传感器基础期末复习资料

传感器的定义

能把被测物理量或化学量转换为与之有确定关系的电量输出的装置称为传感器 半导体传感器

半导体传感器利用半导体材料各种物理、化学和生物学特性制成的传感器 物理敏感半导体传感器

将物理量转换成电信号的器件 化学敏感半导体传感器

将化学量转换成电信号的器件，按敏感对象可分为对气体、湿度、离子等敏感的类型，具有类似于人的嗅觉和味觉的功能 生物敏感半导体传感器

将生物量转换成电信号的器件，往往利用膜的选择作用、酶的生化反应和免疫反应，通过测量反应生成物或消耗物的数量达到检测的目的 迟滞

正（输入量增大）反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。 重复性

传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度。 ①上升时间tr ：输出由稳态值的10%变化到稳态值的90%所用的时间。

②响应时间ts ：系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间。 ③峰值时间tp ：阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间。 光生伏特效应：

在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管 光电导效应

在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化 光电效应

光敏传感器的理论基础是光电效应。指物体吸收了光能后转换为该 物体中某些电子的能量，从而产生电效应。 外光电效应

入射光子被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子的一种物理现象。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管 内光电效应

当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应） 二次电子发射

当具有足够动c 能的电子轰击打拿极表面有电子发射出来，这种现象称为二次电子发射 .应力

作用在单位面积上的内力叫做应力 应变

微小材料元素在承受应力时所产生的单位长度的变形量 压阻效应

当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化 ，电阻率将发生显著的变化 方块电阻

一个正方形的薄膜导电材料边到边之间的电阻

温度传感器

一种将温度转化为电学量变化的装置，用于检测温度和热量 半导陶瓷热敏电阻

一般是用金属氧化物为原料，采用陶瓷工艺制备的具有半导体特性的陶瓷电阻器 热敏电阻的耗散系数

热敏电阻的耗散系数定义为热敏电阻功率耗散的变化量 与该元件的温度变化量 之比，即热敏电阻的体温每升高１度所消耗的功率 热敏电阻的热时间常数

在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始末两个温度差的 63.2% 时所需的时间

热敏电阻的互换性

同一标称电阻值得热敏电阻器之间可互换的程度 IC温度传感器

指把温度传感器与后续的放大器等，用集成化技术制作在同一基片上而成的集传感器与放大为一体的功能器件。 霍尔效应

霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。 磁敏传感器

一种将磁学量信号转换为电信号的器件或装置 霍尔传感器

将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器 磁阻效应

在半导体上施加磁场时，由于洛伦兹力的作用，载流子的漂移方向将发生偏转，致使与外加电场同方向的电流分量减小，等价于电阻增大 气体传感器

就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或者器件。 半导体气体传感器

利用待测气体与半导体表面接触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。 气敏元件的灵敏度

气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。 气敏元件的选择性

在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力。 气敏元件的响应时间 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的63％时为止 气敏元件的恢复时间

表示在工作温度下,被测气体由该元件上解吸的速度,一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时,直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的63％时所需时间。 初期稳定时间

一般电阻型气敏元件,在刚通电的瞬间,其电阻值将下降,然后再上升，最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间，称为初期稳定时间

第四章 光敏传感器

1．光电效应通常分为哪几类？与之对应的光电器件有哪些？光电导效应、光生伏特效应的

概念。

分两类:外光电效应、内光电效应。

外光电效应：入射光子被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子的一种物理

现象。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。

内光电效应：当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现

象。 基于外光电效应的光电器件有光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管。

光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引

起材料电导率的变化。

光生伏特效应：在光作用下，能使物体产生一定方向电动势的现象。

2．半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么？

为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即 本征： h??hc?1.24?Eg

??对于杂质半导体：h??hc?1.24?Ei?杂质电离能?

??3．光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？ 原因：环境温度、热辐射及其他因素。 主要因素：

1．欧姆漏电（低压）：主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。 2．热发射（较高）：由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射。 3．残余气体放电（高压）：光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生

正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流

4．场致发射：光电倍增管的工作电压高时还会引起管内电极上的尖端或棱角的场强太高

产生的场致发射暗电流。

5．玻璃壳放电和玻璃荧光：当光电倍增管负高压使用时，金属屏蔽层与玻璃壳之间的电

场很强，尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极电场最强。在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光，放电和荧光都要引起暗电流，而且还将严重破坏信号。 措施：①选用热发散射小的材料，降低光电倍增管温度。 ②降低工作电压。 ③增加屏蔽壳与玻璃管壁间的距离。 ④保持管壳和所有连接器件的清洁干燥。 ⑤加强工艺，完善器件做工。在管子封口前低温烘烤多余的残留气体。

4．试述光电倍增管的组成及工作原理。

（1）光电倍增管是一种真空光电发射器件，它主要由（光入射）窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极(打拿极)和阳极五部分组成。

（2）工作原理：光照射到阴极上产生光电子，光电子在真空中电场的作用下被加速而投射到第一个打拿极上，产生3～6倍的二次电子，被打出来的二次电子再经过加速电场的加速，又打在第二倍增电极上，电子数目又增加3～6倍，如此不断连续倍增，直到最后一级的倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，其电子数将达到阴极发射电子数的105~106倍。从而在整个回路里形成光电流IA。工作时，电极电位从阴极到阳极经过各个打拿极逐级升高，即每个打拿极电压应满足V11>V10>….V3>V2>V1，（其中V11，V10，….V3，V2，V1分别为各打拿极的电压。）

5．简述光敏二极管和光敏三极管的工作原理及两管的区别。

光电二极管工作原理：

（1） 光照产生光生电子和光生空穴—光生载流子。

（2） 势垒区光生载流子在结电场作用下做漂移运动，光生电子被拉向N区而光生空穴

被拉向P区。

（3） 势垒区外产生的光生载流子可向势垒区扩散，形成扩散电流，其运动速度远小于势

垒区的漂移电流。扩散过程中有大量载流子因复合而湮灭。

（4） 光电流主要来自于势垒区和两侧各一个载流子扩散长度范围内的光电效应。 光电三极管工作原理：

（1） 无光照时，因热激发而产生少数载流子，集电结反偏，电场很强，热电子从基极进

入集电极，空穴从集电极运动到基极形成发射极开路集电极基极反向电流，即暗电流Icbo。基区电子漂移留下的正离子吸引射极电子，被集电极收集形成集射极间暗电

流，即正常晶体的反向截止电流。表示为Iceo?(1??)Icbo

（2） 有光照时，光照激发产生的光生电子-空穴对增加了少数载流子的浓度。由于集电结处于反向偏置，使内电场增强。在内电场的作用下，大量光生电子漂移到集电区，在基区留下空穴，使基极电位升高，促使发射区有大量电子经基区被集电区收集而

形成放大的集电极光电流。此时集电结产生的光电子空穴对形成的光电流Is,则 Ie=（1+β）Is 。

区别：（1）光电流 ①暗电流相差不大 ②光电流：二极：几MA–几百MA。三极：几MA （2）响应时间：（频率响应） 二极：τ≦100ns 三极：τ：10^-5–10^-4 s 。 6．为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？

Uoc?kTIln(P?1)qIs。当硅光电池的输出端开路时，外电流I=0，开路电压为：

硅光电池的开路电压与入射光强度有关。其规律是：硅光电池开路电压与入射光强度的对数成正比，即开路电压随入射光强度增大而增大，但入射光强度越大，开路电压增加越缓慢。当照度为20000lx时趋向饱和。硅光电池的Uoc一般为0.45~0.6V，最大不超过0.756V 。它不能大于PN结热平衡时的接触电势差，室温下Si的接触电势差为0.7V。 7.光电阴极的光电发射材料应具备三个基本条件？与半导体材料相比，为什么金属材料不适合作光电阴极材料？

（1）基本条件：1.光吸收系数大

2.光电子在体内传输到体外的过程中能量损失小，使逸出深度大，逸出功小。 3.电子亲和势较低，使表面逸出几率提高。

(2)金属材料 1.表面光亮，反射系数大，对可见光吸收系数小

2.由于电子散射，光电子在体内传输到体外的过程中能量损失大，使逸出功大 3.电子亲和势高，表面逸出几率低 8.什么是二次发射？

当具有足够动能的电子轰击打拿极时，该打拿极表面将有电子发射出来，这种现象称为二次电子发射。轰击打拿极的电子称为一次电子，其二次电子发射系数表示为：发射出的二次电子数，np为打在打拿极上的电子数。） 9.光电二极管与普通二极管的不同和相似之处。 共同点：有一个PN结，单向导通性

不同点：1）受光面大，pn结面积更大；

2）表面有防反射的SIO2保护层； 3）外加负偏压。

??nsnp（ns为

4）外形不同，光电二极管有透明窗口，接收光线

10.光电二极管与光电池的比较。

基本结构均为PN结，利用光生伏特效应工作，有SiO2保护膜 不同： 1）结面积比光电池小，频率特性好；

2）光生电势与光电池相同，但电流比光电池小； 3）可在零偏压下工作，更常在反偏压下工作 4）光电池-能量转化（转化率）；光电二极管：光探测（灵敏度、响应速度）

11.2DU型光电二极管为什么要引出环极？

（1）光电二极管的光敏面通常都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中常含有少量的钠、钾、氢等

正离子。这些正离子在SiO2中不能移动，但他们的静电感应却可以使P-Si表面产生一个感应电子层。这个电子层与N-Si的导电类型相同，可以使P-Si表面与N-Si连通起来。

（2）当管子加反向偏压时，从前级流出的暗电子流除了有PN结的反向漏电流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电流，从而使从前级流出的暗电子流增大。

（3）为了减小暗电流，在光敏面周围光刻一环形窗口，扩散进磷杂质形成n+层，引出电极-环极。当给环极加上正向电压后，使表面漏电流从环极引出去，从而减小了光敏面的漏电流，即光敏二极管的暗电流减小了。 12.APD的工作过程。（雪崩光电二极管）

APD工作电压很高，约100～200V。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电离，产生新的电子 - 空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。因此，这种管子有很高的内增益，响应速度特别快。 13.CCD的电荷存储原理。 （1）构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样， MOS电容器能够存储电荷。 （2）如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区（表面势阱）。

（3）在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。

（4）如果有光照射在硅片上， 在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。

第五章 力学传感器

1.如何理解压阻系数矩阵？

应力的存在将引起电阻率的变化d??=?i。?i与应力之间的关系是由压阻系数联系的，有矩阵[?i]= [πij][Ti] i=1,2,3,4,5,6 j=1,2,3,4,5,6 (1)法向应力不可能产生剪切压阻效应，则

d ? ?

?41??42??43??51??52??53??61??62??63?0

(2)剪切应力不可能产生正向压阻效应，则

?14??15??16??24??25??26??34??35??36?0

(3)剪切应力不可能在该应力所在平面之外产生压阻效应，则

?45??46??54??56??64??65?0

(4)单晶硅是正立方晶体，三个晶轴是完全等效的，在坐标系与晶轴重合下。 正向压阻效应相等，即?11??22??33

横向压阻效应相等，即?12??21??13??31??23??32 剪切压阻效应相等，即?44??55??66

由矩阵可以看出，独立的压阻系数分量仅有?11?12?44三个。分别为晶轴方向上的纵向压阻系数、横向压阻系数、剪切压阻系数分量。

2.对于任意方向的电阻条，计算其压阻系数时应注意的问题是什么？

（1）坐标变换

将任意方向P投影到晶轴坐标系xyz中对应的方向余弦为l1,m1,n1。则投影结果为：

????11?2??11??12??44?l12m12?m12n12?l12n12

Q⊥P，Q为横向。在晶轴坐标系中的方向余弦为l2,m2,n2。则投影结果为：

222????12???11??12??44?l12l22?m12m2?n1n2

????（如果单晶硅在此晶向上同时只有纵向应力与横向应力的作用，则在此晶向上（即电流通过

?R???T????T?的方向）的电阻率的变化率，也就是电阻的变化率： R）

3.分析影响压阻系数大小的因素。

因素：主要是扩散杂质的表面浓度与温度

（1） 压阻系数随扩散浓度的增加而减小。(在相同表

面浓度Ns下，P型硅的压阻系数比n型的高)

（2） 表面浓度低时，温度升高，压阻系数下降得快；

表面浓度高时，温度升高，压阻系数下降得慢。

4．方块电阻的定义？它与什么因素有关？

定义：一个正方形的薄膜导电材料边到边的电阻。P=ρ∕

Xj= 1∕nqμnXj

与μ、NS、Xi（迁移率、表面浓度、扩散阱深）有关。

5．给出一种压阻式压力传感器的结构原理图，并说明其工作过程及特点。

工作过程：典型的硅杯压阻式传感器。 Si弹性膜片把传感器分成两个腔室和被测系统相接的高压腔和与大气相接的低压腔。当外力作用在膜片上，膜片两边存在压力差，膜片上各点产生应力。桥壁电阻在应力作用下，阻值发生变化电桥失去平衡。有相应电压输出，此输出值和作用力成正比，故通过此输出值可求得作用力的大小。 特点：（1）灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大，可直接用于测量。

(2)尺寸小，精度高

(3)分辨率高。例如测量压力时可测出10-20Pa的微压 (4)测量范围宽：低至10Pa-60MPa

6.对于以圆平膜片作为敏感元件的硅压阻式压力传感器，设计其几何结构参数的基本出发点是什么？

（1）硅杯的直径、膜片厚度的确定

a?h4Te3PTe为硅的弹性极限，Te?8?107Pa 给定压力P

（2）固有频率

f0?2.56hE3??1???2?a2E—弹性模量 ρ—硅材料的密度

7.产生零位漂移的原因

1.扩散电阻的阻值随温度变化

2.热应力引起。在钝化层形成时，由于界面之间的热膨胀系数不同，产生表面应力，发生形变。

8.压阻式传感器的灵敏度漂移：由于压阻系数随温度变化引起的。

压阻系数与温度的关系：π随温度的升高变小，随温度降低，π变大。 9.如何从电路上采取措施来改善压阻式传感器的漂移问题？

理论：温度升高时，传感器灵敏度降低，此时提高电桥电源电压，使电桥的输出变大，温度降低时，降低电桥电源电压，输出变小。 电路设计：（a）用正温度系数的热敏电阻改变运算放大器的输出电压

（b）利用三极管的基极与发射极间PN结敏感温度的高低，使三极管的输出电流发生变化，改变管压降的大小，从而使电桥电源电压得到改变。

b:带温度补偿的集成压力传感器 UCR5VR6UBR1R2UoR4R3

热敏电阻具有正温度系数，T↑，传感器灵敏度↓，但Rt↑分压↑。经过运算放大器，使电桥输入电压提高，电桥的输出变大，达到补偿。反之亦然。

上图b中，电阻R5、R6和晶体管BG构成的温度补偿网络与由力敏电阻R1-R4构成的电桥单块集成在一起。当晶体管的基极电流比流过电阻R5、R6的电流小得多时，晶体管的集电极-

a

Vce?Vbe(发射极电压

R5?R6)R6 VB?VC?Vbe(R5?R6)R6

电桥的实际供电电压VB为

温度升高时Vbe下降，引起Vce下降。 Vce的下降使电桥的实际供电电压VB增大，以补偿压阻灵敏度随温度升高的下降值。

（3） 用二极管串联补偿灵敏度温度漂移

第六章 温度传感器

1.半导体热敏电阻有哪几种？PTC热敏电阻的工作原理？

三种：PTC热敏电阻、NTC热敏电阻、CTR（临界温度系数）热敏电阻。 PTC热敏电阻的工作原理：

PTC热敏电阻半导体具有多晶结构（晶粒尺寸约为3~100um),各晶粒内部为半导电性区，晶界为高阻层区。当样品外加电压时，电压大部分落在高阻的晶界层上，因而电子通过晶界时将对材料的导电性能起作用。（晶戒势垒）

由于在晶界面上存在一个势垒，当温度在居里点 以下时，高阻的晶界具有铁电性，介电常数极大。势垒高度与介电常数成反比，所以此时势垒高度很小，电子很容易越过势垒如图(a)所示，相应材料的电阻率小。在温度高于居里点 时，由于高阻层晶格结构发生变化，同时铁电性消失，介电常数急剧减小，势垒随之急剧增高，因而电子难于越过势垒，如图(b)所示，相应材料的电阻率急剧上升。呈正温度系数

2.NTC热敏电阻在温度为T1和T2时对应的电阻值为RT1和RT2，试证明热敏电阻常数 B=T1T2Ln（RT1/ RT2）/( T2- T1)

NTC热敏电阻在20℃和60℃时，电阻值分别为100KΩ和20KΩ，试确定该热敏电阻的表达式。

（1） 证明：由公式

RT?RTexpBN??0?1?T?1??T0??，有

RT1/ RT2=eBn(1/T1-1/T2)

取对数，整理得B=T1T2Ln（RT1/ RT2）/( T2- T1) (2)代入各值：Bn=3.93X103

RT?RTexpBN??T?T??0?=… ?∴

0?11?3.半导体热敏电阻的温度特性曲线特点是什么？

PTC：T

T>Tc时，表现顺磁性，随温度升高而电阻值增大，呈正温度系数。 NTC：阻值随温度的上升而减小，呈负温度系数。

CTR：当温度上升至某值时，其电阻值会发生突变，在几度的范围内下降3-4个数量级，

常用于自动控制及温度预警中。 4.简述温敏二极管的工作原理。

利用正向压降与温度的关系实现温—电转换。

对于理想二极管，当正向电压UF大于几个k0T/q时，正向电流IF与正向电压UF和温度T之间的关系可表示为

?Eg0??qUF??qUF?r?IF?ISexp??kT???ABTexp??kT????kT?exp?0??0??0???Eg0?qUF???B'Trexp????k0T??

——饱和电流

对式（1）两边取对数，可得到作为温度和电流函数的正向电压

UF?k0T?IF?k0T?B'Tr?ln??U?ln?g0?I??Iqq?S??F????式中Ug0=Eg0/q。

?Eg0?IS?ABTrexp???kT??0? ?

在一定电流下，随着温度的升高，正向电压将下降，表现出负的温度系数。

IC1IC2R2V1V25.分析PTAT核心电路。

?UBER1对管差分电路原理图

利用集电极电流比为一定的两个集体管的Vbe与温度的依赖关系。

V1和V2是结构和性能上完全相同的晶体管，它们分别在不同的集电极电流IC1和IC2下工作。电阻R1上得到的电压为两管基极-发射极电压差。

?UBE?UBE1?UBE2??ATr??ln????IC1?k0T??IC1?????q??ln??????IC2??k0T?Ug0???q???k0T??Ug0???q?????ATr??ln????IC2????

由于两个晶体管集电极面积相等，因此集电极电流值比等于集电极电流密度比，则有

?k0T??JC1???UBE???q??ln??????JC2?

式中JC1和JC2分别是V1和V2管的集电极电流密度

设法保证两个晶体管的集电极电流密度之比不变，那么电阻R1上的电压ΔUBE将正比于绝对温度。ΔUBE是集成电路温度传感器的基本温度信号。

ΔU＝RI

设两管增益极高， 因此基极电流可以忽略， 即集电极电流等于发射极电流， 故有 BE1C2 为使两管集电极电流（或电流密度）之比保持不变，电流源给出的流过V1的电流IC1也必须正比于绝对温度，于是电路总电流IC1＋IC2正比于绝对温度。故上述对管差分电路可以给出正比于绝对温度的电压、电流。作为温度传感器的感温部分常称为PTAT核心电路。 6.杂质半导体中，分析电阻率与温度的关系。

迁移率与温度的关系：

低掺杂样品：晶格散射起主要作用。T↑μ迅速↓

高掺杂样品：低温时，杂质散射占优势。T↑μ缓慢↑，直至较高温度，晶格散射开

始占主导时μ才随T↑而稍有下降

第七章 半导体磁敏传感器

1． 什么是霍尔效应？为什么半导体适合做霍尔元件？

① 霍尔效应指通过电流的导电材料在垂直于电流方向的磁场的作用下，在与I和B垂

直方向上形成电荷积累，出现电势差。称为UH。这种效应称为… ② 霍尔元件材料要求高的电阻率和迁移率。

金属材料高μ，低ρ 绝缘材料高ρ,低μ

半导体迁移率高，电阻率适中 因此只有半导体适合。

2.磁敏二极管（SMD）的工作原理。 当磁敏二极管外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，流过二极管的电流也在变化。

(a)P＋H＝0(b)P＋H＋(c)P＋H－N＋N＋IN＋II(a)B=0,有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有大量电子

注入P区而形成电流。只有少量电子和空穴在I区复合掉。

(b)正偏压，受外界磁场H+(正向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，形成的电流因复合速度加快而减小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于r区而复合的电子和空穴数量就越多，载流子减少，外电路的电流越小。 (c)正偏压，受外界磁场片H-(反向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，则外电路的电流变大。

3.霍尔元件的不等位电势的概念？产生不等位电势的主要原因有哪些？如何进行补偿？ (1)不平衡电势U0（不等位电势）：在额定控制电流Ic 之下，不加磁场时，霍尔电极间的开路电势差称为不平衡电势，单位为mV。

(2)主要原因：①材料电阻率的不均匀。②基片宽度和厚度不一致。③电极与基片间的接触位置不对称或接触不良。④控制电流不均匀。

(3)补偿：能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势补偿法。 4.霍尔电动势与那些因素有关？

UH与磁场强度大小、方向及控制电流大小，霍尔元件的材料掺杂浓度Ｎｉ（Ｎｉ→ρ），以及元件的形状、尺寸有关。

UH??IBned。 5.什么是磁阻效应？

在半导体上施加磁场时，由于洛伦兹力的作用，载流子的漂移方向将发生偏转，致使与外加电场同方向的电流分量减小，等价于电阻增大。这种现象叫磁阻效应。 6.温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？如何补偿？

霍尔元件是采用半导体材料制成的,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变化，从而使霍尔元件产生温度误差。 补偿：

（1） 采用恒流源提供控制电流，并联一个电阻R0。

R（2） 合理选择负载电阻Rf。

fUH??IBned

?Rout0????

（3） 采用温度补偿元件（热敏电阻）（采用恒温措施） （4） 选用温度系数小的元件。 7.磁敏三极管的工作原理？

（a）当不受磁场作用时，由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而发射区注入的载流子除少部分输运到集电极c外，大部分通过e—i—b而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数β=Ic／Ib＜1。

＋

（b）当受到H磁场作用时，由于洛仑兹力作用，载流子向发射区一侧偏转，从而使集电极电流 Ic明显下降。

-(c)当受H磁场使用时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电区一侧偏转，使集电极电流Ic增大。

输 运 基 区 ycN?(a) 复合基区 IP?e

N?

r

bx输 运 基 区 ycN?复合基区 H?bx

(b) ?输 运 基 区 ycPN?复合基区(c) H?P?e

N?

r

e

N?

r

bx第八章 气体传感器

1.气体传感器的概念？气敏元件的选择性的概念？

气体传感器：能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或者器件。它能将气体种类及其浓度有关的信息转换成电气信号。

气敏元件的选择性：在多种气体共存的条件下，气敏元件区分气体种类的能力。 2.影响气体传感器特性的因素有哪些？

（1）环境因素。一般裸露在大气中，因此在设计和使用中必须注意环境因素对气敏元件特性的影响。

（2）加热丝的电压值：他决定了敏感元件的工作温度，是影响气敏元件各种特性的不可忽略的重要因素。

3.简述气敏传感器的概念。

半导体气体传感器是利用待测气体与半导体表面接触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。

4.表面控制型气体传感器的敏感机理。

该类器件表面电阻的变化取决于表面吸附气体与半导体材料间的电子交换。工作在空气中，空气中的氧接受来自半导体材料的电子而成为吸附氧。吸附氧在半导体表面俘获电子使半导

1n?O2?ne?Oad2体材料表面电导减小，从而使器件处于高阻状态，即

一旦器件与被测气体接触，就会与吸附氧起反应，将被氧束缚的n个电子释放出来。如,与

H2、CO的情况，敏感膜电导增加，使器件电阻减小，即

OOn?adn?ad?H2?H2O?ne?CO?CO2?ne，则

1O2?H2O21CO?O2?CO22H2?

该类器件通常工作在加热状态（ 200 ℃-450℃），目的是为了加快上述氧化还原反应。

势垒的变化：

5.气体传感器有哪些类别？

半导体式，接触燃烧式，电化学传感器，光干涉式，热导式，红外线吸收式。

6.半导体气体传感器的加热电阻丝有什么作用？

（1）加速被测气体的吸附与解吸附过程。

（2）烧去气敏元件的油垢、污渍，起清洁作用。

（3）控制不同的加热温度，能对不同的被测气体具有选择性。

7.简述改善气敏元件的气体选择性的常用方法。

（1）掺杂（金属氧化物、贵金属、添加物） （2）改变元件工作时的工作温度。 （3）控制元件的烧结温度。 （4）开发新材料。

8.长期工作稳定性及其取决于什么？

长期工作稳定性：指传感器在整个工作时间内的基本响应的稳定性。

取决于： 零点漂移：没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。 区间漂移：传感器连续置于目标气体时，输出响应的变化。 ＭＯＳＦＥＴ型气敏元件。 MOS管工作原理：

当栅极电压UGS

加一个正电压UGS [UGS＞VT(阈值电压)]，在栅极下面的SiO2绝缘层中，会形成一个电场。在此电场作用下，P型硅衬底内的电子，被吸引到SiO2层下面的硅表面，形成反型层，将N型源区（S)与Ｎ型漏区（Ｄ）连接起来，故又称为Ｎ型沟道。

在源和漏间加上一个电压UDS，就会产生漏电流ID。通过改变栅极电压UGS的大小，可以改变N型沟道的宽度，从而控制漏电流ID的大小。

ＭＯＳＦＥＴ：利用阈值电压VT对栅极材料表面吸附的气体非常敏感这一特性

栅极吸附了被测气体后，栅极与半导体的功函数差和表面状态都会发生变化， VT随之变化VT??m??s?Cox???0/dQss?2?F Cox?m为栅极金属功函数；?s为半导体的功函数；?F为形成反型层时，沟道表面与衬底的电势差（扩散电势）；?为SiO2介电常数；Qss为在Si?SiO2界面的SiO2表面电荷密度；d为SiO2绝缘层厚度;Cox为氧化层电容。

由VT的变化情况来测定被测气体的性质和浓度。

4-1 设入射到PMT上的最大光通量为φv=12×10-6lm左右，当采用GDB-235型倍增管为光电探测器，已知它的倍增级数为8级，阴极为Cs3Sb材料，倍增极也为Cs3Sb材料，SK=40μA/lm，若要求入射光通量在0.6×10-6lm时的输出电压幅度不低于0.2V，试设计该PMT的变换电路。

解 (1) 首先计算供电电源的电压

根据题目对输出电压幅度的要求和PMT的噪声特性，可以选择阳极电阻Ra=82kΩ，阳极电流应不小于Iamin，因此

Iamin=UO/Ra=0.2V/82kΩ=2.439μA

入射光通量为0.6×10-6lm时的阴极电流为

IK=SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA 此时，PMT的增益G应为

G?Iamin2.439??1.02?105?6IK24?10

由于N=8，因此，每一级的增益δ=4.227，另外，Cs3Sb倍增极材料的增益δ与极间电压UDD有，可以计算出δ=4.227时的极间电压UDD

2) 计算偏置电路电阻链的阻值

设流过电阻链的电流为IRi，为确保流过电阻链中每个 电阻的电流IRi 都近似相等，（工程上）应满足关系 IRi≥10Iam 流过阳极电阻Ra的最大电流为 Iam=GSKφvm

=1.02×105×40×10-6×12×10-6=48.96μA 则

IRi=10Iam=500μA

因此，电阻链的阻值Ri=UDD/IRi=156kΩ 取Ri=120kΩ，R1=1.5Ri=180kΩ。

4-2 如果GDB-235的阳极最大输出电流为2mA，已知它的倍增级数为8级，阴极为Cs3Sb材料，倍增极也为Cs3Sb材料，SK=40μA/lm,入射光通量在0.6×10-6lm时的输出电压幅度不低于0.2V,试问阴极面上的入射光通量不能超过多少lm？若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？

解 1、根据题目对输出电压幅度的要求和PMT的噪声特性，可以选择阳极电阻Ra=82kΩ，阳极电流应不小于Iamin，因此：Iamin=UO/Ra=0.2V/82kΩ=2.439μA 入射光通量为0.6×10-6lm时的阴极电流为： IK=SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA 此时，PMT的增益G应为

G?Iamin2.439??1.02?105IK24?10?6

UDD?0.7?0.2?78V由于Iam=GSKφVm ,故阴极面上的入射光通量不能超过

?Vm?Iam/G SK?2?10?3?0.49?10?3(lm)1.02?105?40?10?6

2、输出信号电压的稳定度最高为

?Ubb?U?n?8?0.01%?0.08%UUbb

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