半导体传感器教学课件PPT.ppt

第11章 半导体传感器,半导体传感器是典型的物理型传感器，它是利用某些材料的电特征的变化实现被测量的直接转换，如改变半导体内载流子的数目。 凡是用半导体材料制作的传感器都属于半导体传感器。 其中包括：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、湿敏等等。,概述,第11章 半导体传感器,概述,第11章 半导体传感器,概述,第11章 半导体传感器,半导体气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的，检测低浓度的可燃性气体及毒性气体，如CO、H2S、NOx及 C2H5OH、CH4、C4H10等碳氢气体。其测量范围为百万分之几到百万分之几千。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。,11.1 气敏传感器,第11章 半导体式传感器,11.1 气敏传感器 11.1.1 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。,第11章 半导体式传感器,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,11.1 气敏传感器 11.1.1 半导体气敏传感器工作原理,第11章 半导体式传感器,11.1 气敏传感器 11.1.1 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,第11章 半导体式传感器,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。,11.1 气敏传感器 11.1.1 半导体气敏传感器工作原理,第11章 半导体式传感器,11.1 气敏传感器 11.1.2 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 空气中氧化作用氧被电子吸附电子减少 电阻减小 气体接触吸附氧发生反应电子电导增加 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。,第11章 半导体式传感器,11.1 气敏传感器 11.1.2 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,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,第11章 半导体式传感器,11.1 气敏传感器 11.1.2 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,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。,第11章 半导体式传感器,11.1 气敏传感器 11.1.2 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进行气体检测。,第11章 半导体式传感器,11.1 气敏传感器 11.1.2 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,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。,第11章 半导体传感器,11.1 气敏传感器 11.1.2 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,MOS二极管气敏元件结构和等效电路,1. 氧化锌元件 氧化锌元件是比较常用的一种气敏元件。根据所用的催化剂的不同，可以推测环境空气中大体含有哪些气体。,如N型半导体氧化锌与少量的三氧化二铬混合后，当有催化剂铂时，元件的阻值与环境气体中的乙烷、丙烷、异丁烷的含量有关，含量越高，阻值越小；,催化剂是钯，则对氢、一氧化碳、甲烷很敏感，也就是说这些气体的含量越高，阻值越小；,元件的阻值不变，则表明空气纯净。,图 11-2 气体浓度与氧化锌元件阻值比之间的关系曲线,若将元件在纯净空气中的阻值用 R0 表示，则在有上述气体的环境中的阻值用Rg表示，以气体的浓度为横坐标，以阻值比 Rg/R0为纵坐标， 气体浓度与元件 阻值比之间的关 系曲线如图 11-2所示。,2. 以三氧化二铁为主的元件 三氧化二铁也是N型半导体材料，分两种， 三氧化二铁:检测液化石油气； 三氧化二铁:检测乙烷、丙烷、丁烷、氢 气以甲 烷为主的天然气，还可以检测乙醇气体。,以三氧化二铁为主要材料制做的敏感元件其阻值也是随着气体中被测气体量的提高而减小。以气体浓度为横坐标，以元件阻值为纵坐标，可绘出特性曲线， 如图 。,图 11-3 以三氧化二铁为主的元件阻值与气体浓度之间的关系曲线,11.1.3 气敏传感器的应用 半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。按用途可将其分为气体泄露报警、自动控制、自动测试等几种类型。表11-1 列出了半导体气敏传感器的检测对象及应用场合。,第11章 半导体传感器,11.1 气敏传感器 11.1.3 半导体气敏传感器应用,气体浓度检测,红色,绿色,第11章 半导体传感器,11.1 气敏传感器 11.1.3 半导体气敏传感器应用,酒精测试仪,第11章 半导体传感器,11.1 气敏传感器 11.1.3 半导体气敏传感器应用,防酒后驾车汽车点火电路,第11章 半导体传感器,11.1 气敏传感器 11.1.3 半导体气敏传感器应用,红外多种气体检测系统动画演示,红外吸收 (IR-process),测量原理,氧气传感器 (带 2 个电极),电化学传感器 (2),CO, SO2 or NOx传感器(3 electrodes),电化学传感器 (3),热效率探测器 用于检测可燃气体,气体中氧气的燃烧率湿必须知道的! 使用于测量KW,受热或不受热的抽提探头 不同的探头材料 适用于不同温度范围的探头 带简单陶瓷过滤器的探头 探头清洁装置（根据类型）,抽提探头,测量气体管,露点 & 冷凝 (4),烟气分析仪,第11章 半导体传感器,11.2 湿敏传感器,湿度是指空气中的水蒸气含量，通常用绝对湿度和相对湿度表示： 绝对湿度，在一定的温度和压力下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3， 用符号AH表示，单位（g/m3）。 相对湿度，被测气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用%RH表 示，无量纲。一般使用湿度，量程0100%RH。 不同环境所需湿度不同，测量方法很多，但精度不高。目前世界上最高水平湿度测量精度在0.01%左右，理想测湿量程应是0100%RH，量程越大实用价值越大。,第11章 半导体传感器,11.2 湿敏传感器,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,湿敏传感器种类: 1、按输出量可分为电阻型、电容型和频率型等； 2、按探测功能可分为绝对湿度型、相对湿度型和结露型等； 3、按材料可分为电解质式、陶瓷式、有机高分子式和半导体式等。,第11章 半导体传感器,11.2 湿敏传感器 11.2.1 氯化锂湿敏电阻,氯化锂湿敏电阻即电解质湿敏电阻，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，溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率上升。,第11章 半导体传感器,11.2 湿敏传感器 11.2.1 氯化锂湿敏电阻,当溶液置于一定湿度场中，若环境RH上升，溶液吸收水分子使浓度下降电阻率下升，反之RH下降，溶液吸收水分子使浓度上升，电阻率上降。 通过测量溶液电阻R值实现对湿度测量。,氯化锂湿敏电阻,利用其表面多孔性吸湿进行导电，从而改变元件的阻值就行了。这种湿敏元件的阻值随着外界湿度的变化而变化的特性便是用来制造湿敏传感器的依据。陶瓷湿敏传感器较成熟的产品有 MgCr2O4-TiO2、ZnO-Cr2O3、ZrO2厚膜型、Al2O3薄膜型、TiO2-V2O2 薄膜型等。,11.2 湿敏传感器 11.2.2 半导体陶瓷湿敏电阻,第11章 半导体传感器,11.2 湿敏传感器 11.2.2 半导体陶瓷湿敏电阻,正湿敏特性半导体瓷湿敏 电阻（例：Fe3O4），材料结构、电子能量状态与负特性不同，总的电阻值升高没有负特性阻值下降的明显。,半导体陶瓷湿敏电阻通常用两种以上的金属 氧化物半导体烧结成多孔陶瓷，材料有正温度 系数和负温度系数两种。,第11章 半导体传感器,11.2 湿敏传感器 11.2.2 半导体陶瓷湿敏电阻,负湿敏特性半导体瓷湿敏电阻，电阻随湿度增加而下降。由于水分子中氢原子具有很强的正电场，当水分子在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面俘获电子，使半导体表面带负电，相当表面电势变负，电阻率随湿度增加而下降。,11.2.3. 有机高分子湿敏传感器 有高分子电阻式湿敏传感器、高分子电容式湿敏传感器和结露传感器等。 1) 高分子电阻式湿敏传感器 高分子电阻式湿敏传感器的工件原理是水可以吸附在有极性基的高分子膜上，在低湿的环境下，因吸附量少，不能产生电离子，所以电阻值较高，当相对湿度增加时，吸附量也增加，大量的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的正负离子主要起到载流子的作用，从而使高分子湿敏传感器的电阻值下降。利用这种原理制成的传感器称为高分子电阻式湿敏传感器。,2) 高分子电容式湿敏传感器 高分子电容式湿敏传感器是在绝缘衬底上制作一对平板金属电极，然后在上面涂敷一层均匀的高分子感湿膜做电介质，在表层以镀膜的方法制作多孔浮置电极形成串联电容。 这种传感器的原理是高分子材料吸水后，元件的介电常数随环境的相对湿度的改变而变化，引起电容的变化，元件的介电常数是水与高分子材料的两种介电常数的总和。当水以水分子形式被吸附在高分子介质膜中时，由于高分子介质的介电常数远小于水的介电常数，因此介质中水的成分对总介电常数的影响比较大，使元件对湿度有较好的敏感性能。,3) 结露传感器 结露传感器利用了掺入碳粉的有机高分子材料吸湿后的膨胀现象。在高湿条件下，高分子材料的膨胀使其中所含碳粉的间距发生变化，从而产生电阻突变。利用这种现象可制成具有开关特性的湿敏传感器。,第11章 半导体传感器,11.2 湿敏传感器 11.2.3 湿敏传感器的应用电路,湿 度 控制,第11章 半导体传感器,11.2 湿敏传感器 11.2.3 湿敏传感器的应用电路,土 壤 湿 度 测 量,第11章 半导体传感器,11.2 湿敏传感器 11.2.3 湿敏传感器的应用,电路由检测、放大、温压源组成 RH为硅湿敏电阻，温度25时响应时间小于5秒； 检测土壤含水量范围RH=0100%，RH为VT提供偏流； RH插入土壤，湿度不同时传感器电阻值不同； RH变化引起VT基极电流变化使Ie在R2上转换为电压， 经同相放大器放大，输出VD3控制在5V电压。 电路调试： 满量程，放RH在水中调整RP2使输出为5V/100RH%； 最小调整，将RH擦干，调节RP1使输出为0V/0RH%。 下面一组图片说明湿度测量领域状况：,硬质面粉,水,(鸡蛋),配料,成形,烘干,剪切 / 包装,60% RH,.湿度过低:,.湿度过高:,30% 的水份含量 利于面条的成形,12.5% 的水分含量便于贮存,面条,1. 表面坚硬,2. 内部水份蒸发产生的压力导致表面被破坏,精确的烘干 过程需要避免.,表面松软易霉变,70-120C (160-250F),最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 面条烘干,颗 粒 产 品,处理 易潮材料 对 空气质量 的要求 更高,纸 品,纺 织 品,能源耗费高,最佳 产品质量,产生静电,RH 高,RH 低,喷 漆 生 产 线,漆面过湿,最佳 产品质量,漆面过干,确定油漆中的水份含量需要非常精确的RH值!,食 品 生 产,最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 生产过程的空气质量,相对湿度,温度,持续时间,. 表面张力,起始: 110 % rH,结束: 40 % rH,1吨橡木含有: 500 公升水份,110C = 恒温., 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,. 产生气孔,精确的 烘干工艺.,用于制造 最优品质的砖块, 避免.,. 变形,每一块已干的砖块 含有75% 的水份,一次烘干处理（预干）,空气加热设备,起始: 115% rH 20C 结束: 40% rH 50C,二次烘干处理（主要阶段）,起始: 40% rH 80C 结束: 20% rH 110C,为何选择Testo 650 PHT温湿度变送器? 温度量程高达 180C 涵盖所有烘干工艺所需温度 工作压力 10 bar (150 psi) 使用范围广，性能稳定 操作简便 低维护成本,每片已干燥砖块 含20%的水份,最终效果:,烘干房顶端,管道 (防止冷凝物 反向进入致使 机械受损),最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 砖块烘干,RS485 网络,6,RS 232,RS 485,PC 带 ComSoft V3.3,每条 RS485 线: 多达32个Hygrotest,Hygrotest 带显示器 H3: RS485 H4: RS485 + 模拟输出 H5: RS485 + 模拟输出+继电器模拟输出 + 中继,PLC 接入 RS485,或,避免传统的电缆,只使用数字信号,通过总线获得 所有相关信息,最容易的数据 保存/记录和数据描述,极高湿度测量加热探头,7,h, T,x,100 % rh,例如 73 % rh,5 K,后部耐热: 持续高温 5 K,处理条件 (高湿度),加热后的 传感器状况,Testo 湿度传感器,附加 Pt1000 Testo 探头类型 04,聚四氟乙烯帽,探头长度 标准: 210 mm 可能: 80500 mm,模拟输出：4-线 (020 mA, 420 mA, 01 V, 010 V),2,5 % rh 精度,更快的 响应时间,即使长期暴露在冷凝液中也 不会腐蚀,可能不需盐溶液调节,第11章 半导体传感器,半导体色敏传感器是一种半导体光敏器件，工作原理基于内光电效应，可将光信号转换为电信号的光辐射探测器。 一般光电器件是检测在一定波长范围内的光强度或光子数目。而色敏器件可以直接测量从可见光到近远红外波段内单色辐射波长。 半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管，实际不是晶体管而是两个深浅不同的PN结，又称光电双结二极管。,11.3 色敏传感器,图 11-8 半导体色敏传感器的结构原理和等效电路,光电二极管的工作原理 对于用半导体硅制造的光电二极管，当受光照射时，若入射光子的能量h大于硅的禁带宽度Eg，则光子就激发价带中的电子跃迁到导带，而产生一个电子-空穴对。这种吸收光子的过程称为本征吸收，硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线如图11-10所示。图中实线和虚线分别表示不同开尔文温度下的响应曲线。由图可见，在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大。这就表明，波长短的光子衰减较快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深区域。,图 11-10 硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线,对于光电器件而言，还常用量子效率来表征光生电子流与入射光子流的比值大小。其物理意义是单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。根据理论计算可以得到P区在不同结深时量子效率随波长变化的曲线，如图11-11所示。,图 11-11 量子效率随波长变化的曲线,图中，xj即表示结深。浅的PN结有较好的蓝紫光灵敏度，深的PN结则有利于红外灵敏度的提高，半导体色敏器件正是利用了这一特性,第11章 半导体传感器,浅P+N结的光电二极管对紫外光灵敏度高， 深PN结的光电二极管对红外光灵敏度高； 波长短的光子衰减快，穿透深度浅，波长长的光子衰减较慢，能穿透硅片较深区域。 这一特征为色敏器件提供了识别颜色的可能。,11.3 色敏传感器工作原理,在具体应用时，应先对该色敏器件进行标定，即测定在不同波长的光照射下，该器件中两只光电二极管短路电流的比值ISD2/ISD1。ISD1是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大。ISD2是深结二极管的短路电流，它在长波区较大。因而两者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。 图11-12示出了不同结深二极管