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1、1,第八章 半导体式传感器,1. 气敏传感器2. 湿敏传感器3.色敏传感器,2,一、概述二、半导体气敏传感器的机理三、半导体气敏传感器类型及结构四、气敏传感器应用,1.气 敏 传 感 器,可燃气体报警器,3,1.气 敏 传 感 器,一、概述 气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多, 性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气-电转换的传感器种类很多，按构成气敏传感器材料类别可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气敏传感器。,4,半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率、半导体性质等物理性质变化来检测气体
2、的。 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。金属氧化物半导体分为：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，氧化铜等。为提高选择性和灵敏度，还会渗入催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。,1.气 敏 传 感 器,5,（1）体电阻控制型气敏传感器 利用体电阻的变化来检测气体，主要对象有液化石油气（主要是丙烷）、煤气（主要是氢气、CO）、天然气（主要是甲烷）。如利用SnO2气敏元件可做酒精探测器，当酒精气体被检测到时，气敏元件电阻值降低，测量回路有信号输出，提供给电表显示或指示灯发亮。需提供加热电源。,1.气 敏
3、 传 感 器,6,酒精测试仪,呼气管,1.气 敏 传 感 器,7,（2）非电阻型型气敏传感器 主要有二极管、场效应晶体管（FET）和电容型几种。 二极管气敏传感器是利用一些气体被金属与半导体界面吸收，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。 场效应晶体管（FET）型是根据栅压阀值的变化来检测未知气体。 电容型是根据CaO-BaTi3等复合氧化物随CO2浓度的变化，其静电容量有很大变化而制成。,1.气 敏 传 感 器,8,表一 半导体气敏元件的分类,1.气 敏 传 感 器,9,二、半导体气敏传感器的机理 半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导
4、致敏感元件阻值变化而制成的。,1.气 敏 传 感 器,10,当半导体材料的分子相对于吸附分子来说易于失去电子，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现正电荷层。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体材料的分子相对于吸附分子来说易于得到电子，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。,1.气 敏 传 感 器,11,当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上
5、，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。,1.气 敏 传 感 器,N型半导体,P型半导体,12,气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。,1.气 敏 传 感 器,13,图1表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。空气中气体含量恒定，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。N型材料有SnO2、ZnO、TiO2等，P型材料有MoO
6、2、Cr2O3等。,1.气 敏 传 感 器,图1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图,14,三、半导体气敏传感器类型及结构 1.电阻型半导体气敏传感器 按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种。,1.气 敏 传 感 器,15,图2 气敏半导体传感器的器件结构(a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件,1.气 敏 传 感 器,16,图2(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加压、温度为700900的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；但由于烧结不充分，
7、器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制。,1.气 敏 传 感 器,17,图2(b)为薄膜型器件。它采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下），制作方法简单。实验证明，SnO2半导体薄膜的气敏特性最好，但这种半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性能差异较大。,1.气 敏 传 感 器,图2 气敏半导体传感器的器件结构(b) 薄膜型器件,18,厚膜型器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成。这种工艺制成的元件机械强度高，离散度小，适合大批量生产。这些器件全部附有加热器，作用是
8、将附着在敏感元件表面的尘埃、油雾等烧掉，加速气体吸附和反应，从而提高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200400左右。,1.气 敏 传 感 器,图2 (c) 厚膜型器件,19,加热方式一般有直热式和旁热式两种，直热式气敏器件的结构及符号如图3所示，它是将加热丝、测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。制造工艺简单、成本低、功耗小，但热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。,1.气 敏 传 感 器,图3 直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号,20,旁热式气敏器件的结构及符号如图4所
9、示，它是将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上SnO2等材料。它克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离，避免了测量回路和加热回路的相互影响，器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响，结构器件的稳定性、可靠性都较直热式器件好。,1.气 敏 传 感 器,图4 旁热式气敏器件的结构及符号,21,2. 非电阻型半导体气敏传感器 非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOS二极管的电容电压特性的变化以及MOS场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。此类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价格便宜。利用特定
10、材料还可以使器件对某些气体特别敏感。,1.气 敏 传 感 器,22,(1) MOS二极管气敏器件 其制作过程是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50100 nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，如图5(a)所示。由于钯对氢气(H2)特别敏感，当钯吸附了H2以后，会使钯失去电子的能力减弱，导致MOS管的C-U特性向负偏压方向平移，如图5(c)曲线b所示。根据这一特性就可用于测定H2的浓度。,1.气 敏 传 感 器,图5 MOS二极管结构和等效电路 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性,23,四、气敏传感器应用 半导体气敏传感器由于具有灵敏
11、度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，得到了广泛的应用。按其用途可分为以下几种类型：气体泄露报警、自动控制、自动测试等。 气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。 表二给出了半导体气敏传感器的应用举例。,1.气 敏 传 感 器,24,表二 半导体气敏传感器的各种检测对象气体,1.气 敏 传 感 器,25,一、还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加
12、少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。,1.气 敏 传 感 器,26,气敏电阻外形,酒精传感器,其他可燃性气体传感器,1.气 敏 传 感 器,27,家庭用煤气报警器,1.气 敏 传 感 器,28,其他气体传感器,NH3传感器,甲烷传感器,1.气 敏 传 感 器,29,二、氧浓度传感器氧浓度传感器外形,可用于汽车尾气测量,1.气 敏 传 感 器,30,汽车尾气分析,1.气 敏 传 感 器,31,三、自动空气净化装置 当室内空气污浊，烟雾或者其他污染气体使气敏元件阻值下降，电路导通，接通风扇，排放污浊气体，或者使用燃烧装置烧掉，换进新鲜空气。,1.气 敏 传 感 器,当
13、室内污浊气体浓度下降到希望的数值时，气敏元件阻值上升，电路断开，加热器和风扇停止工作。,32,休 息 一 下,班主任张老师怒气冲冲的走进教室厉声说：你们叫我语文张，我忍了。但新来的政治老师范老师，你们为什么叫她政治犯呢？,33,一、湿度二、氯化锂湿敏电阻三、半导体陶瓷湿敏电阻四、湿敏电阻传感器的应用,2.湿 敏 传 感 器,34,一、湿度 在四五月份，人们经常会感到闷热不适，地面返潮，这种现象的本质是空气中的相对湿度太大造成的。 湿度的检测与控制在现代科研、生产、生活中的地位越来越重要。例如：许多储物仓库在湿度超过一定程度时，物品易发生变质或者霉变现象；居家的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的湿
14、度保持在60%-70%RH；在农业生产中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。,2.湿 敏 传 感 器,35,湿度的概念是空气中含有水蒸气的多少。它有三种表示方法：1.绝对湿度，它表示每立方米空气中所含的水蒸气的量，单位是千克/立方米，一般用符号AH表示。 2.含湿量，它表示每千克干空气所含有的水蒸气量，单位是千克/千克干空气;3.相对湿度，表示空气中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值，得数是一个百分比。(也就是指在一定时间内，某处空气中所含水汽量与该气温下饱和水汽量的百分比，用RH表示。,2.湿 敏 传 感 器,36,一定温度和压力下，一定数量的空气只能容纳一定
15、限度的水蒸气。当一定数量的空气在该温度和压力下最大限度容纳水蒸气，这样的空气称饱和空气；未能最大限度容纳水蒸气，这样的空气称未饱和空气。 在一定大气压力下，温度和大气中水汽含量的最大值之间的关系是确定的，可以查表得到。例如，同样是17g/m3的绝对湿度，如果是在炎热的夏天中午，由于离当时的饱和状态尚远，人就感到干燥；如果是在初夏的傍晚，虽然水汽密度仍为17g/m3，但气温比中午下降很多，使大气水汽密度接近饱和状态，人们就会感到汗水不易挥发，因此觉得闷热。,2.湿 敏 传 感 器,37,二、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。由引线、基片、感湿层与电极组成，
16、如图6所示。氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li对水分子的吸引力强，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。,2.湿 敏 传 感 器,图6 湿敏电阻结构示意图,38,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，溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏元件的电阻湿度特性曲线如图7所示。,2.湿 敏 传 感 器,图7 氯化锂湿度电阻特性曲线,39,三、半导体陶瓷湿敏电阻 通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。如ZnO-LiO2-V2O
17、5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。1.负特性湿敏半导瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，如果该半导瓷是型半导体，则水分子吸附将吸引更多的空穴到达其表面（电子和空穴分离，电子被吸附），于是，其表面层的电阻下降。,2.湿 敏 传 感 器,40,若该半导瓷为型，则由于水分子的附着使半导瓷表面带负电，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。因此，由于水分子的吸附，使N
18、型半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见，不论是型还是型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。,2.湿 敏 传 感 器,41,2.正特性湿敏半导瓷的导电机理 正特性湿敏半导瓷导电机理的解释认为，这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，表面电阻将随湿度的增加而加大。 通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，故表面层电阻的升高，必将引起总电阻值的明显升高。,2.湿 敏 传 感 器,42,图9 Fe3O4半导瓷的正湿敏特性
19、,图8 几种半导瓷湿敏负特性,2.湿 敏 传 感 器,43,3.典型半导瓷湿敏元件（1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件 氧化镁复合氧化物-二氧化钛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，结构如图10所示，在元件陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极，与引出线烧结在一起，整个器件安装在陶瓷基片上，电极引线一般采用铂-铱合金。,2.湿 敏 传 感 器,图10 MgCr2O4-TiO2陶瓷,44,（2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件 其结构是将多孔材料的金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，其结构如图11所示。 它能连
20、续稳定地测量湿度，而无须加热除污装置，因此功耗低于0.5，体积小，成本低，是一种常用测湿传感器。,2.湿 敏 传 感 器,图11 ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构,45,水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害 湿度对电子元件的影响 当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。,2.湿 敏 传 感 器,46,露点 降低温度会产生结露现象。露点与农作物的生长有很大关系，结露也严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。,测量露点的仪器,2.湿 敏 传 感 器,47,露点传感器外
21、形,2.湿 敏 传 感 器,48,电子湿度计模块,封装后的外形,2.湿 敏 传 感 器,电子式温湿度计,机械式温湿度计,49,休息一下,某人到某汽车销售中心，掏出2000元往桌上一拍说：给我来辆桑塔纳。销售员大惊：您的钱不够啊。某人不解问：外面不是写着桑塔纳2000吗？销售员答：哦，那您出门往右拐，那家公司的奔驰才600。,50,自然界有各种各样的颜色，在所有颜色中，除鸟类羽毛由于干涉而产生颜色外，物体对光的选择吸收是产生颜色的主要原因。在色料(包括颜料、染料、油漆等)制造业中，都是制造具有选择吸收性能的色素，色料本身不是光源，他们只能将入射光选择地吸收或选择地反射，使透射光或反射光带色彩。,
22、3. 色敏传感器,51,根据这一原理，人们在单晶硅或非晶硅材料上制造两个、三个甚至四个PN结，利用不同结深的PN结对不同颜色光吸收系数的差异进行颜色识别。其中，具有三个以上PN结的元件可以同时测得 三刺激值，原则上可以 得到所有待测色，称为 全色色敏传感器。,3. 色敏传感器,52,一、色敏传感器的基本原理 相当于两只结构不同的光电二极管的组合，用于检测三基色中的一种：即红色、蓝色和绿色。它是一种单色传感器, 不同波长的入射光在深、浅PN结所产生的两个光电流的比值与波长有近似的线性关系，通过电流比可以探测单色光，也可以区分两个不同光谱组成的复色光，即色差辨别。其结构原理及等效电路如图12所示。
23、,3. 色敏传感器,图12 半导体色敏传感器结构和等效电路图,53,2.半导体色敏传感器工作原理 在图12中所表示的P-N-P不是晶体管，而是结深不同的两个PN结二极管，浅结的二极管是PN结；深结的二极管是PN结。当有入射光照射时，P、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离已基本吸收完毕。因此，浅结区即是光电二极管对紫外光的灵敏度高，而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此，深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。,3. 色敏传感器,54,在具体应用时，应先对该色敏器件进行标定。也就是说，测定不同波长的光照射下该器件
24、中两只光电二极管短路电流的比值ISD2/ISD1。ISD1是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大；ISD2是深结二极管的短路电流，它在长波区较大，因而二者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定的曲线，实测出某一单色光时的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。,3. 色敏传感器,55,3.半导体色敏传感器的基本特征光谱特性 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。图13（a）给出了国产CS1型半导体色敏器件的光谱特性，其波长范围是4001000nm。,3. 色敏传感器,图13 半导体色敏器件特性（a） 光谱特性; （b） 短路电流比波长特性,56,短
25、路电流比波长特性 短路电流比波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。图13（b）表示上述CS-1型半导体色敏器件的短路电流比波长特性曲线。,3. 色敏传感器,图13 半导体色敏器件特性（a） 光谱特性; （b） 短路电流比波长特性,57,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。,3. 色敏传感器,58,生物机电,色敏传感器的应用1,色彩信号处理电路,3. 色敏传感器,59,生物机电,识
26、别色彩，必须获得两个光电二极管的短路电流比。 故采用对数放大器电路，在电流比较小的时候，二极管两端加上的电压和流过电流之间存在近似对数关系，即OP1、OP2输出分别跟lnISD1、lnISD2成比例，OP3取它们的差。输出为Uo=C（lnISD2-lnISD1）=Cln(ISD2/ ISD1),其正比于短路电流比ISD2/ISD1的对数。其中c为比例常数。将电路输出电压经A/D变换，处理后即可判断出与电平相对应的波长（即颜色）。,3. 色敏传感器,60,色敏传感器的应用2-硅色敏传感器应用设计 系统的工作原理是：通过键盘电路设定光源的发光大小，调整色敏传感器的工作点，进行颜色测定时，须对信号采集电路的信号输出大小进行计算，得出被测饮料罐的颜色值，把所测的颜色值同单片机中的饮料罐颜色值进行比较，得到它们之间最相关的值，确定所测值的颜色。如果产生所谓“倒罐”，系统显示报警信号，同时可提交传送带可编程控制器或驱动气动执行机构。,3. 色敏传感器,61,休息一下,讲经济学的老师为了说明保险人和受益人的关系，举例说：我投了人身保险，有一天不幸被车撞死了，你们师母就可以获得赔偿金。她就是受益人，那么我是什么人？答：死人。,
