敏感器件7-2ppt课件

7.2半导体温敏器件,传统的温度传感器,利用物体热膨胀效应煤油、水银、金属,1,热电传感器,基于塞贝克效应铂铑热电偶、镍铬热电偶,2,现代温敏元器件,利用材料的热学性质半导体陶瓷、单晶半导体、pn结等温敏元器件,3,接触式,金属、热电偶热电动势、热膨胀热敏电阻电阻温度系数随温度的变化水晶温度传感器振动频率与温度的近线性关系热噪声温度传感器电阻的约翰逊热噪声随温度比例变化超声波温度传感器通过物体的超声波速度随温度变化NQR（核四极共振）温度传感器利用KClO3中Cl35的NQR的谐振频率测温,温度传感器原理,4,非接触式,测辐射热计利用物体温度与其辐射能量（光或热）的关系,5,半导体热敏电阻器,半导体热敏电阻器是利用半导体材料的电阻率随温度变化而显著变化的特性制成的一种温敏元件。,特点：体积小、工艺简单、价格低、响应时间短、分辨率高、可测点温；热敏常数一致性差，存在时间漂移，稳定性差。,6,热敏电阻的类型,NTCR在一定的工作温度范围内，零功率电阻值随温度升高而减小的热敏电阻。PTCR在一定的工作温度范围内，零功率电阻值随温度升高而增加的热敏电阻。CTR具有负温度系数，但温度超过某一值时，其电阻急剧下降。,7,热敏电阻的基本参数,零功率电阻在规定温度下热敏电阻的电阻值。零功率电阻温度系数T在规定温度下，热敏电阻的零功率电阻随温度的变化率与其电阻值之比：耗散系数H：热敏电阻功率耗散的变化量与其电阻体温度变化量之比，单位：mW1。耗散系数的倒数称为热阻：Z1/H,8,热时间常数,也称响应时间，即在一定的环境温度和零功率下，热敏电阻体的温度变化了始末两个温度差的63.2所需的时间，其大小等于热敏电阻的热容C和耗散系数H之比：C/H,热时间常数：反映了热敏电阻的体温随环境温度变化的速度,9,设环境温度为Ta，在时间dt内，热敏电阻的温度下降了dT,其散热过程遵循热导方程：CdT=H(T-Ta)dt热容C表示热敏电阻温度变化1时吸收或放出的热量，单位为J/。当t0时，热敏电阻的温度为TT；当t时，TTa，解上述方程：T-Ta=(T-Ta)exp(-t/)其中：C/H当t时：TT-T0.632(T-Ta)证明了热时间常数的定义。,热时间常数定义,10,额定功率Pe,额定功率：在从功率下，电阻体自身温度不超过其最高工作温度Tmax,在规定条件下，热敏电阻能长时间正常工作所允许施加的最大功率。,11,NTC热敏电阻,NTC热敏电阻大部分为尖晶石结构，通常是由过渡金属氧化物组成的二元或多元材料。主要的二元系为氧化铜、氧化钴、氧化锰等的混晶烧结体，三元系为锰钴镍系、锰钴铜系等。一般为P型半导体,导电机理,在低温时电子（空穴）束缚在由晶格周期势场形成的势阱中而无法参与导电；温度升高后，电子（空穴）获得能量摆脱势阱的束缚，参与导电使材料的电导升高，体现出负温度系数特性。,12,NTC材料中：nexp(-E)/2kT；所以其电阻率：,其中表示T趋于无穷大时的电阻率；E为激活能。由RL/S，得：,其中Bn=E/2k为热敏电阻材料常数，由材料的物理特性决定。Ta指环境温度。热敏电阻温度系数：,热敏电阻温度系数不是常数，在一定工作温度内，其大小随温升而迅速减小。,电阻温度特性,13,PTC热敏电阻,PTC热敏电阻是以BaTiO3为基体，添加微量的稀土元素，使之半导体化，然后烧结形成的。其感温特性主要表现为居里点温度附近电导率的急剧下降。,导电机理,PTC效应来自晶粒间的晶界势垒随温度的关系：低温时晶界势垒较低，晶界中存在电子通道，陶瓷呈低阻率；当温度上升到居里温度以上时，电子迁移率迅速下降，陶瓷的电阻上升。,14,电阻温度特性,电压电流特性,PTC的电阻温度特性与材料中的组分密切相关。其IV特性也不难理解：低温时IV是线性关系，电压升高时，电流加大，器件的温度升高，电阻增加，其使器件的电流增加减慢，当器件的温度超过居里点时，器件的电阻快速上升，超过电压的上升速度，电流随电压的升高开始减小。,15,NTC和PTC的应用,NTC热敏电阻的应用非常广泛，如：用于厂房、宾馆等地的温度测量、报警等。由于NTCR的温度系数大，因此可以有很高的测量灵敏度，将NTCR接成电桥形式，其测量精确度一般达到0.1，高灵敏度电流计可以到0.05，响应时间在10s一下。PTCR的应用非常广泛。恒温加热是其最普通的应用（热水壶）恒压工作时，温度超过居里点，电阻上升，电流下降。开关型PTC可用于过热保护、过流保护和自动消磁等。,16,Si单晶热敏电阻,单晶半导体的电阻率随温度有很大的变化。对于高纯完整的半导体，其电阻率：,对于掺杂的半导体，随温度的增长，杂质电离使载流子增加，电阻率下降（ab段）；室温附近，晶格散射随温度的升高而加剧，,杂质基本完全电离，本征激发未开始，载流子浓度基本不变，电阻率上升（bc段）。更高的温度，导致本征激发，载流子指数上升，电阻率下降（c点以后）。,17,PN结温度特性,利用PN结电压与温度间的关系，或利用PN结的电容与温度间的关系，制成的温度敏感器件。,PN结正向电压的温度特性,通常条件满足VFkT/q，则有：,分离I0与温度的关系：,18,晶体管温敏器件,根据晶体管的有关理论可以证明：,晶体管温敏器件和集成温度传感器,PN结的温度特性只对扩散电流成立，由于空间电荷区复合电流和表面复合电流的存在，使PN结的温度特性偏离理想情况；三极管发射结在正偏下，虽然包括上述三种电流，但只有扩散电流才能达到集电极，另外的电流由基极流走，因此晶体三极管的VBEIC应更复合理想情况，应有更好的电压温度线性关系。,19,集成温度传感器,集成温度传感器是将温敏晶体管和辅助电路集成在同一个芯片上的温度传感器，其最大的优点是能直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，而且，体积小，成本低。,基本原理,两只结构性能完全相同的晶体管组成差分形式，并分别在不同的电流下工作，R1上的压降为：,可见，保持两管的IC比值不变，电路中R1上的压降就会正比于绝对温度。,20,各类温度传感器性能比较,21,7.3半导体湿敏器件,湿度是指大气中水蒸气的含量湿度的表示方法：1、绝对湿度是单位空间中所含水蒸气的绝对含量或者浓度或者密度，一般用符号AH表示。2、相对湿度是指被测气体中的水蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，一般用符号RH表示。,22,湿敏传感器,23,湿度敏感器件的种类,尺寸变化式湿敏元什电解质湿敏元件高分子材料湿敏元件MOS膜湿敏元件MOS陶瓷湿敏元件,湿敏元件,水分子亲和力型,热敏电阻式湿敏传感器红外线吸收式湿敏传感器微波式湿敏传感器超声波式湿敏传感器,非水分子亲和力型,湿度敏感器件可分为水分子亲和力型湿度敏感器件和非水分子亲和力型湿度敏感器件。,24,湿敏器件的基本特性,测湿范围全湿型（0100RH）；高湿型（70RH），中湿型（4070RH）；低湿型（40RH）灵敏度相对湿度变化1RH时，器件电特性变化的百分比响应速度相对湿度变化一定值时，器件电特性变化到相应值所需的时间测湿精度一定温度下，多次测量的平均误差,25,湿敏器件的特性要求,长期工作稳定，经时变化小，重复性好。能在恶劣条件下应用，受灰尘、油烟、化学物质等影响小温度特性好，使用范围宽寿命长，可互换能与计算机接口，便于自动输出和控制体积小，使用方便,26,氧化物半导体湿敏器件,湿敏半导体陶瓷可分为多孔状多晶烧结体和微粉末堆集体两类，以多孔烧结体居多，其利用表面吸附引起的电导率变化来获得感湿信号，其导电机理与表面和界面状况有关，分为电子型和离子型。,测湿原理,吸附于湿敏器件表面的水分子将从半导体表面吸附的O2或O中吸取电子或直接从半导体的满带中俘获电子，形成束缚的负空间电荷。负空间电荷的大小取决于吸附的水分子的数量，其导致感湿体电阻的相应变化。,27,N型半导体,水分子吸附和表面负空间电荷积累，使原来上弯的能带更加上弯。价带更接近EF，导致表面反型，空穴浓度将超过电子浓度，导致表面电导增加。,P型半导体,水分子吸附使表面氧施主密度下降，俘获空穴局部释放，下弯的能带变平，表面载流子密度增加，迁移率变大，表面电阻减小。,28,氧化铝湿敏器件,Al2O3属于一种绝缘介质，其也是通过多孔结构对水的吸附，导致薄膜的电阻或电容随相对湿度变化而工作。,结构,膜结构,器件结构,29,等效电路,CS、RS：Al2O3膜实体的电阻电容Ca、Ra：孔内空气层的电阻电容Cb、Rb：阻挡层的电阻电容Ceff、Reff：多层介质并联的电阻电容,特性,任意湿度下的C和R,A：感湿体面积；d：氧化Al膜厚度；b：阻挡层厚；s：Al膜介电常数；a：空气介电常数；a：空隙率；L：可凝水长度；x：水孔占有率；和：积水层、阻挡层介电常数；：测湿角频率,30,MOS湿敏器件及集成化,MOS湿敏电容及MOSFET,MOS湿敏电容MOSFET,31,湿敏器件应用,32,带有温度补偿的湿度监测电路,33,集成湿度传感器产品分类,目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家分别为Honeywell公司，Humirel公司和Sensiron公司。产品可分成以下两种类型：1、线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要