第二节 敏感元器件
一、磁敏管
磁敏器件国际上20世纪60年代后期起步。1968年日本首先研制成功磁敏二极管,并达到
实用化程度。1972年初,哈尔滨电工仪表研究所,根据国防科研任务的需要,研制磁探伤仪,
需要磁敏二极管。当时国内尚无此产品。为国防科研急需,哈尔滨通江晶体管厂大胆地接受
了研制任务。1973年5月开始调查研究。在研制碰到困难时,1974年10月黑龙江大学物理系副
教授郑群国带四名毕业生到该厂“开门办学”,与该厂孙吉安等共同研制。在十分简陋条件
下,克服多种困难,历经7个月,研制成功中国第一只锗磁敏二极管,并于1975年12月17日由
省电子局主持鉴定。
(一)2ACM型磁敏二极管
以本征锗为基体,利用随磁场变化而引起器件双结注入和漂移区电阻变化的二端器件,
磁敏二极管通江晶体管采用铟铝烧结法,改变传统的铟镓合金法,因此具有体积小,磁灵敏
度高等优点,可广泛应用于磁场的检测。特别是对于弱磁场的测量,磁力探伤、磁力探矿、
无触点开关;转速测量、位移测量以及制作无刷直流电机等工业自动化装置和地震预报等技
术。主要技术参数:工作电压5~7伏,负载电阻3千欧,工作电流1.5~2.5毫安,电源电压12
伏,最大功耗≤50毫瓦,频率响应≤10千赫兹。
(二)2DCM硅磁敏二极管
1976年6月,黑龙江大学黄得星、温殿忠教授又研制成功2DCM硅磁敏二极管。此硅管
采用国产高阻单晶材料,用平面工艺进行选择性扩散等,因此与锗管相比,具有灵敏度高、
体积小、使用电压低、功耗小、温度特性好等特点。
(三)3DCM锗磁敏三极管
1977年,郑群国、石永明研制成功3BCM锗磁敏三极管。当时国际上也在起步阶段,尚
无实际应用的报道。该器件与磁阻元件、霍耳元件相比灵敏度更高,性能稳定,因此,凡能
用磁敏二极管的地方都能用三极管。中央气象局、长春气象研究所用于风速遥测,中科院电
工研究所用于测量无刷电机转速,都优于霍耳元件。
2DCM、3BCM均于1977年3月通过鉴定。上述3个磁敏器件,1978年同时获省和国家
科学大会奖。
(四)3CCM硅磁敏三极管
1978年1月,根据长基区晶体管理论和洛沦兹效应的原理,黑龙江大学黄得星教授独创性
的设计成功平面结构,无复合区的新型磁电转换器件3CCM型硅磁敏晶体管,1980年通过技
术鉴定。它具有磁灵敏度高(比霍尔器件高1~2个数量级),温度特性好,线性范围宽,温漂
小,线性度好,稳定性高等特点。可广泛地应用于磁场强度测量,制作无触点磁敏电键,遥
测风速仪,直流无刷电机,液位、位移、加速度、方位等物理量的测量,以及各种无触点开
关,接近开关等各种线性和开关状态的磁-电转换场合。1982年获国家发明三等奖。1983年1
月技术转让给齐齐哈尔北方无线电一厂,投入批量生产。
(五)4CCM硅磁敏差分对管
齐齐哈尔北方无线电一厂和黑龙江大学进一步协作,共同研制成功4CCM硅磁敏差分对
管,于1985年1月定型。此产品是一种双极型差分半导体管结构的磁电转换器件,可用于无触
点开关,接近开关,磁检测等磁电转换方面。如:无刷电机、无触点磁敏电键、遥测风速仪、
转速计、磁场强度测量仪等。此产品由两只磁敏三极管,集成在一只管芯上构成温度补偿差
分电路。其灵敏度比霍尔元件高1~2个数量级,具有负的温度系数,温漂小,线性好,稳定
性高等优点。
1975年至1985年全省共生产各种型号磁敏管13.31万只。
二、气敏管
(一)QM-N5气敏管
1974年,通江晶体管厂根据长春应用化学研究所提出的研制可燃气体泄漏探测报警的课题,
厂长杨之滨决定研制气敏器件。1976年,以张伟为主组成研制组,研制成功QM直热式气敏
二极管,这是一种气-电转换器件,1978年4月鉴定。用此器件生产了闪电牌可燃气体报警器。
但直热式器件热容量小,易受环境气流影响,稳定性差、易误报。因此,工厂进一步研制旁
热式陶瓷金属氧化物气敏管。
金属氧化物气敏特性发现于40年代。1969年日本开始出售用于探测人工煤气、液化气的
气敏管。气敏管1975年美国研制成功气敏半导体甲烷报警器。通江晶体管厂张伟等5人研制的
QM-N5气敏管,于1980年5月通过鉴定。此器件通过灯丝加热,使器件表面温度保持在200℃
左右,当接触可燃性的煤气、氢气、天然气、液化石油气、一氧化碳和汽油、柴油、煤油、
乙炔、醇、酮、醚、苯、氨类等气体或烟雾时,发生表面化学吸附,使器件电导率增加,脱
离气体后就能恢复到原来电导率,适用于对这些可燃性气体的检测、检漏、监控等设备中作
传感器件。此器件灵敏度高,在0.1%丁烷气体下标定电压≥2伏,电压比值为0.9伏。响应和
恢复时间短。响应时间小于10秒,恢复时间小于30秒。用其制作的BJ-3A可燃气体报警器,
其报警点气体浓度天然气小于0.5%,液化石油气小于0.3%,煤气小于0.4%。当上述气体浓度
达到起爆点1/10时就报警。1983年评为国家优质品,获银质奖章。截至1985年累计产量达12.38
万只,1982~1985年,累计出口1.4万只。通江晶体管厂生产的气敏管,在国内敏感器件中首
家通过鉴定,是唯一被评为国家优质品,唯一的出口创汇产品。
(二)QM-N6气敏管
通江晶体管厂,在QM-N5的基础上,应用二氧化锡为基础材料,研制成QM-N6气敏
管,其特点是测量回路可承受较高的交流电压。其价格比QM-N5低3%,适用于设计制作廉
价的可燃气体报警装置。
三、力敏器件
(一)LM型硅扩散力敏应变片
1976年通江晶体管厂应用半导体压阻效应,以集成电路工艺,在单晶片上沿确定的晶向
和规定尺寸,扩散两个应变电阻,制成力-电转换器件。可用其制作压力传感器。其应变电阻
0.8~3千欧,反向击穿电压30~50伏,反向漏电流≤10(-8)安培,绝缘电阻≥100兆欧。1976
年10月在国内首次定型生产。
(二)ML型力敏应变片
哈尔滨电子敏感技术研究所,先后研究成功4种型号力敏应变片。
ML11型应变片,系贴片式加速度传感器、压力传感器及其它类力学量传感器的核心器
件。此器件采用半导体平面工艺,在硅单晶材料上采用离子注入技术扩散制成,体积小,灵
敏系数大。其化学减薄工艺具有独到之处,对提高阻值的一致性和成品率收到一定效果。
ML12型应变片,是在N型硅单晶片上扩散P型杂质,形成两个电阻条而制成的。它体
积小,灵敏度高,是综合了加速度传感器对应变片的技术要求和工艺要求而设计的。产品为
哑铃形,在制造中成功地选用了“一种不漏边的硅片化学腐蚀减薄工艺”,应变片的厚度达
到30微米,±10微米。
ML13型应变片,在设计制造中注重了晶向和掺杂浓度的选择,采用了哑铃状结构以及
化学刻蚀及减薄技术,使应变片厚度减至30微米。受力截面仅为0.009微米,为传感器灵敏度
的提高创造了条件。
ML14型超小型应变片,是利用压阻效应制成的一种新型的扩散硅应变片。尺寸小,灵
敏度高,重量轻,极限应变大,可用以装配微型传感器。并可用于轻小、薄型结构的模态试
验,对于结构形状复杂和多点模态试验更具有独特的优点。
四、湿敏器件
湿度是与人类关系密切的物理量之一,生活、生产都离不开湿度的测量与控制。17世纪
发明的毛发湿度计及19世纪发明的干湿球湿度计到20世纪仍在大量使用。但它们响应慢,精
度差,使用不便。1978年国外首先开发了铬-镁尖晶石-二氧化钛感湿器件。黑龙江省于1980
年开始研制湿敏器件。
(一)氯化锂电阻式湿敏器件
1980年3月,省电子技术研究所根据哈尔滨第二空调机厂生产空调机配套急需,由省经委下达
任务而研制,其感湿范围40~85%(相对湿度),经北京建筑科学院空调研究所、长春气象研究
所测试,达到空调机使用要求,属国内早期的湿敏器件。到1982年累计提供80套合格产品。
(二)SM-1型湿敏半导体器件
1980年9月,通江晶体管厂根据省科委计划,研制湿敏半导体器件,由李志伟等解决了材
料制备,制造工艺,测试标定以及应用电路等一系列问题后,研制出SM-1型湿敏半导体器
件。此器件是多孔质烧结体构成金属氧化物陶瓷,是P型半导体。可广泛应用于电子产品、
精密机械、纺织、食品加工,粮食、种子、烟草贮存,蔬菜、水果保鲜及空气调节等领域的
湿度测量、监控,此器件湿度量程1~100%(相对湿度),工作温度1~150℃,响应时间小于10
秒。各主要指标与国外同类产品相等。但从日本进口每个800美元,从美国进口每个500美元。
通江晶体管厂销售价每只仅124元人民币。
(三)RSM-1型高分子薄膜电容式湿敏元件
1983年,齐齐哈尔北方无线电一厂根据市场需要,与哈尔滨建筑工程学院、中国科学院
大气物理研究所协作,共同开发电容式湿度测量仪。协议规定:哈尔滨建筑工程学院教师王
力负责湿敏元件研究技术工作,工厂钱芹珠负责工艺加工,中科院大气物理研究所袁哲民负
责传感器及二次仪表研制。由工厂自筹0.8万元试制费,产品投产后,给哈建工学院6 000元
补偿费,并按销售额提成6年,1到2年4%,3到4年3%,5到6年2%。工厂在实践中,解决了关键
工艺技术后正式投产。其感湿量程10~100%RH(相对湿度),工作温度-20~+60℃,响应时
间小于10秒。1984年12月,在北京由中科院主持成果鉴定,1985年1月26日在哈尔滨由电子工
业部电子器件总公司主持生产定型。当年共生产142只。从美国进口每只80美元,齐齐哈尔北
方无线电一厂销售价每只106元人民币。
此产品经大气物理研究所应用于地面320米高空3个多月,经多层次对比实验观察,仪器
正常,数据准确,和美国进口产品对比,无明显优劣。上海同济大学用于空调设备、哈尔滨
船舶工程学院和北京8361部队用于军品仓库、上海农机研究所用于粮食仓储、长春气象仪器
研究所用于气象仪器、中美合资宁加公司用于农业气象、哈尔滨无线电七厂用于湿度测试仪
等,均认为其性能优于国内其它同类产品,完全可以替代进口产品,但其稳定性还需进一步
提高。