傳感器及應(yīng)用第11章半導(dǎo)體傳感器

第九章 半導(dǎo)體傳感器 半導(dǎo)體傳感器 氣敏傳感器 濕敏傳感器 色敏傳感器 氣敏傳感器 用途： 主要用于工業(yè)上天然氣、煤氣、石油化工等部門的易 燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測、預(yù)報和自動控制 , 氣敏元 件是以化學(xué)物質(zhì)的成分為檢測參數(shù)的化學(xué)敏感元件。 材料： 氣敏電阻的材料是金屬氧化物半導(dǎo)體（分 P型如氧化錫 和 N型如氧化鈷），合成材料有時還滲入了催化劑 , 如鈀 （ Pd）、鉑（ Pt）、銀（ Ag）等。 氣敏傳感器工作原理 敏感材料的功函數(shù) 吸附分子的離解能 -吸附分子向材料釋 放電子（正離子吸附、還原型氣體），敏感材料的載流子增 加 - ，如 、 為提高氣體靈敏度，一般需加熱以加快氧化還原反應(yīng)（到 200 450 ） ,同時加熱還能使附著在測控部分上的油霧、塵 埃燒掉。 R 2O xNO R 2H CO 氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu) 電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器 由三部分組成：敏感元件、加熱器和外殼 燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型 非電阻型半導(dǎo)體傳感器 MOS二極管氣敏器件 MOS場效應(yīng)晶體管氣敏器件 濕敏傳感器 絕對濕度和相對濕度 絕對濕度：一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水 蒸氣的質(zhì)量，單位 g/m3，一般用符號 AH表示。 相對濕度：氣體的絕對濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對濕度之 比，一般用符號 %RH表示。 在實際使用中多使用相對濕度這個概念。 氯化鋰濕敏電阻 原理 ：材料吸濕潮解或干化（能互逆），使器件的電阻率發(fā) 生變化。 氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，其溶液中的離子導(dǎo)電能 力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫濕場中 , 若環(huán)境相對濕度 高 , 溶液將吸收水分， 使?jié)舛冉档?, 因此 , 其溶液電阻率增高。 反之 , 環(huán)境相對濕度變低時 , 則溶液濃度升高 , 其電阻率下降 半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻 用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶 瓷。 導(dǎo)電機理：類似氣敏電阻 一般有兩種： 負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻率隨溫度增加而下降 水分子中的氫原子具有很強的正電場，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時，有可能從半導(dǎo)瓷表面 俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。對于 P型半導(dǎo)體，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面，使 其表面層的電阻下降。對于 N型半導(dǎo)體？ 正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻率隨溫度增加而增大 當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢變負(fù)時，導(dǎo)致其表面層電子濃度下降，但 色敏傳感器 色敏傳感器是光敏傳感器的一種。光敏器件一般檢測的都是 在一定波長范圍內(nèi)光的強度，而半導(dǎo)體色敏傳感器則可用來 直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的 波長 。 對于用半導(dǎo)體硅制造的光電二極管 , 在受光照射時 , 若入射 光子的能量 h 大于硅的禁帶寬度 Eg, 則光子就激發(fā)價帶中的 電子躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生一對電子 -空穴。 光在半導(dǎo)體中傳播時的衰減是由于價帶電子吸收光子而從價 帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果 , 這種吸收光子的過程稱為本征吸收。 不同材料對不同波長的光吸收程度不一樣。對硅而言，波長 短的光子衰減快 , 穿透深度較淺 , 而波長長的光子則能進入 硅的較深區(qū)域 。 淺的 P-N結(jié)有較好的藍(lán)紫光靈敏度 , 深的 P-N結(jié)則有利于紅外 靈敏度的提高 , 半導(dǎo)體色敏器件正是利用了這一特性。 半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理 依據(jù)：半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不 同的靈敏度。 在具體應(yīng)用時 , 應(yīng)先對該色敏器件進行標(biāo)定。 測定不同波長的光照射下 , 該器件中兩只光電二極管短 路電流的比值 ISD2 ISD1, （ ISD1是淺結(jié)二極管的短路電流 , 它在 短波區(qū)較大， ISD2是深結(jié)二極管的短路電流 , 它在長波區(qū)較大 ）。 確定二者的比值與入射單色光波長的關(guān)系。 根據(jù)標(biāo)定的曲線 , 實測出某一單色光時的短路電流比值 , 即可確定該單色光的波長。 半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征 光譜特性 短路電流比波長特性 溫度特性 為什么不能用（二極管的）光譜特性（光生伏特效應(yīng)），而 用二級對管的短路電流比測量單色光的波長？ 1.消除光強的影響。 2.溫度影響（得到補償） 磁敏傳感器（補） 磁阻電阻 工作原理：半導(dǎo)體在磁場作用下有霍爾效應(yīng)，電阻也會變化 電阻率的相對變化： 其中 是電子遷移率 磁阻二極管 工作原理：利用洛倫茲力的作用 二極管的結(jié)構(gòu)特點： P-I-N結(jié)構(gòu)，其中本征區(qū) I的長度較長。本征區(qū)的 兩個側(cè)面一個制成光面、一個制成毛面。在毛面電子 -空穴對易復(fù)合 消失、電流小。在光面電子 -空穴對不易復(fù)合消失、電流大。可測量 磁場的大小和方向。 特點：測量靈敏度高（比霍爾元件高幾百倍）、能判定的方向。 2)( BK 毛面 P N 半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用（ 1） 半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用（ 2） 熱電式傳感器（補） 熱電偶 熱電阻 集成溫度傳感器 熱電偶傳感器 熱電偶工作原理 熱電現(xiàn)象：兩種不同材料導(dǎo)線在連接處形成節(jié)，如將這兩個節(jié)分別置 于不同的溫度下（ T0和 T1），便會在回路中形成電流。 熱電勢分為 接觸電勢 和 溫差電勢 接觸電勢：不同材料電子濃度不同，在節(jié)點處發(fā)生擴散導(dǎo)致電勢 設(shè)：導(dǎo)體 A、 B的電子濃度分別為 NA、 NB，則： 其中： K為波爾茲曼常數(shù) T為結(jié)點所處溫度 若 NA NB ，則 eAB(T)0,反之亦然。故：電子濃度高的材料電位高。 溫差電勢：同一種金屬導(dǎo)體，由于二頭的溫度不同，電子從高溫段向低 溫段擴散，高溫處帶正電。 A與 T0、 T有關(guān)， 湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體兩端單 位溫度差時產(chǎn)生的電勢 。 若 TT0，則 eAB(T)0，反之亦然。 A B T T 0 B AAB N N e kTTe ln)( dTTTe TT AA 0 ),( 0 熱電偶傳感器 接觸電勢與溫差電勢的性質(zhì) 回路總電勢 討論： 熱電偶的材料相同時， EAB(T,T0)=0 熱電偶的兩個節(jié)點所處的溫度相同時 ， EAB(T,T0)=0 所以形成熱電勢的兩個必要條件： 兩種導(dǎo)體的材料不同節(jié)點所處的溫度不同 )()( TeTe BAAB )()()( TeTeTe ACBCAB ),(),( 00 TTeTTe AA )(),(),()(),()(),()(),( 0000000 TeTTeTTeTeTTeTeTTeTeTTE ABABABABABABAB 熱電偶傳感器 熱電偶基本定律 均質(zhì)導(dǎo)體定律：熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。 中間導(dǎo)體定律：在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時，只要第三種導(dǎo) 體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響，即熱電偶接過渡 （中間）導(dǎo)體（傳感器引出）時，總回路電勢不變。（測量引線） 中間溫度定律：在熱電偶測溫回路中， tc為熱電極上某一點的溫度，熱電 偶 AB在接點溫度為 t、 t0時的熱電勢 eAB(t,t0)等于熱電偶 AB在接點溫度 t、 tc和 tc、 t0時的熱電勢（溫度補償） 常用熱電偶 鉑鐒 鉑熱電偶，特點：精度高， 1300 C 鎳鉻 鎳硅熱電偶，特點：線性好， -501300 C，價格低 鎳鉻 銬銅熱電偶，特點：靈敏度高，常溫測量， -50500 C，價格低 鎢錸 10鎢錸 20熱電偶，特點：精度高，測高溫、 2000 C，成本高 熱電偶傳感器 熱電偶的溫度補償 標(biāo)準(zhǔn)測量時， T=0 C，但實際應(yīng)用時較難實現(xiàn)。常用方法為電位補償法。 補償電路置于變化的溫度環(huán)境（ tn）中，調(diào)整 R使 E(tn， to)=UA，一般 t0=0 C,Rt為正溫度系數(shù)電阻。 當(dāng) tn ,UA 以補償 U(t,tn)的下降 V+ R R1 Rt tn UA T:測量溫度 E(t,t0) C C B A 熱電阻傳感器 原理：導(dǎo)體的 隨溫度 T變化。 特點：靈敏度低，精度高，宜用于常溫和低溫測量。 對導(dǎo)體材料的要求：理化性能穩(wěn)定， 隨 T的變化大，線性好。 常用：鉑、銅。 半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器 特點：靈敏度高， A系數(shù)是金屬的 10 100倍；響應(yīng)速度快； 非線性大；互換性、穩(wěn)定性差 分類：負(fù)溫度系數(shù)；正溫度系數(shù)（常用于溫度補償電路中） 集成溫度傳感器 （半導(dǎo)體 PN結(jié)電壓隨溫度變化）