第九章-半导体传感器

传感器与检测技术董春利主编潘洪坤执笔大连职业技术学院电气电子工程系2008年3月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材第九章半导体传感器9.1气敏传感器9.2湿敏传感器9.3色敏传感器第一节气敏传感器一、气敏电阻工作原理1．气敏电阻的材料气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成。金属氧化物半导体：N型半导体，如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等；P型半导体，如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时还渗入了催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。2．气敏电阻的工作过程气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃），目的是为了加速上述的氧化还原反应。3．气敏电阻的结构与工作电路在低浓度下灵敏度高，而高浓度下趋于稳定值。因此，常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。二、气敏元件的结构1．烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧结而成。常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件3．厚膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法，在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1μm以下），构成薄膜型气敏元件。这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500℃的较高温度。2．薄膜型气敏元件将气敏材料（如SnO2、ZnO）与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。三、气敏传感器的分类1．气敏传感器的应用场合2．气敏传感器及其应用（1）表面控制型气体传感器常用的材料为氧化锡和氧化锌等较难还原的氧化物，也有研究用有机半导体材料的。一旦器件与被测气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电子释放出来，使敏感膜表面电导率增大，器件电阻减少。（2）体电阻控制型气体传感器体控制型电阻式气体传感器是利用体电阻的变化来检测气体的半导体器件。检测对象主要有：液化石油气，主要是丙烷；煤气，主要是CO、H2；天然气，主要是甲烷。工作时要提供加热电源。（3）非电阻型气体传感器二极管气体传感器是利用一些气体被金属与半导体的界面吸收，对半导体禁带宽度或金属的功函数的影响，而使二极管整流特性发生性质变化而制成。电容型气体传感器是根据CaO-BaTiO3等复合氧化物随CO2浓度变化、其静电容量有很大变化而制成。四、气体传感器的应用该测试仪只要被试者向传感器吹一口气，便可显示出醉酒的程度，确定被试者是否还适宜驾驶车辆。1．实用酒精测试仪2．气体报警器家用气体报警器电路采用直热式气敏器件TGS109作气体传感器。3．自动空气净化换气扇自动换气扇电路原理图用于空气净化的自动换气扇。第二节湿敏传感器湿敏传感器常用于精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，在气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。湿敏传感器是利用空气水分子对材料的影响制成的测量空气中水份的传感器，其中比较常用的是半导体陶瓷型的湿敏电阻，此外，还有电解质型、有机高分子型等。一、湿敏电阻的工作原理1．湿敏半导体陶瓷的导电机理半导体陶瓷湿敏电阻通常是用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。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。（1）负特性湿敏半导瓷半导瓷为Ｎ型，则由于水分子的附着使表面电势下降Ｐ型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降几种半导瓷湿敏负特性正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线（2）正特性湿敏半导瓷2．电解质湿敏电阻的工作机理原理:将空气的相对湿度的测量转换为元件电阻值的测量。氯化锂性质:不分解、不挥发，不变质、具有稳定性质的物质，在空气中有很强的吸湿性，且极易溶解于水中。其吸湿量与空气的相对湿度成一定关系。氯化锂吸收的水分也就越多，其电阻率愈小氯化锂放出水分，导致电阻增大。二、湿敏电阻的主要特性1．电阻—湿度特性随着相对湿度的增加，半导体陶瓷的电阻值急骤下降，基本按指数规律下降2．电阻—温度特性指湿度传感器的电阻随温度的变化而变化的特性MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器湿度—阻值关系曲线3．响应时间响应时间是在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。4．稳定性湿度传感器，需要进行下列实验：高温负荷实验高温高湿负荷试验油气循环试验MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性三、湿敏传感器的结构1．氧化镁系湿敏元件氧化镁复合氧化物-二氧化钛（MgCr2O4-TiO2）湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件，它是负特性半导瓷。MgCr2O4为Ｐ型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好。2．氧化锌系湿敏元件ZnO-Cr2O3湿敏元件的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，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定而做成的。3．氯化锂湿敏传感器氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。该元件由引线、基片、感湿层与电极组成。当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。1-引线；2-基片3-感湿层；4-金属电极氯化锂湿敏元件结构氯化锂湿敏元件湿度—电阻特性曲线四、湿敏传感器的应用1．自动去湿装置自动去湿装置电路图2．直读式湿度计直读式湿度计电路图第三节色敏传感器半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。但不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的都是在一定波长范围内光的强度，或者说光子的数目。而半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。一、色敏传感器的原理半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合，故又称光电双结二极管。色敏传感器结构原理及等效电路1．光电二极管的工作原理Ec表示导带底能量；Ev表示价带顶能量。“○”表示带正电荷的空穴，“●”表示电子，IL表示光电流，光照下的P-N结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波长变化曲线量子效率表征光生电子流与入射光子流的比值大小。其物理意义是指单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。量子效率随波长变化曲线在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。可以用来测量入射光的波长。硅色敏管中VD1和VD2的光谱响应曲线二、色敏传感器的特性1．光谱特性半导体色敏器件的光谱特性是表示它所能检测的波长范围，不同型号之间略有差别。2．短路电流比—波长特性（a）光谱特性图（b）短路电流比—波长特性半导体色敏器件特性3．温度特性由于半导体色敏器件测定的是两只光电二极管短路电流之比，而这两只光电二极管是做在同一块材料上的，具有相同的温度系数，这种内部补偿作用使半导体色敏器件的短路电流比对温度不十分敏感，所以通常可不考虑温度的影响。三、色敏传感器的应用由色敏半导体传感器、两路对数电路及运算放大器OP3构成。自动颜色信号处理电路作业与思考题1．简要说明气体传感器有哪些种类，并说明它们各自的工作原理和特点。2．说明含水量检测与一般的湿度检测有什么不同。3．烟雾检测与一般的气体检测有什么不同。4．根据所学知识试画出自动吸排油烟机的电路原理框图，并分析其工作过程。5．目前湿度检测研究的主要方向是什么。6．举例说明你看到的半导体传感器，画出功能框图，并分析其工作原理。7．湿敏传感器有哪些种类，并说明它们各自的工作原理和特点。8．色敏传感器有哪些用途，并说明它们各自的工作原理。