半导体传感器的原理、应用及发展
作者
摘要：本文主要评述半导体传感器例如磁敏，色敏，离子敏，气敏，湿敏的传感器的原理，在机械工程中的应用及目前的发展前景。
关键词：半导体传感器，磁敏、色敏、离子敏、气敏、湿敏、 工作原理、现状、发展趋势、应用
Principle, application and development of semiconductor sensor
Author （Department of mechanical and electrical engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Hunan 414000, China;）
Abstract:in this paper, the principle of semiconductor sensors, such as magneto sensitive, color sensitive, ion sensitive, gas sensitive,
humidity sensitive sensors, is introduced.
Keywords: semiconductor sensor, magnetic sensitive, color sensitive, ion sensitive, gas sensitive, humidity sensitive, working
principle, current situation, development trend, application
半导体传感器的原理、应用及发展 ----------------------------------------------------------------------------------- 1 一、概述 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 二、分类 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
1、 磁敏传感器 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3
磁敏传感器的工作原理 -------------------------------------------------------------------------------------- 3 1.磁敏电阻器 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 2.磁敏二极管 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 3.霍尔传感器 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 磁敏传感器的发展与应用 ----------------------------------------------------------------------------------- 5 2、 色敏传感器 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 5
色敏传感器工作原理 ----------------------------------------------------------------------------------------- 5 1. 光敏二极管工作原理 ------------------------------------------------------------------------------------- 5 色敏传感器的应用 --------------------------------------------------------------------------------------------- 7 3、 离子敏传感器 --------------------------------------------------------------------------------------------------- 7
离子敏传感器工作原理 -------------------------------------------------------------------------------------- 7 1.ISFET的工作原理 -------------------------------------------------------------------------------------------- 7 2. 离子敏感膜 -------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 离子敏传感器的应用 ----------------------------------------------------------------------------------------- 8 4、气敏传感器 -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8
气敏传感器的工作原理 -------------------------------------------------------------------------------------- 8 1.电阻型气敏原件 --------------------------------------------------------------------------------------------- 9 2.非电阻型半导体气敏传感器 ---------------------------------------------------------------------------- 10 气敏传感器应用 ----------------------------------------------------------------------------------------------- 11 5、湿敏传感器 ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11
湿敏传感器工作原理 ---------------------------------------------------------------------------------------- 11 1.氯化锂湿敏电阻 -------------------------------------------------------------------------------------------- 11 2.半导体陶瓷湿敏电阻 ----------------------------------------------------------------------------------- 11 负特性湿敏半导瓷的导电机理 -------------------------------------------------------------------------- 12 正特性湿敏半导瓷的导电机理 ---------------------------------------------------------------------------- 12 典型半导瓷湿敏元件 ---------------------------------------------------------------------------------------- 12 湿敏传感器的应用 ------------------------------------------------------------------------------------------ 13
三、 半导体传感器的现状与发展趋势 ----------------------------------------------------------------------------- 13
一、概述
由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世，半导体传感器以其易于实现集成化，微型化，灵敏度高等诸多优点，一直引起世界各国科学家的重视和兴趣，并且越来越多的应用于各个行业。
半导体传感器利用半导体材料易受外界条件影响的物理特性制成的传感器，器种类繁多，它利用近百种物理效应和材料的特性，具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉功。
半导体传感器的优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。半导体传感器的主要应用领域是工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。
二、分类
1、磁敏传感器 磁敏传感器的工作原理
磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子或者空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成的，总的来说磁敏传感器就是基于磁电转换原理的传感器。磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器。
1.磁敏电阻器
磁阻效应 将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化，这种效应成为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。
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。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
ρB=ρ0（1+0.273μ2B2） 式中 B---磁感应强度； μ---载流子迁移率； ρ0--- 零磁场下的电阻率； ρB---磁感应强度为B时的电阻率。
设电阻率的变化为△ρ=ρB-ρ 0，则电阻率的相对变化率为 △ ρ/ρ0=0.273μ2B2=K﹙μB﹚2
由上式可知，磁场一定时，迁移率高的材料磁阻效应明显。 磁敏电阻的应用 一般用于磁场强