传感器原理及应用第9章 半导体式传感器.

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1、传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体式传感器半导体式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 9.1 9.1 气敏传感器气敏传感器 9.2 9.2 湿敏传感器湿敏传感器 9.3 9.3 色敏传感器色敏传感器 第第9 9章章 半导体传感器半导体传感器 主要内容： 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体传感器半导体传感器 半导体传感器是典型的半导体传感器是典型的物理型物理型传感器，它是传感器，它是 利用某些材料的电特征的变化实现被测量的直接利用某些材料的电特征的变化实现被测量的直接 转换，如改变半导体内载流子的数目。转换，如改变半导体内载流子的数目。 凡是用半

2、导体材料制作的传感器都属于半导体凡是用半导体材料制作的传感器都属于半导体 传感器。传感器。 其中包括：其中包括：光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体 管、霍尔元件、磁敏元件、压阻元件、气敏、湿管、霍尔元件、磁敏元件、压阻元件、气敏、湿 敏敏等等。等等。 概述 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体传感器半导体传感器 概述 纸 品 木材烘干 湿度传感器 芯片生产要求最高的湿度稳定性 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体传感器半导体传感器 概述 气敏传感器 湿敏 传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体传感器半导

3、体传感器 气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传感器；气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传感器； 如：如： l l 工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测； l l 环境保护，有害、有毒气体监测；环境保护，有害、有毒气体监测； l l 酒后驾车，乙醇浓度检测；酒后驾车，乙醇浓度检测； l l 牙医口臭检查牙医口臭检查 气敏传感器灵敏度较高，达气敏传感器灵敏度较高，达1010-6 -6 1010-3 -3数量级，可检测 数量级，可检测 到到 1/10 1/10 爆炸下限的可燃气体；爆炸下限的可燃气体； 9.1 9.1 气敏传感器气敏传感器 由于气体种类很多，

4、性质各不相同，不可能用同一种由于气体种类很多，性质各不相同，不可能用同一种 气体传感器测量所有气体，按半导体的物理特性，可分为气体传感器测量所有气体，按半导体的物理特性，可分为 电阻型电阻型和和非电阻型非电阻型。 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体式传感器半导体式传感器 9.1 9.1 气敏传感器气敏传感器 9.1.1 9.1.1 半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理 电阻型气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化电阻型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；和还原反应，导致敏感元件阻值变化； 如：如： l l 氧气氧气具有具有

5、负离子吸附负离子吸附倾向的气体，被称为倾向的气体，被称为氧化型气氧化型气 体体电子接收性气体；电子接收性气体； l l 氢氢、碳氧化合物碳氧化合物、醇类醇类等具有等具有正离子吸附正离子吸附倾向的气倾向的气 体，被称为体，被称为还原型气体还原型气体电子供给性气体。电子供给性气体。 (1) (1) 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体式传感器半导体式传感器 l l 当当氧化型氧化型气体吸附到气体吸附到N N型型半导体上，半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升；半导体的载流子减少，电阻率上升； l l 当当氧化型氧化型气体吸附到气

6、体吸附到P P型型半导体上，半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降；半导体的载流子增多，电阻率下降； l l 当当还原型还原型气体吸附到气体吸附到N N型型半导体上，半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降；半导体的载流子增多，电阻率下降； l l 当当还原型还原型气体吸附到气体吸附到P P型型半导体上，半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升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 9.1 气敏传感器气敏传感器 9.1.1 9.1.1 半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理 气体与半导体接触时情况气体与半导体接触时情况 N N型半导体

7、型半导体多电子多电子 P P型半导体型半导体多空穴多空穴 (1) (1) 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体式传感器半导体式传感器 9.1 9.1 气敏传感器气敏传感器 9.1.1 9.1.1 半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理 组成：敏感元件、加热器、外壳；组成：敏感元件、加热器、外壳； 制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜型。制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜型。 气敏电阻的材料是气敏电阻的材料是金属氧化物金属氧化物，合成时加，合成时加 敏感材料和催化剂烧结，这些金属氧化物敏感材料和催化剂烧结，这些金属氧化物 在常温下

8、是绝缘的，制成半导体后显示气在常温下是绝缘的，制成半导体后显示气 敏特性。敏特性。 金属氧化物有：金属氧化物有： N N型半导体，如：型半导体，如：SnOSnO 2 2 Fe Fe 2 2O O3 3 ZnO ZnO TiO TiO P P型半导体，如：型半导体，如：CoOCoO2 2 PbO MnO PbO MnO 2 2 CrO CrO 3 3 敏感元件敏感元件 (1) (1) 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体式传感器半导体式传感器 通常器件工作在空气中通常器件工作在空气中 高阻状态高阻状态，由于氧化的作用，空气中的氧被

9、半导体（，由于氧化的作用，空气中的氧被半导体（N N型型 半导体）材料的电子吸附负电荷，结果半导体材料的传导半导体）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；电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态； 空气中空气中氧化作用氧化作用被氧电子吸附被氧电子吸附N N型半导体电子减少电阻增加型半导体电子减少电阻增加 电阻减小电阻减小，当气敏元件与被测气体接触时会与吸附的氧发，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，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。使元件电阻减小。 气体接触气体

10、接触吸附气体吸附气体氧发生反应氧发生反应电子释放电子释放电导增加，电阻增加电导增加，电阻增加 9.1 9.1 气敏传感器气敏传感器 9.1.1 9.1.1 半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理 vv 电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述：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，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度 。 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体式传感器半导体式传感器 9.1 9.1 气

11、敏传感器气敏传感器 9.1.2 9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构 在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的，在常温下，电导率变化并不大，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因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器; ; 加热时间加热时间2 23 3分钟，加热电源一般为分钟，加热电源一般为5V;5V; 加热方式分为内热式和旁热式。加热方式分为内热式和旁热式。 气敏传感器测量电路 (1) (1) 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体式传感器半导体式传感器 9.1 9.1 气敏传感器

12、气敏传感器 9.1.2 9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构 (1) (1) 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 vv 电阻型气敏元件通常工作电阻型气敏元件通常工作 在在高温状态高温状态，气敏元件的，气敏元件的 加热作用：加热作用： 为加速气体吸附和上述的为加速气体吸附和上述的 氧化还原反应，提高灵敏氧化还原反应，提高灵敏 度和响应速度；度和响应速度； 另外使附着在壳面上的油另外使附着在壳面上的油 雾、尘埃烧掉。雾、尘埃烧掉。 电阻型气敏元件符号电阻型气敏元件符号 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体式传感器半导体式传感器 9.1 9.

13、1 气敏传感器气敏传感器 9.1.2 9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构 非电阻型气半导体敏传感器主要类型：非电阻型气半导体敏传感器主要类型： 利用利用MOSMOS二极管的二极管的电容电容电压电压特性变化；特性变化； 利用利用MOSMOS场效应管的场效应管的阈值电压阈值电压的变化；的变化； 利用肖特基金属半导体二极管的利用肖特基金属半导体二极管的势垒势垒变化进行变化进行 气体检测。气体检测。 (2) (2) 非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体式传感器半导体式传感器 9.1 9.1 气敏传感器气

14、敏传感器 9.1.2 9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构 (2) (2) 非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器 1 1）MOSMOS二极管气敏元件二极管气敏元件（电容（电容电压）电压） 在在P P型硅氧化层上蒸发一层钯（型硅氧化层上蒸发一层钯（PdPd）金属膜作）金属膜作 电极。氧化层（电极。氧化层（SiO2SiO2）电容）电容CaCa是固定不变的是固定不变的 。而硅片与氧化层电容。而硅片与氧化层电容CsCs是外加电压的功函是外加电压的功函 数，总电容数，总电容C C也是偏压的函数。也是偏压的函数。MOSMOS二极管的二极管的 等效电容等效电容C C随

15、电压随电压U U变化。变化。 金属钯（金属钯（PdPd）对氢气（）对氢气（H2H2）特别敏感。当）特别敏感。当PdPd 吸附金属膜以后，使吸附金属膜以后，使PdPd的的功函数功函数下降，使下降，使MOSMOS 管管C CU U特性向左平移，利用这一特性用于测特性向左平移，利用这一特性用于测 定氢气的浓度。定氢气的浓度。 MOS二极管 气敏元件结构 MOS二极管气敏 元件等效电路 传感器原理及应用传感器原理及应用 第第9 9章章 半导体传感器半导体传感器 9.1 9.1 气敏传感器气敏传感器 9.1.2 9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构 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进入工作状态。 钯Pd MOSFET管结构 在SD间加电压UDS，SD间有电流IDS流 过，IDS随UDS、UGS变化。当UGS 20 天 精确的 烘干工艺应用于 高品质木材, 防止. . 导致变形 . 影响木材表面 光洁度 鼓风机 排出冷凝水份 空气冷却器 隔热层 待烘干木堆 最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 木材烘干 . 产生气