第九章半导体传感器

第九章半导体传感器第1页，课件共31页，创作于2023年2月9.1引言一、敏感材料-半导体。利用半导体材料的物理效应，把被测物理量的变化转换为电信号，制作成各种半导体传感器。二、优点1、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、易实现集成化、智能化；4、功耗低，安全可靠。第2页，课件共31页，创作于2023年2月三、缺点1、线形范围窄（线性化补偿电路）；2、输出特性易受温度影响；3、性能参数离散性大。但随着大规模集成电路的发展，半导体传感器技术越来越完善。本章介绍气敏、湿敏、色敏半导体式传感器。第3页，课件共31页，创作于2023年2月9.2气敏式半导体传感器一、气敏传感器利用半导体气敏元件同气体接触，使半导体性质变化，以此检测特定气体的器件。可测量气体类别、浓度和成分。分为半导体气敏传感器和非半导体气敏传感器。半导体气敏传感器分为电阻型和非电阻型。第4页，课件共31页，创作于2023年2月半导体气敏器件的分类第5页，课件共31页，创作于2023年2月二、电阻型半导体气敏传感器1、导电机理1）利用气体在半导体表面的氧化和还原反应使敏感元件阻值变化而制成的传感器。2）原理如传感器的温度保持在高温状态，自由电子在内部流动，清洁的空气中时，表面吸附氧，自由电子被俘获，传感器阻值增加。如环境气氛中存在可燃性气体等还原性气体，该气体与氧发生反应，吸附的氧减少，电子又会移动，传感器阻值减小。第6页，课件共31页，创作于2023年2月其中：具有负离子吸附倾向的气体-氧化型气体。具有正离子吸附倾向的气体-还原型气体。氧化型气体吸附到N/P型半导体，还原型气体吸附到P/N型半导体，半导体阻值上升/下降。从阻值的变化分析气体中的种类和浓度。第7页，课件共31页，创作于2023年2月N型半导体吸附气体时器件阻值变化图3）半导体气敏电阻的阻值将随吸附气体的浓度变化而改变。响应时间：小于1min。第8页，课件共31页，创作于2023年2月2、传感器结构1）气敏元件、加热器和封装体等组成。气敏元件分为烧结型、薄膜型、厚膜性。2）烧结型气敏器件结构图：电极（铂丝）氧化物半导体加热器玻璃（尺寸约1mm，也有全为半导体的）第9页，课件共31页，创作于2023年2月以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，加热加压，通过700~900摄氏度的制陶工艺烧结而成。一般分为内热式和旁热式。电极（铂丝）氧化物半导体加热器玻璃（尺寸约1mm，也有全为半导体的）第10页，课件共31页，创作于2023年2月管芯体积小，加热丝直接埋在金属氧化半导体材料内。特点：制作工艺简单。热容量小，易受环境气流影响，测量回路与加热回路间互相影响，易造成加热丝与材料接触不良的现象。a、内热式器件结构图：电极电极电极电极SnO2烧结体第11页，课件共31页，创作于2023年2月b、旁热式器件结构图：管芯在陶瓷管内放置高阻加热丝，瓷管外涂金电极及气敏半导体材料。克服了内热式的缺点，且其稳定性和可靠性比内热式的好。特点：制作简单，寿命长。但机械强度不高，电性能一致性较差。电极加热器电极陶瓷绝缘管电极SnO2烧结体电极第12页，课件共31页，创作于2023年2月3）薄膜型气敏器件在石英基片上形成氧化物半导体薄膜。结构图：其中，SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好。特点：互换性好，产量高，成本低。0.6mm电极0.5mm半导体加热器电极绝缘基片3mm3mm第13页，课件共31页，创作于2023年2月4）厚膜型气敏器件结构图：解决器件一致性问题。特点：一致性好，适于批量生产。5）加热器烧掉尘埃，加速气体的吸附，提高器件灵敏度和响应速度。氧化物基片Pt电极氧化物半导体器件加热用的加热器（印制厚膜电阻）第14页，课件共31页，创作于2023年2月例如SnO2系列的气敏元件：在同一工作温度，含1.5%（重量）Pd元件对CO最敏感；而0.2%（重量）Pd元件对CH4最灵敏。同一含量Pt的气敏元件，在200℃以下，检测CO最好；在300℃，检测丙烷最好；在400℃以上检测甲烷最佳。

第15页，课件共31页，创作于2023年2月三、非电阻型气敏器件1、利用MOS二极管电容-电压特性的变化及MOS场效应晶体管的阈值电压的变化等物性制成的。2、特点制造工艺成熟，便于集成化；性能稳定，价格便宜。第16页，课件共31页，创作于2023年2月四、气敏传感器的主要参数与特性1、灵敏度标志元件对气体的敏感程度，决定了测量精度。一般可用S表示：S=ΔR/ΔP

ΔP

为气体浓度变化量。也可用K表示： K=R0/R

R

为被测气体中的阻值。2、响应时间从元件与被测气体接触至元件阻值达到新的恒定值所需时间。第17页，课件共31页，创作于2023年2月3、选择性多种气体共存时，元件区分气体种类的能力。4、稳定性气体浓度不变，而其他条件改变时，规定时间内元件输出特性不变的能力。5、温度特性元件灵敏度随温度变化的特性。对于元件自身温度对灵敏度的影响，可采用温度补偿方法。第18页，课件共31页，创作于2023年2月6、湿度特性元件灵敏度随环境湿度变化的特性。解决它对灵敏度的影响，可采用湿度补偿方法。7、电源电压特性元件灵敏度随电源电压变化的特性。可采用恒压源。第19页，课件共31页，创作于2023年2月五、气敏传感器的应用各种易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可使用相应的气敏传感器及其相关电路来实现。简易家用气体报警：BX150kΩTGS109100VAC100VBZ1VTGS109为直热式气敏传感器，BZ为蜂鸣器。对于易爆气体，报警浓度一般选定其爆炸下限的1/10，可调整电阻来调节。第20页，课件共31页，创作于2023年2月有害气体鉴别、报警与控制电路：TWH8778JJ1-1ARp20KΩR210KΩR120KΩC11000μF/25VIN4148VD1红R5100ΩDW1R4200Ω5VMQS2BR368KΩHTDVD2+12VC+B1D254第21页，课件共31页，创作于2023年2月9.3湿敏传感器一、基本概念湿度：大气中的水蒸气含量。绝对湿度：单位空间中所含水蒸气的绝对含量、浓度或密度，AH表示。相对湿度：被测气体中蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，RH表示。潮湿程度。二、基本原理感受外界湿度变化，通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化为有用信号。第22页，课件共31页，创作于2023年2月三、湿敏传感器器件目前常用的湿度传感器种类有:机械式湿度传感器,如利用脱脂处理后的毛发（现多改成竹膜、乌鱼皮膜、尼龙带等材料）,在空气相对湿度增大时毛发伸长,带动指针转动构成的毛发式湿度计等;由两个完全相同的玻璃温度计,其中一个感温包直接与空气接触,指示干球温度,另一感温包外有纱布且纱布下端浸在水中经常保持湿润,指示的是湿球温度,由干球温度和湿球温度之差即可换算出相对湿度的干湿球湿度计。这些湿度计的主要缺点是灵敏度和分辨率等都不够高,而且是非电信号的湿度测量,难以同电子电路和自动控制系统及仪器相联结。第23页，课件共31页，创作于2023年2月1、氯化锂湿敏电阻利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化制成测湿元件。在一定温湿场中，若环境相对湿度高/低，溶液浓度降低/升高，电阻率增高/下降。优点：滞后小，不受风速影响，精度高。缺点：耐热性差，重复性不理想，寿命短。引线感湿层基片金属电极第24页，课件共31页，创作于2023年2月2、半导体陶瓷湿敏电阻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。电阻率随湿度增加而下降-负特性湿敏半导体陶瓷：ZnO-LiO2-V2O5系，Si-Na2O-V2O5系，TiO2-MgO-Cr2O3系等。电阻率随湿度增大而增大-正特性湿敏半导体陶瓷：Fe3O4等。第25页，课件共31页，创作于2023年2月四、湿敏传感器的应用湿度检测器：555V1100μFC25600pFC30.01μFR210kΩR15.1kΩRp15kΩC44700pFVD12AP9VD22AP99VR35.1kΩ+CH254863有555时基电路，CH湿度传感器。电位器Rp用于一起调零。第26页，课件共31页，创作于2023年2月9.4色敏传感器一、概念基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器。半导体光敏传感器件中的一种。二、基本原理（1）由两只结构不同的光电二极管组合。结构图：电极1电极2电极3SiO2NP+P第27页，课件共31页，创作于2023年2月二、基本原理（2）具体应用时，须先测定在不同波长的照射下，色敏器件中两只光电二极管短路电流之比。确定二者的比值与入射单色光波长的关系。实测时，可根据该关系确定某一单色光的波长。第28页，课件共31页，创作于2023年2月三、色敏传感器的基本特征1、光谱特性表示所能检测的波长范围。国产CS-1型，波长范围400nm~1000nm。2、短路电流比-波长特性表征半导体色敏器件对波长的识别能力。

3、温度特性色敏光电器件的短路电流比对温度不十分敏感。可不考虑其影响。第29页，课件共31页，创作于2023年2月四、色敏传感器的应用