檢測技術(shù)已自動化儀表ppt課件

1、半導(dǎo)體傳感器 半導(dǎo)體傳感器是典型的物理型傳感器，它是利用某些資料的電特征的變化實現(xiàn)被丈量的直接轉(zhuǎn)換，如改動半導(dǎo)體內(nèi)載流子的數(shù)目。 凡是用半導(dǎo)體資料制造的傳感器都屬于半導(dǎo)體傳感器。 其中包括：光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管、霍爾元件、磁敏元件、壓阻元件、氣敏、濕敏等等。.紙 品木材烘干 濕度傳感器 芯片消費要求最高的濕度穩(wěn)定性.氣敏傳感器濕敏 傳感器.氣 敏 傳 感 器 氣敏傳感器是用來檢測氣體濃度和成份的傳感器； 如： 工業(yè)天然氣、煤氣等易燃易爆的平安監(jiān)測； 環(huán)境維護，有害、有毒氣體監(jiān)測； 酒后駕車，乙醇濃度檢測； 氣敏傳感器靈敏度較高，達10-610-3數(shù)量級，可檢測到 1/10 爆炸下限

2、的可燃氣體； 由于氣體種類很多，性質(zhì)各不一樣，不能夠用同一種氣體傳感器丈量一切氣體，按半導(dǎo)體的物理特性，可分為電阻型和非電阻型。.半導(dǎo)體氣敏傳感器任務(wù)原理(1) 電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器 半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導(dǎo)體外表接觸時， 產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性量變化來檢測氣體的。按照半導(dǎo)體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體外表或深化到半導(dǎo)體內(nèi)部，可分為外表控制型和體控制型。 前者半導(dǎo)體外表吸附的氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變； 后者半導(dǎo)體與氣體的反響，使半導(dǎo)體內(nèi)部組成發(fā)生變化，而使電導(dǎo)率變化。.電阻型氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體外表的氧

3、化和復(fù)原反響，導(dǎo)致敏感元件阻值變化； 如： 氧氣具有負(fù)離子吸附傾向的氣體，被稱為氧化型氣體電子接納性氣體； 氫、碳氧化合物、醇類等具有正離子吸附傾向的氣體，被稱為復(fù)原型氣體電子供應(yīng)性氣體。.當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上， 半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升； 當(dāng)氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上， 半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降； 當(dāng)復(fù)原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上， 半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降； 當(dāng)復(fù)原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上， 半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升；氣體與半導(dǎo)體接觸時情況 N型半導(dǎo)體多電子 P型半導(dǎo)體多空穴.N型半導(dǎo)體吸附氣體時器件阻值變化圖 表示了氣體接觸N型半導(dǎo)體時所產(chǎn)生的器件阻值變

4、化情況。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對固定。假設(shè)氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。.在常溫下，電導(dǎo)率變化并不大，達不到檢測目的， 因此以上構(gòu)造的氣敏元件都有電阻絲加熱器; 加熱時間23分鐘，加熱電源普通為5V; 加熱方式分為直熱式和旁熱式。直熱式旁熱式.組成：敏感元件、加熱器、外殼； 制造工藝：燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。 氣敏電阻的資料是金屬氧化物，合成時加敏感資料和催化劑燒結(jié)，這些金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)體后顯示氣敏特性。 金屬氧化物有： N型半導(dǎo)體，如：SnO2 Fe2O3 Zn

5、O TiO P型半導(dǎo)體，如：CoO2 PbO MnO2 CrO3 電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器導(dǎo)電機理用一句話描畫： 利用半導(dǎo)體外表因吸附氣體引起半導(dǎo)體元件電阻值變化，根據(jù)這一特性，從阻值的變化測出氣體的種類和濃度。敏感元件.(2) 非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器主要類型： 利用MOS二極管的電容電壓特性變化； 利用MOS場效應(yīng)管的閾值電壓的變化； 利用肖特基金屬半導(dǎo)體二極管的勢壘變化進展氣體檢測。. 1MOS二極管氣敏元件電容電壓 在P型硅氧化層上蒸發(fā)一層鈀Pd金屬膜作電極。氧化層SiO2電容Ca是固定不變的。而硅片與氧化層電容Cs是外加電壓的功函數(shù)，總電容C也是偏壓的函數(shù)。MO

6、S二極管的等效電容C隨電壓U變化。 金屬鈀Pd對氫氣H2特別敏感。當(dāng)Pd吸附金屬膜以后，使Pd的功函數(shù)下降，使MOS管CU特性向左平移，利用這一特性用于測定氫氣的濃度。.2MOSFET氣敏元件 Pd對H2吸附性很強，H2吸附在Pd柵上引起的Pd功函數(shù)降低。當(dāng)柵極G源極S間加正向偏壓 UGSUT 閥值時，柵極氧化層下的硅從P變?yōu)镹型，N型區(qū)將S源和D漏銜接起來，構(gòu)成導(dǎo)電通道N型溝道此時MOSFET進入任務(wù)形狀。在SD間加電壓UDS，SD間有電流IDS流過，IDS隨UDS、UGS變化。當(dāng)UGSUT時，溝道沒構(gòu)成，無漏源電流IDS=0。 UT閥值電壓大小與金屬與半導(dǎo)體間的功函數(shù)有關(guān)。 PdMOSFE

7、T器件就是利用H2在鈀柵極吸附后改動功函數(shù)使UT下降，檢測H2濃度。.3肖特基二極管 金屬和半導(dǎo)體接觸的界面構(gòu)成肖特基勢壘，構(gòu)成金屬半導(dǎo)體二極管。管子加正偏壓，半導(dǎo)體金屬的電子流添加，正導(dǎo)游通電阻極小UD0.2，加負(fù)偏壓時UD 很大，相當(dāng)開路幾乎無電流。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體界面有氣體時，勢壘降低，電流變化上升。 金屬與半導(dǎo)體界面吸附氣體時，影響半導(dǎo)體禁帶寬度Eg，二極管正向偏壓條件下，氣體濃度 電流 輸出電壓UR 。 非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器主要用于氫氣濃度丈量。.氣敏電阻外形 酒精傳感器 其他可燃性氣體傳感器.酒精測試儀呼氣管.家庭用煤氣報警器.家庭用液化氣報警器.一氧化碳傳感器.其他氣體傳感器N

8、H3傳感器甲烷傳感器.二氧化鈦氧濃度傳感器 半導(dǎo)體資料二氧化鈦TiO2屬于N型半導(dǎo)體，對氧氣非常敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當(dāng)周圍氧氣濃度較大時，氧原子進入二氧化鈦晶格，改動了半導(dǎo)體的電阻率，使其電阻值增大。 圖示是用于汽車或熄滅爐排放氣體中的氧濃度傳感器構(gòu)造圖及丈量轉(zhuǎn)換電路。二氧化鈦氣敏電阻與補償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當(dāng)氧氣含量減小時，RTiO2的阻值減小，Uo增大。 在圖b中，與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt 起溫度補償作用。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，TiO2氣敏電阻的阻值會逐漸減小，只需Rt也以同樣的比例減小，根據(jù)分壓比定律，Uo不受溫度影響，減小了丈量誤差。 .

9、圖 TiO2氧濃度傳感器構(gòu)造及丈量轉(zhuǎn)換電路a構(gòu)造 b丈量轉(zhuǎn)換電路 1外殼接地2安裝螺栓 3搭鐵線4維護管 5補償電阻 6陶瓷片 7TiO2氧敏電阻 8進氣口 9引腳 .氧濃度傳感器外形 可用于汽車尾氣丈量.汽車尾氣分析.有毒氣體傳感器的運用.酒精測試儀 .防 酒 后 駕 車 汽 車 點 火 電 路無酒精時，S閉合，氣敏電阻高，Ua高Uo低，定時器輸出高，J2釋放，J1閉合，點火； 有酒精時，氣敏電阻下降，Ua低Uo高，定時器輸出低，J2吸合，J2-1斷開，不啟動； 假設(shè)司機拔出氣敏傳感器，J1斷電J1-1斷開無法啟動。J1-2氣敏元件加熱回路。 繼電器J1-1、J1-2常開接點， J2-1 常

10、閉接點， J2-2常接VD1綠燈，VD2紅燈。 .多種氣體檢測系統(tǒng).紅外吸收 (IR-process) 丈量原理.濕敏傳感器 濕度是指空氣中的水蒸氣含量，枯燥或潮濕對我們的生活有很大影響，潮濕發(fā)霉，枯燥不溫馨。濕度傳感器主要運用于溫濕度檢測控制、軍械倉庫、糧倉、水果保鮮等場所。 最早人們用頭發(fā)隨濕度變化而伸長或縮短景象做毛發(fā)濕度計，逐漸有了電阻濕度計，半導(dǎo)體濕度計是近年來才出現(xiàn)的。. 為什么要丈量濕度？.濕度對電子元件的影響 當(dāng)環(huán)境的相對濕度增大時，物體外表就會附著一層水膜，并滲入資料內(nèi)部。這不僅降低了絕緣強度，還會呵斥漏電、擊穿和短路景象；潮濕還會加速金屬資料的腐蝕并引起有機資料的霉?fàn)€。.露

11、點 降低溫度會產(chǎn)生結(jié)露景象。露點與農(nóng)作物的生長有很大關(guān)系，結(jié)露也嚴(yán)重影響電子儀器的正常任務(wù)，必需予以留意。 丈量露點的儀器.濕度通常用絕對濕度和相對濕度表示： 絕對濕度：單位空間所含水蒸汽的絕對含量或濃度，用符號 AH 表示，單位g/m3。 相對濕度，被測氣體中蒸汽壓和該氣體在一樣溫度下飽合水蒸氣壓的百分比，普通用 %RH 表示，無量綱。 不同環(huán)境所需濕度不同，丈量方法很多，但精度不高。目前世界上最高程度濕度丈量精度在0.01%左右； . 濕敏傳感器是可以感受外界濕度變化，并經(jīng)過器件資料的物理或化學(xué)性量變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號的器件。 濕度檢測較之其它物理量的檢測顯得困難，這首先是由于空氣中

12、水蒸氣含量要比空氣少得多； 另外，液態(tài)水會使一些高分子資料和電解質(zhì)資料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質(zhì)結(jié)合成酸或堿，使?jié)衩糍Y料不同程度地遭到腐蝕和老化，從而喪失其原有的性質(zhì)； 再者，濕信息的傳送必需靠水對濕敏器件直接接觸來完成，因此濕敏器件只能直接暴露于待測環(huán)境中，不能密封。 通常，對濕敏器件有以下要求：在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好，呼應(yīng)時間短，壽命長，有互換性，耐污染和受溫度影響小等。微型化、集成化及廉價是濕敏器件的開展方向。 .氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻電解質(zhì)濕敏電阻 利用物質(zhì)吸收水分子使導(dǎo)電率發(fā)生變化檢測濕度。 在氯化鋰LiCl溶液中，Li和Cl以正負(fù)離子的方式存在，鋰離子

13、Li+對水分子的吸收力強，離子水合成度高，溶液中的離子導(dǎo)才干與溶液濃度成正比，溶液濃度添加，導(dǎo)電率上升,電阻率下降 。 經(jīng)過丈量溶液電阻R值實現(xiàn)對濕度丈量。當(dāng)溶液置于一定濕度場中，假設(shè)環(huán)境RH 上升，溶液吸收水分子使?jié)舛认陆?電阻率 上升，反之RH下降，溶液濃度上升，電阻率下降。 RH 吸濕濃度 R RH 脫濕濃度 R.半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻半導(dǎo)瓷通常用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體燒結(jié)成多孔陶瓷，資料有正特性系數(shù)和負(fù)特性系數(shù)兩種。負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體瓷的導(dǎo)電機理 水分子氫原子具有很強的正電場，水分子在半導(dǎo)瓷外表 吸附時從外表俘獲電子，使半導(dǎo)瓷外表帶負(fù)電。 P型半導(dǎo)體 水分子吸附外表電勢下降，吸引空穴到達

14、外表， 使外表層電阻下降； N型半導(dǎo)體 水分子吸附外表電勢下降，外表電勢下降較多時，電子耗盡，同時吸引更多的空穴到達外表，能夠使外表層的空穴濃度大于電子濃度，出現(xiàn)反型層，這 些反型載流子同樣可以在外表遷移而表現(xiàn)出電導(dǎo)特 性。 水分子吸附時外表電阻也會下降。PN.負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體瓷濕敏電阻，電阻隨濕度添加而下降。由于水分子中氫原子具有很強的正電場，當(dāng)水分子在半導(dǎo)體瓷外表吸附時能夠從半導(dǎo)體瓷外表俘獲電子，使半導(dǎo)體外表帶負(fù)電，相當(dāng)外表電勢變負(fù)，電阻率隨濕度添加而下降。 正濕敏特性半導(dǎo)體瓷濕敏電阻例：Fe3O4，資料構(gòu)造、電子能量形狀與負(fù)特性不同，總的電阻值升高沒有負(fù)特性阻值下降的明顯。 .電子濕度計

15、模塊封裝后的外形濕敏傳感器的運用.電子式溫濕度計.機械式、電子式溫濕度計對比.土壤濕度丈量 RH為VT提供偏流，RH插入土壤，濕度不同傳感器阻值不同，基極電流不同， 使VT的Ie變化，在R2上轉(zhuǎn)換為電壓變化，送運放A放大； RH放在水中濕度100%，調(diào)理RP2使增益輸出滿量程5V； RH擦吹干濕度0%，調(diào)理RP1比較端電壓，使輸出0V。. 最 新 濕 度 測 量 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 面條烘干. 最 新 濕 度 測 量 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 消費過程的空氣質(zhì)量.半導(dǎo)體色敏傳感器是一種半導(dǎo)體光敏器件，任務(wù)原理基于光電效應(yīng)，可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光輻射探測器。 普通光電器件是檢測在一定波長范圍內(nèi)的光強度或光

16、子數(shù)目。而色敏器件可以直接丈量從可見光到近遠紅外波段內(nèi)單色輻射波長。色敏傳感器.光電二極管的任務(wù)原理 對于用半導(dǎo)體硅制造的光電二極管，在受光照射時，假設(shè)入射光子的能量h大于硅的禁帶寬度Eg，那么光子就激發(fā)價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生一對電子-空穴。這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子-空穴統(tǒng)稱為光生載流子。光電二極管的根本部分是一個結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子只需能分散到勢壘區(qū)的邊境，其中少數(shù)載流子專指P區(qū)中的電子和N區(qū)的空穴就受勢壘區(qū)強電場的吸引而被拉向?qū)γ鎱^(qū)域，這部分少數(shù)載流子對電流作出奉獻。多數(shù)載流子P區(qū)中的空穴或N區(qū)中的電子那么受勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘區(qū)的邊緣。 在勢壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴，

17、那么分別被電場掃向N區(qū)和P區(qū)，它們對電流也有奉獻。 . 光在半導(dǎo)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(dǎo)帶的結(jié)果，這種吸收光子的過程稱為本征吸收。硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長變化的曲線如下圖。由圖可見，在紅外部分吸收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。這就闡明， 波長短的光子衰減快，穿透深度較淺，而波長長的光子那么能進入硅的較深區(qū)域。 . 半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只構(gòu)造不同的光電二極管組合，實踐不是三極管而是兩個深淺不同的PN結(jié)，又稱光電雙結(jié)二極管。 當(dāng)有光照射時，P+、N、P三個區(qū)域光子吸收效果不同，紫外光部分吸收系數(shù)大，間隔短；紅外部分吸收系數(shù)小，穿透間隔長，構(gòu)成可以測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。.波長短的光子衰減快，穿透深度較淺， 波長長的光子衰減較慢，能穿透硅片較深區(qū)域。 淺結(jié)的光電二極管對紫外光靈敏度高， 深結(jié)的光電二極管對紅外光靈敏度高； 這一特征為色敏器件提供了識別顏色的能夠。 詳細運用時需求的對器件進展標(biāo)定，測定不同波長時兩只二極管的短路電流比值，經(jīng)過判別