检测技术已自动化仪表ppt课件

1、半导体传感器 半导体传感器是典型的物理型传感器，它是利用某些资料的电特征的变化实现被丈量的直接转换，如改动半导体内载流子的数目。 凡是用半导体资料制造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。.纸 品木材烘干 湿度传感器 芯片消费要求最高的湿度稳定性.气敏传感器湿敏 传感器.气 敏 传 感 器 气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传感器； 如： 工业天然气、煤气等易燃易爆的平安监测； 环境维护，有害、有毒气体监测； 酒后驾车，乙醇浓度检测； 气敏传感器灵敏度较高，达10-610-3数量级，可检测到 1/10 爆炸下限

2、的可燃气体； 由于气体种类很多，性质各不一样，不能够用同一种气体传感器丈量一切气体，按半导体的物理特性，可分为电阻型和非电阻型。.半导体气敏传感器任务原理(1) 电阻型半导体气敏传感器 半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体外表接触时， 产生的电导率等物理性量变化来检测气体的。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体外表或深化到半导体内部，可分为外表控制型和体控制型。 前者半导体外表吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变； 后者半导体与气体的反响，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。.电阻型气敏传感器是利用气体在半导体外表的氧

3、化和复原反响，导致敏感元件阻值变化； 如： 氧气具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧化型气体电子接纳性气体； 氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸附倾向的气体，被称为复原型气体电子供应性气体。.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； 当复原型气体吸附到N型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降； 当复原型气体吸附到P型半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升；气体与半导体接触时情况 N型半导体多电子 P型半导体多空穴.N型半导体吸附气体时器件阻值变化图 表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变

4、化情况。由于空气中的含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。假设气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。.在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的， 因此以上构造的气敏元件都有电阻丝加热器; 加热时间23分钟，加热电源普通为5V; 加热方式分为直热式和旁热式。直热式旁热式.组成：敏感元件、加热器、外壳； 制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜型。 气敏电阻的资料是金属氧化物，合成时加敏感资料和催化剂烧结，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 Zn

5、O TiO P型半导体，如：CoO2 PbO MnO2 CrO3 电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描画： 利用半导体外表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。敏感元件.(2) 非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器主要类型： 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展气体检测。. 1MOS二极管气敏元件电容电压 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是固定不变的。而硅片与氧化层电容Cs是外加电压的功函数，总电容C也是偏压的函数。MO

6、S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吸附金属膜以后，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。.2MOSFET气敏元件 Pd对H2吸附性很强，H2吸附在Pd栅上引起的Pd功函数降低。当栅极G源极S间加正向偏压 UGSUT 阀值时，栅极氧化层下的硅从P变为N型，N型区将S源和D漏衔接起来，构成导电通道N型沟道此时MOSFET进入任务形状。在SD间加电压UDS，SD间有电流IDS流过，IDS随UDS、UGS变化。当UGSUT时，沟道没构成，无漏源电流IDS=0。 UT阀值电压大小与金属与半导体间的功函数有关。 PdMOSFE

7、T器件就是利用H2在钯栅极吸附后改动功函数使UT下降，检测H2浓度。.3肖特基二极管 金属和半导体接触的界面构成肖特基势垒，构成金属半导体二极管。管子加正偏压，半导体金属的电子流添加，正导游通电阻极小UD0.2，加负偏压时UD 很大，相当开路几乎无电流。当金属与半导体界面有气体时，势垒降低，电流变化上升。 金属与半导体界面吸附气体时，影响半导体禁带宽度Eg，二极管正向偏压条件下，气体浓度 电流 输出电压UR 。 非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气浓度丈量。.气敏电阻外形 酒精传感器 其他可燃性气体传感器.酒精测试仪呼气管.家庭用煤气报警器.家庭用液化气报警器.一氧化碳传感器.其他气体传感器N

8、H3传感器甲烷传感器.二氧化钛氧浓度传感器 半导体资料二氧化钛TiO2属于N型半导体，对氧气非常敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改动了半导体的电阻率，使其电阻值增大。 图示是用于汽车或熄灭炉排放气体中的氧浓度传感器构造图及丈量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。 在图b中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻值会逐渐减小，只需Rt也以同样的比例减小，根据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了丈量误差。 .

9、图 TiO2氧浓度传感器构造及丈量转换电路a构造 b丈量转换电路 1外壳接地2安装螺栓 3搭铁线4维护管 5补偿电阻 6陶瓷片 7TiO2氧敏电阻 8进气口 9引脚 .氧浓度传感器外形 可用于汽车尾气丈量.汽车尾气分析.有毒气体传感器的运用.酒精测试仪 .防 酒 后 驾 车 汽 车 点 火 电 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，J2-1断开，不启动； 假设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

10、闭接点， J2-2常接VD1绿灯，VD2红灯。 .多种气体检测系统.红外吸收 (IR-process) 丈量原理.湿敏传感器 湿度是指空气中的水蒸气含量，枯燥或潮湿对我们的生活有很大影响，潮湿发霉，枯燥不温馨。湿度传感器主要运用于温湿度检测控制、军械仓库、粮仓、水果保鲜等场所。 最早人们用头发随湿度变化而伸长或缩短景象做毛发湿度计，逐渐有了电阻湿度计，半导体湿度计是近年来才出现的。. 为什么要丈量湿度？.湿度对电子元件的影响 当环境的相对湿度增大时，物体外表就会附着一层水膜，并渗入资料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会呵斥漏电、击穿和短路景象；潮湿还会加速金属资料的腐蚀并引起有机资料的霉烂。.露

11、点 降低温度会产生结露景象。露点与农作物的生长有很大关系，结露也严重影响电子仪器的正常任务，必需予以留意。 丈量露点的仪器.湿度通常用绝对湿度和相对湿度表示： 绝对湿度：单位空间所含水蒸汽的绝对含量或浓度，用符号 AH 表示，单位g/m3。 相对湿度，被测气体中蒸汽压和该气体在一样温度下饱合水蒸气压的百分比，普通用 %RH 表示，无量纲。 不同环境所需湿度不同，丈量方法很多，但精度不高。目前世界上最高程度湿度丈量精度在0.01%左右； . 湿敏传感器是可以感受外界湿度变化，并经过器件资料的物理或化学性量变化，将湿度转化成有用信号的器件。 湿度检测较之其它物理量的检测显得困难，这首先是由于空气中

12、水蒸气含量要比空气少得多； 另外，液态水会使一些高分子资料和电解质资料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏资料不同程度地遭到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质； 再者，湿信息的传送必需靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。 通常，对湿敏器件有以下要求：在各种气体环境下稳定性好，呼应时间短，寿命长，有互换性，耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的开展方向。 .氯化锂湿敏电阻氯化锂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。 在氯化锂LiCl溶液中，Li和Cl以正负离子的方式存在，锂离子

13、Li+对水分子的吸收力强，离子水合成度高，溶液中的离子导才干与溶液浓度成正比，溶液浓度添加，导电率上升,电阻率下降 。 经过丈量溶液电阻R值实现对湿度丈量。当溶液置于一定湿度场中，假设环境RH 上升，溶液吸收水分子使浓度下降 电阻率 上升，反之RH下降，溶液浓度上升，电阻率下降。 RH 吸湿浓度 R RH 脱湿浓度 R.半导体陶瓷湿敏电阻半导瓷通常用两种以上的金属氧化物半导体烧结成多孔陶瓷，资料有正特性系数和负特性系数两种。负特性湿敏半导体瓷的导电机理 水分子氢原子具有很强的正电场，水分子在半导瓷外表 吸附时从外表俘获电子，使半导瓷外表带负电。 P型半导体 水分子吸附外表电势下降，吸引空穴到达

14、外表， 使外表层电阻下降； N型半导体 水分子吸附外表电势下降，外表电势下降较多时，电子耗尽，同时吸引更多的空穴到达外表，能够使外表层的空穴浓度大于电子浓度，出现反型层，这 些反型载流子同样可以在外表迁移而表现出电导特 性。 水分子吸附时外表电阻也会下降。PN.负特性湿敏半导体瓷湿敏电阻，电阻随湿度添加而下降。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外表吸附时能够从半导体瓷外表俘获电子，使半导体外表带负电，相当外表电势变负，电阻率随湿度添加而下降。 正湿敏特性半导体瓷湿敏电阻例：Fe3O4，资料构造、电子能量形状与负特性不同，总的电阻值升高没有负特性阻值下降的明显。 .电子湿度计

15、模块封装后的外形湿敏传感器的运用.电子式温湿度计.机械式、电子式温湿度计对比.土壤湿度丈量 RH为VT提供偏流，RH插入土壤，湿度不同传感器阻值不同，基极电流不同， 使VT的Ie变化，在R2上转换为电压变化，送运放A放大； RH放在水中湿度100%，调理RP2使增益输出满量程5V； RH擦吹干湿度0%，调理RP1比较端电压，使输出0V。. 最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 面条烘干. 最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 消费过程的空气质量.半导体色敏传感器是一种半导体光敏器件，任务原理基于光电效应，可将光信号转换为电信号的光辐射探测器。 普通光电器件是检测在一定波长范围内的光强度或光

16、子数目。而色敏器件可以直接丈量从可见光到近远红外波段内单色辐射波长。色敏传感器.光电二极管的任务原理 对于用半导体硅制造的光电二极管，在受光照射时，假设入射光子的能量h大于硅的禁带宽度Eg，那么光子就激发价带中的电子跃迁到导带而产生一对电子-空穴。这些由光子激发而产生的电子-空穴统称为光生载流子。光电二极管的根本部分是一个结，产生的光生载流子只需能分散到势垒区的边境，其中少数载流子专指P区中的电子和N区的空穴就受势垒区强电场的吸引而被拉向对面区域，这部分少数载流子对电流作出奉献。多数载流子P区中的空穴或N区中的电子那么受势垒区电场的排斥而留在势垒区的边缘。 在势垒区内产生的光生电子和光生空穴，

17、那么分别被电场扫向N区和P区，它们对电流也有奉献。 . 光在半导体中传播时的衰减是由于价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带的结果，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下图。由图可见，在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大。这就阐明， 波长短的光子衰减快，穿透深度较浅，而波长长的光子那么能进入硅的较深区域。 . 半导体色敏传感器相当于两只构造不同的光电二极管组合，实践不是三极管而是两个深浅不同的PN结，又称光电双结二极管。 当有光照射时，P+、N、P三个区域光子吸收效果不同，紫外光部分吸收系数大，间隔短；红外部分吸收系数小，穿透间隔长，构成可以测定波长的半导体色敏传感器。.波长短的光子衰减快，穿透深度较浅， 波长长的光子衰减较慢，能穿透硅片较深区域。 浅结的光电二极管对紫外光灵敏度高， 深结的光电二极管对红外光灵敏度高； 这一特征为色敏器件提供了识别颜色的能够。 详细运用时需求的对器件进展标定，测定不同波长时两只二极管的短路电流比值，经过判别