傳感器感測(cè)技術(shù)第8章半導(dǎo)體傳感器課件

1、本章內(nèi)容：基本概念；氣敏半導(dǎo)體式傳感器及其應(yīng)用；濕敏半導(dǎo)體式傳感器及其應(yīng)用；色敏半導(dǎo)體式傳感器及其應(yīng)用。要求：掌握各式半導(dǎo)體傳感器的基本原理；了解各式半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用。第8章 半導(dǎo)體式傳感器本章內(nèi)容：第8章 半導(dǎo)體式傳感器8.1引言一、敏感材料-半導(dǎo)體。 利用半導(dǎo)體材料的物理效應(yīng)，把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，制作成各種半導(dǎo)體傳感器。二、優(yōu)點(diǎn) 1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、微型化； 2、靈敏度高，動(dòng)態(tài)性能好，輸出為電物理量； 3、易實(shí)現(xiàn)集成化、智能化； 4、功耗低，安全可靠。8.1引言三、缺點(diǎn) 1、線形范圍窄（線性化補(bǔ)償電路）； 2、輸出特性易受溫度影響； 3、性能參數(shù)離散性大。 但隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)

2、展，半導(dǎo)體傳感器技術(shù)越來(lái)越完善。 本章介紹氣敏、濕敏、色敏半導(dǎo)體式傳感器。三、缺點(diǎn)8.2氣敏式半導(dǎo)體傳感器一、氣敏傳感器 利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，使半導(dǎo)體性質(zhì)變化，以此檢測(cè)特定氣體的器件。 可測(cè)量氣體類(lèi)別、濃度和成分。 分為半導(dǎo)體氣敏傳感器和非半導(dǎo)體氣敏傳感器。 半導(dǎo)體氣敏傳感器分為電阻型和非電阻型。8.2氣敏式半導(dǎo)體傳感器二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器 1、導(dǎo)電機(jī)理 1）利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)使敏感元件阻值變化而制成的傳感器。 2）原理 如傳感器的溫度保持在高溫狀態(tài)，自由電子在內(nèi)部流動(dòng)，清潔的空氣中時(shí)，表面吸附氧，自由電子被俘獲，傳感器阻值增加。如環(huán)境氣氛中存在可燃性氣體等還

3、原性氣體，該氣體與氧發(fā)生反應(yīng)，吸附的氧減少，電子又會(huì)移動(dòng)，傳感器阻值減小。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器 其中： 具有負(fù)離子吸附傾向的氣體-氧化型氣體。 具有正離子吸附傾向的氣體-還原型氣體。 氧化型氣體吸附到N/P型半導(dǎo)體，還原型氣體吸附到P/N型半導(dǎo)體，半導(dǎo)體阻值上升/下降。 從阻值的變化分析氣體中的種類(lèi)和濃度。 其中：N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖 3）半導(dǎo)體氣敏電阻的阻值將隨吸附氣體的濃度變化而改變。響應(yīng)時(shí)間：小于1min。N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖 3）半導(dǎo)體氣敏 2、傳感器結(jié)構(gòu) 1）氣敏元件、加熱器和封裝體等組成。 氣敏元件分為燒結(jié)型、薄膜型、厚膜性。 2）燒結(jié)型氣敏器件

4、結(jié)構(gòu)圖：電極（鉑絲）氧化物半導(dǎo)體加熱器玻璃（尺寸約1mm，也有全為半導(dǎo)體的） 2、傳感器結(jié)構(gòu)電極（鉑絲）氧化物半導(dǎo)體加熱器玻璃 以SnO2半導(dǎo)體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入SnO2材料中，加熱加壓，通過(guò)700900攝氏度的制陶工藝燒結(jié)而成。 一般分為內(nèi)熱式和旁熱式。電極（鉑絲）氧化物半導(dǎo)體加熱器玻璃（尺寸約1mm，也有全為半導(dǎo)體的） 以SnO2半導(dǎo)體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入 管芯體積小，加熱絲直接埋在金屬氧化半導(dǎo)體材料內(nèi)。 特點(diǎn)：制作工藝簡(jiǎn)單。熱容量小，易受環(huán)境氣流影響，測(cè)量回路與加熱回路間互相影響，易造成加熱絲與材料接觸不良的現(xiàn)象。a、內(nèi)熱式器件結(jié)構(gòu)圖：電極電極電極電極SnO2燒

5、結(jié)體 管芯體積小，a、內(nèi)熱式器件電極電極電極電極SnO b、旁熱式器件 結(jié)構(gòu)圖： 管芯在陶瓷管內(nèi)放置高阻加熱絲，瓷管外涂金電極及氣敏半導(dǎo)體材料。 克服了內(nèi)熱式的缺點(diǎn)，且其穩(wěn)定性和可靠性比內(nèi)熱式的好。 特點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。但機(jī)械強(qiáng)度不高，電性能一致性較差。電極加熱器電極陶瓷絕緣管電極SnO2燒結(jié)體電極 b、旁熱式器件 管芯在陶瓷管內(nèi)電極加熱 3）薄膜型氣敏器件 在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜。 結(jié)構(gòu)圖： 其中， SnO2和ZnO薄膜的氣敏特性較好。 特點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度高，互換性好，產(chǎn)量高，成本低。0.6 mm電極0.5 mm半導(dǎo)體加熱器電極絕緣基片3 mm3 mm 3）薄膜型氣敏器件 其中，

6、SnO2和 4）厚膜型氣敏器件 結(jié)構(gòu)圖： 解決器件一致性問(wèn)題。 特點(diǎn)：一致性好，機(jī)械強(qiáng)度高，適于批量生產(chǎn)。 5）加熱器 燒掉塵埃，加速氣體的吸附，提高器件靈敏度和響應(yīng)速度。氧化物基片Pt電極氧化物半導(dǎo)體器件加熱用的加熱器（印制厚膜電阻） 4）厚膜型氣敏器件 解決器件一致性問(wèn)題 例如SnO2系列的氣敏元件： 在同一工作溫度，含1.5%（重量）Pd元件對(duì)CO最敏感；而0.2%（重量）Pd元件對(duì)CH4最靈敏。 同一含量Pt的氣敏元件，在200以下，檢測(cè)CO最好；在300 ，檢測(cè)丙烷最好；在400 以上檢測(cè)甲烷最佳。 例如SnO2系列的氣敏元件：三、非電阻型氣敏器件 1、利用MOS二極管電容-電壓特性

7、的變化及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓的變化等物性制成的。 2、特點(diǎn) 制造工藝成熟，便于集成化； 性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜。三、非電阻型氣敏器件四、氣敏傳感器的主要參數(shù)與特性 1、靈敏度 標(biāo)志元件對(duì)氣體的敏感程度，決定了測(cè)量精度。 一般可用S表示： S = R /P P 為氣體濃度變化量。 也可用K表示： K = R0 / R R 為被測(cè)氣體中的阻值。 2、響應(yīng)時(shí)間 從元件與被測(cè)氣體接觸至元件阻值達(dá)到新的恒定值所需時(shí)間。四、氣敏傳感器的主要參數(shù)與特性 3、選擇性 多種氣體共存時(shí)，元件區(qū)分氣體種類(lèi)的能力。 4、穩(wěn)定性 氣體濃度不變，而其他條件改變時(shí)，規(guī)定時(shí)間內(nèi)元件輸出特性不變的能力。 5、溫度特性 元件

8、靈敏度隨溫度變化的特性。 對(duì)于元件自身溫度對(duì)靈敏度的影響，可采用溫度補(bǔ)償方法。 3、選擇性 6、濕度特性 元件靈敏度隨環(huán)境濕度變化的特性。 解決它對(duì)靈敏度的影響，可采用濕度補(bǔ)償方法。 7、電源電壓特性 元件靈敏度隨電源電壓變化的特性。 可采用恒壓源。 6、濕度特性五、氣敏傳感器的應(yīng)用 各種易燃、易爆、有毒、有害氣體的檢測(cè)和報(bào)警都可使用相應(yīng)的氣敏傳感器及其相關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 簡(jiǎn)易家用氣體報(bào)警：BX150kTGS109100VAC100VBZ1V TGS109為直熱式氣敏傳感器，BZ為蜂鳴器。 對(duì)于易爆氣體，報(bào)警濃度一般選定其爆炸下限的1/10，可調(diào)整電阻來(lái)調(diào)節(jié)。五、氣敏傳感器的應(yīng)用BX150kTG

9、S109100VAC1 有害氣體鑒別、報(bào)警與控制電路：TWH8778JJ1-1ARp20KR210KR120KC1 1000F/25VIN4148VD1紅R5100DW1R42005VMQS2BR368KHTDVD2+12VC+B1D254 有害氣體鑒別、報(bào)警與控制電路：TWHJJ1-1A8.3濕敏傳感器一、基本概念 濕度：大氣中的水蒸氣含量。 絕對(duì)濕度：?jiǎn)挝豢臻g中所含水蒸氣的絕對(duì)含量、濃度或密度，AH表示。 相對(duì)濕度：被測(cè)氣體中蒸氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比，RH表示。潮濕程度。二、基本原理 感受外界適度變化，通過(guò)器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化為有用信號(hào)。8.3濕敏

10、傳感器三、幾種濕敏傳感器 1、氯化鋰濕敏電阻 利用吸濕性鹽類(lèi)潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化制成測(cè)濕元件。 在一定溫濕場(chǎng)中，若環(huán)境相對(duì)濕度高/低，溶液濃度降低/升高，電阻率增高/下降。 優(yōu)點(diǎn)：滯后小，不受風(fēng)速影響，精度高。 缺點(diǎn)：耐熱性差，重復(fù)性不理想，壽命短。引線感濕層基片金屬電極三、幾種濕敏傳感器 在一定溫濕場(chǎng)中，若環(huán)境相對(duì)濕度 2、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻 兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。 電阻率隨濕度增加而下降-負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：ZnO-LiO2-V2O5系，Si-Na2O-V2O5系，TiO2-MgO-Cr2O3系等。 電阻率隨濕度增大而增大-正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：Fe3

11、O4等。 2、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻四、濕敏傳感器的應(yīng)用 濕度檢測(cè)器：555V1100FC25600pFC30.01FR210kR15.1kRp15kC44700pFVD12AP9VD22AP99VR35.1k+CH254863 有555時(shí)基電路，CH濕度傳感器。 電位器Rp用于一起調(diào)零。四、濕敏傳感器的應(yīng)用555V1100FC2C3R2R1Rp8.4色敏傳感器一、概念 基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器。 半導(dǎo)體光敏傳感器件中的一種。二、基本原理（1） 由兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管組合。 結(jié)構(gòu)圖：電極1電極2電極3SiO2NP+P8.4色敏傳感器電極1電極2電極3SiO2NP+P二、基本原理（2） 具體應(yīng)用時(shí)，須先測(cè)定在不同波長(zhǎng)的照射下，色敏器件中兩只光電二極管短路電流之比。確定二者的比值與入射單色光波長(zhǎng)的關(guān)系。 實(shí)測(cè)時(shí)，可根據(jù)該關(guān)系確定某一單色光的波長(zhǎng)。二、基本原理（2） 三、色敏傳感器的基本特征 1、光譜特性 表示所能檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍。 國(guó)產(chǎn)CS-1型，波長(zhǎng)范圍400nm1000nm。 2、短路電流比-波長(zhǎng)特性 表征半導(dǎo)體色敏器件對(duì)波長(zhǎng)的識(shí)別能力。 3、溫度特性 色敏光電器件的短路電流比對(duì)溫度不十分敏感。 可不考慮其影響。三、色敏傳感器的基本特征四、色敏傳感器的應(yīng)用 1、檢測(cè)光波長(zhǎng)的處理電路