传感器及应用第11章半导体传感器

第九章 半导体传感器 半导体传感器 气敏传感器 湿敏传感器 色敏传感器 气敏传感器 用途： 主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易 燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制 , 气敏元 件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。 材料： 气敏电阻的材料是金属氧化物半导体（分 P型如氧化锡 和 N型如氧化钴），合成材料有时还渗入了催化剂 , 如钯 （ Pd）、铂（ Pt）、银（ Ag）等。 气敏传感器工作原理 敏感材料的功函数 吸附分子的离解能 -吸附分子向材料释 放电子（正离子吸附、还原型气体），敏感材料的载流子增 加 - ，如 、 为提高气体灵敏度，一般需加热以加快氧化还原反应（到 200 450 ） ,同时加热还能使附着在测控部分上的油雾、尘 埃烧掉。 R 2O xNO R 2H CO 气敏传感器类型及结构 电阻型半导体气敏传感器 由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳 烧结型、薄膜型、厚膜型 非电阻型半导体传感器 MOS二极管气敏器件 MOS场效应晶体管气敏器件 湿敏传感器 绝对湿度和相对湿度 绝对湿度：一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水 蒸气的质量，单位 g/m3，一般用符号 AH表示。 相对湿度：气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之 比，一般用符号 %RH表示。 在实际使用中多使用相对湿度这个概念。 氯化锂湿敏电阻 原理 ：材料吸湿潮解或干化（能互逆），使器件的电阻率发 生变化。 氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，其溶液中的离子导电能 力与浓度成正比。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 , 环境相对湿度变低时 , 则溶液浓度升高 , 其电阻率下降 半导体陶瓷湿敏电阻 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。 导电机理：类似气敏电阻 一般有两种： 负特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随温度增加而下降 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，有可能从半导瓷表面 俘获电子，使半导瓷表面带负电。对于 P型半导体，将吸引更多的空穴到达其表面，使 其表面层的电阻下降。对于 N型半导体？ 正特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随温度增加而增大 当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但 色敏传感器 色敏传感器是光敏传感器的一种。光敏器件一般检测的都是 在一定波长范围内光的强度，而半导体色敏传感器则可用来 直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的 波长 。 对于用半导体硅制造的光电二极管 , 在受光照射时 , 若入射 光子的能量 h 大于硅的禁带宽度 Eg, 则光子就激发价带中的 电子跃迁到导带而产生一对电子 -空穴。 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。 不同材料对不同波长的光吸收程度不一样。对硅而言，波长 短的光子衰减快 , 穿透深度较浅 , 而波长长的光子则能进入 硅的较深区域 。 浅的 P-N结有较好的蓝紫光灵敏度 , 深的 P-N结则有利于红外 灵敏度的提高 , 半导体色敏器件正是利用了这一特性。 半导体色敏传感器工作原理 依据：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。 在具体应用时 , 应先对该色敏器件进行标定。 测定不同波长的光照射下 , 该器件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 ）。 确定二者的比值与入射单色光波长的关系。 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。 半导体色敏传感器的基本特征 光谱特性 短路电流比波长特性 温度特性 为什么不能用（二极管的）光谱特性（光生伏特效应），而 用二级对管的短路电流比测量单色光的波长？ 1.消除光强的影响。 2.温度影响（得到补偿） 磁敏传感器（补） 磁阻电阻 工作原理：半导体在磁场作用下有霍尔效应，电阻也会变化 电阻率的相对变化： 其中 是电子迁移率 磁阻二极管 工作原理：利用洛伦兹力的作用 二极管的结构特点： P-I-N结构，其中本征区 I的长度较长。本征区的 两个侧面一个制成光面、一个制成毛面。在毛面电子 -空穴对易复合 消失、电流小。在光面电子 -空穴对不易复合消失、电流大。可测量 磁场的大小和方向。 特点：测量灵敏度高（比霍尔元件高几百倍）、能判定的方向。 2)( BK 毛面 P N 半导体传感器的应用（ 1） 半导体传感器的应用（ 2） 热电式传感器（补） 热电偶 热电阻 集成温度传感器 热电偶传感器 热电偶工作原理 热电现象：两种不同材料导线在连接处形成节，如将这两个节分别置 于不同的温度下（ T0和 T1），便会在回路中形成电流。 热电势分为 接触电势 和 温差电势 接触电势：不同材料电子浓度不同，在节点处发生扩散导致电势 设：导体 A、 B的电子浓度分别为 NA、 NB，则： 其中： K为波尔兹曼常数 T为结点所处温度 若 NA NB ，则 eAB(T)0,反之亦然。故：电子浓度高的材料电位高。 温差电势：同一种金属导体，由于二头的温度不同，电子从高温段向低 温段扩散，高温处带正电。 A与 T0、 T有关， 汤姆逊系数，表示导体两端单 位温度差时产生的电势 。 若 TT0，则 eAB(T)0，反之亦然。 A B T T 0 B AAB N N e kTTe ln)( dTTTe TT AA 0 ),( 0 热电偶传感器 接触电势与温差电势的性质 回路总电势 讨论： 热电偶的材料相同时， EAB(T,T0)=0 热电偶的两个节点所处的温度相同时 ， EAB(T,T0)=0 所以形成热电势的两个必要条件： 两种导体的材料不同节点所处的温度不同 )()( TeTe BAAB )()()( TeTeTe ACBCAB ),(),( 00 TTeTTe AA )(),(),()(),()(),()(),( 0000000 TeTTeTTeTeTTeTeTTeTeTTE ABABABABABABAB 热电偶传感器 热电偶基本定律 均质导体定律：热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。 中间导体定律：在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导 体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响，即热电偶接过渡 （中间）导体（传感器引出）时，总回路电势不变。（测量引线） 中间温度定律：在热电偶测温回路中， tc为热电极上某一点的温度，热电 偶 AB在接点温度为 t、 t0时的热电势 eAB(t,t0)等于热电偶 AB在接点温度 t、 tc和 tc、 t0时的热电势（温度补偿） 常用热电偶 铂铹 铂热电偶，特点：精度高， 1300 C 镍铬 镍硅热电偶，特点：线性好， -501300 C，价格低 镍铬 铐铜热电偶，特点：灵敏度高，常温测量， -50500 C，价格低 钨铼 10钨铼 20热电偶，特点：精度高，测高温、 2000 C，成本高 热电偶传感器 热电偶的温度补偿 标准测量时， T=0 C，但实际应用时较难实现。常用方法为电位补偿法。 补偿电路置于变化的温度环境（ tn）中，调整 R使 E(tn， to)=UA，一般 t0=0 C,Rt为正温度系数电阻。 当 tn ,UA 以补偿 U(t,tn)的下降 V+ R R1 Rt tn UA T:测量温度 E(t,t0) C C B A 热电阻传感器 原理：导体的 随温度 T变化。 特点：灵敏度低，精度高，宜用于常温和低温测量。 对导体材料的要求：理化性能稳定， 随 T的变化大，线性好。 常用：铂、铜。 半导体热敏电阻传感器 特点：灵敏度高， A系数是金属的 10 100倍；响应速度快； 非线性大；互换性、稳定性差 分类：负温度系数；正温度系数（常用于温度补偿电路中） 集成温度传感器 （半导体 PN结电压随温度变化）