和氯化锂 (LiCl)水溶液的混合液，当被涂溶液的溶剂挥发干后，即凝聚成一层可随环境湿度变化的感湿均匀薄膜。

浸渍式传感器结构如图所示，由引线、基片、感湿层与金属电极组成。它是在基片材料上直接浸渍氯化锂溶液构成的，这类传感器的浸渍基片材料为天然树皮。浸渍式传感器结构与登莫式传感器不同，部分地避免了高温下所产生的湿敏膜的误差。由于它采用了面积大的基片材料，并直接在基片材料上浸渍氯化锂溶液，因此具有小型化的特点，适用于微小空间的湿度检测。

氯化锂浓度不同的湿敏传感器，适用于不同的相

对湿度范围。浓度低的氯化锂湿敏传感器对高湿度敏感，浓度高的氯化锂湿敏传感器对低湿度敏感。一般单片湿敏传感器的敏感范围，仅在 30%RH左右，为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂含量不同的湿敏传感器组合使用，如将测量范围分别为 (10%～ 20%)RH、 (20%～ 40%)RH、 (40%～ 70%)RH、 (70%～ 90%)RH、 (80%～ 99%)RH五种元件配合使用，可以实现整个湿度范围的湿度测量。

优点：滞后小，不受测试环境风速的影响，检测精度一般可达到±5%。

缺点：单片氯化锂湿敏传感器测湿范围窄，而多片组合体积大，成本高，不抗污染，怕结露，耐热性差，难于在高湿和低湿的环境中使用，工作温度不高、寿命短、响应时间较慢，电源必须用交流，以避免出现极化。

半导体陶瓷湿敏电阻是一种电阻型的传感器，根据微粒堆集体或多孔状陶瓷体的感湿材料吸附水分可使电导率改变这一原理检测湿度。

由于具有使用寿命长，可在恶劣条件下工作，响应时间短，测量精度高，测温范围宽 (常温湿敏传感器的工作温度在 150℃ 以下，高温湿敏传感器的工作温度可达 800℃) ，工艺简单，成本低廉等优点，所以是目前应用较为广泛的湿敏传感器。

2. 半导体陶瓷湿敏电阻

制造半导体陶瓷湿敏电阻的材料，主要是不同类型的

金属氧化物。有些半导体陶瓷材料的电阻率随湿度增加而下降，称为负特性湿敏半导体陶瓷，还有一类半导体陶瓷材料的电阻率随湿度增大而增大，称为正特性湿敏半导体陶瓷。

半导体陶瓷湿敏电阻按其结构可以分为烧结型和涂覆膜型两大类。

1) 烧结型湿敏电阻

烧结型湿敏电阻的结构如图所示。其感湿体为MgCr2O4—TiO2 系多孔陶瓷，利用它制得的湿敏元件，具有使用范围宽、湿度温度系数小、响应时间短，对其进行多次加热清洗之后性能仍较稳定等优点。

由金属氧化物通过堆积、黏结或直接在氧化金属基片上形成感湿膜，称为涂覆膜型湿敏器件。其中比较典型且性能较好的是 Fe3O4湿敏器件。

Fe3O4湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成，采用滑石瓷作为基片材料，该材料吸水率低，机械强度高，化学物理性能稳定。在基片上用丝网印刷工艺印制成梳状金电极，将纯净的胶粒用水调制成适当黏度的浆料，然后涂在梳状金电极的表面，涂覆的厚度要适当，一般在 20 ～30um左右，然后进行热处理和老化，引出电极后即可使用。

2) 涂覆膜型 Fe3O4湿敏器件

由于 Fe3O4 感湿膜是松散的微粒集合体，缺少足够的机械强度，微粒之间依靠分子力和磁力的作用，粒子间的空隙使薄膜具有多孔性，微粒之间的接触呈凹状，微粒间的接触电阻很大，所以 Fe3O4 感湿膜的整体电阻很高。当空气的相对湿度增大时， Fe3O4 感湿膜吸湿，由于水分的附着扩大了颗粒间的接触面，降低了粒间的电阻和增加更多的导流通路，所以元件阻值减小；当处于干燥环境中， Fe3O4 感湿膜脱湿，粒间接触面减小，元件阻值增大。因而这种器件具有负感湿特性，电阻值随着相对湿度的增加而下降，反应灵敏。这里需要指出的是，烧结型的 Fe3O4湿敏器件，其电阻值随湿度增加而增大，具有正特性。

Fe3O4湿敏器件是一种体效应器件，当环境湿度发生变化时，水分子要在数十微米厚的感湿膜体内充分扩散，才能与环境湿度达到新的平衡。这一扩散和平衡过程需时较长，使器件响应缓慢，并且由于吸湿和脱湿过程中响应速度有差别，器件具有较明显的湿滞效应，高湿时的滞后效应比低湿时大。

Fe3O4湿敏器件可以利用单片器件进行宽量程测量，重复性、一致性较好，在高温环境中也较稳定，有较强的抗结露能力，而且工艺简单，价格便宜，在受少量醇、酮、酯等气体污染及尘埃较多的环境中也能使用。

9.2.3 湿敏传感器的应用

1. 自动气象站湿度测报 湿度传感器广泛用于自动气象站的遥测装置上，

采用耗电量很小的湿度传感器可以由蓄电瓶供电长期自动工作，几乎不需要维护。用于无线电遥测自动气象站的湿度测报原理方框图如图所示。

氯化锂湿度传感器将被测湿度转换为电阻值， R—f转换电路将此电阻值 R转换为相应的频率 f，再经自校准器控制使频率 f与相对湿度一一对应，最后经门电路记录在自动记录仪上。如果需要远距离数据传输，则还需要将得到的数字量编码，调制到无线电载波上发射出去。

2. 湿度控制电路

湿度控制电路

3. 汽车后窗玻璃自动去湿装置

汽车后窗玻璃自动去湿装置

9.3 半导体磁敏传感器

磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号的传感器，它广泛地应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。磁敏式传感器按其结构可分为体型和结型两大类，前者有霍尔传感器 ( 其材料主要有 InSb ， InAs ， Ge ， Si ，GaAs 等 ) 和磁敏电阻 (InSb ， InAs) ，后者有磁敏二极管 (Ge ， Si) 、磁敏晶体管 (Si 等 ) ，它们都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成的一种磁敏传感器。

9.3.1 磁敏电阻器

当长方形半导体片受到与电流方向垂直的磁场作用时，不但产生霍尔效应，而且还会出现电流密度下降、电阻率增大的现象。若适当地选几何尺寸，还会出现电阻值增大的现象。前一种现象称为物理磁阻效应，后一种现象称为几何磁阻效应。半导体磁阻器件就是综合利用这样两种效应而制成的磁敏器件。

磁阻效应是指将一载流导体置于外磁场中，其电阻率会发生变化 (增大 )，它是伴随霍尔效应同时发生的一种物理效应。

当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度 B的平方成正比。如果器件只有在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为

1. 磁阻效应

当电阻率变化为 时，则电阻率的相对变化率为

0

2 2(1 0.273 )B

B

2 2 2

0

0.273 ( )B k B

半导体中仅存在一种载流子时，磁阻效应很弱。若同时存在两种载流子，则磁阻效应很强，此时

0

≈

2p n( / )p n B

0 B

磁敏电阻元件是仅有一对电流电极的两端子结构。

2. 磁敏电阻的结构

常见磁敏电阻结构

磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。若考虑到形状的影响，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表示为

2( ) [1 ]L

K B fb

0

≈

式中 L、 b分别为电阻的长和宽； 表示形状效应系数。

Lfb

(a)柯比诺效应 (b)几何形状与磁阻变化特性

在恒定磁感应强度下，其长宽比越小，则越大。各种形状的磁敏电阻，其磁阻与半导体材料几何形状的关系如图 (b) 所示。由图可见，圆盘形结构的磁阻效应远远大于矩形结构，所以半导体磁敏电阻大多制成圆盘结构。

由于磁阻元件具有阻抗低、阻值随磁场变化率大、非接触式测量、频率响应好、动态范围广及噪声小等特点，可广泛应用于许多场合，如：无触点开关、压力开关、旋转编码器、角度传感器、转速传感器等。

3. 磁敏电阻的应用

3. 磁敏电阻的应用

1) InSb 磁敏电阻无触点开关

2) InSb 磁敏无接触角度传感器

InSb磁敏无接触角度传感器的外形结构图

InSb磁敏无接触角度传感器工作原理图

InSb磁敏无接触角度传感器输出特性曲线

9.3.2 霍尔传感器

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。 1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。

由于霍尔传感器具有体积小、成本低、灵敏度高、性能可靠、频率响应宽、动态范围大的特点，并可采用集成电路工艺，因此被广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。

1. 霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。该电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。

霍尔效应原理图

H HU K IB

2. 霍尔元件结构及测量电路

1) 霍尔元件结构 霍尔元件的结构很简单，如图中所示，霍尔元件是由具有霍尔效应的半导体薄片、电极引线及壳体组成。

霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在两个相互垂直方向侧面上，分别引出一对电极，共四个电极。其中 a、 b 电极用于控制电流，称控制电极， c、 d 电极用于引出霍尔电势，称为霍尔电势输出极。在霍尔基片外面用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装作为外壳。

霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势 UH 的影响很大。通常霍尔电极位于极片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。

在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如下图：

1．锗 (Ge) 输出小，但温度性能和线性度较好； 2．硅 (Si) 线性度最好，但带负载能力较差，通常不作单个霍尔元件；3．砷化铟 (InAs) 输出较大，受温度影响小，线性度较好，应用较多； 4 ．锑化铟 (InSb) 输出大，但受温度影响大（尤其是低温）

霍尔元件材料：

2) 测量电路 图中控制电流 I由电源 UE供给，可以是直流电源或交流电源，调节电阻RW是用来调节控制电流 I的大小； RL是霍尔输出电压 UH的负载电阻，通常是放大电路的输入电阻或表头内阻。霍尔电压 UH一般为毫伏数量级，因而实际应用时要后接差动放大器。

3. 误差及其补偿

在实际使用中，存在着各种影响霍尔元件精度的因素，即在霍尔电动势中叠加着各种误差电势，这些误差电势产生的主要原因有两类：一类是由于制造工艺的缺陷；另一类是由于半导体本身固有的特性。不等位电势和温度是影响霍尔元件主要误差的两个因素。

当霍尔元件的控制电流为 IN时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势。

1) 不等位电势及其补偿

霍尔元件不等位电势原理图

不等位电势补偿电路 ,图 (a) 是在电阻值较大的桥臂上并联电阻，图 (b) 是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加电极等效电桥的对称性。

霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生化，从而使霍尔元件产生温度误差。

2) 温度误差及其补偿

为了减小温度误差，除了选择温度系数

小的霍尔元件 (如 InAs) 或采取恒温措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化，但是还不能完全解决霍尔电动势的稳定问题。

温度补偿电路

电流 I为恒定电流，不受温度影响；电阻 rH 为霍尔元件等效输入电阻；在霍尔元件的控制电极并联一个合适的补偿电阻 rT ， rT

具有与 rH 相同的正温度系数，起分流作用。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时， rT 会自动加强分流，减小了霍尔元件的控制电流 IH ，从而达到补偿的目的。

补偿原理：

桥路补偿法的温度补偿电路

4. 霍尔式传感器的应用

I保持恒定， UH B∝

可测量位移、角度、转速及加速度等。 B保持恒定， UH I∝

UH B∝ 、 I（乘法器）

可测量 P(=U×I) 等。

1) 位移传感器

2) 霍尔式汽车点火器

霍尔汽车点火器结构示意图

3) 转速计

霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形

4) 压力传感器