第12章-气敏传感器..ppt

传感器课程电子教案 第十二章半导体式物性传感器 1970年 荷兰科学家Bergveld研制出了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管 标志着离子敏半导体传感器的诞生 由于电子技术的飞速发展 以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世 半导体材料导电能力的大小 是由半导体内载流子的数目决定的 测量原理 以半导体为敏感材料 在某种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化 通过检测这些物理特性的变化 就可反映被测参数值 与各种结构型传感器相比 具有如下特点 1 由于传感器原理是基于物理变化的 因而没有相对运动部件 可以做到结构简单 微型化 2 灵敏度高 动态性能好 输出为电物理量 3 采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化和智能化 4 功耗低 安全可靠 半导体传感器也存在以下一些缺点 1 线性范围窄 在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路 2 与所有半导体元件一样 输出特性易受温度影响而漂移 所以应采用补偿措施 3 性能参数离散性大 虽然存在上述问题 但半导体传感器仍是目前传感器发展的重要方向 尤其是大规模集成电路技术的不断发展 半导体传感器的技术也日臻完善 本章主要介绍气敏 湿敏和磁敏半导体式传感器 第一节气敏传感器第二节湿敏传感器第三节磁敏传感器 定义 利用半导体气敏元件同气体接触 造成半导体性质变化 借此来检测特定气体的成分 CO CO2 甲醛 酒精 氧气 氢气等 或者测量其浓度 并将其变换成电信号输出的传感器的总称 应用场合 一般用于易燃 易爆 有毒 有害气体的检测和报警 第一节气敏传感器 半导体气敏传感器的种类如表 气敏传感器的基本要求 1 气体选择性好 只能对一种气体敏感 2 对被测气体有较高的灵敏度 3 能够长期稳定工作 4 响应速度快 一 气敏电阻传感器制作材料 气敏电阻的材料是金属氧化物 在合成材料时 通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成 为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度 合成材料有时还渗入了催化剂 如钯 Pd 铂 Pt 银 Ag 等 金属氧化物在常温下是绝缘的 制成半导体后才显示气敏特性 其导电率随气体的吸附而发生改变 测量原理 通常器件工作在空气中 空气中的氧和NO2这样的电子兼容性大的气体 接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷 结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少 使表面电导减小 从而使器件处于高阻状态 一旦元件与被测还原性气体接触 就会与吸附的氧起反应 将被氧束缚的电子释放出来 敏感膜表面电导增加 使元件电阻迅速减小 两种状态一般该类气敏元件工作在高温状态 200 450 目的是为了加速上述的氧化还原反应 例如 用氧化锡制成的气敏元件 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100 300 范围内电导率变化很大 图为氧化锡 氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系 可知 气敏元件工作时需要的温度比本身环境温度高很多 气敏元件输出电压与温度的关系 因此 气敏元件结构上 有电阻丝加热 结构如图所示 1和2是加热电极 3和4是气敏电阻的一对电极 气敏元件的基本测量电路 气敏电阻电阻值的变化引起电路中电流的变化 输出电压由电阻Ro上取出 因此 常用来检查可燃性气体泄漏并报警等 EH为加热电源 EC为测量电源 二 电阻型气敏器件气敏电阻元件种类很多 按制造工艺可分为烧结型 薄膜型 厚膜型 1 烧结型将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中 经加热成型后低温烧结而成 目前最常用的是氧化锡 SnO2 烧结型气敏元件 它的加热温度较低 一般在200 300 SnO2气敏半导体对许多可燃性气体 如氢 一氧化碳 甲烷 丙烷 乙醇等都有较高的灵敏度 可用来制造烟雾报警器 2 薄膜型在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜制成 厚度0 1 m以下 上下分别为输出电极和加热电极 中间为加热器 3 厚膜型将金属氧化物粉末 添加剂 粘合剂等混合配成浆料 将浆料印刷到基片上 制成数十微米的厚膜 灵敏度 工艺性 机械强度和一致性等方面 厚膜型气敏元件较好 以上三种气敏器件都附有加热器 在实际应用时 加热器能使附着在传感器上的油雾 尘埃等烧掉 同时加速了气体氧化还原反应 从而提高了器件的响应速度和灵敏度 据此可知气敏电阻的工作原理利用半导体材料与气体相接触时 材料电阻发生变化的效应来检测气体的成分或浓度 三 气敏传感器的应用醉酒检测 气体传感器选用二氧化锡气敏元件 当气体传感器探测不到酒精时 加在A5脚的电平为低电平 当气体传感器探测到酒精时 其内阻变低 从而使A5脚电平变高 A为显示驱动器 它共有10个输出端 每个输出端可以驱动一个发光二极管 显示驱动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数 酒精含量越高则点亮二极管的级数越大 上5个发光二极管为红色 表示超过安全水平 下5个发光二极管为绿色 代表安全水平 酒精含量不超过0 05 12 2湿敏传感器 一 湿度概念及其测量方式1 湿度概念 空气中水蒸汽的含量 1 绝对湿度单位体积空间内所含有水蒸汽的质量 密度 2 相对湿度空气中实际所含水蒸汽的分压和同温度下饱和水蒸汽分压的百分比 2 测量方式毛发湿度计 干湿球湿度计 露点计 半导体阻抗式湿度计 二 几种类型的湿度传感器1 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解 离子导电率发生变化而制成的测湿元件 结构如图所示 由引线 基片 感湿层与电极组成 氯化锂是离子晶体 高浓度氯化锂溶液中 Li与CL以正负离子形式存在 溶液中离子导电能力与溶液浓度有关 溶液的电导率随着溶液浓度的增高而下降 当溶液置于一定温湿场中 若环境相对湿度高 溶液将吸收水分 使浓度降低 因此 其溶液电导率增高 阻值下降 反之 环境相对湿度变低时 则溶液浓度升高 其电导率下降 阻值升高 从而实现对湿度的测量 氯化锂湿敏元件的特点 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 器件性能的重复性不理想 使用寿命短 2 高分子薄膜电容湿敏传感器高分子介质吸湿 吸附水分子 后 其介电常数发生变化 电容值变化 增加 由于高分子薄膜做得很薄 能迅速吸湿和脱湿 响应性能优良 根据电容量的变化可测得相对湿度 湿度传感器HS1101 3 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻通常是用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 分为负特性湿敏半导体陶瓷 正特性湿敏半导体陶瓷 电阻随湿度的增加而下降 1 负特性湿敏半导瓷 2 正特性湿敏半导瓷 电阻随湿度的增加而上升 第三节磁敏传感器 磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器 早在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍尔效应 但作为实用的磁敏传感器则产生于半导体材料发现之后 60年代初 西门子公司研制出第一个实用的磁敏元件 1966年又出现了铁磁性薄膜磁阻元件 1968年索尼公司研制成性能优良 灵敏度高的磁敏二极管 1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件 一 磁敏电阻器 1 磁阻效应将一载流导体置于外磁场中 除了产生霍尔效应外 其电阻也会随磁场而变化 这种现象称为磁电阻效应 简称磁阻效应 磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件 磁阻效应的表达式为B 磁感应强度 载流子迁移率 0 零磁场下的电阻率 B 磁感应强度为B时的电阻率 设电阻率的变化为 0 则电阻率的相对变化率为由上式可知 为了提高灵敏度 载流子迁移率高的材料磁阻效应明显 2 磁敏电阻的形状 磁阻的大小除了与材料有关外 还和磁敏电阻的几何形状有关 常见的磁敏电阻是圆盘形的 中心和边缘处为两电极 这种圆盘形磁阻器叫科尔比诺圆盘 其磁阻效应叫科尔比诺效应 考虑到形状的影响时 电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系 可以用下式表示f L b 形状效应系数 L b分别为磁敏电阻的长度和宽度 各种形状的磁敏电阻器 其磁阻RB与磁感应强度的关系如图 图中R0为B 0时的电阻值 3 磁敏电阻的应用 磁敏电阻的应用非常广泛 除了用它做成探头 配上简单线路可以探测各种磁场外 在测量方面还可制成位移检测器 角度检测器 功率计 安培计等 此外 可用磁敏电阻制成交流放大器 振荡器等 二 磁敏二极管 SMD 磁敏二极管的结构原理如图在高阻半导体芯片 本征型I 两端 分别制作P N两个电极 形成P I N结 P N都为重掺杂区 本征区I的长度较长 同时对I区的两侧面进行不同的处理 一个侧面磨成光滑面 另一面打毛 由于粗糙的表面处容易使电子 空穴对复合而消失 我们称之为r面 这样就构成了磁敏二极管 高复合面与光滑面