半导体传感器.docx

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半导体传感器

半导体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（InSb，InAs）；后者有磁敏二极管（Ge,Si）、磁敏晶体管（Si）。

磁敏传感器的应用范围可分为模拟用途和数字用途两种。

例如利用霍尔传感器测量磁场强度，用磁敏电阻、磁敏二极管作无接触式开关等。

霍尔传感器霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，有普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关式的霍尔元件。

由于霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特件应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。

磁敏式传感器1．霍尔效应长为L、宽为b、厚为d的导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制电流I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。

这一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件。

2．工作原理霍尔效应是导体中自由电荷受洛仑兹力作用而产生的。

设霍尔元件为N型半导体，当它通以电流I时，半导体中的电子受到磁场中洛仑兹力FL的作用，其大小为式中υ为电子速度，B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。

在FL的作用下，电子向垂直于B和υ的方向偏移，在器件的某一端积聚负电荷，另一端面则为正电荷积聚。

电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中EH为霍尔电场，e为电子电量，UH为霍尔电势。

当FL=FE时，电子的积累达到动平衡，即所以。

设流过霍尔元件的电流为I时，式中bd为与电流方向垂直的截面积，n为单位体积内自由电子数（载流子浓度）。

则令则KH为霍尔元件的灵敏度。

由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。

一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度d与KH成反比。

RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。

由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。

3．霍尔系数及灵敏度令则二、霍尔元件的主要技术参数1．额定功耗P0霍尔元件在环境温度T＝25℃时，许诺通过霍尔元件的操纵电流I和工作电压V的乘积即为额定功耗。

一样可分为最小、典型、最大三档，单位为mw。

当供给霍尔元件的电压确信后，依照额定功耗能够明白额定操纵电流I。

有些产品提供额定操纵电流和电压，不给出额定功耗。

2．输入电阻Ri和输出电阻R0Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为Ω。

可以在无磁场即B＝0时，用欧姆表等测量。

3．不平衡电势U0在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势称为不平衡（不等）电势，单位为mV。

不平衡电势和额定控制电流I之比为不平衡电阻r0。

4．霍尔电势温度系数α在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔电势转变的百分率称为霍尔电势温度系数α，单位为1／℃。

5．内阻温度系数β霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，输入电阻只Ri与输出电阻R0转变的百分率称为内阻温度系数β，单位为1／℃。

一样取不同温度时的平均值。

6．灵敏度KH其定义向前述。

有时某些产品给出无负载时灵敏度（在某一控制电流和一定强度磁场中、霍尔电极间开路时元件的灵敏度）。

三、霍尔元件连接方式和输出电路1．基本测量电路控制电流I由电源E供给，电位器W调节控制电流I的大小。

霍尔元件输出接负载电阻RL，RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。

由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势UH，所以在测量中，可以把I与B的乘积、或者I，或者B作为输入情号，则霍尔元件的输出电势分别正比于IB或I或B。

2．连接方式为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。

下图（a）为直流供电，控制电流端并联输出串联。

下图（b）为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。

3．霍尔电势的输出电路霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。

霍尔电势一般在毫伏量级，实际使用中必须加差分放大器。

霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有如右图所示两种结构。

当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不平衡电势U0小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。

例如，选用KH＝5mV/mA·kGs，控制电流为5mA的霍尔元件作线性测量元件测量1Gs～10kGs的磁场，则霍尔器件最低输出电势UH为UH＝5mV/mA·kGs×5mA×10-3kGs＝25μV最大输出电势为UH＝5mV/mA·kGs×5mA×10kGs＝250mV故要选择低噪声、低漂移的放大器作为前级放大。

当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。

例如，KH＝20mV/mA·kGs，如果控制电流为2mA，施加一个300Gs的磁场，则输出霍尔电势为UH＝20mV/mA·kGs×2mA×300Gs＝120mV这时选用一般的放大器即可满足。

四、霍尔元件的测量误差和补偿方法霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：

一类是半导体固有特性；另一类为半导体制造工艺的缺陷。

其表现为零位误差和温度引起的误差。

1．零位误差及补偿方法零位误差是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。

不平衡电势U0是主要的零位误差。

因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。

如下图（a）所示。

当控制电流I流过时，即使末加外磁场，A、B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）U0。

下图给出几种常用的补偿方法。

为了消除不等位电势，可在阻值较大的桥臂上并联电阻，如下图（a）所示，或在两个桥臂上同时并联如下图（b）、（c）所示的电阻。

2．温度误差及其补偿由于载流子浓度等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。

这种变化程度随不同半导体材料有所不同。

而且温度高到一定程度，产生的变化相当大。

温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。

针对温度变化导致内阻（输入、输出电阻）的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。

（1）利用输出回路并联电阻进行补偿在输入控制电流恒定的情况下，如果输出电阻随温度增加而增大，霍尔电势增加；若在输出端并联一个补偿电阻RL，则通过霍尔元件输出电阻输出电阻（内阻）R0的电流增大，内阻压降亦增大增大，输出电压将会减小。

只要适当选据补偿电阻RL，就可达到补偿的目的。

在温度影响下，元件的输出电阻从Rt0变到Rt，输出电阻Rt和电势UHt应为Rt＝Rt0（1+βt）；UHt＝UHt0（1+αt）式中β、α为霍尔元件的输出电势UHt和输出电阻Rt的温度系数。

此时RL上的电压则为补偿电阻RL上电压随温度变化最小的条件为因此当知道霍尔元件的β、α及Rt0时，便可以计算出能实现温度补偿的电阻RL的值。

因该指出，这种补偿方法，不能完全消除温度误差。

（2）利用输入回路的串联电阻进行补偿霍尔元件的控制回路用稳压电源E供电，其输出端处于开路工作状态，当输入回路串联适当的电阻R时，霍尔电势随温度的变化可得到补偿。

当温度增加时，霍尔电势的增加值为ΔUH=UHt0αt；另一方面，元件的输入电阻随温度的增加值为ΔRi=Rit0βt。

用稳压源供电时，控制电流和输出电势的减小量为全补偿条件：

在霍尔元件的β、α为已知的条件下，即可求得R与Rt0的关系。

但是，R仍然是温度t的函数。

实际的补偿电路如上图（c）所示。

调节电位器W1可以消除不等位电势。

电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联热敏电阻Rt。

当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使补偿电桥的输出电压UH相应变化，只要仔细调节，即可使其输出电压UH与温度基本无关。

磁敏电阻器磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。

磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。

一、磁阻效应当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为磁阻效应。

当温度恒定时，在磁场内，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式中ρB—磁感应强度为B时的电阻率；ρ0—零磁场下的电阻率；μ—电子迁移率；B—磁感应强度。

当电阻率变化为Δρ＝ρB-ρ0时，则电阻率的相对变化为：

Δρ/ρ0=μ2B2=Kμ2B2。

由此可知，磁场一定时迁移率越高的材料（如InSb、InAs和NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显。

二、磁敏电阻的结构磁敏电阻通常使用两种方法来制作：

一种是在较长的元件片上用真空镀膜方法制成，如右图（a）所示的许多短路电极（光栅状）的元件；另一种是在结晶制作过程中有方向性地析出金属而制成磁敏电阻，如上图（b）所示。

除此之外，还有圆盘形，中心和边缘处各有一电极，如上图（c）所示。

磁敏电阻大多制成圆盘结构。

磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。

若考虑其形状的影响。

电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为式中：

L、b分别为电阻的长和宽；为形状效应系数。

在恒定磁感应强度下，其长度L与宽度b比越小，则Δρ/ρ0越大。

各种形状的磁敏电阻，其磁阻与磁感应强度的关系如右图所示。

由图可见，圆盘形样品的磁阻最大。

磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大；因此，使用磁敏电阻时．必须首先了解如下图所示的持性曲线。

然后，确定温度补偿方案。

磁敏二极管和磁敏三极管霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成的体型元件。

磁敏二极管和磁敏三极管是PN结型的磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小和体积小等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。

一、磁敏二根管的结构和工作原理1．结构磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I，本征区I的一面磨成光滑的复合表面（为I区），另一回打毛，设置成高复合区（为r区），其目的是因为电子—空穴对易于在粗糙表面复合而消失。

当通过正向电流后就会在P、I、N结之间形成电流。

由此可知，磁敏二极管是PIN型的。

当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加如下图（a）所示的正偏压，则有大量的空穴从r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。

当磁敏二极管受到如下图（b）所示的外界磁场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，因此，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。

当磁敏二极管受到如右图（b）所示的外界磁场片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。

利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电转换。

3．磁敏二极管的主要特性

（1）磁电待性在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电持性。

磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。

它们的磁电特性如下图所示。

出图可知，单只使用时，正向磁灵敏度大于反向；互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。

（2）伏安特性磁敏二极管正向偏压和通过电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性，如图所示。

从图可知，磁敏二极管在不同磁场强度H下的作用，其伏安特性将是不一样。

图（a）为锗磁敏二极管的伏安特性；（b）为硅磁敏二极管的伏安特性。

图（b）表示在较宽的偏压范围内，电流变化比较平坦；当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加、伏安持性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。

（3）温度特性一般情况下，磁敏二极管受湿度影响较大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输出电压变化量ΔU，或者在无磁场作用时，中点电压Um随温度变化较大。

因此，在实际使用时，必须对其进行温度补偿。

①互补式温度补偿电路选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背向放置串接在电路中。

无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压Um随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。

不仅如此，互补电路还能提高磁灵敏度。

②差分式电路如下图（c）所示。

差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度，还可以弥补互补电路的不足。

如果电路不平衡，可适当调节电阻R1和R2。

③全桥电路全桥电路是将两个互补电路并联而成。

和互补电路一样，其工作点只能选在小电流区。

该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的两倍。

由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些困难。

④热敏电阻补偿电路如下图（e）所示。

该电路是利用热敏电阻随温度的变化，而使Rt和D的分压系数不变，从而实现温度补偿。

热敏电阻补偿电路的成本略低于上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。

二、磁敏三极管的结构和工作原理1．磁敏三极管的结构在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。

其最大特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的r区和本征I区。

长基区分为输运基区和复合基区。

2．磁敏三极管的工作原理当磁敏三极管末受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-b，形成基极电流；少数载流子输入到c极，因而基极电流大于集电极电流。

当受到正向磁场（H+）作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射极的一侧，导致集电极电流显著下降；当反向磁场（H-）作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。

由此可知，磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。

3.磁敏三极管的主要特性

（1）磁电特性磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，是主要特性之一。

例如，国产NPN型3BCM（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近一条直线，如左下图所示。

（2）伏安特性磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。

下右图（a）为不受磁场作用时，磁敏三极管的伏安特性曲线；下右图（b）是磁场为±1kGs，基极为3mA时，集电极电流的转变。

由该图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。

（3）温度特性及其补偿磁敏三极管对温度比较敏感，实际使用时必须采用适当的方法进行温度补偿。

对于锗磁敏三极管，例如，3ACM，3BCM，其磁灵敏度的温度系数为％/℃；硅磁敏三极管（3CCM）磁灵敏度的温度系数为％/℃。

关于硅磁敏三极管可用正温度系数的一般硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。

具体补偿电路如图（a）所示。

当温度升高时，BG1管集电极电流Ic增加，导致BGm管的集电极电流也增加，从而补偿了BGm管因温度升高而导致Ic的下降。

图（b）是利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的这一特性使其作硅磁敏三极管的负载，当温度升高时，可以弥补硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降的问题。

除此之外，还可以采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组成的差分电路，如图（c）所示，这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，它是一种行之有救的温度补偿电路。

磁敏式传感器应用举例一、霍尔位移传感器霍尔位移传感器可制作成如图（a）所示结构。

在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。

当控制电流I恒定不变时，霍尔电势UH与外磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dB/dx如图（b）所示为一常数时，则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势变化也应是一个常数K（位移传感器的输出灵敏度）：

即UH∝Kx。

这说明霍尔电势与位移量成线性关系。

其输出电势的极性反映了元件位移方向。

磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。

当x＝0时，则元件置于磁场中心位置，UH＝0。

这种位移传感器一般可测量1～2mm的微小位移，其特点是惯性小，响应速度快，无接触测量。

利用这一原理可以测量与之有关的非电量，如力、压力、加速度、液位和压差等。

二、汽车霍尔点火器上图是霍尔电子点火器结构示意图。

将霍尔元件（图中之3）固定在汽车分电器的白金座上，在分火点上装一个隔磁罩1，罩的竖边根据汽车发动机的缸数，开出等间距的缺口2，当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔器件而成闭合回路，所以电路导通，如上图（a）所示，此时霍尔电路输出低电平（小于等于）；当罩边凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，如上图（b）所示，霍尔电路输出高电平。

霍尔电子点火器原理如下图所示。

当霍尔传感器输出低电平时，BG1截止，BG2、BG3导通，点火线圈的初级有一恒定电流通过。

当霍尔传感器输出高电平时，BG1导通，BG2、BG3截止，点火器的初级电流截断，此时储存在点火线圈中的能量，在次级线因以高压放电形式输出，即放电点火。

汽车霍尔电子点火器，由于它无触点、节油，能适用于恶劣的工作环境和各种车速，冷起动性能好等特点，目前国外已广泛采用。

三、磁敏二报管漏磁探伤仅磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特性而设计的。

原理如图所示。

漏磁探伤仪由激励线圈2、铁芯3、放大器4、磁敏二极管探头5等部分构成。

将待测物1（如钢棒）置于铁芯之下，并使之不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化。

若待测钢棒没有损伤的部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感应的磁通为Φ，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出。

若钢棒上的裂纹旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知待测铁棒中的缺陷。

四、半导体InSb磁敏无接触电位器半导体InSb磁敏无接触电位器是半导体InSb磁阻效应的典型应用之一。

与传统电位器相比,它具有无可比拟的优点:

无接触电刷、无电接触噪音、旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。

半导体InSb磁敏无接触电位器是基于半导体InSb磁阻效应原理，由半导体InSb磁敏电阻元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。

由于无电刷接触，故称无接触电位器。

磁敏无接触电位器工作原理示图和输出特性曲线0°90°-90°该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。

其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线如图所示。

五、锑化铟（InSb）磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞视中的应用InSb伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测机上，其工作过程如上图所示，电路原理图如下图所示。

电路工作原理图InSb伪币检测传感器工作原理与输出特性当纸币上的磁性油墨没有进入位置1时，设输出变化为零，如果进入位置1，由于R2电阻增大，则输出变化为左右；如果进入位置3时，则仍为0；如果进入位置4，则为，如果进入位置5，则仍为0，就这样产生输出特性，经过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检测伪币，达到理想效果。

新型磁敏传感器一、巨磁阻效应器件（GMR）巨磁阻效应器件是德国西门子公司研制生产的一种新颖的磁敏传感器。

与传统的金属薄膜磁阻相比，其在弱磁场下的灵敏度更高，有效检测距离高达25毫米；该磁阻传感器与检测磁场的大小无关，仅对磁场的方向超级灵敏。

因此专门适合于制作角度编码器、无接触电位器,也可用于GPS导航系统。

1．工作原理巨磁阻效应器件基于多层金属薄膜的磁阻效应，采用真空（溅射）蒸镀、多层金属薄膜工艺技术制成。

巨磁阻效应器件与传统的金属薄膜磁阻元件不同，它对磁场强度在5～15kA/m内的范围变化不太敏感、而对磁场强度的方向变化却非常敏感。

巨磁阻效应器件的阻值随磁场强度的GMR工作原理方向的变化关系为：

R＝R0+ΔR（1-cosα）式中R0为巨磁阻器件在无磁场下电阻值，ΔR为在有磁场下的电阻变化值，α指磁场强度的空间方向,其值为0～360°。

其原理示意图见右图。

2．特点●对磁场强度在5～15kA/m范围内的变化不敏感,仅对磁场方向敏感;●有效检测距离为25mm;●在弱磁场下灵敏度非常高;●工作温度范围宽,其标称阻值R0和ΔR具有优良的线性温度特性;●体积小、功耗低。

3．典型技术参数●工作电源电流:

7mA;●工作温度范围:

-40℃～+120℃;●标称阻值:

＞700Ω;●在5～15kA/m范围内的灵敏度:

≥4%;●标称阻值温度系数TCR0：

～%/℃;●磁阻温度系数ＴＣΔR：

～%／℃;●磁滞（Ｈ＝10kA／m）：

＜2度;●磁阻效应温度系数ＴＣΔR／R0：

～%／℃；4．应用巨磁阻效应器件具有弱磁场下灵敏度高、对磁场强度方向变化非常敏感的特性，同时，巨磁阻效应器件又有优良的线性温度特性。

因此，可根据实际需要，通过桥式或半桥式电路结构进行温度补偿，以满足巨磁阻传感器的性能要求。

二、特性新颖敏感元件—Z元件Z元件的发明是俄罗斯传感器专家教授与他的同事们在1983年从一起半导体PN结伏安特性实验出现奇怪的结果所引发的，这种元件也因此得名：

Z元件。

Z元件是一种N区被重掺杂补偿的特种PN结结构,它通过负载电阻R按正向偏置接在直流电路中，负载电阻R用于限制工作电流并取出电压信号。

Z元件的发明人教授认为，“Z效应”微观机理的核心在于该PN结在一定电源电压下能产生一种“电流细丝”（Currentfilament）效应（或译成潺流效应），并在外部激励下能产生一种所谓“细丝电流”（filamentCurrent）冲击或细丝电流振荡。

Z元件应用电路的工作原理为在外部激励下能产生“细丝电流”冲击或电流振荡的缘故。

在下图1所示电路中，若在外部激励下产生细丝电流冲击，电路中产生工作电流突变，则负载电阻R上获得开关量输出。

若外部激励产生细丝电流振荡，电路中产生振荡电流，则负载电阻R上获得脉冲输出；若外部激励没有达到产生细丝电流冲Z元件原理示意图击或细丝电流振荡的阈值，则负载电阻R上获得模拟量输出。

Z元件它的诱人之处就是无需前置放大器和A/D转换器，便可直接输出大幅值数字信号，且是无接触式测量，具有体积小，功耗低,抗噪能力强等优点。

气敏传感器气敏传感器是用来测量气体的类别、浓皮和成分的传感器。

由于气体种类繁多．性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气—电转换的传感器种类很多。

按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。

目前实际使用最多的是半导体气敏传感器，早期所采用的电化学和光学等方法，由于使用不便已很少采用。

半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面、还是在内部，可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型（电导控制型、金属氧化物半导体器件）和非电阻型（电压控制型、MOS器件）两种。

电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。

自从60年代研制成功SnO2（氧化锡）半导体气敏元件后，气敏元件进入了实用阶段。

SnO2敏感材料是目前应用最多的一种气敏材料，它已广泛地应用于工矿企业、民用住宅、宾馆饭店等内部对可燃气体和有害气体的检测。

（半导体）电阻型气敏传感器一、电阻型半导体气敏材料的导电机理半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。

当半导体器件被加热到稳定状态，气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量。

一部分被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而吸附在吸附处。

当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力（气体的吸附和渗透