第九章半导体传感器

1、主要内容： 概述概述概述概述纸纸 品品木材烘干木材烘干 湿度传感器湿度传感器 芯片生产要求最高的湿度稳定性芯片生产要求最高的湿度稳定性概述概述气敏传感器湿敏 传感器 气敏传感器外形气敏传感器外形 其他可燃性气体传感器其他可燃性气体传感器 口臭传感器口臭传感器酒精传感器酒精传感器N N型半导体与气体接触型半导体与气体接触时的氧化还原反映时的氧化还原反映 内热式气敏器件结构及符号1234SnO2烧结体 电极(a)结构4321(b)符号电极加热器瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体123456（a）结构（b）符号MOSMOS二极管二极管 气敏元件结构气敏元件结构MOSMOS二极管气敏二极管

2、气敏 元件等效电路元件等效电路 2 2）MOSFETMOSFET气敏元件气敏元件 PdPd对对H2H2吸附性很强，吸附性很强，H2H2吸附在吸附在PdPd栅上引起的栅上引起的PdPd功函数降低。功函数降低。当栅极（当栅极（G G）源极（）源极（S S）间加正向偏压）间加正向偏压 U UGSGSUUT T 阀值时，栅极氧阀值时，栅极氧化层下的硅从化层下的硅从P P变为变为N N型，型，N N型区将型区将S S（源）和（源）和D D（漏）连接起来，（漏）连接起来，形成导电通道（形成导电通道（N N型沟道）此时型沟道）此时MOSFETMOSFET进入工作状态。进入工作状态。钯钯Pd Pd MOSFE

3、T MOSFET管结构管结构在在S SD D间加电压间加电压U UDSDS，S SD D间有电流间有电流I IDSDS流流过，过，I IDSDS随随U UDSDS、U UGSGS变化。当变化。当U UGSGSUUT T时，沟道时，沟道没形成，无漏源电流没形成，无漏源电流I IDSDS=0=0。 U UT T（阀值）电压大小与金属与半导体间（阀值）电压大小与金属与半导体间的功函数有关。的功函数有关。 PdPdMOSFETMOSFET器件就是利用器件就是利用H2H2在钯栅极吸在钯栅极吸附后改变功函数使附后改变功函数使UTUT下降，检测下降，检测H2H2浓度。浓度。U UT TI IDSDSU UG

4、SGS3 3）肖特基二极管）肖特基二极管 金属和半导体接触的界面形成肖特基势垒，金属和半导体接触的界面形成肖特基势垒，构成金属半导体二极管。构成金属半导体二极管。管子加正偏压，半管子加正偏压，半导体金属的电子流增加，正向导通电阻极小导体金属的电子流增加，正向导通电阻极小U UD D0.20.2，加负偏压时加负偏压时U UD D 很大，相当开路几很大，相当开路几乎无电流。当金属与半导体界面有气体时，乎无电流。当金属与半导体界面有气体时，势垒降低，电流变化（上升）。势垒降低，电流变化（上升）。 金属与半导体界面吸附气体时，影响半导金属与半导体界面吸附气体时，影响半导体禁带宽度体禁带宽度EgEg，二

5、极管正向偏压条件下，气，二极管正向偏压条件下，气体浓度体浓度 电流电流 输出电压输出电压U UR R 。 非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气浓度测量。浓度测量。 （A A）气敏元件的电阻值）气敏元件的电阻值 将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件元件( (电阻型电阻型) )的固有电阻值，表示为。一般其固有电阻值在的固有电阻值，表示为。一般其固有电阻值在(103(103105)105)范围。范围。测定固有电阻值时测定固有电阻值时, , 要求必须在洁净空气环境中进行。由于要求必须在洁净空气环

6、境中进行。由于经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，经济地理环境的差异，各地区空气中含有的气体成分差别较大，即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行即使对于同一气敏元件，在温度相同的条件下，在不同地区进行测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气测定，其固有电阻值也都将出现差别。因此，必须在洁净的空气环境中进行测量。环境中进行测量。（B）气敏元件的灵敏度）气敏元件的灵敏度 是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气是表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。它表示气体敏感元件的电参量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体体敏感元件的电参

7、量（如电阻型气敏元件的电阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。表示方法有三种浓度之间的依从关系。表示方法有三种 （a）电阻比灵敏度）电阻比灵敏度K（b）气体分离度）气体分离度（c）输出电压比灵敏度）输出电压比灵敏度gaVVVK 21CCRRRa气敏元件在洁净空气中的电阻值；Rg气敏元件在规定浓度的被测气体中的电阻值gaRRK （4）气敏元件的响应时间）气敏元件的响应时间 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。一般从气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件气敏元件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达

8、到在此浓度下的稳定电阻值的的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的6363时为止，所需时间称时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通常用符号trtr表示。表示。 agiaggigVVVVVVS （3）气敏元件的分辨率）气敏元件的分辨率 表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑表示气敏元件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。气敏元件分辨率制能力。气敏元件分辨率S S表示为表示为VaVa气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；气敏元件在洁净空气中工作时，负载电阻上的输出电压；VgVg气敏元

9、件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压气敏元件在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的电压VgiVgi气敏元件在气敏元件在i i种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电种气体浓度为规定值中工作时，负载电阻的电压压 （5）气敏元件的恢复时间）气敏元件的恢复时间 表示在工作温度下表示在工作温度下, ,被测气体由该元件上解吸的速度被测气体由该元件上解吸的速度, ,一般从一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时气敏元件脱离被测气体时开始计时, ,直到其阻值恢复到在洁净空直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的气中阻值的6363时所需时间。时所需时间。 （6）初期稳定时间）初期稳定时间 一般电阻型气敏元件

10、一般电阻型气敏元件, ,在刚通电的瞬间在刚通电的瞬间, ,其电阻值将下降其电阻值将下降, ,然然后再上升后再上升, ,最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳最后达到稳定。由开始通电直到气敏元件阻值到达稳定所需时间定所需时间, ,称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时间越长时间和环境状态的函数。存放时间越长, ,其初期稳定时间也越长其初期稳定时间也越长。在一般条件下。在一般条件下, ,气敏元件存放两周以后气敏元件存放两周以后, ,其初期稳定时间即可达其初期稳定时间即可达最大值。最大值。 气体浓度检测气体浓度检测

11、 LM3914 LM3914 显示驱动集成电路显示驱动集成电路 内部电路图内部电路图 酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管家庭用煤气报警器家庭用煤气报警器家庭用液化气家庭用液化气报警器报警器一氧化碳传感器一氧化碳传感器NH3传感器传感器甲烷传感器甲烷传感器 氧浓度传感器外形氧浓度传感器外形 可用于汽车可用于汽车尾气测量尾气测量汽车尾气分析汽车尾气分析有毒气体传感器的使用有毒气体传感器的使用防防 酒酒 后后 驾驾 车车 汽汽 车车 点点 火火 电电 路路无酒精时，S闭合，气敏电阻高，Ua高Uo低，定时器输出高，J2释放，J1闭合，点火； 有酒精时，气敏电阻下降，Ua低Uo高，定时器输出低，J2吸合，

12、J2-1断开，不启动； 若司机拔出气敏传感器，J1断电J1-1断开无法启动。J1-2气敏元件加热回路。 继电器J1-1、J1-2常开接点， J2-1 常闭接点， J2-2常接VD1（绿灯），VD2（红灯）。 红外红外多种气体检测系统多种气体检测系统动画演示动画演示红外吸收红外吸收 (IR-process) 测量原理测量原理 CO2 CO2 气体 气体 IR-探测器可吸收CO2的过滤器接口 IR-散热器 (lamp) 参考 电极counter electrode 工作 电极烟气 可渗入气体膜可渗入气体膜新鲜空气 电解溶液sensor flow外部电路CO, SO2 or NOx传感器传感器(3

13、electrodes)电化学传感器电化学传感器 烟气分析仪烟气分析仪Ceramic substrateConnection wiresBase electrode Porouscover-electrode Polymer layer绝缘层绝缘层 上上 电电 极极 下下 电电 极极v 湿度是指空气中的水蒸气含量，干燥或潮湿对我们的生活湿度是指空气中的水蒸气含量，干燥或潮湿对我们的生活有很大影响，潮湿有很大影响，潮湿发霉，干燥发霉，干燥不舒服。湿度传感器主要应不舒服。湿度传感器主要应用于湿度检测控制、军械仓库、粮仓、水果保鲜等场合。用于湿度检测控制、军械仓库、粮仓、水果保鲜等场合。 最最早人们用

14、头发随湿度变化而伸长或缩短现象做毛发湿度计，逐早人们用头发随湿度变化而伸长或缩短现象做毛发湿度计，逐渐有了电阻湿度计，半导体湿度计是近年来才出现的。渐有了电阻湿度计，半导体湿度计是近年来才出现的。 为什么要测量湿度？为什么要测量湿度？温温湿度变送器湿度变送器h, Tx室室 内内 空空 气气 质质 量量 100% rH贮贮 存存 / / 催催 熟熟生产过程的空气质量生产过程的空气质量烘烘 干干 过过 程程- 耗费最低的能量耗费最低的能量- 达到达到 / 保持成品的最佳品质保持成品的最佳品质- 让设备高效率地进行生产让设备高效率地进行生产- 更舒适更舒适 - 更高的工作效率更高的工作效率- 使产品

15、或原材料达到最佳品质使产品或原材料达到最佳品质水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害 湿度对电子元件的影响湿度对电子元件的影响 当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。有机材料的霉烂。v 湿度通常用湿度通常用绝对湿度和相对湿度表示绝对湿度和相对湿度表示： 绝对湿度：绝对湿度：单位空间所含水

16、蒸汽的绝对含量或浓度，单位空间所含水蒸汽的绝对含量或浓度，用符号用符号 AH AH 表示，单位（表示，单位（g/mg/m3 3）。）。 相对湿度相对湿度，被测气体中蒸汽压和该气体在相同温度下，被测气体中蒸汽压和该气体在相同温度下饱合水蒸气压的百分比，一般用饱合水蒸气压的百分比，一般用 %RH %RH 表示，无量纲。表示，无量纲。 不同环境所需湿度不同，测量方法很多，但精度不高。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目前世界上最高水平湿度测量精度在0.01%0.01%左右；左右； 理想测湿量程应是理想测湿量程应是0 0100%RH100%RH，量程越大实

17、用价值越，量程越大实用价值越大。一般使用湿度量程大。一般使用湿度量程 0 0100%RH 100%RH 。湿度传感器的分类湿度传感器的分类 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻电解质湿敏电阻电解质湿敏电阻 利用物质吸收水分子使导电率发生变化检测湿度。利用物质吸收水分子使导电率发生变化检测湿度。 在氯化锂（在氯化锂（LiClLiCl）溶液中，溶液中的离子导能力与溶液浓）溶液中，溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比，度成正比，溶液浓度增加，导电率上升溶液浓度增加，导电率上升, ,电阻率电阻率下降下降 。当溶液置于一定湿度场中，若环境当溶液置于一定湿度场中，若环境RH RH 上上升，溶液吸收水分子使浓度下降升

18、，溶液吸收水分子使浓度下降 电阻率电阻率 上升，反之上升，反之RHRH下降，溶液浓度上升，下降，溶液浓度上升，电阻率电阻率下降。下降。 RH RH 吸湿吸湿浓度浓度 R R RH RH 脱湿脱湿浓度浓度 R R氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻v 通过测量溶液电阻通过测量溶液电阻R R值实现对湿度测量。值实现对湿度测量。 金属氧化物半导体陶瓷湿敏传感器金属氧化物半导体陶瓷湿敏传感器（半导（半导瓷）瓷）通常用两种以上的金属通常用两种以上的金属氧化物氧化物半导体烧结成多孔陶瓷，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材料有正温度系数和负温度系数两种。负特性湿敏半导体瓷的导电机理负特性湿敏半

19、导体瓷的导电机理 水分子氢原子具有很强的正电场，水分子在半导瓷表面水分子氢原子具有很强的正电场，水分子在半导瓷表面 吸附时从表吸附时从表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。面俘获电子，使半导瓷表面带负电。 P型半导体型半导体 水分子吸附表面电势下降，吸引空穴到达表面，水分子吸附表面电势下降，吸引空穴到达表面， 使表面层电阻下降；使表面层电阻下降； N型半导体型半导体 水分子吸附表面电势下降，同时吸引更多的空穴到达水分子吸附表面电势下降，同时吸引更多的空穴到达表面，可能使表面，可能使 表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现反型层，这表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现反型层，这 些反型些反型载流子同样可以

20、在表面迁移而表现出电导特载流子同样可以在表面迁移而表现出电导特 性。性。 水分子吸附时表面电阻水分子吸附时表面电阻也会下降。也会下降。负特性负特性湿敏半导体瓷湿敏电阻，电湿敏半导体瓷湿敏电阻，电阻随湿度增加而下降。由于水分子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，表面带负电，相当表面电势变负，电阻率随湿度增加而下降。电阻率随湿度增加而下降。 正湿敏正湿敏特性半导体瓷湿敏电阻（例：特性半导体瓷湿敏电

21、阻（例：Fe3O4Fe3O4），材料结构、电子能量状），材料结构、电子能量状态与负特性不同，总的电阻值升高态与负特性不同，总的电阻值升高没有负特性阻值下降的明显。没有负特性阻值下降的明显。 电路由检测、放大、稳压源组成电路由检测、放大、稳压源组成 RHRH为硅湿敏电阻，温度为硅湿敏电阻，温度2525时响应时间小于时响应时间小于5 5秒；秒； 检测土壤含水量范围检测土壤含水量范围RH=0RH=0100%100%，RHRH为为VTVT提供偏流；提供偏流； RHRH插入土壤，湿度不同时传感器电阻值不同；插入土壤，湿度不同时传感器电阻值不同； RHRH变化引起变化引起VTVT基极电流变化使基极电流变化

22、使IeIe在在R2R2上转换为电压，上转换为电压， 经同相放大器放大，输出经同相放大器放大，输出VD3VD3控制在控制在5V5V电压。电压。 电路调试：电路调试： 满量程，放满量程，放RHRH在水中调在水中调整整RP2RP2使输出为使输出为5V/100RH%5V/100RH%； 最小调整，将最小调整，将RHRH擦干，擦干，调节调节RP1RP1使输出为使输出为0V/0RH%0V/0RH%。Whereever hygroscopic products (like paper, textiles, granulates or else) are produced, it is extremely i

23、mportant to control relative humidity of the surrounding air.This is because too dry air can cause static charge of the material, in extreme conditions the material can also be torn to pieces. And too wet air leads to wrong adjustment of the machines, thus wrong product quality. And moreover wet mat

24、erial, thus material of higher weight, consumes more energy to be processed.We have a number of good references for this kind of applications. For example painting lines. Today, more and more painting lines in the industries work on the base of water as a solvant. With this technology, it is highly

25、important to control relative humidity within the painting room. Our most outstanding reference here is Daimler-Chrysler, where we have supplied Hygrotest for two different applications, to the customers satisfaction.颗颗 粒粒 产产 品品处理 易潮材料易潮材料 对 空气质量空气质量 的要求 更高更高 纸纸 品品纺纺 织织 品品能源能源耗费高最佳 产品质量产品质量产生静电静电 RH

26、 高高RH 低低喷喷 漆漆 生生 产产 线线漆面过湿湿最佳 产品质量产品质量漆面过干干确定油漆中的水份含量需要非常精确的RH值!食食 品品 生生 产产 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 生产过程的空气质量生产过程的空气质量湿度传感器外形湿度传感器外形 电子电子湿度计模块湿度计模块封装后封装后的外形的外形电子式电子式温湿度计温湿度计机械机械式、式、电子式电子式温湿度计对比温湿度计对比 半导体色敏传感器是一种半导体光敏器件，工作原理半导体色敏传感器是一种半导体光敏器件，工作原理基于光电效应，可将光信号转换为电信号的光辐射探基于光电效应，可将光信号转换为电信号的光辐射探测器

27、。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。外波段内单色辐射波长。 1 12 23 3 半导体色敏传感器相当于两只结构不同的半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管组合，实际不是三极管而是两个深光电二极管组合，实际不是三极管而是两个深浅不同的浅不同的PNPN结，又称结，又称光电双结二极管光电双结二极管。 当有光照射时，当有光照射时，P+P+、N N、P P三个区域光子吸收三个区域光子吸收效果不同，紫外光部分吸收系数大，距离短；效果不同，紫外光部分吸收系数大，距离短；红外部分吸收系数小，穿透距离长，构成可以红外部分吸收系数小，穿透距离长，构成可以测定波长的半导体色敏传感器。测定波长的半导体色敏传感器。P+