第10章 半導(dǎo)體傳感器

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：概述概述半導(dǎo)體電特性被測(cè)量電信號(hào)概述概述 氣敏元件濕敏元件酸酸度度計(jì)計(jì)純水測(cè)試儀純水測(cè)試儀測(cè)量測(cè)量水質(zhì)水質(zhì) ； 氧氣氧氣氫氣氫氣-+半導(dǎo)體半導(dǎo)體電阻變化電阻變化氣體氣體N-氧氧N-氫氫P+半導(dǎo)體是一種多晶材料，晶粒大小約為半導(dǎo)體是一種多晶材料，晶粒大小約為10-6cm，一個(gè)器，一個(gè)器件是由許許多多小顆粒組成，在晶粒連接處形成許多晶件是由許許多多小顆粒組成，在晶粒連接處形成許多晶粒間界；粒間界；正是這些晶粒間界的性質(zhì)決定著多晶材料的導(dǎo)電特性，正是這些晶粒間界的性質(zhì)決定著多晶材料的導(dǎo)電特性，整個(gè)半導(dǎo)體塊的電導(dǎo)由這些間界的導(dǎo)電性能決定的。整個(gè)半導(dǎo)體塊的電導(dǎo)由這些間界的導(dǎo)電性能決定

2、的。 氣敏材料敏感機(jī)理氣敏材料敏感機(jī)理 n-SnO2氣敏傳感器氣敏傳感器是目前工藝最成熟的是目前工藝最成熟的氣敏器件，這種傳感氣敏器件，這種傳感器以多孔質(zhì)器以多孔質(zhì)SnO2陶瓷陶瓷為基本材料，添加不為基本材料，添加不同催化劑，采用傳統(tǒng)同催化劑，采用傳統(tǒng)制陶方法進(jìn)行燒結(jié)。制陶方法進(jìn)行燒結(jié)。 N -氧氧N-氫氫-N N型半導(dǎo)體與氣體接觸時(shí)的氧化還原響應(yīng)型半導(dǎo)體與氣體接觸時(shí)的氧化還原響應(yīng)F 電阻式氣敏傳感器可用于檢測(cè)電阻式氣敏傳感器可用于檢測(cè)可燃?xì)怏w可燃?xì)怏w， 所以又稱所以又稱 熱效率探測(cè)器。熱效率探測(cè)器。 電阻式氣敏傳感器可以等效為電阻電阻式氣敏傳感器可以等效為電阻氣敏傳感器氣敏傳感器電路符號(hào)電路

3、符號(hào)a. 固有電阻固有電阻RaF 氣敏元件在氣敏元件在潔凈空氣潔凈空氣中的電阻值稱為中的電阻值稱為固有電阻固有電阻Ra ，固有電，固有電阻值一般阻值一般在在幾十幾十kk到數(shù)幾百到數(shù)幾百kk范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。F 氣敏傳感器的分辨率反映氣體元件對(duì)被測(cè)氣體的識(shí)別氣敏傳感器的分辨率反映氣體元件對(duì)被測(cè)氣體的識(shí)別以及對(duì)干擾氣體的抑制能力，即以及對(duì)干擾氣體的抑制能力，即gagiaUUsUUb. 分辨率分辨率式中，式中，Ugi 在規(guī)定濃度下，元件在第在規(guī)定濃度下，元件在第i 種氣體中負(fù)載電阻上電壓。種氣體中負(fù)載電阻上電壓。c. 靈敏度靈敏度 表征氣敏元件的靈敏度通常有下列幾個(gè)參數(shù)：表征氣敏元件的靈敏度通常有下列

4、幾個(gè)參數(shù)：F 電阻靈敏度電阻靈敏度: 氣敏元件的氣敏元件的固有電阻固有電阻Ra與在與在規(guī)定氣體濃度下規(guī)定氣體濃度下氣敏元件的電阻氣敏元件的電阻Rg 之比為電阻靈敏度，即之比為電阻靈敏度，即/agkRRF 氣體分離度氣體分離度: 氣體濃度分別為氣體濃度分別為g1、g2 時(shí)，氣體元件的電阻時(shí)，氣體元件的電阻Rg1、R g2 之比為氣體分離度，可表示為之比為氣體分離度，可表示為12/ggRR/uagKUUF 電壓靈敏度電壓靈敏度，氣敏元件在，氣敏元件在固有電阻值固有電阻值時(shí)的輸出電壓時(shí)的輸出電壓Ua 與在與在規(guī)定濃度下負(fù)載規(guī)定濃度下負(fù)載電阻的兩端電壓電阻的兩端電壓Ug 之比為電壓靈敏度之比為電壓靈敏

5、度d.時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)F 從氣敏元件與某一特定濃度的從氣敏元件與某一特定濃度的氣體接觸開始?xì)怏w接觸開始，到元件的阻，到元件的阻 值達(dá)到此濃度下值達(dá)到此濃度下穩(wěn)定阻值穩(wěn)定阻值的的63.2%為止所需要的時(shí)間稱為為止所需要的時(shí)間稱為 元件在該濃度下的元件在該濃度下的時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 。e. 恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間 trF 由氣敏元件由氣敏元件脫離脫離某一濃度的氣某一濃度的氣體開始，到氣敏元件的阻值恢體開始，到氣敏元件的阻值恢復(fù)到復(fù)到固有電阻固有電阻Ra的的36.8%為止為止所需要的時(shí)間稱為元件的恢復(fù)所需要的時(shí)間稱為元件的恢復(fù)時(shí)間時(shí)間tr。氣敏傳感器測(cè)量電路氣敏傳感器測(cè)量電路 測(cè)量電路是將元件測(cè)量電路是將元

6、件電阻的變化轉(zhuǎn)化成電壓電流的變化電阻的變化轉(zhuǎn)化成電壓電流的變化。 測(cè)量電路包括測(cè)量電路包括加熱回路加熱回路和和測(cè)試回路測(cè)試回路兩部分：兩部分： A、B端為傳感器測(cè)量電極回路，端為傳感器測(cè)量電極回路，F(xiàn)、F引腳為加熱回路。引腳為加熱回路。 加熱電極加熱電極F、F電壓電壓UH = 5V， A-B之間電極端等效為電阻之間電極端等效為電阻Rs， 負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL兼做取樣電阻；兼做取樣電阻；0LSLRUURR 可見可見 輸出電壓與氣敏電阻有對(duì)應(yīng)關(guān)系輸出電壓與氣敏電阻有對(duì)應(yīng)關(guān)系F 負(fù)載電阻上輸出電壓為：負(fù)載電阻上輸出電壓為： 5V（半定量）信號(hào)M LM3914LM3914LEDLED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器集成電

7、路內(nèi)部電路集成電路內(nèi)部電路 條形條形LEDLED器件封裝器件封裝防酒后駕車汽車點(diǎn)火電路防酒后駕車汽車點(diǎn)火電路 繼電器繼電器J1-1、J1-2常開結(jié)點(diǎn)常開結(jié)點(diǎn), J2-1常閉結(jié)點(diǎn)常閉結(jié)點(diǎn), J2-2常接常接VD1（綠燈）（綠燈）,VD2（紅燈）（紅燈） S閉合，無酒精時(shí)，閉合，無酒精時(shí)， J1閉合點(diǎn)火閉合點(diǎn)火;氣敏電阻高，氣敏電阻高，Ua高高Uo低，低，555輸出高，輸出高，J2無電流；無電流； 有酒精時(shí)，氣敏電阻下降，有酒精時(shí)，氣敏電阻下降，Ua低低Uo高，高，555輸出低，輸出低，J2吸合，吸合，J2-1斷開，不啟動(dòng)；斷開，不啟動(dòng)； 若司機(jī)拔出氣敏傳感器，若司機(jī)拔出氣敏傳感器，J1斷電斷電J

8、1-1斷開無法啟動(dòng)。斷開無法啟動(dòng)。J1-2氣敏元件加熱回路氣敏元件加熱回路555觸發(fā)器觸發(fā)器電源電源開關(guān)開關(guān)酒酒精精預(yù)防瓦斯爆炸報(bào)警電路預(yù)防瓦斯爆炸報(bào)警電路LC179 型三模擬聲報(bào)警專用集成電路型三模擬聲報(bào)警專用集成電路, 內(nèi)部?jī)?nèi)部 集成了功率放大器集成了功率放大器,可直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲?？芍苯域?qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。VD為晶閘管做電源控制。為晶閘管做電源控制。MQS2B 傳感器火災(zāi)報(bào)警電路傳感器火災(zāi)報(bào)警電路 IC1為比較器，檢測(cè)電池電量，為比較器，檢測(cè)電池電量， 正常輸出高，振蕩器工作；正常輸出高，振蕩器工作； IC2檢測(cè)信號(hào)閾值比較器，接傳檢測(cè)信號(hào)閾值比較器，接傳 感器（感器（15腳）信號(hào)；腳）信

9、號(hào)； 無信號(hào)時(shí)無信號(hào)時(shí)IC2輸出低；輸出低； 有氣體時(shí)當(dāng)信號(hào)輸入小于閾值電有氣體時(shí)當(dāng)信號(hào)輸入小于閾值電 壓壓IC2翻轉(zhuǎn)輸出高；翻轉(zhuǎn)輸出高； 驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)10-11報(bào)警，報(bào)警，5腳腳LED發(fā)光。發(fā)光。報(bào)警輸出報(bào)警輸出LED驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)信號(hào)MOSMOS二極管二極管元件結(jié)構(gòu)元件結(jié)構(gòu)MOSMOS二極管二極管CU CU 特性特性MOSMOS二極管氣敏二極管氣敏元件等效電路元件等效電路 UGSUT（閾值電壓）時(shí)柵極氧化層（閾值電壓）時(shí)柵極氧化層 下的硅從下的硅從P變?yōu)樽優(yōu)镹型，型，N型區(qū)將型區(qū)將S（源）（源）和和D（漏）連接起來，形成導(dǎo)電通（漏）連接起來，形成導(dǎo)電通道，道，MOSFET進(jìn)入工作狀態(tài)。進(jìn)入工作狀

10、態(tài)。在電壓在電壓UDS作用下作用下D-S有電流有電流IDS流過。流過。F IDS隨隨UDS、UGS變化；變化；當(dāng)當(dāng)UGS 20 天精確的 烘干工藝烘干工藝.應(yīng)用于 高品質(zhì)木材高品質(zhì)木材, 防止. . 導(dǎo)致變形導(dǎo)致變形. 影響木材表面影響木材表面 光潔度光潔度鼓風(fēng)機(jī)排出冷凝水份空氣冷卻器隔熱層待烘干木堆 最最 新新 濕濕 度度 測(cè)測(cè) 量量 應(yīng)應(yīng) 用用 領(lǐng)領(lǐng) 域域木材烘干木材烘干. 產(chǎn)生氣孔產(chǎn)生氣孔精確的 烘干工藝烘干工藝.用于制造 最優(yōu)品質(zhì)的磚塊最優(yōu)品質(zhì)的磚塊, 避免. 變形變形每一塊已干的磚塊含有75% 的水份將磚塊置于烘干房中的隔板上一次烘干處理（預(yù)干）一次烘干處理（預(yù)干）空氣加熱設(shè)備起始:

11、 95% rH20C 結(jié)束: 40% rH50C 二次烘干處理（主要階段）二次烘干處理（主要階段）起始: 40% rH80C 結(jié)束: 20% rH110C 為何選擇為何選擇Testo 650 PHT溫濕度變送器溫濕度變送器?- 溫度量程高達(dá) 180C 涵蓋所有烘干工藝所需溫度- 工作壓力 10 bar (150 psi) 使用范圍廣，性能穩(wěn)定- 操作簡(jiǎn)便 低維護(hù)成本每片已干燥磚塊含20%的水份最終效果最終效果:烘干房頂端管道 (防止冷凝物反向進(jìn)入致使機(jī)械受損) 最最 新新 濕濕 度度 測(cè)測(cè) 量量 應(yīng)應(yīng) 用用 領(lǐng)領(lǐng) 域域 磚塊烘干磚塊烘干極高濕度測(cè)量加熱探頭極高濕度測(cè)量加熱探頭 7h, Tx10

12、0 % rh例如 73 % rh 5 K后部耐熱后部耐熱:持續(xù)高溫 5 K處理?xiàng)l件(高濕度)加熱后的傳感器狀況Testo 濕度傳感器濕度傳感器附加 Pt1000Testo 探頭類型 04聚四氟乙烯帽聚四氟乙烯帽探頭長(zhǎng)度探頭長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn): 210 mm可能: 80.500 mm模擬輸出：模擬輸出：4-線線 (0.20 mA, 4.20 mA, 0.1 V, 0.10 V)2,5 % rh 精度精度更快的更快的 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間即使長(zhǎng)期暴露在冷凝液中也不會(huì)腐蝕不會(huì)腐蝕可能不需鹽溶液調(diào)節(jié) 除純凈的水外，水中總會(huì)有溶解或懸浮的其它物質(zhì)。除純凈的水外，水中總會(huì)有溶解或懸浮的其它物質(zhì)?？焖?、準(zhǔn)確地測(cè)出水中的某

13、些物質(zhì)含量對(duì)我們生存起快速、準(zhǔn)確地測(cè)出水中的某些物質(zhì)含量對(duì)我們生存起著重要作用。著重要作用。 離子敏傳感器就是用來檢測(cè)水中離子敏傳感器就是用來檢測(cè)水中氰、鉀、鈉、鈣、氯、氰、鉀、鈉、鈣、氯、溴、碘、氫溴、碘、氫等等各種離子濃度各種離子濃度（活度）的傳感器。（活度）的傳感器。 水質(zhì)檢測(cè)儀器水質(zhì)檢測(cè)儀器便攜式便攜式微量溶解氧儀微量溶解氧儀 溶解氧分析儀溶解氧分析儀水質(zhì)檢測(cè)儀器水質(zhì)檢測(cè)儀器筆筆式式酸酸度度計(jì)計(jì)純水測(cè)試儀純水測(cè)試儀 便攜式鹽度計(jì)便攜式鹽度計(jì)便攜式濁度測(cè)定儀便攜式濁度測(cè)定儀酸酸度度計(jì)計(jì)溶液中離子濃度（活度）是指含離子溶液中離子濃度（活度）是指含離子的多少，活度單位：的多少，活度單位： m

14、ol(摩爾）摩爾）/ l 或或 ppm濃度與活度的比值為離子活度系數(shù)。濃度與活度的比值為離子活度系數(shù)。氫離子濃度對(duì)化學(xué)生物反映起著支配氫離子濃度對(duì)化學(xué)生物反映起著支配作用作用，為判斷水中氫離子濃度（活度），為判斷水中氫離子濃度（活度）用一個(gè)特殊的量值用一個(gè)特殊的量值“PH值值”來表示。來表示。 測(cè)量溶液（體液）中離子濃度的微型測(cè)量溶液（體液）中離子濃度的微型固態(tài)電化學(xué)器件固態(tài)電化學(xué)器件，是一種對(duì)，是一種對(duì)離子具有離子具有選擇敏感作用選擇敏感作用的的場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管。PH PH 計(jì)計(jì) 離子敏傳感器離子敏傳感器由由離子選擇電極（離子選擇電極（ISE）-氧化物氧化物-半導(dǎo)體（半導(dǎo)體（MOSF

15、ET）組成，）組成， 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱ISFET-離子場(chǎng)效應(yīng)晶體管。離子場(chǎng)效應(yīng)晶體管。與普通與普通MOSFET管結(jié)構(gòu)不同之處是管結(jié)構(gòu)不同之處是沒有金屬柵極；沒有金屬柵極；在絕緣柵極上制作一層在絕緣柵極上制作一層敏感膜敏感膜，測(cè)，測(cè)量時(shí)將絕緣柵膜直接與被測(cè)溶液接量時(shí)將絕緣柵膜直接與被測(cè)溶液接觸。觸。離子傳感器離子傳感器是通過是通過測(cè)定溶液與電極測(cè)定溶液與電極的界面電位的界面電位來檢測(cè)溶液中離子濃度。來檢測(cè)溶液中離子濃度。將普通將普通MOSFET的金屬柵去掉，讓絕緣氧化層直的金屬柵去掉，讓絕緣氧化層直接與溶液相接觸，柵極用接與溶液相接觸，柵極用鉑金屬膜作引線鉑金屬膜作引線，在鉑，在鉑膜上涂一層離子敏感膜，

16、構(gòu)成離子敏場(chǎng)效應(yīng)管膜上涂一層離子敏感膜，構(gòu)成離子敏場(chǎng)效應(yīng)管- ISFET。敏感膜種類很多，敏感膜種類很多，不同敏感膜檢測(cè)離子種類不同不同敏感膜檢測(cè)離子種類不同，具有具有離子選擇性離子選擇性；如：如：Si3N4氮，氮，SiO2、Al2O3（無機(jī)膜），（無機(jī)膜）， 可測(cè)可測(cè)H+（氫）、（氫）、PH。SiO2層與柵極間無金屬電極，而層與柵極間無金屬電極，而是待測(cè)溶液，溶液與參比電極同是待測(cè)溶液，溶液與參比電極同時(shí)接觸充當(dāng)柵極構(gòu)成場(chǎng)效應(yīng)管，時(shí)接觸充當(dāng)柵極構(gòu)成場(chǎng)效應(yīng)管，使用方法與普通管沒有區(qū)別。使用方法與普通管沒有區(qū)別。工工作原理與場(chǎng)效應(yīng)管相似。作原理與場(chǎng)效應(yīng)管相似。 用離子敏場(chǎng)效應(yīng)管用離子敏場(chǎng)效應(yīng)管I

17、SFET敏感器件敏感器件測(cè)量測(cè)量 PH 值和離子濃度值和離子濃度時(shí)，基本設(shè)備都是由時(shí)，基本設(shè)備都是由測(cè)量電極測(cè)量電極、參考電極參考電極、測(cè)量電路測(cè)量電路組成。組成。 反饋補(bǔ)償輸入電路反饋補(bǔ)償輸入電路 將將ISFET和參考電極組成高內(nèi)阻器件，接入和參考電極組成高內(nèi)阻器件，接入放大器輸出與輸入間作為反饋電路器件，這放大器輸出與輸入間作為反饋電路器件，這可獲得較高的閉環(huán)增益?？色@得較高的閉環(huán)增益。 電路中只要電路中只要VS稍有變化，稍有變化，V0可有較大輸出?？捎休^大輸出。 調(diào)節(jié)電阻器調(diào)節(jié)電阻器W使電路工作在飽和區(qū)，使電路使電路工作在飽和區(qū)，使電路滿足滿足VDS（VGSVT）。）。被測(cè)溶液與敏感膜接

18、觸處就會(huì)產(chǎn)生一定的界面電勢(shì)，被測(cè)溶液與敏感膜接觸處就會(huì)產(chǎn)生一定的界面電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)大小取決于溶液中被測(cè)離子的濃度，而這個(gè)電勢(shì)大小取決于溶液中被測(cè)離子的濃度，而界面界面電勢(shì)電勢(shì)直接影響場(chǎng)效應(yīng)管的直接影響場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓閾值電壓VT值值. U UT TI IDSDSUGS0GSSVVEMV運(yùn)放輸入端為零時(shí)運(yùn)放輸入端為零時(shí) VS Vf ；Vf 為放大器為放大器A同相端調(diào)整電壓。同相端調(diào)整電壓。 因?yàn)橐驗(yàn)?IDS = VS / RS 不變，因此有不變，因此有EM是參比電極電位，代表一定濃度，是參比電極電位，代表一定濃度，只要檢測(cè)出只要檢測(cè)出V0即可知道即可知道EM變化。變化。電路中電路中V0 變化實(shí)

19、際補(bǔ)償了由于變化實(shí)際補(bǔ)償了由于EM變變化引起的化引起的IDS變化部分，最終能使變化部分，最終能使 IDS 恒定，所以稱反饋補(bǔ)償輸入電路。恒定，所以稱反饋補(bǔ)償輸入電路。 離子敏感煙傳感器離子敏感煙傳感器是一種射線傳感器是一種射線傳感器電離室由電離室由H1和和H2 兩個(gè)電極組成，電極之間有放射性同位素兩個(gè)電極組成，電極之間有放射性同位素镅镅-241（Am241）,可放出可放出射線，并在兩電極之間發(fā)生電離，射線，并在兩電極之間發(fā)生電離，產(chǎn)生正、負(fù)離子，在外加電壓產(chǎn)生正、負(fù)離子，在外加電壓E作用下形成電離電流。作用下形成電離電流。當(dāng)外電離室有煙霧進(jìn)入時(shí)，離子被吸附當(dāng)外電離室有煙霧進(jìn)入時(shí)，離子被吸附到煙霧顆粒上，由于煙霧顆粒比離子大到煙霧顆粒上，由于煙霧顆粒比離子大1000倍左右，故在電場(chǎng)中的移動(dòng)