檢測技術(shù)已自動化儀表

半導體傳感器半導體傳感器是典型的物理型傳感器，它是利用某些材料的電特征的變化實現(xiàn)被測量的直接轉(zhuǎn)換，如改變半導體內(nèi)載流子的數(shù)目。凡是用半導體材料制作的傳感器都屬于半導體傳感器。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。1紙

品木材烘干濕度傳感器

芯片生產(chǎn)要求最高的濕度穩(wěn)定性2氣敏傳感器濕敏傳感器3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、煤氣等易燃易爆的安全監(jiān)測；環(huán)境保護，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10-6～10-3數(shù)量級，可檢測到1/10爆炸下限的可燃氣體；

由于氣體種類很多，性質(zhì)各不相同，不可能用同一種氣體傳感器測量所有氣體，按半導體的物理特性，可分為電阻型和非電阻型。4半導體氣敏傳感器工作原理(1)電阻型半導體氣敏傳感器

半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體表面接觸時，產(chǎn)生的電導率等物理性質(zhì)變化來檢測氣體的。按照半導體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型。前者半導體表面吸附的氣體與半導體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導體的電導率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學組成不變；后者半導體與氣體的反應，使半導體內(nèi)部組成發(fā)生變化，而使電導率變化。5電阻型氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應，導致敏感元件阻值變化；如：氧氣具有負離子吸附傾向的氣體，被稱為氧化型氣體——電子接收性氣體；氫、碳氧化合物、醇類等具有正離子吸附傾向的氣體，被稱為還原型氣體——電子供給性氣體。6當氧化型氣體吸附到N型半導體上，半導體的載流子減少，電阻率上升；當氧化型氣體吸附到P型半導體上，半導體的載流子增多，電阻率下降；當還原型氣體吸附到N型半導體上，半導體的載流子增多，電阻率下降；當還原型氣體吸附到P型半導體上，半導體的載流子減少，電阻率上升；氣體與半導體接觸時情況N型半導體多電子P型半導體多空穴7N型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖

表示了氣體接觸N型半導體時所產(chǎn)生的器件阻值變化情況。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。若氣體濃度發(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。8在常溫下，電導率變化并不大，達不到檢測目的，因此以上結(jié)構(gòu)的氣敏元件都有電阻絲加熱器;加熱時間2～3分鐘，加熱電源一般為5V;加熱方式分為直熱式和旁熱式。直熱式旁熱式9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。氣敏電阻的材料是金屬氧化物，合成時加敏感材料和催化劑燒結(jié)，這些金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導體后顯示氣敏特性。金屬氧化物有：N型半導體，如：SnO2Fe2O3ZnOTiOP型半導體，如：CoO2PbOMnO2CrO3

電阻型半導體氣敏傳感器導電機理用一句話描述：利用半導體表面因吸附氣體引起半導體元件電阻值變化，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10(2)非非電阻阻型半導導體氣敏敏傳感器器非電阻型型半導體體氣敏傳傳感器主主要類型型：利用MOS二極極管的電電容—電電壓特性性變化；；利用MOS場效效應管的的閾值電電壓的變變化；利用肖特特基金屬屬半導體體二極管管的勢壘壘變化進進行氣體體檢測。。111）MOS二極極管氣敏敏元件（電容——電壓））在P型硅硅氧化層層上蒸發(fā)發(fā)一層鈀鈀（Pd）金屬屬膜作電電極。氧氧化層（（SiO2）電電容Ca是固定定不變的的。而硅硅片與氧氧化層電電容Cs是外加加電壓的的功函數(shù)數(shù)，總電電容C也也是偏壓壓的函數(shù)數(shù)。MOS二極極管的等等效電容容C隨電壓U變化。金屬鈀（（Pd））對氫氣氣（H2）特別別敏感。。當Pd吸附金金屬膜以以后，使使Pd的的功函數(shù)數(shù)下降，，使MOS管C—U特特性向左左平移，，利用這這一特性性用于測測定氫氣氣的濃度度。122）MOSFET氣敏敏元件Pd對H2吸附附性很強強，H2吸附在在Pd柵柵上引起起的Pd功函數(shù)數(shù)降低。。當柵極極（G））源極（（S）間間加正向向偏壓UGS>UT閥值時，，柵極氧氧化層下下的硅從從P變?yōu)闉镹型，，N型區(qū)區(qū)將S（（源）和和D（漏漏）連接接起來，，形成導導電通道道（N型型溝道））此時MOSFET進進入工作作狀態(tài)。在S—D間加電電壓UDS，S—D間有電電流IDS流過，IDS隨UDS、UGS變化。當當UGS<UT時，溝道道沒形成成，無漏漏源電流流IDS=0。UT（閥值））電壓大大小與金金屬與半半導體間間的功函函數(shù)有關(guān)關(guān)。Pd—MOSFET器器件就是是利用H2在鈀鈀柵極吸吸附后改改變功函函數(shù)使UT下降降，檢測測H2濃濃度。133）肖特特基二極極管金屬和半半導體接接觸的界界面形成成肖特基基勢壘，，構(gòu)成金金屬半導導體二極極管。管管子加正正偏壓，，半導體體金屬的的電子流流增加，，正向?qū)娮枳铇O小UD＜0.2，，加負偏偏壓時UD很很大，相相當開路路幾乎無無電流。。當金屬屬與半導導體界面面有氣體體時，勢勢壘降低低，電流流變化（（上升））。金屬與半半導體界界面吸附附氣體時時，影響響半導體體禁帶寬寬度Eg，二極極管正向向偏壓條條件下，，氣體濃濃度電流輸輸出電電壓UR。。非電阻型型半導體體氣敏傳傳感器主主要用于于氫氣濃濃度測量量。14氣敏電阻外形形酒精傳感器其他可燃性氣氣體傳感器15酒精測試儀呼氣管16家庭用煤氣報報警器17家庭用液化氣氣報警器18一氧化碳傳感感器19其他氣體傳感感器NH3傳感器器甲烷傳感器20二氧化鈦氧濃濃度傳感器半導體材料二二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導體，對對氧氣十分敏敏感。其電阻阻值的大小取取決于周圍環(huán)環(huán)境的氧氣濃濃度。當周圍圍氧氣濃度較較大時，氧原原子進入二氧氧化鈦晶格，，改變了半導導體的電阻率率，使其電阻阻值增大。圖示是用于汽汽車或燃燒爐爐排放氣體中中的氧濃度傳傳感器結(jié)構(gòu)圖圖及測量轉(zhuǎn)換換電路。二氧氧化鈦氣敏電電阻與補償熱熱敏電阻同處處于陶瓷絕緣緣體的末端。。當氧氣含量量減小時，RTiO2的阻值減小小，Uo增大。在圖b中，與TiO2氣敏電阻串串聯(lián)的熱敏敏電阻Rt起溫度補償償作用。當當環(huán)境溫度度升高時，，TiO2氣敏電阻的的阻值會逐逐漸減小，，只要Rt也以同樣的的比例減小小，根據(jù)分分壓比定律律，Uo不受溫度影影響，減小小了測量誤誤差。21圖TiO2氧濃度傳感感器結(jié)構(gòu)及及測量轉(zhuǎn)換換電路a）結(jié)構(gòu)b）測量量轉(zhuǎn)換電路路1－外殼（（接地）2－安裝螺螺栓3－－搭鐵線4－保護護管5—補償償電阻6－陶瓷瓷片7－－TiO2氧敏電阻8－進氣氣口9－引引腳22氧濃度傳感感器外形可用于汽車車尾氣測量量23汽車尾氣分分析24有毒氣體傳傳感器的使使用25酒精測試儀儀26防酒后駕車汽車點火電路無酒精時，，S閉合，，氣敏電阻阻高，Ua高Uo低低，定時器器輸出高，，J2釋放放，J1閉閉合，點火火；有酒精時，，氣敏電阻阻下降，Ua低Uo高，定時時器輸出低低，J2吸吸合，J2-1斷開開，不啟動動；若司司機機拔拔出出氣氣敏敏傳傳感感器器，，J1斷斷電電J1-1斷斷開開無無法法啟啟動動。。J1-2氣氣敏敏元元件件加加熱熱回回路路。。繼電電器器J1-1、、J1-2常常開開接接點點，，J2-1常常閉閉接接點點，，J2-2常常接接VD1（（綠綠燈燈）），，VD2（（紅紅燈燈））。。27多種種氣氣體體檢檢測測系系統(tǒng)統(tǒng)28紅外外吸吸收收(IR-process)測量量原原理理29濕敏敏傳傳感感器器濕度度是是指指空空氣氣中中的的水水蒸蒸氣氣含含量量，，干干燥燥或或潮潮濕濕對對我我們們的的生生活活有有很很大大影影響響，，潮潮濕濕——發(fā)發(fā)霉霉，，干干燥燥——不不舒舒服服。。濕濕度度傳傳感感器器主主要要應應用用于于溫溫濕濕度度檢檢測測控控制制、、軍軍械械倉倉庫庫、、糧糧倉倉、、水水果果保保鮮鮮等等場場合合。。最最早早人人們們用用頭頭發(fā)發(fā)隨隨濕濕度度變變化化而而伸伸長長或或縮縮短短現(xiàn)現(xiàn)象象做做毛毛發(fā)發(fā)濕濕度度計計，，逐逐漸漸有有了了電電阻阻濕濕度度計計，，半半導導體體濕濕度度計計是是近近年年來來才才出出現(xiàn)現(xiàn)的的。。30為什么要測測量濕度？？31濕度對電子子元件的影影響當環(huán)境的相相對濕度增增大時，物物體表面就就會附著一一層水膜，，并滲入材材料內(nèi)部。。這不僅降降低了絕緣緣強度，還還會造成漏漏電、擊穿穿和短路現(xiàn)現(xiàn)象；潮濕濕還會加速速金屬材料料的腐蝕并并引起有機機材料的霉霉爛。32露點降低溫度會會產(chǎn)生結(jié)露露現(xiàn)象。露露點與農(nóng)作作物的生長長有很大關(guān)關(guān)系，結(jié)露露也嚴重影影響電子儀儀器的正常常工作，必必須予以注注意。測量露點的的儀器33濕度通常用用絕對濕度度和相對濕濕度表示：：絕對濕度：：單位空間間所含水蒸蒸汽的絕對對含量或濃濃度，用符符號AH表示，單位位（g/m3）。相對濕度，，被測氣體體中蒸汽壓壓和該氣體體在相同溫溫度下飽合合水蒸氣壓壓的百分比比，一般用用%RH表示，無量量綱。不同環(huán)境所所需濕度不不同，測量量方法很多多，但精度度不高。目目前世界上上最高水平平濕度測量量精度在±±0.01%左右；；34濕敏傳感器器是能夠感感受外界濕濕度變化，，并通過器器件材料的的物理或化化學性質(zhì)變變化，將濕濕度轉(zhuǎn)化成成有用信號號的器件。。濕度檢測較較之其它物物理量的檢檢測顯得困困難，這首首先是因為為空氣中水水蒸氣含量量要比空氣氣少得多；；另外，液態(tài)水水會使一些高高分子材料和和電解質(zhì)材料料溶解，一部部分水分子電電離后與溶入入水中的空氣氣中的雜質(zhì)結(jié)結(jié)合成酸或堿堿，使?jié)衩舨牟牧喜煌潭榷鹊厥艿礁g蝕和老化，從從而喪失其原原有的性質(zhì)；；再者，濕信息息的傳遞必須須靠水對濕敏敏器件直接接接觸來完成，，因此濕敏器器件只能直接接暴露于待測測環(huán)境中，不不能密封。通常，對濕敏敏器件有下列列要求：在各各種氣體環(huán)境境下穩(wěn)定性好好，響應時間間短，壽命長長，有互換性性，耐污染和和受溫度影響響小等。微型型化、集成化化及廉價是濕濕敏器件的發(fā)發(fā)展方向。35氯化鋰濕敏電電阻氯化鋰濕敏電電阻——電解解質(zhì)濕敏電阻阻利用物質(zhì)吸收收水分子使導導電率發(fā)生變變化檢測濕度度。在氯化鋰（LiCl）溶溶液中，Li和Cl以正正負離子的形形式存在，鋰鋰離子（Li+）對水分分子的吸收力力強，離子水水合成度高，，溶液中的離離子導能力與與溶液濃度成成正比，溶液濃度增加加，導電率上上升,電阻率率ρ下降。。通過測量溶液液電阻R值實現(xiàn)對濕度度測量。當溶液置于一一定濕度場中中，若環(huán)境RH上升，溶液吸吸收水分子使使?jié)舛认陆惦婋娮杪师焉仙?，反之RH下降，溶液濃濃度上升，電電阻率ρ下降。RH吸濕——濃度度RRH脫濕——濃度度R36半導體陶瓷濕濕敏電阻（半半導瓷）通常用兩種以以上的金屬——氧化物—半半導體燒結(jié)成成多孔陶瓷，，材料有正特特性系數(shù)和負負特性系數(shù)兩兩種。負特性濕敏半半導體瓷的導導電機理水分子氫原子子具有很強的的正電場，水水分子在半導導瓷表面吸附時從表面面俘獲電子，，使半導瓷表表面帶負電。。P型半導體———水分分子吸附表面面電勢下降，，吸引空穴到到達表面，使使表面層電電阻下降；N型半導體———水分子子吸附表面電電勢下降，表表面電勢下降降較多時，電電子耗盡，同同時吸引更多多的空穴到達達表面，可能能使表面層的的空穴濃度大大于電子濃度度，出現(xiàn)反型型層，這些些反型載流子子同樣可以在在表面遷移而而表現(xiàn)出電導導特性。水水分子吸附附時表面電阻阻也會下降。。PN37負特性濕敏半半導體瓷濕敏敏電阻，電阻阻隨濕度增加加而下降。由由于水分子中中氫原子具有有很強的正電電場，當水分分子在半導體體瓷表面吸附附時可能從半半導體瓷表面面俘獲電子，，使半導體表表面帶負電，，相當表面電電勢變負，電電阻率隨濕度度增加而下降降。正濕敏特性半半導體瓷濕敏敏電阻（例：：Fe3O4），材料結(jié)結(jié)構(gòu)、電子能能量狀態(tài)與負負特性不同，，總的電阻值值升高沒有負負特性阻值下下降的明顯。。38電子濕度計模塊封裝后的外形形濕敏傳感器的的應用39電子式溫濕度計40機械式、電子式溫濕度計對比比41土壤濕度測量量RH為VT提供偏流，RH插入土壤，濕濕度不同傳感感器阻值不同同，基極電流流不同，使VT的Ie變化，在R2上轉(zhuǎn)換為電壓壓變化，送運運放A放大；RH放在水中濕度度100%，調(diào)節(jié)RP2使增益輸出滿滿量程5V；RH擦（吹）干濕濕度0%，調(diào)節(jié)RP1比較端電壓，，使輸出0V。42最新濕度度測量量應用領(lǐng)領(lǐng)域面條烘干43最新濕度度測量量應用領(lǐng)領(lǐng)域生產(chǎn)過程的空空氣質(zhì)量4445半導體色敏傳傳感器是一種種半導體光敏敏器件，工作作原理基于光光電效應，可可將光信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電信號號的光輻射探探測器。一般光電器件件是檢測在一一定波長范圍圍內(nèi)的光強度度或光子數(shù)目目。而色敏器器件可以直接接測量從可見見光到近遠紅紅外波段內(nèi)單單色輻射波長長。色敏傳感器46光電二極管的的工作原理對于用半導體體硅制造的光光電二極管，，在受光照射射時，若入射射光子的能量量hυ大于硅的禁帶帶寬度Eg，則光子就激激發(fā)價帶中的的電子躍遷到到導帶而產(chǎn)生生一對電子-空穴。這些些由光子激發(fā)發(fā)而產(chǎn)生的電電子-空穴統(tǒng)統(tǒng)稱為光生載載流子。光電電二極管的基基本部分是一一個ＰＮ結(jié)結(jié)，產(chǎn)生的光光生載流子只只要能擴散到到勢壘區(qū)的邊邊界，其中少少數(shù)載流子（（專指P區(qū)區(qū)中的電子和和N區(qū)的空空穴）就受勢勢壘區(qū)強電場場的吸引而被被拉向?qū)γ鎱^(qū)區(qū)域，這部分分少數(shù)載流子子對電流作出出貢獻。多數(shù)數(shù)載流子（P區(qū)中的空穴穴或N區(qū)中的的電子）則受受勢壘區(qū)電場場的排斥而留留在勢壘區(qū)的的邊緣。在在勢壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)產(chǎn)生的光生電電子和光生空空穴，則分別別被電場掃向向N區(qū)和P區(qū)區(qū)，它們對電電流也有貢獻獻。47光在半導體中中傳播時的衰衰減是由于價價帶電子吸收收光子而從價價帶躍遷到導導帶的結(jié)果，，這種吸收光光子的過程稱稱為本征吸收收。硅的本征征吸收系數(shù)隨隨入射光波長長變化的曲線線如圖所示。。由圖可見，，在紅外部分分吸收系數(shù)小小，紫外部分分吸收系數(shù)大大。這就表明明，波長短短的光子衰減減快，穿透深深度較淺，而而波長長的光光子則能進入入硅的較深區(qū)區(qū)域。48半導導體體色色敏敏傳傳感感器器相相當當于于兩兩只只結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)不不同同的的光光電電二二極極管管組組合合，，實實際際不不是是三三極極管管而而是是兩兩個個深深淺淺不不同同的的PN結(jié)結(jié)，，又又稱稱光光電電雙雙結(jié)結(jié)二二極極管管。。當有有光光照照射射時時，，P+、、N、、P三三個個區(qū)區(qū)域域光光子子吸吸收收效效果果不不同同，，紫紫外外光光部部分分吸吸收收系系數(shù)數(shù)大大，，距距離離短短；；紅紅外外部部分分吸吸收收系系數(shù)數(shù)小小，，穿穿透透距距離離長長，，構(gòu)構(gòu)成成可可以以測測定定波波長長的的半半導導體體色色敏敏傳傳感感器器。。49波長長短短的的光光子子衰衰減減快快，，穿穿透透深深度度較較淺淺，，波長長長長的的光光子子衰衰減減較較慢慢，，能能穿穿透透硅硅片片較較深深區(qū)區(qū)域域。。淺結(jié)結(jié)的的光光電電二二極極管管對對紫紫外外光光靈靈敏敏度度高高，，深結(jié)結(jié)的的光光電電二二極極管管對對紅紅外外光光靈靈敏敏度度高高；；這一一特特征征為為色色敏敏器器件件提提供供了了識識別別顏顏色色的的可可能能。。具體體應應用用時時需需要要的的對對器器件件進進行行標標定定，，測測定定不不同同波波長長時時兩兩只只二二極極管管的的短短路路電電流流比比值值，，通通過過判判別別兩兩只只光光電電二二極極管管光光電電流流的的大