第6章磁场与成分参数测量传感器.ppt

Roland Berger Strategy Consultants 实用传感器技术教程 第6章磁场与成分参数测量传感器 磁场以及成分参数的测量在日常生活以及工业中占据重要的地位。磁场的测量主要是磁场强度以及磁场方向的测量，成分参数测量主要是指气体参数与湿度参数的测量。 在本章中，磁场主要是通过磁敏电阻器、集成磁场传感器、磁敏二极管和磁敏三极管进行测量的，而气体参数和湿度参数是通过气敏传感器和湿敏传感器进行测量的。 6.1 磁敏电阻传感器 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（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。 6.1.1 磁敏传感器原理与结构 磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。 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。 6.1.1 磁敏传感器原理与结构 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 6.1.1 磁敏传感器原理与结构 1.磁阻效应 当电阻率变化为 时，则电阻率的相对变化率为 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 6.1.1 磁敏传感器原理与结构 2.磁敏电阻的结构 常见的磁敏电阻有如下三种结构，如图6-1所示。 6.1.2 磁敏电阻常用型号 1. FCC/MC系列磁性传感器 该传感器是一种磁电转换器件，它利用磁敏材料的固有特性，通过不同的特殊电路将磁信号转换为电信号。 6.1.2 磁敏电阻常用型号 2. CGC系列磁传感器 该传感器可用于地磁脉动观测，它是大地磁法或电磁法勘探仪器的磁场信息接收器。 发光二极管常用的材料与发光波长 7.2光电效应 内光电效应又可分为以下两类： 1）光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量后引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管等。 2）光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池等。 7.3 光敏电阻 光敏电阻又称光导管，是利用半导体光敏材料制成的一类光电器件，其作用原理基于光电导效应。当无光照时，光敏电阻具有极高的阻值；当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时，其电阻阻值降低，光线越强，电阻值越低，当光照停止后，其电阻阻值在一段时间后恢复原值。 7.3 光敏电阻 当在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻是一个纯电阻器件，没有极性，因而使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。制造光敏电阻的材料一般由金属的硫化物、硒化物、碲化物等组成。由于光电导效应只限于光照的表面薄层，因此光敏材料一般都做成薄层。同时为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，如图7-2 a所示：为了避免外来干扰，光敏电阻外壳的入射孔上盖有一种能透过所要求光谱范围光的透明保护窗（如玻璃），同时为了避免光敏电阻的灵敏度受潮湿等因素的影响，通常将光敏材料严密封装在金属壳中。 5）暗电流：是指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。 6）光电流：在一定外加电压下亮电流与暗电流之差。 7）时间常数：是指光敏电阻器的光电流从光照跃变开始到稳定亮电流的63%时所需的时间。 8）温度系数：是指光敏电阻器在环境温度改变1℃时，其电阻值的相对变化。 9）灵敏度：是指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。 1）光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为斜率不同的直线，说明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。 2）光敏电阻两端电压不能过高，因为光敏电阻有最大额定功率（如图7-3中的500mW功率曲线）限制，当光敏电阻两端的电压和电流超过最大允许工作电压和最大额定电流时，可能导致光敏电阻的永久性损坏。 （2）光照特性 在一定的外加电压下，光敏电阻