半導體傳感器課件

1、半導體傳感器1 氣敏傳感器2 濕敏傳感器3 磁敏傳感器4 色敏傳感器5 半導體傳感器的應用1 氣敏傳感器 介紹氣敏傳感器的概念，種類； 按構成材料的特性 ，分為半導體和非半導 體兩大類 ； 半導體氣敏傳感器可分為電阻型和非電阻 型兩類, 電阻型與非電阻型檢測氣體的濃度功能的 不同 1.1 半導體氣敏傳感器一、氣體傳感器概念及組成1、氣體傳感器-檢測氣體中特定成分，并將其轉(zhuǎn)換為電信號 (如電阻、電流、電動勢、電容、共振頻率等)3、主要類型- 電阻式半導體氣體傳感器、電容式陶瓷氣體傳感 器、電化學氣體傳感器等。1.1 氣體傳感器概論 2、主要組成- 敏感、識別與信號放大處理 。二、氣體傳感器的技術

2、要求 1、工作環(huán)境-氣體傳感器大多工作于惡劣環(huán)境中，敏感材料經(jīng)過 一段時間后會變質(zhì)、劣化。傳感性能下降。2、氣體傳感器性能要求 (1) 單一氣體選擇性，對共存的其他氣體不敏感； (2) 靈敏度高，能檢測規(guī)定濃度氣體； (3) 響應速度快，再現(xiàn)性好； (4) 穩(wěn)定性好； (5) 制造成本和使用價格低廉，具有普及性； (6) 維護方便。 （二）、按結構分類 1、物理型傳感器-通過電流、電導率、光的折射率等物理量的變 化來實現(xiàn)檢測；。3、干式傳感器-使用時必須加熱，使電介質(zhì)和催化劑長期處于 高溫狀態(tài)。往往會導致性能劣化。2、化學型傳感器-通過電化學反應引起物理量的變化進行檢測。 4、濕式傳感器-電極

3、表面浸入電解液中，根據(jù)化學反應所引起 的變化量(包括顏色的變化，離子量的變化，電 流的變化等)來進行檢測。三、氣體傳感器分類 （一）、按機理分類（三) 、按檢測方式分類1、半導體式-金屬氧化物表面吸附氣體分子，或與吸附氣體反應引起 半導體電導率的變化 2、接觸燃燒式 -根據(jù)氣體的接觸燃燒熱所引起的檢測元件的溫 升和電阻變化測氣體體積濃度4、場效應晶體管 -利用氣體引起的FET電壓、電容變化檢測氣體 體積濃度3、固體電解質(zhì)式 -利用氣體引起固體電解質(zhì)電動勢變化檢測氣體 體積濃度5、溶液電化學式 -利用溶液中電化學反應，將被測量變換成電極 電勢變化的氣體傳感器(三) 、按檢測方式分類6、晶體振動式

4、 -利用氣體吸附引起晶格振子及其涂敷膜共振額率變 化進行檢測8、熱導率式 -由于氣體的熱導率不同，會導致檢測元件的溫度 和電阻變化。以此測量氣體體積濃度7、光干涉式 -以氣體對光的折射率差別所引起的干涉條紋移動量 來檢測9、紅外線吸收式 -根據(jù)氣體的紅外線噯收光譜的波長不同和吸收 量差異來檢測氣體的種類和體積濃度 表1半導體氣敏傳感器的分類物理特性物理特性敏感材料敏感材料工作溫度工作溫度被測氣體被測氣體電電阻阻型型電電阻阻表面電阻控表面電阻控制制氧化錫氧化錫氧化鋅氧化鋅室溫室溫450450可燃性氣體可燃性氣體體電阻控制體電阻控制氧化鈦氧化鈦氧化錫氧化錫氧化鎂氧化鎂300450300450可燃性

5、氣體可燃性氣體乙乙醇醇氧氣氧氣非非電電阻阻型型表面電位表面電位氧化銀氧化銀室溫室溫硫硫醇醇二極管整流特二極管整流特性性鉑鉑/ /硫化鎘硫化鎘鉑鉑/ /氧化鈦氧化鈦室溫室溫450450氫氣氫氣一氧化碳一氧化碳乙醇乙醇晶體管特性晶體管特性鉑柵鉑柵MOSMOS場效應管場效應管150150氫氣氫氣硫化氫硫化氫四、半導體氣敏材料與傳感器發(fā)展概況 3、P 型半導體氣敏材料-主要載流子是空穴，常用NiO、 CuO、LaFeO3等。1、氣敏傳感器發(fā)展-材料科學研究的發(fā)展概況2、N 型半導體氣敏材料-主要載流子是電子，常用Sn02、 Fe2O3、ZnO等；4、發(fā)展趨勢 一 維納米材料氣敏材料， 納米氣敏傳感器，

6、 小型化、集成化、智能化、多功能化 五、氣敏傳感器應滿足下列要求： 具有小的交叉靈敏度； 具有較高的靈敏度和較寬動態(tài)響應范圍 性能穩(wěn)定，傳感器特性不隨環(huán)境溫度濕度的變化而發(fā)生變化 ； 重復性好，易于維護等。 電阻型半導體氣敏傳感器工作機理可以用吸附效應來解釋 氣體接觸N型半導體時所導致的敏感器件阻值變化的情況，如圖所示；1.2 半導體氣敏傳感器工作機理 敏感元件固有電阻Ro和工作電阻Rs)()(12cRcRKss1.3 半導體氣敏傳感器主要參數(shù) 靈敏度， 表征對被測氣體敏感程度，如下公式表示： Rs(C2) ：代表檢測氣體為S ，濃度為C2時的器件電阻值 ；Rs(C1) ：表示檢測氣體為S，其

7、濃度為C1時器件電阻值 SA/B-傳感器對A氣體的選擇性系數(shù)； KA-傳感器在單純A氣體中的靈敏度 ； KB-氣體傳感器在單純B氣體中的靈敏度。BABAKKS/選擇性：表示氣體傳感器對被測氣體的識別(選擇) 以及對干擾氣體的抑制能力，如下式表示： 響應時間：表示氣敏器件對被檢測氣體響應速度； 恢復時間 ：表示氣敏元件對被測氣體的脫附速 度，用trec表示 。半導體氣敏傳感器結構分為燒結型、薄膜型和厚膜型圖2 燒結型半導體氣敏傳感器結構1.4 半導體氣敏傳感器的結構 1 燒結型氣敏器件的結構，如圖2示： （1) 直熱式燒結型氣體傳感器將加熱元件與測量電極一同燒結在氧化物材料及催化添加劑的混合體內(nèi)

8、，加熱元件直接對氧化物敏感元件加熱 采用陶瓷管做基底，將加熱元 件裝入陶瓷管內(nèi)，而測量電極、 氧化物材料及催化添加劑則燒 結在陶瓷管的外壁，加熱元 件經(jīng)陶瓷管璧均勻地對氧化物 敏感元件加熱。 （3）主要特點 響應速度較快，但機械強度差，一致性能差異大。 （2）旁熱式燒結型氣敏傳感器 2 薄膜型氣敏傳感器結構圖3 薄膜型半導體氣敏傳感器結構薄膜型半導體氣敏傳感器結構2 薄膜型 （1）薄膜型傳感器 以石英或陶瓷為絕緣基片，在基 片的一面鍍上加熱元件在基片 的另一面鍍上測量電極及氧化物 半導體膜。 （2）主要特點 傳感器一致性好 傳感器的機械強度較高， 制造過程需要復雜、成本較高。 3 厚膜型氣敏傳

9、感器 圖4 厚膜型半導體氣敏傳感器 厚膜型半導體氣敏傳感器結構 3厚膜型 （1）厚膜傳感器制作 是先將氧化物材料與一定比例的黏合劑混合，并加入適量的催化劑制成糊狀物，然后將該糊狀混合物用絲網(wǎng)印刷工藝印到已印制好加熱元件和金叉指電極的陶瓷基片上。待自然干燥后，置于高溫中煅燒而成。（2）主要特點機械強度高、各傳感器的重復性好、而且生產(chǎn)工藝簡單、成本低 上述三種氣敏傳感器的共同之處是皆附有加熱 絲，加熱的方式有直熱式和旁熱式 氣敏傳感器的電阻變化率與氣體濃度變化有關4 特點與特性 氣敏傳感器受環(huán)境溫度、濕度影響 氣敏傳感器電阻變化率與氣體濃度變化關系 SnO2半導體氣敏傳感器溫度特性非電阻型半導體氣

10、敏傳感器的結構 MOS二極管氣敏元件結構、等效電路等效電路函數(shù)關系曲線2 濕敏傳感器 絕對濕度：單位空氣里所含水蒸氣質(zhì)量 定義式為 Mv為待測； V為待測空氣的總體積； 為待測空氣的絕對濕度其單位為 或3mgVMv3mmg 濕度-是指大氣中所含的水蒸氣量, 常用 絕對濕度、相對濕度表示 2 濕敏傳感器 相對濕度- 空氣中所含水蒸氣分壓和在相同溫度下飽和水 蒸氣分壓之比RHPPwv%100)(Pv 為空氣溫度為t時的空氣水蒸氣分壓；Pw 為空氣溫度為t時的飽和水蒸氣分壓其定義為： 相對濕度= 濕度量程:在規(guī)定的精度內(nèi)能夠測量的最大范圍 感濕特性:表示感濕特征量（電阻）隨被測相對濕度 變化的規(guī)律。

11、圖9二氧化鈦/五氧化二釩濕2.2 敏傳感器特性參數(shù) 濕度溫度系數(shù) 感濕待性曲線隨環(huán)境溫度變化而改變的特性參數(shù) ,其定義如下: 絕對溫度； 感濕特征量； -一濕度溫度系數(shù)， 其單位為RH 常數(shù)KTdRHda)()( CO3O4-TiO2濕敏傳感器溫度特性 靈敏度 濕敏傳感器輸出增量與輸入增量之比 響應時間 在規(guī)定的環(huán)境溫度下，由起始相對濕度達到穩(wěn)定相對濕度時，感濕特征量由起始值變化到穩(wěn)定相對濕度對應值所需要的時間。)1 ()(/tteRR其定義如下: R為對應于(RH)的輸出量的穩(wěn)定值,稱為時間常數(shù) 濕滯回線和濕滯回差 傳感器的吸濕特性曲線與脫濕特性曲線不一致而形成回線2.3 半導體陶瓷濕敏電阻

12、當水分子在半導體表面吸附時，將從半導體陶瓷表面俘獲電子，使其表面帶負電， 從而有更多的空穴到達其表面，使表面層的電阻下降。 1 半導體陶瓷濕敏電阻導電機理 (1) 負濕敏特性的半導體陶瓷導電機理半導體陶瓷濕敏電阻的負濕敏特性半導體陶瓷濕敏電阻的負濕敏特性2.3 半導體陶瓷濕敏電阻1 半導體陶瓷濕敏電阻導電機理(2) 正濕敏特性的半導體陶瓷導電機理 當水分子吸附在正濕敏特性半導體陶 瓷 材料的表面時，導致其表面層電子濃度 下降 但仍以電子導電為主，于是表面電阻將 由于電子濃度的下降而加大，從而使表 面電阻隨濕度的增加而加大。 半導體陶瓷濕敏元件的正濕敏特性,圖13 半導體陶瓷濕敏電阻正濕敏特性2

13、 常用半導體濕敏元件 （1）燒結型半導體陶瓷濕敏電阻 半導體陶瓷濕敏傳感器結構及等效電路示意圖, 圖14 燒結型半導體陶瓷濕敏元件結構 （2）涂覆膜型Fe3O4濕敏元件 ,由金屬氧化 物微粒經(jīng)過堆積、粘結而成的材料;（3）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件,結構是將多孔材料的電極燒結在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝在有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中并用樹脂固定 3 磁敏傳感器 磁阻效應 )273. 01 (220BBB0表達式如下: 將通以電流的導體放在均勻磁場中， 運動的載流子受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使電流通過的距離變長，載流子散射幾率增大，遷移率下降，于是電阻率增加，這種

14、現(xiàn)象稱為磁阻效應。 磁感應強度為B的電阻率; 零磁場下的電阻率； 電子遷移率;B磁感應強度.3 磁敏傳感器 電阻相對變化為2220)(273. 0BKB0B電阻率變化 磁敏電阻的形狀 電阻率的相對變化與磁感應強度和電子遷移率的關系可近似用下式表示)(bLf)(1 )(20bLfBKL、b分別為電阻的長度和寬度; 形狀效應系數(shù) 磁敏電阻形狀如圖15所示 磁敏電阻的形狀 磁敏電阻形狀如圖所示磁阻與磁感應強度及幾何尺寸的關系 磁敏電阻特性 在低磁場范圍內(nèi)，其電阻值與磁場強度的平方成正比關系.1 結構 磁敏二極管(SMD)的結構3.2磁敏二極管在高阻半導體芯片（本征區(qū)I）的兩端，分別制作P、N兩個電極

15、，形成P-I-N結 2 工作原理 圖19 磁敏二極管工作原理3.2 磁敏二極管 未加磁場前，如果外加正偏壓，則有大量 的空穴從P區(qū)通過I 區(qū)進入N區(qū)（圖a) 同時應有大量電子注入P區(qū)，形成電流 只有少量電子和孔穴在I區(qū)復合 2 工作原理 圖19 磁敏二極管工作原理3.2 磁敏二極管 此時電子和空穴向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，在r區(qū)電子和空穴復 合的速度很快，它們將因復合而消失， 受到外界磁場作用時，電子和空穴都受到洛侖茲 力的作用而偏轉(zhuǎn)（圖b) 此時電流很小，電阻增加。 2 工作原理 圖19 磁敏二極管工作原理3.2 磁敏二極管 當受到負向磁場作用時，電子和空穴則向另一面偏轉(zhuǎn)(圖c) 此時它們的復合率變小，可

16、使電流增大，電阻減小， 3 磁敏二極管的主要特性(1)磁電特性在給定條件下，磁敏二極管輸出的電壓變化與外加磁場的關系 3 磁敏二極管的主要特性(2) 伏安特性 磁敏二極管正向偏壓與通過其電流的關系 (3) 靈敏度%100UK00BLUU3 磁敏二極管的主要特性U0磁感應強度為零時，磁敏二極管兩端的電壓;UB磁感應強度為B時，磁敏二極管兩端的電壓在恒流源偏置下，磁敏二極管的輸出電壓隨磁感應強度B變化而產(chǎn)生的相對變化定義為電壓相對靈敏度KL (4) 溫度特性圖22 硅磁敏二極管輸出電壓的溫度特性在標準測試條件下，輸出電壓隨溫度變化的特性 （5）磁敏二極管特點1)靈敏度高。2)具有正反向磁靈敏度,這

17、是磁阻器件所不具備的3)在較小電流下工作時，仍有很高的靈敏度.4)它的缺點是靈敏度與磁場呈線性關系的范圍窄。3.3 磁敏三極管 磁敏三極管分兩種: 3BCM型鍺磁敏三極管, 3CCM型硅磁敏三極管 磁敏晶體管的放大系數(shù) 隨著磁場方向變化的，而且具有正反向不同的磁靈敏度4 色敏傳感器（可不講） 色敏傳感器是基于半導體的內(nèi)光電效應， 將光信號變?yōu)殡娦盘柕墓廨椛涮綔y器件 可直接用來測量從可見光到近紅外光波段 內(nèi)單色輻射光波， 4.1 半導體色敏傳感器基本原理 價帶電子吸收光子而從價帶躍遷到導帶,從而使光在半導體中傳播時衰減.這種吸收光子的過程稱為本征吸收 ,其特性曲線如圖23所示;4 色敏傳感器 光

18、電器件常用量子效率來表征光生電子流與入射光子流的比值大小 理論證明，P區(qū)在不同結深時，其量子效率隨波長而變化，特性曲線如圖 Xj表示P結的深度 圖24 量子效率隨波長的變化 1.雙色硅色敏器件工作原理 雙色硅色敏器件的結構與其其等效電路如圖25所示 利用不同結深的二極管的組合，就可構成測量特定波長的半導體色敏傳感器 圖25 雙結色敏二極管結構 具體使用時，要對該色敏器件進行標定, 測定比值 如圖26給出了不同結深色敏二極管的光譜響應曲線 SD1SD2II 圖26 雙結色敏二極管光譜特性 2.三色硅色敏器件的工作原理 對于多波長組成的混合色光，特別是印刷物或顏料的顏色識別，必須用三色硅色敏器件

19、.如圖27為一種全色色敏器件的結構示意圖; 圖27 全色色敏器件結構示意圖1 光譜特性4.2 半導體色敏傳感器的基本特性光譜特性是表示它所能檢測的波長范圍 2 短路電流比波長特性4.2 半導體色敏傳感器的基本特性圖28 色敏傳感器短路電流比波長特性 表征半導體色敏器件對波長的識別能力 5 半導體傳感器的應用氣敏傳感器可用于檢測環(huán)境中某特定氣體(特別是可燃氣體)的成分、濃度等有毒氣體監(jiān)測報警5.1氣敏傳感器應用1 SMC-2型濕度傳感器 SMC2型濕度檢測原理框圖，它用濕敏器件實現(xiàn)“濕一電”轉(zhuǎn)換5.2 濕度傳感器應用濕敏元件是用金屬氧化物半導體材料制成多孔半導體陶瓷，它的電導率隨著對水蒸汽的吸、脫附而發(fā)生變化 在實際測量時,傳感器必須按下述程序工作1 SMC-2型濕度傳感器5.2 濕度傳感器應用 SMC-2 濕度傳感器工作程序圖 2 自動去濕控制圖32 自動去濕控制電路 一種用于汽車駕駛室擋風玻璃的自動去濕電路1 雙色硅色敏傳感器應用 雙色硅色敏傳感器檢測顏色原理5.3 色敏傳感器應用圖33 雙色硅色敏傳感器測量原理圖 二極管VDl和VD2作