第九章半導(dǎo)體傳感器

1、9.1引言9.2氣敏式半導(dǎo)體傳感器9.3濕敏傳感器9.4色敏傳感器,第九章 半導(dǎo)體式傳感器,9.1引言一、敏感材料-半導(dǎo)體。 利用半導(dǎo)體材料的物理效應(yīng)，把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，制作成各種半導(dǎo)體傳感器。二、優(yōu)點(diǎn) 1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、微型化； 2、靈敏度高，動(dòng)態(tài)性能好，輸出為電物理量； 3、易實(shí)現(xiàn)集成化、智能化； 4、功耗低，安全可靠。,三、缺點(diǎn) 1、線形

2、范圍窄（線性化補(bǔ)償電路）； 2、輸出特性易受溫度影響； 3、性能參數(shù)離散性大。 但隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器技術(shù)越來越完善。 本章介紹氣敏、濕敏、色敏半導(dǎo)體式傳感器。,9.2氣敏式半導(dǎo)體傳感器一、氣敏傳感器 利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，使半導(dǎo)體性質(zhì)變化，以此檢測(cè)特定氣體的器件。 可測(cè)量氣體類別、濃度和成分。 分為半導(dǎo)體氣敏傳感器和非半導(dǎo)體

3、氣敏傳感器。 半導(dǎo)體氣敏傳感器分為電阻型和非電阻型。,半導(dǎo)體氣敏器件的分類,二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器 1、導(dǎo)電機(jī)理 1）利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)使敏感元件阻值變化而制成的傳感器。 2）原理 如傳感器的溫度保持在高溫狀態(tài)，自由電子在內(nèi)部流動(dòng)，清潔的空氣中時(shí)，表面吸附氧，自由電子被俘獲，傳感器阻值增加。如環(huán)境氣氛中存在可燃性氣體等還原性氣體，該氣體與氧發(fā)生反應(yīng)，吸附的

4、氧減少，電子又會(huì)移動(dòng)，傳感器阻值減小。,其中： 具有負(fù)離子吸附傾向的氣體-氧化型氣體。 具有正離子吸附傾向的氣體-還原型氣體。 氧化型氣體吸附到N/P型半導(dǎo)體，還原型氣體吸附到P/N型半導(dǎo)體，半導(dǎo)體阻值上升/下降。 從阻值的變化分析氣體中的種類和濃度。,N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖,3）半導(dǎo)體氣敏電阻的阻值將隨吸附氣體的濃度變化而改變。響應(yīng)時(shí)間：小于1min。,2、傳感器結(jié)構(gòu)

5、 1）氣敏元件、加熱器和封裝體等組成。 氣敏元件分為燒結(jié)型、薄膜型、厚膜性。 2）燒結(jié)型氣敏器件 結(jié)構(gòu)圖：,以SnO2半導(dǎo)體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入SnO2材料中，加熱加壓，通過700~900攝氏度的制陶工藝燒結(jié)而成。 一般分為內(nèi)熱式和旁熱式。,管芯體積小，加熱絲直接埋在金屬氧化半導(dǎo)體材料內(nèi)。 特點(diǎn)：制作工藝簡(jiǎn)單。熱容量小，易受環(huán)境氣流影響，測(cè)量回路與加熱回路間

6、互相影響，易造成加熱絲與材料接觸不良的現(xiàn)象。,a、內(nèi)熱式器件結(jié)構(gòu)圖：,b、旁熱式器件 結(jié)構(gòu)圖：,管芯在陶瓷管內(nèi)放置高阻加熱絲，瓷管外涂金電極及氣敏半導(dǎo)體材料。 克服了內(nèi)熱式的缺點(diǎn)，且其穩(wěn)定性和可靠性比內(nèi)熱式的好。 特點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。但機(jī)械強(qiáng)度不高，電性能一致性較差。,3）薄膜型氣敏器件 在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜。 結(jié)構(gòu)圖：,其中， SnO2和ZnO薄膜的氣敏特

7、性較好。 特點(diǎn)：互換性好，產(chǎn)量高，成本低。,4）厚膜型氣敏器件 結(jié)構(gòu)圖：,解決器件一致性問題。 特點(diǎn)：一致性好，適于批量生產(chǎn)。 5）加熱器 燒掉塵埃，加速氣體的吸附，提高器件靈敏度和響應(yīng)速度。,例如SnO2系列的氣敏元件： 在同一工作溫度，含1.5%（重量）Pd元件對(duì)CO最敏感；而0.2%（重量）Pd元件對(duì)CH4最靈敏。 同一含量Pt的氣敏元件，在200

8、℃以下，檢測(cè)CO最好；在300 ℃ ，檢測(cè)丙烷最好；在400 ℃以上檢測(cè)甲烷最佳。,三、非電阻型氣敏器件 1、利用MOS二極管電容-電壓特性的變化及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓的變化等物性制成的。 2、特點(diǎn) 制造工藝成熟，便于集成化； 性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜。,四、氣敏傳感器的主要參數(shù)與特性 1、靈敏度 標(biāo)志元件對(duì)氣體的敏感程度，決定了測(cè)量精度。 一般可用S

9、表示： S = ΔR /ΔP ΔP 為氣體濃度變化量。 也可用K表示： K = R0 / R R 為被測(cè)氣體中的阻值。 2、響應(yīng)時(shí)間 從元件與被測(cè)氣體接觸至元件阻值達(dá)到新的恒定值所需時(shí)間。,3、選擇性 多種氣體共存時(shí)，元件區(qū)分氣體種類的能力。 4、穩(wěn)定性 氣體濃度不變，而其他條件改變時(shí)，規(guī)定時(shí)間內(nèi)元件輸出特性不變的能力。

10、5、溫度特性 元件靈敏度隨溫度變化的特性。 對(duì)于元件自身溫度對(duì)靈敏度的影響，可采用溫度補(bǔ)償方法。,6、濕度特性 元件靈敏度隨環(huán)境濕度變化的特性。 解決它對(duì)靈敏度的影響，可采用濕度補(bǔ)償方法。 7、電源電壓特性 元件靈敏度隨電源電壓變化的特性。 可采用恒壓源。,五、氣敏傳感器的應(yīng)用 各種易燃、易爆、有毒、有害氣體的檢測(cè)和報(bào)警都可使用相應(yīng)的氣敏傳感

11、器及其相關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)。 簡(jiǎn)易家用氣體報(bào)警：,TGS109為直熱式氣敏傳感器，BZ為蜂鳴器。 對(duì)于易爆氣體，報(bào)警濃度一般選定其爆炸下限的1/10，可調(diào)整電阻來調(diào)節(jié)。,有害氣體鑒別、報(bào)警與控制電路：,9.3濕敏傳感器一、基本概念 濕度：大氣中的水蒸氣含量。 絕對(duì)濕度：?jiǎn)挝豢臻g中所含水蒸氣的絕對(duì)含量、濃度或密度，AH表示。 相對(duì)濕度：被測(cè)氣體中蒸氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓

12、的百分比，RH表示。潮濕程度。二、基本原理 感受外界濕度變化，通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化為有用信號(hào)。,三、濕敏傳感器器件 目前常用的濕度傳感器種類有:機(jī)械式濕度傳感器,如利用脫脂處理后的毛發(fā)（現(xiàn)多改成竹膜、烏魚皮膜、尼龍帶等材料）,在空氣相對(duì)濕度增大時(shí)毛發(fā)伸長(zhǎng),帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成的毛發(fā)式濕度計(jì)等;由兩個(gè)完全相同的玻璃溫度計(jì),其中一個(gè)感溫包直接與空氣接觸,指示干球溫度,另一感溫包外有紗布且紗布下端

13、浸在水中經(jīng)常保持濕潤(rùn),指示的是濕球溫度,由干球溫度和濕球溫度之差即可換算出相對(duì)濕度的干濕球濕度計(jì)。 這些濕度計(jì)的主要缺點(diǎn)是靈敏度和分辨率等都不夠高,而且是非電信號(hào)的濕度測(cè)量,難以同電子電路和自動(dòng)控制系統(tǒng)及儀器相聯(lián)結(jié)。,1、氯化鋰濕敏電阻 利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化制成測(cè)濕元件。,在一定溫濕場(chǎng)中，若環(huán)境相對(duì)濕度高/低，溶液濃度降低/升高，電阻率增高/下降。 優(yōu)點(diǎn)：滯后小，不受風(fēng)速影響，精度高。

14、 缺點(diǎn)：耐熱性差，重復(fù)性不理想，壽命短。,2、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻 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。 電阻率隨濕度增加而下降-負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：ZnO-LiO2-V2O5系，Si-Na2O-V2O5系，TiO2-MgO-Cr2O3系等。 電阻率隨濕度增大而增大-正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：Fe3O4等。,四、濕敏傳感器的應(yīng)用 濕度檢測(cè)器：,有555時(shí)基電路，C

15、H濕度傳感器。 電位器Rp用于一起調(diào)零。,9.4色敏傳感器一、概念 基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器。 半導(dǎo)體光敏傳感器件中的一種。二、基本原理（1） 由兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管組合。 結(jié)構(gòu)圖：,二、基本原理（2） 具體應(yīng)用時(shí)，須先測(cè)定在不同波長(zhǎng)的照射下，色敏器件中兩只光電二極管短路電流之比。確定二者的比值與入射單色光波長(zhǎng)的關(guān)系。

16、實(shí)測(cè)時(shí)，可根據(jù)該關(guān)系確定某一單色光的波長(zhǎng)。,三、色敏傳感器的基本特征 1、光譜特性 表示所能檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍。 國(guó)產(chǎn)CS-1型，波長(zhǎng)范圍400nm~1000nm。 2、短路電流比-波長(zhǎng)特性 表征半導(dǎo)體色敏器件對(duì)波長(zhǎng)的識(shí)別能力。 3、溫度特性 色敏光電器件的短路電流比對(duì)溫度不十分敏感。 可不考慮其影響。,四、色敏傳感器的應(yīng)用 1