第10章半導(dǎo)體傳感器

第10章半導(dǎo)體傳感器C10.1氣敏傳感器110.2濕敏傳感器10.3色敏傳感器310.4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用

42半導(dǎo)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(dǎo)體內(nèi)載流子的數(shù)目。凡是用半導(dǎo)體材料制作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。概述概述紙品木材烘干

濕度傳感器

芯片生產(chǎn)要求最高的濕度穩(wěn)定性概述氣敏傳感器濕敏傳感器10.1半導(dǎo)體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，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，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(hù)，有害、有毒氣體監(jiān)測；酒后駕車，乙醇濃度檢測。因此半導(dǎo)體氣敏傳感器種類繁多。10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器

10.1.1氣敏電阻的工作原理◆材料:金屬氧化物?！舴诸悾篘型半導(dǎo)體，如氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢，P型半導(dǎo)體，如氧化鈷、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳。10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器空氣中O2和NO2接受半導(dǎo)體材料的電子吸附負(fù)電荷表面電導(dǎo)減小器件高阻被測還原性氣體與氧反應(yīng)釋放電子元件電阻減小當(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)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降；當(dāng)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)還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升；N型半導(dǎo)體與氣體接觸時的氧化還原反映10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器◆該類氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（200~450℃），目的是為了加速上述的氧化還原反應(yīng)?！粼诔叵拢妼?dǎo)率變化不大，達(dá)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;加熱方式分為內(nèi)熱式

和旁熱式。10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器圖中EH為加熱電源，EC為測量電源，電阻中氣敏

電阻值的變化引起電路中電流的變化，輸出電壓（信號電壓）由電阻Ro上取出。圖10-1輸出電壓與溫度關(guān)系10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器10.1.2氣敏傳感器的種類◆按制造工藝不同分燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。1.燒結(jié)型

將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中，經(jīng)加熱成型后低溫?zé)Y(jié)而成。目前最常用的是氧化錫（SnO2）燒結(jié)型氣敏元件，它的加熱溫度較低，一般在200~300℃，SnO2氣敏半導(dǎo)體對許多可燃性氣體，如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有較高的靈敏度。

10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器薄膜型采用真空鍍膜或濺射方法，在石英或陶瓷基片上制成金屬氧化物薄膜（厚度0.1μm以下），構(gòu)成薄膜型氣敏元件。10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器◆氧化鋅（ZnO）薄膜型氣敏元件以石英玻璃或陶瓷作為絕緣基片，通過真空鍍膜在基片上蒸鍍鋅金屬，用鉑或鈀膜作引出電極，最后將基片上的鋅氧化。氧化鋅敏感材料是N型半導(dǎo)體，當(dāng)添加鉑作催化劑時，對丁烷、丙烷、乙烷等烷烴氣體有較高的靈敏度，而對H2、CO2等氣體靈敏度很低。若用鈀作催化劑時，對H2、CO有較高的靈敏度，而對烷烴類氣體靈敏度低。因此，這種元件有良好的選擇性，工作溫度在400~500℃的較高溫度。10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器厚膜型將氣敏材料（如SnO2、ZnO）與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠。把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有鉑電極的氧化鋁（Al2O3）基片上，在400~800℃的溫度下燒結(jié)1~2小時便制成厚膜型氣敏元件。用厚膜工藝制成的器件一致性較好，機(jī)械強(qiáng)度高，適于批量生產(chǎn)。1.瓦斯煙霧檢測儀

可偵測廚房瓦斯泄漏、浴室一氧化碳毒氣、屋內(nèi)香煙廢氣警報。10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器10.1.3半導(dǎo)體氣敏傳感器的應(yīng)用10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器◆當(dāng)瓦斯、煙霧或者一氧化碳的濃度被傳感器所接受時，第12腳的正電位逐漸增加，以至于超過第13腳的設(shè)定值，故U1-d的輸出為正電位電壓，此電壓對R8，C1充電，此充電電壓超過第9腳的電壓值時，接到NE555的控制電壓為高電位，因此振蕩器動作?！舢?dāng)?shù)?3腳的電壓比第12腳的電壓高時（即瓦斯?jié)舛缺阮A(yù)定值低）,U1-d的輸出為低電位，對R8，C1組成的積分電路沒作用，因此U1-c的輸出為低電位，故U2，NE555振蕩器沒動作，輸出為零。10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器◆由R13，R14及C3組成的無穩(wěn)態(tài)電路由第3腳輸出一個連續(xù)的脈沖波。直到當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀谠O(shè)定值時，警報才予以解除。如圖10-5所示的傳感器檢測電路也可用于檢測酒精，不同的在于將瓦斯傳感器改成酒精傳感器而已。10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器2.酒精測試儀10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器防酒后駕車汽車點火電路10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器3.煙霧報警器4.家用煤氣(CO)安全報警電路

一部分是煤氣報警器，在煤氣濃度達(dá)到危險界限前發(fā)生警報；另一部分是開放式負(fù)離子發(fā)生器，其作用是自動產(chǎn)生空氣負(fù)離子，使煤氣中主要有害成分一氧化碳與空氣負(fù)離子中的臭氧(O3)反應(yīng)，生成對人體無害的二氧化碳。

IC2JBG3~220VKJ1R10R12R11R1R2R3R4BG1BG2C1C2C3C4R5R6R7R8R13R9D1D2D3D4D5DwW1W2C7C5C6MT2MT13CTS3RQABLED6213748521387B1B2D7IC110.1半導(dǎo)體氣敏傳感器簡易家用氣體報警采用直熱式氣敏傳感器TGS09，當(dāng)可燃性氣體濃度增加時，氣敏器件接觸導(dǎo)可燃性氣體而電阻降低，回路電流增加，驅(qū)動蜂鳴器BZ報警。10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器5.有害氣體鑒別、報警與控制一方面可鑒別實驗中有無有害氣體產(chǎn)生，鑒別液體是否有揮發(fā)性，另一方面可以自動控制排氣扇排氣，使室內(nèi)空氣清新。

TWH8778是一種大電流驅(qū)動開關(guān)集成電路。氣體濃度增大，傳感器電阻降低10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器6.可燃性氣體濃度檢測用于家庭對煤氣、一氧化碳、液化石油氣等泄漏實現(xiàn)監(jiān)測報警。U257B為LED驅(qū)動器，根據(jù)輸入端7的大小驅(qū)動不同的LED亮滅，8是電源端，1是接地端氣體濃度增大，傳感器電阻降低10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器7.自動空氣清新器這個自動空氣清新器能在室內(nèi)空氣污濁或有害氣體達(dá)到一定濃度時，自動產(chǎn)生負(fù)氧離子，保持空氣清新?？諝庾詣忧逍缕麟娐吩韴D

10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器8.多種氣體檢測系統(tǒng)10.1半導(dǎo)體氣敏傳感器紅外吸收(IR-process)測量原理CO2

CO2

氣體

氣體

IR-探測器可吸收CO2的過濾器接口IR-散熱器(lamp)

氧氣傳感器(帶2個電極)電化學(xué)傳感器(2)陽極電離流動電解溶液陰極連接電纜陰極NTC-resistorwithnegativeTK可滲入氣體膜外部電路煙氣參考電極counterelectrode工作電極煙氣可滲入氣體膜可滲入氣體膜新鮮空氣電解溶液sensorflow外部電路CO,SO2orNox傳感器(3electrodes)電化學(xué)傳感器(3)白金線外殼為催化金屬熱效率探測器用于檢測可燃?xì)怏w線圈溫度升高

氣體中氧氣的燃燒率濕必須知道的!使用于測量KW白金線通過電流加熱至約500°C

受熱或不受熱的抽提探頭

不同的探頭材料

適用于不同溫度范圍的探頭

帶簡單陶瓷過濾器的探頭

探頭清潔裝置（根據(jù)類型）抽提探頭

測量氣體管

露點&冷凝(4)最大長度:5mPTFE-(特福瓏)管標(biāo)準(zhǔn)管管徑-:2mm從探頭測量氣體流速測量氣體流到分析儀器

煙氣分析儀10.2濕敏傳感器1.濕度：指大氣中的水蒸氣含量絕對濕度：單位空間中所含水蒸汽的絕對含量或者濃度或者密度，一般用符號AH表示。相對濕度：被測氣體中蒸汽壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比，一般用符號RH表示。相對濕度給出大氣的潮濕程度，它是一個無量綱的量。10.2濕敏傳感器2.露點溫度：當(dāng)空氣溫度下降到某一溫度時，空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等。此時，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠，相對濕度為100％RH。該溫度稱為空氣的露點溫度(露點)?？諝庵兴魵鈮涸叫。饵c越低，因而可用露點表示空氣中的濕度。3.濕敏傳感器可分為水分子親和力型濕敏傳感器和非水分子親和力型濕敏傳感器。10.2濕敏傳感器◆氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。該元件的結(jié)構(gòu)如圖10-3所示，由引線、基片、感濕層與電極組成。圖10-3濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖1-引線；2-基片；3-感濕層；4-金屬電極10.2.1氯化鋰濕敏電阻10.2濕敏傳感器

溫濕度變送器h,Tx室內(nèi)空氣質(zhì)量100%rH貯存/催熟烘干過程

達(dá)到

/保持成品的最佳品質(zhì)-更舒適

更高的工作效率

使產(chǎn)品或原材料達(dá)到最佳品質(zhì)生產(chǎn)空氣質(zhì)量耗費最低的能量讓設(shè)備高效率地進(jìn)行生產(chǎn)氯化鋰濕敏電阻即電解質(zhì)濕敏電阻，利用物質(zhì)吸收水分子而導(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)離子的形式存在，鋰離子（Li+）對水分子的吸收力強(qiáng)，離子水合成度高，溶液中的離子導(dǎo)電能力與溶液濃度成正比，溶液濃度增加，導(dǎo)電率上升。10.2濕敏傳感器當(dāng)溶液置于一定濕度場中，若環(huán)境RH上升，溶液吸收水分子使?jié)舛认陆惦娮杪师焉仙?，反之RH下降，溶液濃度上升，電阻率ρ下降。通過測量溶液電阻R值實現(xiàn)對濕度測量。氯化鋰濕敏電阻10.2濕敏傳感器10.2濕敏傳感器10.2.2半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻◆半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常是用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。

負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，電阻率隨濕度增加而下降。

正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，電阻率隨濕度增大而增大。10.2濕敏傳感器1.負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理◆由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時，就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。如果該半導(dǎo)瓷是Ｐ型半導(dǎo)體，則由于水分子吸附使表面電勢下降，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面，于是，其表面層的電阻下降。10.2濕敏傳感器◆若該半導(dǎo)瓷為Ｎ型，則由于水分子的附著使表面電勢下降，如果表面電勢下降較多，不僅使表面層的電子耗盡，同時吸引更多的空穴達(dá)到表面層，有可能使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現(xiàn)所謂表面反型層，這些空穴稱為反型載流子。10.2濕敏傳感器◆兩者均可在表面遷移而對電導(dǎo)做出貢獻(xiàn)，其電阻率都隨濕度的增加而下降。圖10-4表示了幾種負(fù)特性半導(dǎo)瓷阻值與濕度之關(guān)系。

圖10-4幾種半導(dǎo)瓷濕敏負(fù)特性10.2濕敏傳感器2.正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理◆當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢變負(fù)時，導(dǎo)致其表面層電子濃度下降，但不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，此時仍以電子導(dǎo)電為主。表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。如果對某一種半導(dǎo)瓷，它的晶粒間的電阻并不比晶粒內(nèi)電阻大很多，那么表面層電阻的加大對總電阻并不起多大作用。10.2濕敏傳感器◆通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔的，表面電導(dǎo)占的比例很大，故表面層電阻的升高，必將引起總電阻值的明顯升高；但是，由于晶體內(nèi)部低阻支路仍然存在，正特性半導(dǎo)瓷的總電阻值的升高沒有負(fù)特性材料的阻值下降得那么明顯。圖10-5給出了Fe3O4正特性半導(dǎo)瓷濕敏電阻阻值與濕度的關(guān)系曲線。10.2濕敏傳感器圖10-5Fe3O4半導(dǎo)瓷濕敏電阻特性10.2濕敏傳感器3.典型半導(dǎo)瓷濕敏元件(1)MgCr2O4-TiO2濕敏元件●氧化鎂復(fù)合氧化物——二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕—電”轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特性半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為Ｐ型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好，結(jié)構(gòu)如圖10-6所示。

10.2濕敏傳感器圖10-6MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器結(jié)構(gòu)10.2濕敏傳感器圖10-7MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器相對濕度與電阻的關(guān)系●

MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器的相對濕度與電阻值之間的關(guān)系，見圖10-7所示。傳感器的電阻值既隨所處環(huán)境的相對濕度的增加而減少，又隨周圍環(huán)境溫度的變化而有所變化。10.2濕敏傳感器（2）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件●ZnO-Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方塑料盒中用樹脂固定而做成的，其結(jié)構(gòu)如圖10-8。圖10-8ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu)10.2.3濕敏傳感器的應(yīng)用技術(shù)

A.濕敏傳感器應(yīng)用注意事項

(1)電源選擇：濕敏電阻必須工作于交流回路中。若用直流供電，會引起多孔陶瓷表面結(jié)構(gòu)改變，濕敏特性變劣。采用交流電源頻率過高，將由于元件的附加容抗而影響測濕靈敏度和準(zhǔn)確性，因此應(yīng)以不產(chǎn)生正、負(fù)離子積聚為原則，使電源頻率盡可能低。對離子導(dǎo)電型濕敏元件，電源頻率應(yīng)大于50Hz，一般以1000Hz為宜。對電子導(dǎo)電型，電源頻率應(yīng)低于50Hz。

(2)線性化：一般濕敏元件的特性均為非線性，為便于測量，應(yīng)將其線性化。10.2濕敏傳感器

(3)溫度補(bǔ)償：通常氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻濕度溫度系數(shù)為0.1～0.3，故在測濕精度要求高的情況下必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

(4)測濕范圍：電阻式濕敏元件在溫度超過95％RH時，濕敏膜因濕潤溶解，厚度會發(fā)生變化，若反復(fù)結(jié)露與潮解，特性會變壞而不能復(fù)原。電容式傳感器在80％RH以上高濕及100％RH以上結(jié)露或潮解狀態(tài)下，也難以檢測。另外，切勿將濕敏電容直接浸入水中或長期用于結(jié)露狀態(tài)，也不要用手摸或嘴吹其表面。10.2濕敏傳感器

B.加熱去污陶瓷元件的加熱去污應(yīng)切實控制在450℃。它利用元件的溫度特性進(jìn)行溫度檢測和控制，當(dāng)溫度達(dá)到450℃即中斷加熱。由于未加熱前元件吸附有水分，突然加熱會出現(xiàn)相當(dāng)于450℃時的阻值，而實際溫度并未達(dá)到450℃，因此應(yīng)在通電后延遲2～3s再檢測電阻值。加熱終了，應(yīng)冷卻至常溫再開始檢測濕度。10.2濕敏傳感器

C.基本應(yīng)用電路交流電源濕度檢測電路如圖10-28所示。運(yùn)算放大器A3接成電壓跟隨器，其輸出經(jīng)二極管整流、電容濾波，與基準(zhǔn)電壓比較以檢測濕度。比較器A1用于濕度檢測控制，比較器A2用于溫度檢測控制。用計時電路每隔一定時間進(jìn)行一次加熱去污。通電加熱時中止?jié)穸葴y量，數(shù)秒后通過加熱控制電路檢測比較器A2的輸出，確認(rèn)已達(dá)450℃，則停止加熱去污。10.2濕敏傳感器圖10-28交流電源濕度檢測電路

濕度傳感器濕度檢測控制溫度檢測控制濕度檢測10.2濕敏傳感器10.2.4濕敏傳感器的應(yīng)用1.直讀式濕度計圖10-29是直讀式濕度計電路，其中RH為氯化鋰濕度傳感器。由V1、V2、T1等組成測濕電橋的電源，其振蕩頻率為250～1000Hz。電橋輸出經(jīng)變壓器T2,C3耦合到V3，經(jīng)V3放大后的信號，由VD1～VD4橋式整流后，輸入給微安表，指示出由于相對濕度的變化引起電流的改變，經(jīng)標(biāo)定并把濕度刻劃在微安表盤上，就成為一個簡單而實用的直讀式濕度計了。10.2濕敏傳感器讀出指示表電源濕度檢測信號放大整流10.2濕敏傳感器硬質(zhì)面粉水(雞蛋)配料成形烘干剪切/包裝60%RH...濕度過低:...濕度過高:30%的水份含量利于面條的成形12.5%的水分含量便于貯存面條1.表面堅硬2.內(nèi)部水份蒸發(fā)產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致表面被破壞精確的烘干過程需要避免...3.

表面松軟易霉變70-120°C(160-250°F)2.面條烘干 10.2濕敏傳感器10.2濕敏傳感器3.室內(nèi)濕度檢測儀該室內(nèi)濕度／溫度測量儀的主要功能是檢測室內(nèi)環(huán)境下的濕度，其次還有溫度檢測功能。它可用于車間、倉庫、部分實驗室等場合的濕度／溫度檢測與控制。傳感器采用的是阻抗式濕度傳感器，型號為H104R。在環(huán)境溫度25℃，該傳感器的供電頻率為lkHz的情況下，40%RH時阻抗為68kΩ；60%RH時阻抗為29kΩ；80%RH時阻抗為7kΩ。測量電路如下圖所示。10.2濕敏傳感器振蕩器電壓跟隨器加法器電壓放大器溫度補(bǔ)償器阻抗式傳感器需要交流電壓供電。振蕩幅度由反饋量確定，調(diào)節(jié)電位器RP1,使輸出電壓為4.5V。主要起阻抗變換作用，其電路的輸入阻抗很高，以減弱對傳感器信號的影響。電壓跟隨器輸出的是交流信號，而這里的檢測信號需要直流，故在跟隨器后加了二極管VD3整流及10uF的電容濾波，再加到加法器A3。傳感器有0.7%RH/℃左右的溫度系數(shù)，為此采用了A5組成的熱敏電阻溫度補(bǔ)償電路，該電路以相對濕度60%RH為中心值，在35～85%RH的范圍內(nèi)，檢測精度可達(dá)±4%RH，但要達(dá)到這樣的精度還與傳感器性能有關(guān)。熱敏電阻Rt與24kΩ電阻并聯(lián)作為反饋電阻，當(dāng)溫度變化后輸出與溫度成比例的信號。A5的輸出信號，一路送到加法器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，另一路輸入到A6經(jīng)放大后輸出溫度檢測信號。顆粒產(chǎn)品處理易潮材料對空氣質(zhì)量的要求更高紙品紡織品食品生產(chǎn)10.2濕敏傳感器10.2濕敏傳感器噴漆生產(chǎn)線確定油漆中的水份含量需要非常精確的RH值!能源耗費高最佳產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生靜電RH高RH低漆面過濕最佳產(chǎn)品質(zhì)量漆面過干10.3色敏傳感器

半導(dǎo)體色敏傳感器是半導(dǎo)體光敏感器件中的一種。它是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光輻射探測器件。半導(dǎo)體色敏器件可用來直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。這是近年來出現(xiàn)的一種新型光敏器件。受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。10.3色敏傳感器10.3.1半導(dǎo)體色敏傳感器的基本原理1.光電二極管的工作原理◆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圖所示。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。這就表明，波長短的光子衰減快，穿透深度較淺，而波長長的光子則能進(jìn)入硅的較深區(qū)域。圖

吸收系數(shù)隨波長的變化10.3色敏傳感器◆對于光電器件而言，還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。其物理意義是指單位時間內(nèi)每入射一個光子所引起的流動電子數(shù)。根據(jù)理論計算可以得到，P區(qū)在不同結(jié)深時量子效率隨波長變化的曲線如圖所示。圖中xj即表示結(jié)深。淺的P-N結(jié)有較好的藍(lán)紫光靈敏度，深的P-N結(jié)則有利于紅外靈敏度的提高，半導(dǎo)體色敏器件正是利用了這一特性。圖

量子效應(yīng)隨波長的變化10.3色敏傳感器2．半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理

半導(dǎo)體色敏傳感器的P-N-P不是晶體管，而是結(jié)深不同的兩個P-N結(jié)二極管，淺結(jié)的二極管是P-N結(jié)；深結(jié)的二極管是P-N結(jié)。當(dāng)有入射光照射時，P、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子吸收，但效果不同：紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離已基本吸收完畢；淺結(jié)的即是光電二極管對紫外光的靈敏度高，而紅外部分吸收系數(shù)較小，這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。因此，深結(jié)的光電二極管對紅外光的靈敏度較高。圖

半導(dǎo)體色敏傳感器結(jié)構(gòu)和等效電路圖10.3色敏傳感器◆在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的靈敏度。這一特性給我們提供了將這種器件用于顏色識別的可能性，也就是可以用來測量入射光的波長。將兩只結(jié)深不同的光電二極管組合，圖硅色敏管中VD1和VD2的光譜響應(yīng)曲線就構(gòu)成了可以測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。在具體應(yīng)用時，應(yīng)先對該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定。圖

硅色敏管中VD1和VD2的光譜響應(yīng)曲線10.3色敏傳感器◆也就是說，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ISD2/ISD1，ISD1是淺結(jié)二極管的短路電流，它在短波區(qū)較大。ISD2是深結(jié)二極管的短路電流，它在長波區(qū)較大，因而二者的比值與入射單色光波長的關(guān)系就可以確定。根據(jù)標(biāo)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。上圖表示了不同結(jié)深二極管的光譜響應(yīng)曲線。圖中VD1代表淺結(jié)二極管，VD2代表深結(jié)二極管。10.3色敏傳感器10.3.2半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征1．光譜特性表示半導(dǎo)體色敏器件所能檢測的波長范圍，不同型號之間

略有差別。2．短路電流比—波長特性表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力，是賴以確定被測

波長的基本特性。10.3色敏傳感器圖10-14國產(chǎn)CS—１型半導(dǎo)體色敏器件特性10.3色敏傳感器3.溫度特性◆由于半導(dǎo)體色敏器件測定的是兩只光電二極管短路電流之比，而這兩只光電二極管是做在同一塊材料上的，具有相同的溫度系數(shù)，這種內(nèi)部補(bǔ)償作用使半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比對溫度不十分敏感，所以通常可不考慮溫度的影響。10.3.3彩色信號處理電路

如圖所示為檢測光波長（即顏色）處理電路。它由色敏半導(dǎo)體傳感器、兩路對數(shù)放大器A1A2電路及運(yùn)算放大器A3構(gòu)成。圖色彩信號處理電路10.3色敏傳感器

要識別色彩，必須獲得兩只光電二極管的短路電流比。故采用對數(shù)放大器電路，在電流較小的時候，二極管兩端加上的電壓和流過電流之間存在近似對數(shù)關(guān)系，即A1、A2輸出分別跟lnISD1、lnISD2成比例，A3取出它們的差。輸出為其正比于短路電流比ISD2/ISD1的對數(shù)。其中C為比例常數(shù)。將電路輸出電壓經(jīng)A/D變換、處理后即可判斷出與電平相對應(yīng)的波長（即顏色）。10.3色敏傳感器10.4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用10.4.3CO探測報警器◆冬季用煤炭取暖燃燒不充分，室內(nèi)會存在大量一氧化碳，能引起煤氣中毒。本CO探測報警器可用于對室內(nèi)CO含量進(jìn)行檢測報警。本探測器可使用專用一氧化碳傳感器UL281或MQ-Y1型半導(dǎo)體氣敏傳感器。探測報警電路由加熱電路、電壓輸出電路、報警電路，氣敏元件損壞指示電路和電源指示電路組成，如圖10-17所示。10.4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用圖10-17CO探測報警器10.4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆UL281工作時需對其加熱絲進(jìn)行加熱，其加熱電源要求穩(wěn)定，故采用穩(wěn)壓電路對其供電。穩(wěn)壓電路由IC1，VT1和R1～R4組成。IC1正輸入端上的電壓為U+=12×15(47+15)=2.9V,IC1為一同相放大器，輸出電壓約為6伏左右，因此晶體管VT1導(dǎo)通，加在傳感器加熱絲與地之間的電壓約為11伏。如果空氣是清新的，通過氣敏元件的電流仍很?。ㄆ潆娮韬艽螅?0.4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用

◆IC5是555時基集成電路，它組成單穩(wěn)延時電路，接通電源后大約經(jīng)過165秒后555的輸出端3腳輸出高電平，使VT2、VT5導(dǎo)通。VT2組成初始熱清洗電路，VT2導(dǎo)通后，將R6和R7短路，流經(jīng)傳感器加熱絲的電流增大，對其吸附表面進(jìn)行加熱清洗，VT5組成初始清洗指示電路，VT5導(dǎo)通后LED（黃）發(fā)光。10.4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆IC2組成電壓放大器，其正輸入端輸入基準(zhǔn)電壓6V，當(dāng)空氣清潔時，氣敏元件的電阻很大，IC2的放大倍數(shù)接近1；當(dāng)一氧化碳濃度增加時，氣敏元件阻值下降，IC2的放大倍數(shù)增加，輸出電壓亦增加，調(diào)整電位器RP1(10K)可改變放大倍數(shù)。IC3為電壓比較器，它和晶體管VT3組成報警電路，調(diào)節(jié)RP2可調(diào)節(jié)報警濃度設(shè)定值，當(dāng)CO濃度超過設(shè)定值時，IC3輸出高電平，VT3導(dǎo)通，蜂鳴器報警。10.4