第8章半导体传感器.

第8章半导体传感器8.1气敏传感器*8.2湿敏传感器*8.3磁敏传感器*8.4色敏传感器8.5半导体传感器的应用１、气敏传感器概念及组成气敏传感器---测定气体的类别、浓度和特定成分，并将其转换为电信号的器件。主要类型---电阻式半导体气体传感器、电容式陶瓷气体传感器、电化学气体传感器等。8.1.1半导体气敏传感器概述主要组成---敏感、识别与信号放大处理。8.1气敏传感器（２）按结构分类•干式传感器----使用时必须加热，使电介质和催化剂长期处于高温状态。往往会导致性能劣化。•湿式传感器----电极表面浸入电解液中，根据化学反应所引起的变化量(包括颜色的变化，离子量的变化，电流的变化等)来进行检测。2、气敏传感器分类（１）按构成气敏传感器材料的特性分类：半导体和非半导体气敏传感器。（3）半导体气敏传感器的分类表8.1物理特性敏感材料工作温度被测气体电阻型电阻表面电阻控制氧化锡﹑氧化锌室温~450℃可燃性气体体电阻控制氧化钛﹑氧化锡﹑氧化镁300~450℃可燃性气体﹑乙醇﹑氧气非电阻型表面电位氧化银室温硫﹑醇二极管整流特性铂/硫化镉﹑铂/氧化钛室温~450℃氢气﹑一氧化碳乙醇晶体管特性铂栅MOS场效应管150℃氢气﹑硫化氢３、半导体气敏材料与传感器发展概况•P型半导体气敏材料----主要载流子是空穴，常用NiO、CuO、LaFeO3等。•气敏传感器发展---随材料科学研究的发展；•N型半导体气敏材料----主要载流子是电子，常用Sn02、Fe2O3、ZnO等；•发展趋势—一维纳米材料气敏材料，纳米气敏传感器，小型化、集成化、智能化、多功能化。具有小的交叉灵敏度；具有较高的灵敏度和较宽动态响应范围性能稳定，传感器特性不随环境温度﹑湿度的变化而发生变化；重复性好，易于维护等。4、气敏传感器应满足下列要求电阻型半导体气敏传感器工作机理可以用吸附效应来解释。气体接触N型半导体时所导致的敏感器件阻值变化的情况，如图所示；8.1.2半导体气敏传感器工作机理电子吸收型气体：如氧气＼氮氧化物电子供给型气体：如氢气＼ＣＯ＼碳氢化合物▲敏感元件固有电阻R０和工作电阻Rs)()(12cRcRKss8.1.3半导体气敏传感器主要参数▲灵敏度表征气敏传感器对被测某气体的敏感程度。用下式表示：其中：Rs(c2)：代表浓度为c2时元件的电阻值；Rs(c1)：表示浓度为c1时元件的电阻值.SA/B-传感器对A气体的选择性系数；KA－传感器在单纯A气体中的灵敏度；KB－气体传感器在单纯B气体中的灵敏度。BAA/BKKS▲选择性：表示气体传感器对被测气体的识别(选择)以及对干扰气体的抑制能力。表示如下：▲响应时间：表示气敏器件对被检测气体响应速度；▲恢复时间：表示气敏元件对被测气体的脱附速度，用trec表示。半导体气敏传感器结构分为：烧结型、薄膜型和厚膜型。图8.2烧结型半导体气敏传感器结构8.1.4半导体气敏传感器的结构（1）烧结型气敏器件的结构•直热式烧结型气体传感器将加热元件与测量电极一同烧结在氧化物材料及催化添加剂的混合体内，加热元件直接对氧化物敏感元件加热。采用陶瓷管做基底，将加热元件装入陶瓷管内，而测量电极、氧化物材料及催化添加剂则烧结在陶瓷管的外壁，加热元件经陶瓷管璧均匀地对氧化物敏感元件加热。•旁热式烧结型气敏传感器以石英或陶瓷为绝缘基片，在基片的一面镀上加热元件。在基片的另一面镀上测量电极及氧化物半导体膜。主要特点：传感器一致性好传感器的机械强度较高，制造过程较复杂、成本较高。（2）薄膜型气敏传感器结构（3）厚膜型气敏传感器图8.4厚膜型半导体气敏传感器厚膜型半导体气敏传感器结构SnO2或ZnO+3%~15%硅凝胶－厚膜胶★厚膜型传感器制作工艺是先将氧化物材料与一定比例的黏合剂混合，并加入适量的催化剂制成糊状物，然后将该糊状混合物用丝网印刷工艺印到已印制好加热元件和Pt电极的陶瓷基片上。待自然干燥后，置于高温中煅烧而成。★主要特点机械强度高、各传感器的重复性好、而且生产工艺简单．★上述三种气敏传感器的共同之处是皆附有加热丝，加热的方式有直热式和旁热式。★气敏传感器的电阻变化率与气体浓度变化有关。气敏传感器特点与特性★气敏传感器一般受环境温度、湿度影响。SnO2气敏传感器特性：电阻变化率与气体浓度变化关系SnO2气敏传感器在低浓度下灵敏度较高。适合检测低浓度微量气体。SnO2半导体气敏传感器温度特性２、非电阻型半导体气敏传感器的结构MOS二极管气敏元件结构、等效电路利用MOS二极管的电容－电压特性或MOS场效应晶体管点电压阈值特性随气体成分及浓度变化而改变的机理制成。MOS二极管气敏传感器Ｃ－Ｖ特性总电容外加电压8.2湿敏传感器★绝对湿度：单位体积空气里所含水蒸气质量定义式为Mv为待测空气的水蒸气质量；V为待测空气的总体积；ρ为待测空气的绝对湿度其单位为或VMv3mg3mmg8.2.1湿度表示方法★湿度------是指大气中所含的水蒸气量,常用绝对湿度、相对湿度表示。★相对湿度----空气中所含水蒸气分压和在相同温度下饱和水蒸气分压之比。RHPPwv%100)(Pv为空气温度为t℃时的空气水蒸气分压；Pw为空气温度为t℃时的饱和水蒸气分压．其定义为：相对湿度=☆湿度量程:在规定的精度内能够测量的最大范围。图8.9二氧化钛/五氧化二钒湿敏传感器特性8.2.2湿敏传感器特性参数☆感湿特性:表示感湿特征量（电阻）随被测相对湿度变化的规律。▲湿度温度系数感湿特性曲线随环境温度变化而改变的特性参数。其定义如下:Ｔ——绝对温度；Ｋ—感湿特征量；α一湿度温度系数，其单位为％RH／℃常数KTdRHda)()(CO3O4-TiO2湿敏传感器温度特性▲灵敏度湿敏传感器输出增量与输入增量之比。◆响应时间在规定的环境温度下，由起始相对湿度达到稳定相对湿度时，感湿特征量由起始值变化到稳定相对湿度对应值所需要的时间。)1()(/tteRR其定义如下:ΔR为对应于Δ(RH)的输出量的稳定值,τ称为时间常数◆湿滞回线和湿滞回差传感器的吸湿特性曲线与脱湿特性曲线不一致而形成回线,称湿滞回线．8.2.3半导体陶瓷湿敏电阻当水分子在半导体表面吸附时，将从半导体陶瓷表面俘获电子，使其表面带负电。半导体若为Ｐ型，由于表面电势下降，从而有更多的空穴到达其表面，使表面层的电阻下降。1半导体陶瓷湿敏电阻工作机理(1)负湿敏特性的半导体陶瓷导电机理半导体陶瓷湿敏电阻是由不同类型的金属氧化物材料烧结而成。有负湿敏特性和正湿敏特性两类。图8.12半导体陶瓷湿敏电阻的负湿敏特性半导体若为Ｎ型，水分子的吸附同样使表面电势下降，使表面层电子耗尽，并吸引更多的空穴到达其表面，这也使Ｎ型半导体表面电阻下降。(2)正湿敏特性的半导体陶瓷工作机理●当水分子吸附在正湿敏特性半导体陶瓷材料的表面时，导致其表面层电子浓度下降。●半导体陶瓷导电仍以电子导电为主，于是表面电阻将由于电子浓度的下降而加大，从而使表面电阻随湿度的增加而加大。图8.13为半导体陶瓷湿敏元件的正湿敏特性．图8.13半导体陶瓷湿敏电阻正湿敏特性比较图8.12和图8.13正湿敏特性的湿敏电阻的灵敏度要比负湿敏特性的湿敏电阻灵敏度小。2常用半导体湿敏电阻（1）烧结型半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏传感器结构及等效电路示意图图8.14烧结型半导体陶瓷湿敏元件结构感湿体：MgCr2O4-TiO2多孔陶瓷（2）涂覆膜型Fe3O4湿敏元件,由金属氧化物微粒经过堆积、粘结而成的材料;（3）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件，其结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装在有网眼过滤的方形塑料盒中并用树脂固定。8.3磁敏传感器8.3.1磁阻传感器)273.01(220BB表达式为:１、磁阻效应ρB—磁感应强度为B时的电阻率；ρ０—B=0时的电阻率；μ—电子迁移率；B—磁感应强度。包括：霍尔元件、磁阻元件、磁敏二极管、磁敏三极管等。半导体材料的电阻率随外加磁场而变化的现象。电阻率的相对变化为：2220)(273.0BKB0B磁感应强度从0变化至B后，电阻率的变化量为：可见：磁场一定，迁移率越高的材料其磁阻效应越明显。2、磁敏电阻的形状)(bLf)](1[)(20bLfBKL、b—分别为电阻的长度和宽度；—形状效应函数磁阻效应的大小除了与材料有关外，还与磁敏电阻的几何形状有关。若考虑几何形状的影响，则电阻率的相对变化可近似用下式表示：常见的磁敏电阻是圆盘形的，如图8.15.图8.16为磁阻率与磁感应强度及几何形状的关系3、磁敏电阻特性在低磁场范围内，其电阻值与磁场强度的平方成正比关系；在高磁场范围内，其电阻值与磁场强度成线性关系。1结构磁敏二极管(SMD)的结构8.3.2磁敏二极管在高阻半导体芯片（本征区I）的两端，分别制作P、N两个电极，形成P-I-N结。2工作原理图8.19磁敏二极管工作原理（a）图a未加磁场时，如果外加正偏压，则：●同时应有大量电子注入P区，形成电流；●只有少量电子和孔穴在I区复合。●有大量的空穴从P区通过I区进入N区；图8.19磁敏二极管工作原理●电子和空穴向r区偏转，在r区电子和空穴复合的速度很快，它们将因复合而消失；（b）图b，当受到正向磁场作用时，电子和空穴都受到洛仑兹力的作用而偏转。●结果：电流减小，电阻增加。图8.19磁敏二极管工作原理（c）图c当受到负向磁场作用时，电子和空穴则向另一面偏转●此时它们的复合率变小，可使电流增大，电阻减小。以上分析可知：根据电流大小可测磁场的方向和强度。3磁敏二极管的主要特性(1)磁电特性在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系。图8.21硅磁敏二极管输出电压与B的关系(2)伏安特性磁敏二极管正向偏压与通过其电流的关系(3)灵敏度%100UK00BLUUU0—磁感应强度为零时，磁敏二极管两端的电压;UB—磁感应强度为B时，磁敏二极管两端的电压在恒流源偏置下，磁敏二极管的输出电压随磁感应强度B变化而产生的相对变化定义为电压相对灵敏度KL(4)温度特性图8.22硅磁敏二极管输出电压的温度特性在标准测试条件下，输出电压随温度变化的特性。磁敏二极管特点1)灵敏度高。2)具有正反向磁灵敏度,这是磁阻器件所不具备的3)在较小电流下工作时，仍有很高的灵敏度.4)它的缺点是灵敏度与磁场呈线性关系的范围窄。8.3.3磁敏三极管磁敏三极管分两种:3BCM型锗磁敏三极管,3CCM型硅磁敏三极管磁敏晶体管的放大系数是随着磁场方向变化的；而且具有正反向不同的磁灵敏度。8.4色敏传感器（不讲）●色敏传感器是基于半导体的内光电效应，将光信号变为电信号的光辐射探测器件。●可直接用来测量从可见光到近红外光波段内单色辐射光波。8.4.1半导体色敏传感器基本原理价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带,从而使光在半导体中传播时衰减.这种吸收光子的过程称为本征吸收,其特性曲线如图8.23所示;光电器件常用量子效率来表征光生电子流与入射光子流的比值大小理论证明，P区在不同结深时，其量子效率随波长而变化，特性曲线如图Xj表示P结的深度图8.24量子效率随波长的变化1.双色硅色敏器件工作原理双色硅色敏器件的结构与其其等效电路如图8.25所示利用不同结深的二极管的组合，就可构成测量特定波长的半导体色敏传感器图8.25双结色敏二极管结构具体使用时，要对该色敏器件进行标定,测定比值如图8.26给出了不同结深色敏二极管的光谱响应曲线SD1SD2II图8.26双结色敏二极管光谱特性2.三色硅色敏器件的工作原理对于多波长组成的混合色光，特别是印刷物或颜料的颜色识别，必须用三色硅色敏器件.如图8.27为一种全色色敏器件的结构示意图;图8.27全色色敏器件结构示意图1光谱特性8.4.2半导体色敏传感器的基本特性光谱特性是表示它所能检测的波长范围2、短路电流比—波长特性图8.28色敏传感器短路电流比－波长特性表征半导体色敏器件对波长的识别能力8.5半导体传感器的应用气敏传感器可用于