第九章半导体式传感器

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1、2019/10/18,1,9.1 气敏传感器 9.2 热敏传感器 9.3 湿敏传感器 9.4 色敏传感器 9.5半导体式传感器的应用,第九章 半导体传感器,2019/10/18,2,气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的器，由于气体种类很多，性质各不相同，不可能 用同一种气体传感器测量所有气体，如： 工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测； 环境保护，有害、有毒气体监测； 酒后驾车，乙醇浓度检测。,9.1 气敏传感器,2019/10/18,3,9.1.1 半导体气敏传感器工作原理,气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化，如： 氧气等具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧

2、化型气体电子接收性气体； 氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸附倾向的气体，被称为还原型气体电子供给性气体。,2019/10/18,4,当氧化型气体吸附到N型半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升； 当氧化型气体吸附到P型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降； 当还原型气体吸附到N型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降； 当还原型气体吸附到P型半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升；,N型半导体与气体接触时的氧化还原反映,9.1.1 半导体气敏传感器工作原理,2019/10/18,5,9.1.1 半导体气敏传感器工作原理,组成：敏感元件、加热器、外壳； 制造工艺：烧结型、薄膜

3、型、厚膜型。 气敏电阻的材料是金属氧化物，合成时加敏感材 料和催化剂烧结，这些金属氧化物在常温下是绝缘 的，制成半导体后显示气敏特性。 金属氧化物有： N型半导体，如：SnO2 Fe2O3 ZnO TiO P型半导体，如：CoO2 PbO MnO2 CrO3,2019/10/18,6,通常器件工作在空气中 由于氧化的作用，空气中的氧被半导体（N型半导体）材料的电子吸附负电荷，结果半导体材料的传导电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态； 当气敏元件与被测气体接触时会与吸附的氧发生反应，将束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。,9.1.1 半导体气敏传感器工作原理,2019/10

4、/18,7,9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 (1) 电阻型半导体气敏传感器,高阻状态 空气中氧化作用电子被氧吸附电子减少 电阻减小 气体接触吸附氧发生反应释放电子电导增加 电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述： 利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度。,2019/10/18,8,(1) 电阻型半导体气敏传感器,在常温下，电导率变化不大，达不到检测目的， 因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器; 加热时间23分钟，加热电源一般为5V; 加热方式分为内热式和旁热式。,气敏传感器测量电路,2019/10/18,9,例如, 用氧化

5、锡制成的气敏元件, 在常温下吸附某种气体后, 其电导率变化不大, 若保持这种气体浓度不变, 该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加, 尤其在100300范围内电导率变化很大。显然, 半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。 氧化锡、 氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图9 - 1（b）所示。 由上述分析可以看出, 气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。因此, 气敏元件结构上, 有电阻丝加热, 结构如图9 - 2所示, 1和2是加热电极, 3和4是气敏电阻的一对电极。,2019/10/18,10,2019/10/18,11,2019/10/18,12,(1) 电阻型半导

6、体气敏传感器,电阻型气敏元件通常工作在高温状态，气敏元件的加热作用： 为加速气体吸附和上述的氧化还原反应，提高灵敏度和响应速度； 另外使附着在壳面上的油雾、尘埃烧掉。,2019/10/18,13,9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 (2) 非电阻型半导体气敏传感器,非电阻型气半导体敏传感器主要类型： 利用MOS二极管的电容电压特性变化； 利用MOS场效应管的阈值电压的变化； 利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化 等进行气体检测。,2019/10/18,14,(2) 非电阻型半导体气敏传感器,1）MOS二极管气敏元件 在P型硅氧化层上蒸发一层钯（Pd）金属膜作电极。氧化层（SiO2）电容Ca

7、固定不变。总电容C也是偏压的函数。MOS二极管的等效电容C随电压U变化。 金属钯（Pd）对氢气（H2）特别敏感。当Pd吸附以后，使Pd的功函数下降，使MOS管CU特性向左平移，利用这一特性用于测定氢气的浓度。,2019/10/18,15,(2) 非电阻型半导体气敏传感器,MOS二极管气敏元件结构和等效电路,2019/10/18,16,2）MOSFET气敏元件 Pd对H2吸附性很强，H2吸附在Pd栅上引起的Pd 功函数降低。当栅极（G）源极（S）间加正向偏 压UGSUT阀值时，栅极氧化层下的硅从P变为N型， N型区将S（源）和 D（漏）连接起来， 形成导电通道（N型 沟道）此时MOSFET 进入

8、工作状态。,钯Pd MOSFET管结构,2019/10/18,17,在S D间加电压UDS，S D间有电流IDS 流过，IDS随UDS、UGS变化。当UGSUT时，沟 道没形成，无漏源电流IDS = 0。 UT（阀值）电压大小与金属与半导体间的功 函数有关。 Pd MOSFET器件就是利用H2在钯栅极吸附 后改变功函数使UT下降，检测H2浓度。,2019/10/18,18,3）肖特基二极管 金属和半导体接触的界面形成肖特基势垒，构成金属半导体二极管。管子加正偏压，半导体金属的电子流增加，加负偏压，几乎无电流。当金属与半导体界面有气体时，势垒降低，电流变化。 非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气

9、浓度测量。,2019/10/18,19,接触燃烧式气敏元件的检测电路,F1是气敏元件，F2是补偿元件，当F1与气体接触时，产生氧 化作用，释放热量，使气敏元件温度上升，电阻增大，电桥 不再平衡，A、B间产生电位差E。,2019/10/18,20,9.1 气敏传感器 9.1.3 半导体气敏传感器应用,气体浓度检测,2019/10/18,21,防酒后驾车汽车点火电路,2019/10/18,22,一些常用的气体传感器,2019/10/18,23,金属热电阻、半导体热敏电阻统称热电阻。 热敏电阻传感器主要有两大类： 金属热电阻 半导体热敏电阻 广泛用于测量 -200+850，少数可测1000。,9.2

10、 热敏电阻,2019/10/18,24,金属热电阻一般用于-200+500温度测量； 材料多为纯铂金属丝，也有铜、镍，绕制在云母板、玻璃或陶瓷线圈架上，构成热电阻。 铂热电阻阻值与温度变化之间的关系近似为：,9.2.1 金属热电阻,2019/10/18,25,铂测温电阻元件的电阻的温度特性,2019/10/18,26,带保护管的铂测温电阻元件,2019/10/18,27,近年来，几乎所有的家用电器产品都装有微处理器，温度控制完全智能化，这些温度传感器几乎都使用热敏电阻。 热敏电阻用半导体材料氧化复合烧结而成 主要材料有：Mn、Co、Ni、Cu、Fe氧化物， 结构分为：二端、三端、 四端、直热式

11、、旁热式。,9.2.2 热敏电阻,热敏电阻符号,2019/10/18,28,热敏电阻温度特性 PTC 正温度系数型； NTC 负温度系数型； 负温度系数热敏电阻的特性曲线用经验公式表示：,9.2.2 热敏电阻,负温度系数型热敏电阻特性曲线,2019/10/18,29,多数热敏电阻具有负温度系数，温度升高电阻下降，同时灵敏度下降，所以热电阻限制了它在高温下使用。目前，热敏电阻温度上限约300 。 热敏电阻最大的缺点是，产品一致性差，互换性不好，因此一般不在石油、钢铁、制造业上使用。,9.2.2 热敏电阻,2019/10/18,30,9.2.3 热敏电阻的应用,图是一恒温电路，A为比较器，当环境温

12、度达到T时，输出信号实现自动调温控制。 同相端输入有RP1、R2、R3分压确定作比较电平，RP可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度。,热敏电阻的恒温控制电路,2019/10/18,31,9.3 湿敏传感器,湿度：空气中水汽的含量 应用领域： 工农业 气象 环保 国防 科研 航空航天,2019/10/18,32,绝对湿度(Absolute humidity) 绝对湿度是指单位体积的湿空气中所包含的水蒸汽的质量，也就是空气中水蒸汽的密度。一般用kg/m3或g/m3作单位，即一立方米湿空气中所含水蒸汽的千克数或克数。,基本概念: 干空气与湿空气： （Dry air and Wet air）

13、通常把不包含水汽的空气称为干空气，把包含干空气与水蒸汽的混合气体称为湿空气。,2019/10/18,33,道尔顿部分压力定律 (Daltons partial pressure law) 在常温常压下，一定体积混合气体的压力，等于其各组成成分分别单独在相同体积内产生的部分压力之和。,饱和蒸汽压 （Saturation pressure of water vapor） 由饱和蒸汽产生的部分压力，称为该温度下的饱和蒸汽压。饱和蒸汽压仅与空气的温度有关，不受压力影响.,2019/10/18,34,饱和蒸汽压计算的经验公式 ,2019/10/18,35,2019/10/18,36,露点与霜点: （De

14、w Point and Frost Point） 湿空气在气压不变条件下使其所含水蒸汽达到饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温度或露点。若露点温度低于0，水汽实际将凝结成霜， 称为霜点温度或霜点。,湿度计（Hygrometer）: 湿度计是用来测量湿度的仪器或装置。由于湿度受温度的影响很大，湿度的测量常常伴随着对温度的测量。同时测量温度和湿度的装置叫温湿度计。,2019/10/18,37,最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 为什么要测量湿度?,温湿度变送器,h, T,x,室 内 空 气 质 量,100% rH,贮 存 / 催 熟,生 产 空 气 质 量,烘 干 过 程,耗费最低的能量,达

15、到 / 保持成品的最佳品质,让设备高效率地进行生产,- 更舒适,更高的工作效率,使产品或原材料达到最佳品质,2019/10/18,38,LiCl是易吸潮的物质，吸潮后电阻变小，在干燥环境中又会脱潮而电阻增大。利用这一特性，用两根钯丝作为电极按相等间距平行绕在聚苯乙烯筒上，再以水溶液与皂化聚乙烯醋酸涂敷后制成敏感元件。 不同浓度的LiCl涂料适合不同的相对湿度范围，如图所示。多个这样的湿敏元件依次切换，便可扩大相对湿度的测量范围、 这种测湿原理是1938年由顿蒙(Dunmon)发明的，故有顿蒙传感器之称。,9.3.1 氯化锂湿敏电阻,2019/10/18,39,后来出现玻璃基板(多孔无碱破璃)两

16、端嵌以金箔，再浸以Lic1溶液，干燥后成为湿敏元件。这种传感器误差可在+5以内。,2019/10/18,40,氯化锂湿敏电阻属电解质湿敏电阻，利用物质吸收水分子而导电率发生变化检测湿度。 在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl以正负离子的形式存在，锂离子（Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，溶液中的离子导电能力与溶液的离子数目成正比，当溶液置于一定湿度场中，若环境RH上升，溶液吸收水分子使导电离子数目增多，电阻率下降。反之环境RH下降，电阻率上升。,2019/10/18,41,氯化锂湿敏元件的优点是滞后小, 不受测试环境风速影响, 检测精度高达%, 但其耐热性差, 不能用于露点以下测量,否则Licl会流失。器件性能的重复性不理想, 使用寿命短。 Licl元件的电源必须用交流电，以免出