检测技术已自动化仪表

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。1纸

品木材烘干湿度传感器

芯片生产要求最高的湿度稳定性2气敏传感器湿敏传感器3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；气敏传感器灵敏度较高，达10-6～10-3数量级，可检测到1/10爆炸下限的可燃气体；

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，按半导体的物理特性，可分为电阻型和非电阻型。4半导体气敏传感器工作原理(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表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。前者半导体表面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应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。5电阻型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。6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；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7N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。若气体浓度发生变化，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。8在常温下，电导率变化并不大，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2～3分钟，加热电源一般为5V;加热方式分为直热式和旁热式。直热式旁热式9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：SnO2Fe2O3ZnOTiOP型半导体，如：CoO2PbOMnO2CrO3

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。敏感元件10(2)非非电阻阻型半导导体气敏敏传感器器非电阻型型半导体体气敏传传感器主主要类型型：利用MOS二极极管的电电容—电电压特性性变化；；利用MOS场效效应管的的阈值电电压的变变化；利用肖特特基金属属半导体体二极管管的势垒垒变化进进行气体体检测。。111）MOS二极极管气敏敏元件（电容——电压））在P型硅硅氧化层层上蒸发发一层钯钯（Pd）金属属膜作电电极。氧氧化层（（SiO2）电电容Ca是固定定不变的的。而硅硅片与氧氧化层电电容Cs是外加加电压的的功函数数，总电电容C也也是偏压压的函数数。MOS二极极管的等等效电容容C随电压U变化。金属钯（（Pd））对氢气气（H2）特别别敏感。。当Pd吸附金金属膜以以后，使使Pd的的功函数数下降，，使MOS管C—U特特性向左左平移，，利用这这一特性性用于测测定氢气气的浓度度。122）MOSFET气敏敏元件Pd对H2吸附附性很强强，H2吸附在在Pd栅栅上引起起的Pd功函数数降低。。当栅极极（G））源极（（S）间间加正向向偏压UGS>UT阀值时，，栅极氧氧化层下下的硅从从P变为为N型，，N型区区将S（（源）和和D（漏漏）连接接起来，，形成导导电通道道（N型型沟道））此时MOSFET进进入工作作状态。在S—D间加电电压UDS，S—D间有电电流IDS流过，IDS随UDS、UGS变化。当当UGS<UT时，沟道道没形成成，无漏漏源电流流IDS=0。UT（阀值））电压大大小与金金属与半半导体间间的功函函数有关关。Pd—MOSFET器器件就是是利用H2在钯钯栅极吸吸附后改改变功函函数使UT下降降，检测测H2浓浓度。133）肖特特基二极极管金属和半半导体接接触的界界面形成成肖特基基势垒，，构成金金属半导导体二极极管。管管子加正正偏压，，半导体体金属的的电子流流增加，，正向导导通电阻阻极小UD＜0.2，，加负偏偏压时UD很很大，相相当开路路几乎无无电流。。当金属属与半导导体界面面有气体体时，势势垒降低低，电流流变化（（上升））。金属与半半导体界界面吸附附气体时时，影响响半导体体禁带宽宽度Eg，二极极管正向向偏压条条件下，，气体浓浓度电流输输出电电压UR。。非电阻型型半导体体气敏传传感器主主要用于于氢气浓浓度测量量。14气敏电阻外形形酒精传感器其他可燃性气气体传感器15酒精测试仪呼气管16家庭用煤气报报警器17家庭用液化气气报警器18一氧化碳传感感器19其他气体传感感器NH3传感器器甲烷传感器20二氧化钛氧浓浓度传感器半导体材料二二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对对氧气十分敏敏感。其电阻阻值的大小取取决于周围环环境的氧气浓浓度。当周围围氧气浓度较较大时，氧原原子进入二氧氧化钛晶格，，改变了半导导体的电阻率率，使其电阻阻值增大。图示是用于汽汽车或燃烧炉炉排放气体中中的氧浓度传传感器结构图图及测量转换换电路。二氧氧化钛气敏电电阻与补偿热热敏电阻同处处于陶瓷绝缘缘体的末端。。当氧气含量量减小时，RTiO2的阻值减小小，Uo增大。在图b中，与TiO2气敏电阻串串联的热敏敏电阻Rt起温度补偿偿作用。当当环境温度度升高时，，TiO2气敏电阻的的阻值会逐逐渐减小，，只要Rt也以同样的的比例减小小，根据分分压比定律律，Uo不受温度影影响，减小小了测量误误差。21图TiO2氧浓度传感感器结构及及测量转换换电路a）结构b）测量量转换电路路1－外壳（（接地）2－安装螺螺栓3－－搭铁线4－保护护管5—补偿偿电阻6－陶瓷瓷片7－－TiO2氧敏电阻8－进气气口9－引引脚22氧浓度传感感器外形可用于汽车车尾气测量量23汽车尾气分分析24有毒气体传传感器的使使用25酒精测试仪仪26防酒后驾车汽车点火电路无酒精时，，S闭合，，气敏电阻阻高，Ua高Uo低低，定时器器输出高，，J2释放放，J1闭闭合，点火火；有酒精时，，气敏电阻阻下降，Ua低Uo高，定时时器输出低低，J2吸吸合，J2-1断开开，不启动动；若司司机机拔拔出出气气敏敏传传感感器器，，J1断断电电J1-1断断开开无无法法启启动动。。J1-2气气敏敏元元件件加加热热回回路路。。继电电器器J1-1、、J1-2常常开开接接点点，，J2-1常常闭闭接接点点，，J2-2常常接接VD1（（绿绿灯灯）），，VD2（（红红灯灯））。。27多种种气气体体检检测测系系统统28红外外吸吸收收(IR-process)测量量原原理理29湿敏敏传传感感器器湿度度是是指指空空气气中中的的水水蒸蒸气气含含量量，，干干燥燥或或潮潮湿湿对对我我们们的的生生活活有有很很大大影影响响，，潮潮湿湿——发发霉霉，，干干燥燥——不不舒舒服服。。湿湿度度传传感感器器主主要要应应用用于于温温湿湿度度检检测测控控制制、、军军械械仓仓库库、、粮粮仓仓、、水水果果保保鲜鲜等等场场合合。。最最早早人人们们用用头头发发随随湿湿度度变变化化而而伸伸长长或或缩缩短短现现象象做做毛毛发发湿湿度度计计，，逐逐渐渐有有了了电电阻阻湿湿度度计计，，半半导导体体湿湿度度计计是是近近年年来来才才出出现现的的。。30为什么要测测量湿度？？31湿度对电子子元件的影影响当环境的相相对湿度增增大时，物物体表面就就会附着一一层水膜，，并渗入材材料内部。。这不仅降降低了绝缘缘强度，还还会造成漏漏电、击穿穿和短路现现象；潮湿湿还会加速速金属材料料的腐蚀并并引起有机机材料的霉霉烂。32露点降低温度会会产生结露露现象。露露点与农作作物的生长长有很大关关系，结露露也严重影影响电子仪仪器的正常常工作，必必须予以注注意。测量露点的的仪器33湿度通常用用绝对湿度度和相对湿湿度表示：：绝对湿度：：单位空间间所含水蒸蒸汽的绝对对含量或浓浓度，用符符号AH表示，单位位（g/m3）。相对湿度，，被测气体体中蒸汽压压和该气体体在相同温温度下饱合合水蒸气压压的百分比比，一般用用%RH表示，无量量纲。不同环境所所需湿度不不同，测量量方法很多多，但精度度不高。目目前世界上上最高水平平湿度测量量精度在±±0.01%左右；；34湿敏传感器器是能够感感受外界湿湿度变化，，并通过器器件材料的的物理或化化学性质变变化，将湿湿度转化成成有用信号号的器件。。湿度检测较较之其它物物理量的检检测显得困困难，这首首先是因为为空气中水水蒸气含量量要比空气气少得多；；另外，液态水水会使一些高高分子材料和和电解质材料料溶解，一部部分水分子电电离后与溶入入水中的空气气中的杂质结结合成酸或碱碱，使湿敏材材料不同程度度地受到腐蚀蚀和老化，从从而丧失其原原有的性质；；再者，湿信息息的传递必须须靠水对湿敏敏器件直接接接触来完成，，因此湿敏器器件只能直接接暴露于待测测环境中，不不能密封。通常，对湿敏敏器件有下列列要求：在各各种气体环境境下稳定性好好，响应时间间短，寿命长长，有互换性性，耐污染和和受温度影响响小等。微型型化、集成化化及廉价是湿湿敏器件的发发展方向。35氯化锂湿敏电电阻氯化锂湿敏电电阻——电解解质湿敏电阻阻利用物质吸收收水分子使导导电率发生变变化检测湿度度。在氯化锂（LiCl）溶溶液中，Li和Cl以正正负离子的形形式存在，锂锂离子（Li+）对水分分子的吸收力力强，离子水水合成度高，，溶液中的离离子导能力与与溶液浓度成成正比，溶液浓度增加加，导电率上上升,电阻率率ρ下降。。通过测量溶液液电阻R值实现对湿度度测量。当溶液置于一一定湿度场中中，若环境RH上升，溶液吸吸收水分子使使浓度下降电电阻率ρ上升，反之RH下降，溶液浓浓度上升，电电阻率ρ下降。RH吸湿——浓度度RRH脱湿——浓度度R36半导体陶瓷湿湿敏电阻（半半导瓷）通常用两种以以上的金属——氧化物—半半导体烧结成成多孔陶瓷，，材料有正特特性系数和负负特性系数两两种。负特性湿敏半半导体瓷的导导电机理水分子氢原子子具有很强的的正电场，水水分子在半导导瓷表面吸附时从表面面俘获电子，，使半导瓷表表面带负电。。P型半导体———水分分子吸附表面面电势下降，，吸引空穴到到达表面，使使表面层电电阻下降；N型半导体———水分子子吸附表面电电势下降，表表面电势下降降较多时，电电子耗尽，同同时吸引更多多的空穴到达达表面，可能能使表面层的的空穴浓度大大于电子浓度度，出现反型型层，这些些反型载流子子同样可以在在表面迁移而而表现出电导导特性。水水分子吸附附时表面电阻阻也会下降。。PN37负特性湿敏半半导体瓷湿敏敏电阻，电阻阻随湿度增加加而下降。由由于水分子中中氢原子具有有很强的正电电场，当水分分子在半导体体瓷表面吸附附时可能从半半导体瓷表面面俘获电子，，使半导体表表面带负电，，相当表面电电势变负，电电阻率随湿度度增加而下降降。正湿敏特性半半导体瓷湿敏敏电阻（例：：Fe3O4），材料结结构、电子能能量状态与负负特性不同，，总的电阻值值升高没有负负特性阻值下下降的明显。。38电子湿度计模块封装后的外形形湿敏传感器的的应用39电子式温湿度计40机械式、电子式温湿度计对比比41土壤湿度测量量RH为VT提供偏流，RH插入土壤，湿湿度不同传感感器阻值不同同，基极电流流不同，使VT的Ie变化，在R2上转换为电压压变化，送运运放A放大；RH放在水中湿度度100%，调节RP2使增益输出满满量程5V；RH擦（吹）干湿湿度0%，调节RP1比较端电压，，使输出0V。42最新湿度度测量量应用领领域面条烘干43最新湿度度测量量应用领领域生产过程的空空气质量4445半导体色敏传传感器是一种种半导体光敏敏器件，工作作原理基于光光电效应，可可将光信号转转换为电信号号的光辐射探探测器。一般光电器件件是检测在一一定波长范围围内的光强度度或光子数目目。而色敏器器件可以直接接测量从可见见光到近远红红外波段内单单色辐射波长长。色敏传感器46光电二极管的的工作原理对于用半导体体硅制造的光光电二极管，，在受光照射射时，若入射射光子的能量量hυ大于硅的禁带带宽度Eg，则光子就激激发价带中的的电子跃迁到到导带而产生生一对电子-空穴。这些些由光子激发发而产生的电电子-空穴统统称为光生载载流子。光电电二极管的基基本部分是一一个ＰＮ结结，产生的光光生载流子只只要能扩散到到势垒区的边边界，其中少少数载流子（（专指P区区中的电子和和N区的空空穴）就受势势垒区强电场场的吸引而被被拉向对面区区域，这部分分少数载流子子对电流作出出贡献。多数数载流子（P区中的空穴穴或N区中的的电子）则受受势垒区电场场的排斥而留留在势垒区的的边缘。在在势垒区内产产生的光生电电子和光生空空穴，则分别别被电场扫向向N区和P区区，它们对电电流也有贡献献。47光在半导体中中传播时的衰衰减是由于价价带电子吸收收光子而从价价带跃迁到导导带的结果，，这种吸收光光子的过程称称为本征吸收收。硅的本征征吸收系数随随入射光波长长变化的曲线线如图所示。。由图可见，，在红外部分分吸收系数小小，紫外部分分吸收系数大大。这就表明明，波长短短的光子衰减减快，穿透深深度较浅，而而波长长的光光子则能进入入硅的较深区区域。48半导导体体色色敏敏传传感感器器相相当当于于两两只只结结构构不不同同的的光光电电二二极极管管组组合合，，实实际际不不是是三三极极管管而而是是两两个个深深浅浅不不同同的的PN结结，，又又称称光光电电双双结结二二极极管管。。当有有光光照照射射时时，，P+、、N、、P三三个个区区域域光光子子吸吸收收效效果果不不同同，，紫紫外外光光部部分分吸吸收收系系数数大大，，距距离离短短；；红红外外部部分分吸吸收收系系数数小小，，穿穿透透距距离离长长，，构构成成可可以以测测定定波波长长的的半半导导体体色色敏敏传传感感器器。。49波长长短短的的光光子子衰衰减减快快，，穿穿透透深深度度较较浅浅，，波长长长长的的光光子子衰衰减减较较慢慢，，能能穿穿透透硅硅片片较较深深区区域域。。浅结结的的光光电电二二极极管管对对紫紫外外光光灵灵敏敏度度高高，，深结结的的光光电电二二极极管管对对红红外外光光灵灵敏敏度度高高；；这一一特特征征为为色色敏敏器器件件提提供供了了识识别别颜颜色色的的可可能能。。具体体应应用用时时需需要要的的对对器器件件进进行行标标定定，，测测定定不不同同波波长长时时两两只只二二极极管管的的短短路路电电流流比比值值，，通通过过判判别别两两只只光光电电二二极极管管光光电电流流的的大