传感器原理及工程应用 第9章w.ppt

1、第9章半导体传感器，9.1气体传感器，气体传感器是一种以化学成分为检测参数的化学传感器。9.1.1概述，气体传感器是用于检测气体类别、浓度和成分的传感器，主要是半导体气体传感器。用于易燃、易爆、有毒有害气体的监测、预测和自动控制。它由半导体气体传感器组成，当待测气体接触半导体表面时，通过物理性质变化来检测气体。根据功能不同，根据物理性质(如伏安特性)可分为表面控制型和表面或内部音量控制型，以及电阻型和非电阻型。特点：当暴露在气体中时，温度和湿度变化很大，存在灰尘和油污。气体传感器要求：长时间稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质影响小。9.1.2半导体气体传感器的机理，器件被加热到稳定状态，

2、气体被吸附，在表面上自由扩散，部分蒸发，剩余部分被热分解并固定在吸附位置(化学吸附)。9.1.2半导体气体传感器的机理，利用气体在半导体表面的氧化还原反应引起电阻变化。半导体的功函数小于(大于)亲和力，导致负(正)离子氧(氢)吸附，如氧(氢)表面形成电荷层。为了提高气体传感器对气体成分的选择性和灵敏度，有时会渗入钯等催化剂。氧化气体对氮型的吸附阻力、还原气体对磷型的吸附阻力增大，氧化气体对磷型的吸附阻力和还原气体对氮型的吸附阻力减小，半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度的增加。气体传感器的结构由电阻丝加热，如图所示，1和2为加热电极，3和4为气体传感器的一对电极，氧化锡和氧化锌气体传感器的输

3、出电压与温度的关系如图所示。气体传感器的基本测量电路，如图所示，其中EH为加热电源，EC为测量电源，在低浓度时灵敏度高，在高浓度时趋于稳定。用于检查可燃气体泄漏并报警。1)烧结气体传感器：传感器的电极和加热器埋在金属氧化物气敏材料中并烧结。9.1.2气体传感器的应用，气敏电阻元件根据制造工艺分为烧结型、薄膜型和厚膜型。氧化锡烧结气体传感器是常用的传感器，其加热温度较低。二氧化锡气体传感器半导体对可燃气体如氢气、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等具有高灵敏度。2)薄膜气体传感器：由应时或陶瓷衬底上的金属氧化物薄膜通过真空镀膜或溅射方法制成，3)厚膜气体传感器由混合有硅胶的气敏材料制成，通过丝网印刷和烧

4、结预先印刷在具有电极的衬底上。用厚膜技术制作的器件一致性好，机械强度高。所有三种气体传感装置都配有加热器。使用时，加热器可以烧掉测控部件上的油雾和灰尘，同时加速气体氧化还原反应，从而提高装置的灵敏度和响应速度。氧化锌是一种氮型半导体。当添加铂催化剂时，其对烷烃气体具有高灵敏度，但对H2、CO2和其它气体具有低灵敏度。钯催化剂对H2和一氧化碳有较高的灵敏度，但对烷烃气体的灵敏度较低。它具有良好的选择性，工作温度为400500。9.2湿度传感器、9.2.1氯化锂湿度传感器，这是一种由吸湿盐的潮解和离子电导率的变化制成的湿度测量元件。该器件的结构如图所示，由引线、衬底、湿敏层和电极组成。湿度传感器是

5、一种能够感知湿度变化并通过设备材料的物理和化学特性将湿度转换成有用信号的设备。很难检测湿度，湿度传感器需要暴露在测量的环境中。湿度传感器要求：稳定性好、重复性好、响应速度快、寿命长、抗污染、温度影响小。在李相反，电阻率降低，湿度被测量。为了扩大湿度测量的线性范围，可以组合使用多种不同氯化锂含量的设备，自动完成整个湿度范围内的湿度测量。氯化锂湿度传感器的耐湿特性曲线如图所示。在50%相对湿度范围内，电阻与湿度呈线性关系，耐热性差，不能用于露点以下的测量，重复性差，使用寿命短，具有滞后小，不受风速影响，检测精度高达%的优点。半导体陶瓷湿敏电阻器通常是由两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多

6、孔陶瓷。9.2.2半导体陶瓷湿敏电阻器(简称半导体陶瓷)，Fe3O4的电阻率随湿度增加而增加，称为正特性湿敏半导体陶瓷，氧化锌-LiO2-V2O5体系、硅-Na2O-V2O5体系和二氧化钛-氧化镁-Cr2O3体系的电阻率随湿度增加而降低，称为负特性湿敏半导体陶瓷。当水吸附在半导体陶瓷表面时，它能从半导体陶瓷表面捕获电子，使半导体陶瓷表面带负电，水分子的吸附使表面电位下降。1.湿敏半导体瓷的导电机理具有负特性，表面层的空穴浓度大于电子浓度，并出现表面反型层。半导体瓷的电阻率随着湿度的增加而降低。当水分子附着在半导体陶瓷表面，电位为负时，表面层的电子浓度降低，但表面层没有反转，仍然以电子传导为主。

7、2.具有正特性的湿敏半导体陶瓷的导电机理这种半导体陶瓷的表面电阻会随着湿度的增加而增加。一般来说，湿敏半导体陶瓷材料是多孔的，表面电阻的增加会导致总电阻值明显增加；正特性半导体陶瓷总电阻值的增加不如负特性材料电阻值的降低明显。该图显示了Fe3O4正半导电陶瓷湿度传感器的电阻值和湿度之间的关系。氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿度传感器通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件，即负半导电陶瓷和MgCr2O4型半导体。其电阻率低，电阻和温度特性好，其结构如图所示。3。典型的半导体陶瓷湿度传感器，1)MgCr2O 4-二氧化钛MgCr2O 4-二氧化钛陶瓷湿度传感器的相对湿度和电阻值之间的关系如图所示。传感器

8、的电阻值不仅随着环境中相对湿度的增加而减小，而且随着环境温度的变化而变化。ZnO-Cr2O3传感器无需加热去污装置即可连续稳定地测量湿度，功耗小于0.5，体积小，成本低，是一种常用的湿度传感器。2)氧化锌-Cr2O3陶瓷湿度传感器，其结构如图所示。半导体颜色传感器可以用来直接测量从可见光到近红外的单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。9.3色传感器，半导体色传感器是半导体光敏器件之一。它是一种基于内部光电效应将光信号转换成电信号的光辐射探测器。半导体颜色传感器相当于两个不同的光电二极管组，它们被称为光电双结二极管。图9.3.1示出了颜色传感器的基本原理，图2示出了半导体颜色传感器的

9、工作原理。图中所示的pn结是两个不同结深的pn结二极管，浅结二极管为pn结；深结二极管是pn结。浅结对紫外光具有高灵敏度，而深结对红外光具有高灵敏度，9.3.2半导体颜色传感器的基本特性，1。光谱特性，2。短路电流特定波长特性，表征半导体颜色传感器的波长识别能力，并确定被测波长的基本特性。图b示出了短路电流对波长的特性曲线。两个光电二极管由相同的材料制成，具有相同的温度系数，因此温度的影响通常可以忽略不计。3.温度特性。图为实用酒精测试仪电路。二氧化锡气体传感器为气体传感器，9.4应用半导体传感器，9.4.1实用酒精测试仪，当没有酒精时，A5引脚的电平低；当检测到酒精时，其内部电阻变低，从而使A5引脚的电平变高。a是显示驱动器，它有10个输出端，每个输出端可以驱动一个发光