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本课件以半导体敏感元件为核心，依次讲解气敏传感器的分类与电阻型、非电阻型检测原理，湿敏传感器的类型与感湿机理，磁敏电阻、磁敏二极管与霍耳式传感器的工作原理与误差补偿，以及离子敏场效应管的结构、工作原理与应用。
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
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
9.1.1半导体气敏传感器的分类半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感元件制作的气敏传感器以及用单晶半导体器件制作的气敏传感器，分类如表9-1所示
按照半导体变化的物理特征，可分为电阻型和非电阻型两类。前者是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；
按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，又可分为表面电阻控制型和体电阻控制型
1.材料和结构因为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
2)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。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
按其结构可分为烧结型、薄膜型和厚膜型，如图所示
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°C～900°C)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
2、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°C～800°C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°C～400°C
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
电阻值的变化是伴随着金属氧化物半导体表面对气体的吸附和释放而产生的，为了加速这种反应，通常要用加热器对气敏元件加热.下面以半导瓷材料SnO2为例，说明表面电阻控制型气敏传感器的工作原理
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从图中可见，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，如果被测气体是氧化性气体(如O2和NOx)
2、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。图所示为典型气敏元件的阻值-浓度关系
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对应课件图示：气敏传感器的应用，文字要点如上。
2.防止酒后开车控制器
对应课件图示：防止酒后开车控制，文字要点如上。
3.油烟检测
对应课件图示：油烟检测，文字要点如上。
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
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
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
2.湿敏传感器的分类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
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，另外利用某些材料与水分子接触的物理效应也可以测量湿度。因此，这两大类湿敏传感器可细分为表9-2所示的各种湿敏传感器
表9-2湿敏传感器分类
对应课件图示：表9-2湿敏传感器分类，文字要点如上。
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，如图所示
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(b)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
2.半导体陶瓷湿敏电阻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
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。这些材料有MgCr2O4—TiO2系、ZnO-Li2O-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、Fe3O4系等
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
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
2)涂覆膜型Fe3O4湿敏器件除了烧结型陶瓷外，还有一种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
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20～30左右，然后进行热处理和老化，引出电极后即可使用
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
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
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
无线电遥测自动气象站的湿度测报原理方框图
对应课件图示：无线电遥测自动气象站的湿度测报原理方框图，文字要点如上。
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
1、D触发器IC2组成。IC1产生4Hz的脉冲信号，经IC2后变为2Hz的对称方波作为湿度器件的电源，由IC3组成比较器。在比较器的同相输入端接入基准电压，调节电位器RP可以设定控制的相对湿度
湿度控制电路
3.汽车后窗玻璃自动去湿装置图是一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿电路。其目的是防止驾驶室的挡风玻璃结露或结霜，保证驾驶员视线清楚，避免事故发生。该电路也可用于其他需要去湿的场合
汽车后窗玻璃自动去湿装置
对应课件图示：汽车后窗玻璃自动，文字要点如上。
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，前者有霍耳传感器(其材料主要有InSb，InAs，Ge，Si，GaAs等)和磁敏电阻(1nSb，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，不但产生霍耳效应，而且还会出现电流密度下降、电阻率增大的现象
1.磁阻效应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)，它是伴随霍耳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
当电阻率变化为时，则电阻率的相对变化率为第9章半导体式传感器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≈
2.磁敏电阻的结构同霍耳元件的结构相比，霍耳元件是四端子结构，而磁敏电阻元件是仅有一对电流电极的两端子结构。常见的磁敏电阻有如下三种结构,如图所示
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≈式中L、b分别为电阻的长和宽；表示形状效应系数
(a)柯比诺效应(b)几何形状与磁阻变化特性
对应课件图示：柯比诺效应几何形状与磁阻变化特性，文字要点如上。
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
3.磁敏电阻的应用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
对应课件图示：磁敏电阻的应用InSb磁敏，文字要点如上。
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
对应课件图示：InSb磁敏无接触角度传感器工作原理图，文字要点如上。
InSb磁敏无接触角度传感器输出特性曲线
对应课件图示：InSb磁敏无接触角度传感器输出特性曲线，文字要点如上。
9.3.2霍耳式传感器霍耳式传感器是基于霍耳效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍耳首先在金属材料中发现了霍耳效应，但由于金属材料的霍耳效应太弱而没有得到应用
由于霍耳传感器具有体积小、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.霍耳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耳效应。该电动势称霍耳电势，半导体薄片称霍耳元件
霍耳效应原理图
对应课件图示：霍耳效应原理图，文字要点如上。
霍耳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电极用于引出霍耳电势，称为霍耳电势输出极
霍耳电极在基片上的位置及它的宽度对霍耳电势UH的影响很大。通常霍耳电极位于极片长度的中间，其宽度远小于基片的长度
RL是霍耳输出电压UH的负载电阻，通常是放大电路的输入电阻或表头内阻。霍耳电压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，存在着各种影响霍耳元件精度的因素，即在霍耳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；
1)不等位电势及其补偿当霍耳元件的控制电流为IN时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍耳电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍耳电势称不等位电势。不等位电势与霍耳电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍耳电势
霍耳元件不等位电势原理图
对应课件图示：霍耳元件不等位电势原理图，文字要点如上。
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
2)温度误差及其补偿霍耳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，霍耳元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍耳系数都将发生化，从而使霍耳元件产生温度误差
为了减小温度误差，除了选择温度系数小的霍耳元件(如砷化铟)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耳电动势的稳定问题
温度补偿电路电流I为恒定电流，不受温度影响；电阻rH为霍耳元件等效输入电阻；在霍耳元件的控制电极并联一个合适的补偿电阻rT，rT具有如rH相同的正温度系数，这个电阻起分流作用
当霍耳元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻rT会自动加强分流，减小了霍耳元件的控制电流IH，从而达到补偿的目的
对应课件图示：霍耳式传感器的应用位移传感器，文字要点如上。
2)霍耳式汽车点火器霍耳汽车点火器结构示意图
对应课件图示：霍耳式汽车点火器霍耳汽车点火器结构示意图，文字要点如上。
3)转速计
9.4离子敏传感器离子敏传感器是将溶液中的离子活度转换为电信号的传感器。在化学、化工、生物、生物技术、医药卫生、轻工、食品、农业与环境保护等领域的应用日渐增多，它是化学量传感器中制作工艺较成熟、实用化较早的一类传感器
其中离子敏场效应晶体管(ISFET)，是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管，既具有离子选择性电极(ISE)响应被测离子的特性，又具有场效应晶体管的特性，是离子选择电极技术和固体微电子技术相结合的产物
与ISE相比，ISFET具有体积小、响应快、输入阻抗高、输出阻抗低、易于集成、测量设备简单等优点，因而更具有生命力
目前，己研制成十多种ISFET，检测对象为氢、钾、钠、钙、氟、氯、碘、氰、银、硫、铵等十余种离子，并已有集成化的ISFET器件出现
9.4.1 ISFET传感器的结构和工作原理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)中离子活度的微型固态电化学敏感器件，实际上ISFET就是将MOSFET的金属铝栅换为一层对离子有选择性的敏感膜，并让此膜直接与被测离子溶液接触，由于敏感膜对溶液中离子有选择性吸附，调制了ISFET的漏源电流，达到检测溶液中离子活度的目的
在P型硅衬底材料上用扩散法做两个N+区，分别称为源(S)和漏(D)。在漏和源区之间的P型硅表面，生长一薄层SiO2，在SiO2上再蒸发一层金属，称为栅电极，用G表示
MOSFET的结构N沟道增强型MOSFET的输出特性曲线
2.离子敏传感器的结构与工作原理前面已经简要介绍了MOSFET的结构和特征，如果将普通的MOSFET的金属栅去掉，栅介质裸露或在其上涂以对不同离子敏感的膜，就构成了ISFET，结构如图所示
MOS场效应晶体管是利用金属栅上所加电压的大小来控制漏源电流的，而ISFET则是利用其对溶液中离子有选择作用而改变栅极电位，以此来控制漏源电流变化的
ISFET传感器的结构图
对应课件图示：ISFET传感器的结构图，文字要点如上。
9.4.2ISFET传感器的应用ISFET传感器可以用来测量离子选择性电极(ISE)所不能测量的生物体中的微小区域和微量离子
因此它在生物医学领域中具有很强的生命力。此外，在环境保护、化工、矿山、地质、土壤、水文以及家庭生活等各个方面都有其应用
1.探针式ISFET传感器临床医学和生理学的主要检查对象是人或动物的体液，其中包括血液、脑髓液、脊髓液、汗液和尿液等
体液中某种无机离子的微量变化都与身体某个器官的病变有关，因此利用ISFET能迅速而准确地检测出体液中某种离子的变化，就可以为正确诊断、治疗及抢救提供可靠的依据
探针式ISFET传感器
对应课件图示：探针式ISFET传感器，文字要点如上。
漏、源、栅区被设计成平行长条形，用集成技术工艺制造。敏感膜在针端部，用SiO2和Si3N4绝缘，以防止离子浸入，最外面覆盖离子敏感层(例如测Na+用硅酸铝)
2. CO2离子传感器
对应课件图示：CO2离子传感器，文字要点如上。
9.33所示。在H+—ISFET的栅敏感区与引线之间的硅片上，用真空蒸发方法淀积一层银膜，并对其表面进行氯化处理，形成Ag/AgCl，作为参比电极
在H+—ISFET外表面涂一层疏水气透膜，只允许CO2气体分子通过，膜内是一层NaHCO3溶液，当CO2气体通过气透膜后，使NaHCO3电离平衡发生变化，离解成H+和HCO3+离子，引起溶液pH值的变化，通过H+—ISFET检测出来，即可检测CO2的浓度
实际应用时，又必须与参比电极联用，因此利用微电子平面工艺将ISFET与参比电极、加热电阻、测温二极管等集成于同一芯片上
10通道H+—ISFET集成传感器
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