传感器感测技术第8章 半导体传感器.ppt

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1、8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器本章内容：本章内容：基本概念；基本概念；气敏半导体式传感器及其应用；气敏半导体式传感器及其应用；湿敏半导体式传感器及其应用；湿敏半导体式传感器及其应用；色敏半导体式传感器及其应用。色敏半导体式传感器及其应用。要求：要求：掌握各式半导体传感器的基本原理；掌握各式半导体传感器的基本原理；了解各式半导体传感器的应用。了解各式半导体传感器的应用。第第8章章 半导体式传感器半导体式传感器8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器8.1引言引言一、敏感材料一、敏感材料-半导体。半导体。利用半导体材料的物理效应，把被测物理量的变利用半导体材料的物理效应，把被测物理量

2、的变化转换为电信号，制作成各种半导体传感器。化转换为电信号，制作成各种半导体传感器。二、优点二、优点 1、结构简单、微型化；、结构简单、微型化；2、灵敏度高，动态性能好，输出为电物理量；、灵敏度高，动态性能好，输出为电物理量；3、易实现集成化、智能化；、易实现集成化、智能化；4、功耗低，安全可靠。、功耗低，安全可靠。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器三、缺点三、缺点 1、线形范围窄（线性化补偿电路）；、线形范围窄（线性化补偿电路）；2、输出特性易受温度影响；、输出特性易受温度影响；3、性能参数离散性大。、性能参数离散性大。但随着大规模集成电路的发展，半导体传感器技但随着大规模集成电路的

3、发展，半导体传感器技术越来越完善。术越来越完善。本章介绍气敏、湿敏、色敏半导体式传感器。本章介绍气敏、湿敏、色敏半导体式传感器。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器8.2气敏式半导体传感器气敏式半导体传感器一、气敏传感器一、气敏传感器 利用半导体气敏元件同气体接触，使半导体性质利用半导体气敏元件同气体接触，使半导体性质变化，以此检测特定气体的器件。变化，以此检测特定气体的器件。可测量气体类别、浓度和成分。可测量气体类别、浓度和成分。分为分为半导体气敏传感器半导体气敏传感器和非半导体气敏传感器。和非半导体气敏传感器。半导体气敏传感器分为半导体气敏传感器分为电阻型电阻型和非电阻型。和非电阻型

4、。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器二、电阻型半导体气敏传感器二、电阻型半导体气敏传感器 1、导电机理、导电机理 1）利用气体在半导体表面的氧化和还原反应使）利用气体在半导体表面的氧化和还原反应使敏感元件阻值变化而制成的传感器。敏感元件阻值变化而制成的传感器。2）原理）原理 如传感器的温度保持在高温状态，自由电子在内如传感器的温度保持在高温状态，自由电子在内部流动，清洁的空气中时，表面吸附氧，自由电子被部流动，清洁的空气中时，表面吸附氧，自由电子被俘获，传感器阻值增加。如环境气氛中存在可燃性气俘获，传感器阻值增加。如环境气氛中存在可燃性气体等还原性气体，该气体与氧发生反应，吸附的氧减体

5、等还原性气体，该气体与氧发生反应，吸附的氧减少，电子又会移动，传感器阻值减小。少，电子又会移动，传感器阻值减小。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器 其中：其中：具有负离子吸附倾向的气体具有负离子吸附倾向的气体-氧化型气体。氧化型气体。具有正离子吸附倾向的气体具有正离子吸附倾向的气体-还原型气体。还原型气体。氧化型气体吸附到氧化型气体吸附到N/P型半导体，还原型气体吸型半导体，还原型气体吸附到附到P/N型半导体，半导体阻值上升型半导体，半导体阻值上升/下降。下降。从阻值的变化分析气体中的种类和浓度。从阻值的变化分析气体中的种类和浓度。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器N型半导体吸

6、附气体时器件阻值变化图 3）半导体气敏电阻的阻值将随吸附气体的浓度）半导体气敏电阻的阻值将随吸附气体的浓度变化而改变。响应时间：小于变化而改变。响应时间：小于1min。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器 2、传感器结构传感器结构 1）气敏元件、加热器和封装体等组成。）气敏元件、加热器和封装体等组成。气敏元件分为烧结型、薄膜型、厚膜性。气敏元件分为烧结型、薄膜型、厚膜性。2）烧结型气敏器件）烧结型气敏器件 结构图：结构图：电极（铂丝）电极（铂丝）氧化物半导体氧化物半导体加热器加热器玻璃玻璃（尺寸约（尺寸约1mm，也有全为半导体的）也有全为半导体的）8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器

7、器 以以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入埋入SnO2材料中，加热加压，通过材料中，加热加压，通过700900摄氏摄氏度的制陶工艺烧结而成。度的制陶工艺烧结而成。一般分为内热式和旁热式。一般分为内热式和旁热式。电极（铂丝）电极（铂丝）氧化物半导体氧化物半导体加热器加热器玻璃玻璃（尺寸约（尺寸约1mm，也有全为半导体的）也有全为半导体的）8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器 管芯体积小，管芯体积小，加热丝直接埋在金属加热丝直接埋在金属氧化半导体材料内。氧化半导体材料内。特点：制作工艺简单。热容量小，易受环境气流特点：制作工艺简单。热容量小，易受

8、环境气流影响，测量回路与加热回路间互相影响，易造成加热影响，测量回路与加热回路间互相影响，易造成加热丝与材料接触不良的现象。丝与材料接触不良的现象。a、内热式器件内热式器件结构图：结构图：电极电极电极电极电极电极电极电极SnO2烧结烧结体体8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器 b、旁热式器件旁热式器件 结构图：结构图：管芯在陶瓷管内管芯在陶瓷管内放置高阻加热丝，瓷管外涂金电极及气敏半导体材料。放置高阻加热丝，瓷管外涂金电极及气敏半导体材料。克服了内热式的缺点，且其稳定性和可靠性比内克服了内热式的缺点，且其稳定性和可靠性比内热式的好。热式的好。特点：制作简单，寿命长。但机械强度不高，电特点

9、：制作简单，寿命长。但机械强度不高，电性能一致性较差。性能一致性较差。电电极极加加热热器器电电极极陶瓷陶瓷绝缘绝缘管管电电极极SnO2烧结烧结体体电电极极8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器 3）薄膜型气敏器件）薄膜型气敏器件 在石英基片上形成氧化物半导体薄膜。在石英基片上形成氧化物半导体薄膜。结构图：结构图：其中，其中，SnO2和和ZnO薄膜的气敏特性较好。薄膜的气敏特性较好。特点：机械强度高，互换性好，产量高，成本低。特点：机械强度高，互换性好，产量高，成本低。0.6 mm电电极极0.5 mm半半导导体体加加热热器器电电极极绝缘绝缘基片基片3 mm3 mm8.8.半半 导导 体体 传

10、传 感感 器器 4）厚膜型气敏器件）厚膜型气敏器件 结构图：结构图：解决器件一致性问题。解决器件一致性问题。特点：一致性好，机械强度高，适于批量生产。特点：一致性好，机械强度高，适于批量生产。5）加热器）加热器 烧掉尘埃，加速气体的吸附，提高器件灵敏度和烧掉尘埃，加速气体的吸附，提高器件灵敏度和响应速度。响应速度。氧化物基片氧化物基片Pt电电极极氧化物半氧化物半导导体体器件加器件加热热用的加用的加热热器器（印制厚膜（印制厚膜电电阻）阻）8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器 例如例如SnO2系列的气敏元件：系列的气敏元件：在同一工作温度，含在同一工作温度，含1.5%（重量）（重量）Pd元件

11、对元件对CO最敏感；而最敏感；而0.2%（重量）（重量）Pd元件对元件对CH4最灵敏。最灵敏。同一含量同一含量Pt的气敏元件，在的气敏元件，在200以下，检测以下，检测CO最好；在最好；在300 ，检测丙烷最好；在，检测丙烷最好；在400 以以上检测甲烷最佳。上检测甲烷最佳。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器三、非电阻型气敏器件三、非电阻型气敏器件 1、利用、利用MOS二极管电容二极管电容-电压特性的变化及电压特性的变化及MOS场效应晶体管的阈值电压的变化等物性制成的。场效应晶体管的阈值电压的变化等物性制成的。2、特点、特点 制造工艺成熟，便于集成化；制造工艺成熟，便于集成化；性能稳定

12、，价格便宜。性能稳定，价格便宜。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器四、气敏传感器的主要参数与特性四、气敏传感器的主要参数与特性 1、灵敏度、灵敏度 标志元件对气体的敏感程度，决定了测量精度。标志元件对气体的敏感程度，决定了测量精度。一般可用一般可用S表示：表示：S=RR/PP PP 为气体浓度变化量。为气体浓度变化量。也可用也可用K表示：表示：K=R0/R R R R 为被测气体中的阻值。为被测气体中的阻值。2、响应时间、响应时间 从元件与被测气体接触至元件阻值达到新的恒定从元件与被测气体接触至元件阻值达到新的恒定值所需时间。值所需时间。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器 3、

13、选择性、选择性 多种气体共存时，元件区分气体种类的能力。多种气体共存时，元件区分气体种类的能力。4、稳定性、稳定性 气体浓度不变，而其他条件改变时，规定时间内气体浓度不变，而其他条件改变时，规定时间内元件输出特性不变的能力。元件输出特性不变的能力。5、温度特性、温度特性 元件灵敏度随温度变化的特性。元件灵敏度随温度变化的特性。对于元件自身温度对灵敏度的影响，可采用温度对于元件自身温度对灵敏度的影响，可采用温度补偿方法。补偿方法。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器 6、湿度特性、湿度特性 元件灵敏度随环境湿度变化的特性。元件灵敏度随环境湿度变化的特性。解决它对灵敏度的影响，可采用湿度补偿

14、方法。解决它对灵敏度的影响，可采用湿度补偿方法。7、电源电压特性、电源电压特性 元件灵敏度随电源电压变化的特性。元件灵敏度随电源电压变化的特性。可采用恒压源。可采用恒压源。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器五、气敏传感器的应用五、气敏传感器的应用 各种易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警各种易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可使用相应的气敏传感器及其相关电路来实现。都可使用相应的气敏传感器及其相关电路来实现。简易家用气体报警：简易家用气体报警：BX150kTGS109100VAC100VBZ1V TGS109为直热式气敏传感器，为直热式气敏传感器，BZ为蜂鸣器。为蜂鸣器。对于易

15、爆气体，报警浓度一般选定其爆炸下限的对于易爆气体，报警浓度一般选定其爆炸下限的1/10，可调整电阻来调节。，可调整电阻来调节。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器 有害气体鉴别、报警与控制电路：有害气体鉴别、报警与控制电路：TWH8778JJ1-1ARp20KR210KR120KC1 1000F/25VIN4148VD1红红R5100DW1R42005VMQS2BR368KHTDVD2+12VC+B1D2548.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器8.3湿敏传感器湿敏传感器一、基本概念一、基本概念 湿度：大气中的水蒸气含量。湿度：大气中的水蒸气含量。绝对湿度：单位空间中所含水蒸气的绝对

16、含量、绝对湿度：单位空间中所含水蒸气的绝对含量、浓度或密度，浓度或密度，AH表示。表示。相对湿度：被测气体中蒸气压和该气体在相同温相对湿度：被测气体中蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，度下饱和水蒸气压的百分比，RH表示。潮湿程度。表示。潮湿程度。二、基本原理二、基本原理 感受外界适度变化，通过器件材料的物理或化学感受外界适度变化，通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化为有用信号。性质变化，将湿度转化为有用信号。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器三、几种湿敏传感器三、几种湿敏传感器 1、氯化锂湿敏电阻、氯化锂湿敏电阻 利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化制成利用吸湿

17、性盐类潮解，离子导电率发生变化制成测湿元件。测湿元件。在一定温湿场中，若环境相对湿度高在一定温湿场中，若环境相对湿度高/低，溶液低，溶液浓度降低浓度降低/升高，电阻率增高升高，电阻率增高/下降。下降。优点：滞后小，不受风速影响，精度高。优点：滞后小，不受风速影响，精度高。缺点：耐热性差，重复性不理想，寿命短。缺点：耐热性差，重复性不理想，寿命短。引线感湿层基片金属电极8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器 2、半导体陶瓷湿敏电阻、半导体陶瓷湿敏电阻 两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。的多孔陶瓷。电阻率随湿度增加而下降电阻率随湿度

18、增加而下降-负特性湿敏半导体陶负特性湿敏半导体陶瓷：瓷：ZnO-LiO2-V2O5系，系，Si-Na2O-V2O5系，系，TiO2-MgO-Cr2O3系等。系等。电阻率随湿度增大而增大电阻率随湿度增大而增大-正特性湿敏半导体陶正特性湿敏半导体陶瓷：瓷：Fe3O4等。等。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器四、湿敏传感器的应用四、湿敏传感器的应用 湿度检测器：湿度检测器：555V1100FC25600pFC30.01FR210kR15.1kRp15kC44700pFVD12AP9VD22AP99VR35.1k+CH254863 有有555时基电路，时基电路，CH湿度传感器。湿度传感器。电位

19、器电位器Rp用于一起调零。用于一起调零。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器8.4色敏传感器色敏传感器一、概念一、概念 基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器。探测器。半导体光敏传感器件中的一种。半导体光敏传感器件中的一种。二、基本原理（二、基本原理（1）由两只结构不同的光电二极管组合。由两只结构不同的光电二极管组合。结构图：结构图：电极1电极2电极3SiO2NP+P8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器二、基本原理（二、基本原理（2）具体应用时，须先测定在不同波长的照射下，色具体应用时，须先测定在不同波长的照射下，色敏器件中两只光

20、电二极管短路电流之比。确定二者的敏器件中两只光电二极管短路电流之比。确定二者的比值与入射单色光波长的关系。比值与入射单色光波长的关系。实测时，可根据该关系确定某一单色光的波长。实测时，可根据该关系确定某一单色光的波长。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器三、色敏传感器的基本特征三、色敏传感器的基本特征 1、光谱特性、光谱特性 表示所能检测的波长范围。表示所能检测的波长范围。国产国产CS-1型，波长范围型，波长范围400nm1000nm。2、短路电流比短路电流比-波长特性波长特性 表征半导体色敏器件对波长的识别能力。表征半导体色敏器件对波长的识别能力。3、温度特性、温度特性 色敏光电器件的

21、短路电流比对温度不十分敏感。色敏光电器件的短路电流比对温度不十分敏感。可不考虑其影响。可不考虑其影响。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器四、色敏传感器的应用四、色敏传感器的应用 1、检测光波长的处理电路、检测光波长的处理电路 由色敏光电传感器、两路对数电路及运算放大器由色敏光电传感器、两路对数电路及运算放大器OP3构成。构成。色彩信号处理电路（如下）。色彩信号处理电路（如下）。8.8.半半 导导 体体 传传 感感 器器-OP3+-OP1+-OP2+R2R1对数二极管对数二极管U0R3对数二极管（对数二极管（IS002）半导体半导体色传感器色传感器（IS002）输出电压输出电压23VD1VD2色彩信号处理电路：色彩信号处理电路：输出电压经输出电压经A/D变换，处理后变换，处理后可判断出与电平对应的波长（即颜色）。可判断出与电平对应的波长（即颜色）。