第11章半導體傳感器

1、第九章半導體傳感器半導體傳感器n氣敏傳感器n濕敏傳感器n色敏傳感器氣敏傳感器n用途：用途：主要用于工業(yè)上天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測、預報和自動控制, 氣敏元件是以化學物質的成分為檢測參數(shù)的化學敏感元件。 n材料：材料：氣敏電阻的材料是金屬氧化物半導體（分P型如氧化錫和N型如氧化鈷），合成材料有時還滲入了催化劑, 如鈀（Pd）、鉑（Pt）、銀（Ag）等。 氣敏傳感器工作原理n敏感材料的功函數(shù)吸附分子的離解能-吸附分子向材料釋放電子（正離子吸附、還原型氣體），敏感材料的載流子增加- ，如、n為提高氣體靈敏度，一般需加熱以加快氧化還原反應（到200450）,同時加

2、熱還能使附著在測控部分上的油霧、塵埃燒掉。R2OxNOR2HCO氣敏傳感器類型及結構n電阻型半導體氣敏傳感器n由三部分組成：敏感元件、加熱器和外殼n燒結型、薄膜型、厚膜型 n非電阻型半導體傳感器nMOS二極管氣敏器件nMOS場效應晶體管氣敏器件濕敏傳感器n絕對濕度和相對濕度n絕對濕度：一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質量，單位g/m3，一般用符號AH表示。n相對濕度：氣體的絕對濕度與同一溫度下達到飽和狀態(tài)的絕對濕度之比，一般用符號%RH表示。n在實際使用中多使用相對濕度這個概念。氯化鋰濕敏電阻n原理原理：材料吸濕潮解或干化（能互逆），使器件的電阻率發(fā)生變化。n氯化鋰通常

3、與聚乙烯醇組成混合體，其溶液中的離子導電能力與濃度成正比。當溶液置于一定溫濕場中, 若環(huán)境相對濕度高, 溶液將吸收水分， 使?jié)舛冉档? 因此, 其溶液電阻率增高。 反之, 環(huán)境相對濕度變低時, 則溶液濃度升高, 其電阻率下降半導體陶瓷濕敏電阻n用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結而成的多孔陶瓷。n導電機理：類似氣敏電阻n一般有兩種：n負特性濕敏半導體陶瓷：電阻率隨溫度增加而下降水分子中的氫原子具有很強的正電場，當水在半導瓷表面吸附時，有可能從半導瓷表面俘獲電子，使半導瓷表面帶負電。對于P型半導體，將吸引更多的空穴到達其表面，使其表面層的電阻下降。對于N型半導體？n正特性濕敏半導體陶瓷：電阻

4、率隨溫度增加而增大當水分子附著半導瓷的表面使電勢變負時，導致其表面層電子濃度下降，但色敏傳感器n色敏傳感器是光敏傳感器的一種。光敏器件一般檢測的都是在一定波長范圍內光的強度，而半導體色敏傳感器則可用來直接測量從可見光到近紅外波段內單色輻射的波長。對于用半導體硅制造的光電二極管, 在受光照射時, 若入射光子的能量h大于硅的禁帶寬度Eg, 則光子就激發(fā)價帶中的電子躍遷到導帶而產生一對電子-空穴。 光在半導體中傳播時的衰減是由于價帶電子吸收光子而從價帶躍遷到導帶的結果, 這種吸收光子的過程稱為本征吸收。不同材料對不同波長的光吸收程度不一樣。對硅而言，波長短的光子衰減快, 穿透深度較淺, 而波長長的光

5、子則能進入硅的較深區(qū)域。淺的P-N結有較好的藍紫光靈敏度, 深的P-N結則有利于紅外靈敏度的提高, 半導體色敏器件正是利用了這一特性。 半導體色敏傳感器工作原理依據：半導體中不同的區(qū)域對不同的波長分別具有不同的靈敏度。在具體應用時, 應先對該色敏器件進行標定。測定不同波長的光照射下, 該器件中兩只光電二極管短路電流的比值ISD2ISD1, （ISD1是淺結二極管的短路電流, 它在短波區(qū)較大， ISD2是深結二極管的短路電流, 它在長波區(qū)較大）。 確定二者的比值與入射單色光波長的關系。根據標定的曲線, 實測出某一單色光時的短路電流比值, 即可確定該單色光的波長。 半導體色敏傳感器的基本特征n光譜

6、特性n短路電流比波長特性n溫度特性為什么不能用（二極管的）光譜特性（光生伏特效應），而用二級對管的短路電流比測量單色光的波長？1.消除光強的影響。2.溫度影響（得到補償）磁敏傳感器（補）n磁阻電阻n工作原理：半導體在磁場作用下有霍爾效應，電阻也會變化n電阻率的相對變化：其中 是電子遷移率 n磁阻二極管n工作原理：利用洛倫茲力的作用 n二極管的結構特點：P-I-N結構，其中本征區(qū)I的長度較長。本征區(qū)的兩個側面一個制成光面、一個制成毛面。在毛面電子-空穴對易復合消失、電流小。在光面電子-空穴對不易復合消失、電流大?？蓽y量磁場的大小和方向。n特點：測量靈敏度高（比霍爾元件高幾百倍）、能判定的方向。2

7、)( BK毛面PN半導體傳感器的應用（1）半導體傳感器的應用（2）熱電式傳感器（補）n熱電偶n熱電阻n集成溫度傳感器熱電偶傳感器n熱電偶工作原理n熱電現(xiàn)象：兩種不同材料導線在連接處形成節(jié)，如將這兩個節(jié)分別置于不同的溫度下（T0和T1），便會在回路中形成電流。n熱電勢分為接觸電勢和溫差電勢n接觸電勢：不同材料電子濃度不同，在節(jié)點處發(fā)生擴散導致電勢設：導體A、B的電子濃度分別為NA、NB，則：其中：K為波爾茲曼常數(shù)T為結點所處溫度若NA NB ，則eAB(T)0,反之亦然。故：電子濃度高的材料電位高。n溫差電勢：同一種金屬導體，由于二頭的溫度不同，電子從高溫段向低溫段擴散，高溫處帶正電。A與T0、

8、T有關，湯姆遜系數(shù)，表示導體兩端單位溫度差時產生的電勢 。若TT0，則eAB(T)0，反之亦然。ABTT0BAABNNekTTeln)(dTTTeTTAA0),(0熱電偶傳感器n接觸電勢與溫差電勢的性質n回路總電勢討論： 熱電偶的材料相同時，EAB(T,T0)=0 熱電偶的兩個節(jié)點所處的溫度相同時 ， EAB(T,T0)=0 所以形成熱電勢的兩個必要條件：兩種導體的材料不同節(jié)點所處的溫度不同)()(TeTeBAAB)()()(TeTeTeACBCAB),(),(00TTeTTeAA)(),(),()(),()(),()(),(0000000TeTTeTTeTeTTeTeTTeTeTTEABAB

9、ABABABABAB熱電偶傳感器n熱電偶基本定律均質導體定律：熱電偶必須由兩種不同性質的均質材料構成。中間導體定律：在熱電偶測溫回路內，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響，即熱電偶接過渡（中間）導體（傳感器引出）時，總回路電勢不變。（測量引線）中間溫度定律：在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點溫度t、tc和 tc、t0時的熱電勢（溫度補償）n常用熱電偶n鉑鐒鉑熱電偶，特點：精度高，1300Cn鎳鉻鎳硅熱電偶，特點：線性好，-501300C，價格低n鎳鉻銬銅熱電偶，特點：靈敏度高，常溫測量，-50500C，價格低n鎢錸10鎢錸20熱電偶，特點：精度高，測高溫、2000C，成本高熱電偶傳感器n熱電偶的溫度補償n標準測量時，T=0C，但實際應用時較難實現(xiàn)。常用方法為電位補償法。補償電路置于變化的溫度環(huán)境（tn）中，調整R使E(tn，to)=UA，一般t0=0C,Rt為正溫度系數(shù)電阻。n當tn,UA以補償U(t,tn)的下降 V+RR1RttnUAT:測量溫度E(t,t0)CCBA熱電阻傳感器n原理：導體的隨溫度T變化。n特點：靈敏