半導(dǎo)體傳感器課件

半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器1內(nèi)容1半導(dǎo)體氣敏傳感器2濕敏傳感器3色敏傳感器4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用

內(nèi)容1半導(dǎo)體氣敏傳感器2濕敏傳感器3色敏傳感器421半導(dǎo)體氣敏傳感器氣敏傳感器是用來測量氣體的類別、濃度和成分的傳感器，而半導(dǎo)體氣敏傳感器是目前實際使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器?！粲捎跉怏w種類繁多，性質(zhì)也各不相同，不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體，因此半導(dǎo)體氣敏傳感器的種類非常多。◆目前半導(dǎo)體氣敏傳感器常用于工業(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。1半導(dǎo)體氣敏傳感器氣敏傳感器是31半導(dǎo)體氣敏傳感器

1.1氣敏電阻的工作原理◆氣敏電阻的材料是金屬氧化物，在合成材料時，通過化學(xué)計量比的偏離和雜質(zhì)缺陷制成，金屬氧化物半導(dǎo)體分N型半導(dǎo)體，如氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢等，P型半導(dǎo)體，如氧化鈷、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳等。為了提高某種氣敏元件對某些氣體成分的選擇性和靈敏度，合成材料有時還滲入了催化劑，如鈀（Pd）、鉑（Pt）、銀（Ag）等。1半導(dǎo)體氣敏傳感器1.1氣敏電阻的工作原理41半導(dǎo)體氣敏傳感器◆金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)體后卻顯示氣敏特性。通常器件工作在空氣中，空氣中的氧和NO2這樣的電子兼容性大的氣體，接受來自半導(dǎo)體材料的電子而吸附負(fù)電荷，結(jié)果使N型半導(dǎo)體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導(dǎo)電子減少，使表面電導(dǎo)減小，從而使器件處于高阻狀態(tài)。一旦元件與被測還原性氣體接觸，就會與吸附的氧起反應(yīng)，將被氧束縛的電子釋放出來，敏感膜表面電導(dǎo)增加，使元件電阻減小。1半導(dǎo)體氣敏傳感器◆金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)51半導(dǎo)體氣敏傳感器◆該類氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（200~450℃），目的是為了加速上述的氧化還原反應(yīng)。例如，用氧化錫制成的氣敏元件，在常溫下吸附某種氣體后，其電導(dǎo)率變化不大，若保持這種氣體濃度不變，該器件的電導(dǎo)率隨器件本身溫度的升高而增加，尤其在100~300℃范圍內(nèi)電導(dǎo)率變化很大。顯然，半導(dǎo)體電導(dǎo)率的增加是由于多數(shù)載流子濃度增加的結(jié)果。氣敏元件的基本測量電路如圖10-1（a）所示。氧化錫、氧化鋅材料氣敏元件輸出電壓與溫度的關(guān)系如圖10-1（b）所示。1半導(dǎo)體氣敏傳感器◆該類氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（2061半導(dǎo)體氣敏傳感器圖中EH為加熱電源，EC為測量電源，電阻中氣敏電阻值的變化引起電路中電流的變化，輸出電壓（信號電壓）由電阻Ro上取出。圖10-1輸出電壓與溫度關(guān)系1半導(dǎo)體氣敏傳感器圖10-1輸出電壓與溫度關(guān)系71半導(dǎo)體氣敏傳感器◆氣敏元件工作時需要本身的溫度比環(huán)境溫度高很多。因此，氣敏元件結(jié)構(gòu)上，有電阻絲加熱，結(jié)構(gòu)如圖10-2所示，1和2是加熱電極，3和4是氣敏電阻的一對電極。圖10-2氣敏元件結(jié)構(gòu)1半導(dǎo)體氣敏傳感器圖10-2氣敏元件結(jié)構(gòu)81半導(dǎo)體氣敏傳感器1.2氣敏傳感器的種類◆氣敏電阻元件種類很多，按制造工藝上分燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。1.燒結(jié)型氣敏元件將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中，經(jīng)加熱成型后低溫?zé)Y(jié)而成。目前最常用的是氧化錫（SnO2）燒結(jié)型氣敏元件，它的加熱溫度較低，一般在200~300℃，SnO2氣敏半導(dǎo)體對許多可燃性氣體，如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有較高的靈敏度。

1半導(dǎo)體氣敏傳感器1.2氣敏傳感器的種類91半導(dǎo)體氣敏傳感器2.薄膜型氣敏元件采用真空鍍膜或濺射方法，在石英或陶瓷基片上制成金屬氧化物薄膜（厚度0.1μm以下），構(gòu)成薄膜型氣敏元件。氧化鋅（ZnO）薄膜型氣敏元件以石英玻璃或陶瓷作為絕緣基片，通過真空鍍膜在基片上蒸鍍鋅金屬，用鉑或鈀膜作引出電極，最后將基片上的鋅氧化。1半導(dǎo)體氣敏傳感器2.薄膜型氣敏元件采用真空鍍膜或濺101半導(dǎo)體氣敏傳感器◆氧化鋅（ZnO）薄膜型氣敏元件以石英玻璃或陶瓷作為絕緣基片，通過真空鍍膜在基片上蒸鍍鋅金屬，用鉑或鈀膜作引出電極，最后將基片上的鋅氧化。氧化鋅敏感材料是N型半導(dǎo)體，當(dāng)添加鉑作催化劑時，對丁烷、丙烷、乙烷等烷烴氣體有較高的靈敏度，而對H2、CO2等氣體靈敏度很低。若用鈀作催化劑時，對H2、CO有較高的靈敏度，而對烷烴類氣體靈敏度低。因此，這種元件有良好的選擇性，工作溫度在400~500℃的較高溫度。1半導(dǎo)體氣敏傳感器◆氧化鋅（ZnO）薄膜型氣敏元件以石英111半導(dǎo)體氣敏傳感器3.厚膜型氣敏元件將氣敏材料（如SnO2、ZnO）與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠。把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有鉑電極的氧化鋁（Al2O3）基片上，在400~800℃的溫度下燒結(jié)1~2小時便制成厚膜型氣敏元件。用厚膜工藝制成的器件一致性較好，機(jī)械強(qiáng)度高，適于批量生產(chǎn)?！粢陨先N氣敏器件都附有加熱器，在實際應(yīng)用時，加熱器能使附著在測控部分上的油霧、塵埃等燒掉，同時加速氣體氧化還原反應(yīng)，從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。1半導(dǎo)體氣敏傳感器3.厚膜型氣敏元件將氣敏材料（如S122濕敏傳感器濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對濕度是指單位空間中所含水蒸汽的絕對含量或者濃度或者密度，一般用符號AH表示。相對濕度是指被測氣體中蒸汽壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比，一般用符號RH表示。相對濕度給出大氣的潮濕程度，它是一個無量綱的量，在實際使用中多使用相對濕度這一概念。2濕敏傳感器濕度是指大氣中的水蒸氣132濕敏傳感器◆水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，則空氣的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓差值越小。當(dāng)空氣溫度下降到某一溫度時，空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等。此時，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠，相對濕度為100％RH。該溫度稱為空氣的露點溫度，簡稱露點。如果這一溫度低于0℃時，水蒸氣將結(jié)霜，又稱為霜點溫度。兩者統(tǒng)稱為露點?？諝庵兴魵鈮涸叫。饵c越低，因而可用露點表示空氣中的濕度。2濕敏傳感器◆水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同142濕敏傳感器◆根據(jù)水分子易于吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部的這種特性（即水分子親和力），濕敏傳感器可分為水分子親和力型濕敏傳感器和非水分子親和力型濕敏傳感器?！粝旅娼榻B一些至今發(fā)展比較成熟的幾類濕敏傳感器。2濕敏傳感器◆根據(jù)水分子易于吸附在固體表面并滲透到固體152濕敏傳感器◆氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。該元件的結(jié)構(gòu)如圖10-3所示，由引線、基片、感濕層與電極組成。圖10-3濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖1-引線；2-基片；3-感濕層；4-金屬電極2.1氯化鋰濕敏電阻2濕敏傳感器◆氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解162濕敏傳感器◆氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正負(fù)離子的形式存在，而Li+對水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，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)舛冉档停虼?，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，從而實現(xiàn)對濕度的測量?！袈然嚌衩粼膬?yōu)點是滯后小，不受測試環(huán)境風(fēng)速影響，檢測精度高達(dá)±5%，但其耐熱性差，不能用于露點以下測量，器件性能的重復(fù)性不理想，使用壽命短。2濕敏傳感器◆氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（172濕敏傳感器2.2半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻◆半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常是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。這些材料有ZnO-LiO-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增大而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷（為敘述方便，有時將半導(dǎo)體陶瓷簡稱為半導(dǎo)瓷）。2濕敏傳感器2.2半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻182濕敏傳感器1.負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理◆由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時，就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。如果該半導(dǎo)瓷是Ｐ型半導(dǎo)體，則由于水分子吸附使表面電勢下降，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面，于是，其表面層的電阻下降。2濕敏傳感器1.負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理192濕敏傳感器◆若該半導(dǎo)瓷為Ｎ型，則由于水分子的附著使表面電勢下降，如果表面電勢下降較多，不僅使表面層的電子耗盡，同時吸引更多的空穴達(dá)到表面層，有可能使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現(xiàn)所謂表面反型層，這些空穴稱為反型載流子。2濕敏傳感器◆若該半導(dǎo)瓷為Ｎ型，則由于水分子的附著使表面202濕敏傳感器◆它們同樣可以在表面遷移而對電導(dǎo)做出貢獻(xiàn)，由此可見，不論是Ｎ型還是Ｐ型半導(dǎo)瓷，其電阻率都隨濕度的增加而下降。圖10-4表示了幾種負(fù)特性半導(dǎo)瓷阻值與濕度之關(guān)系。

圖10-4幾種半導(dǎo)瓷濕敏負(fù)特性2濕敏傳感器◆它們同樣可以在表面遷移而對電導(dǎo)做出貢獻(xiàn)，由212濕敏傳感器2.正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理◆正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理的解釋可以認(rèn)為這類材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性材料有所不同。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，但還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，此時仍以電子導(dǎo)電為主。2濕敏傳感器2.正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理222濕敏傳感器◆于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。如果對某一種半導(dǎo)瓷，它的晶粒間的電阻并不比晶粒內(nèi)電阻大很多，那么表面層電阻的加大對總電阻并不起多大作用。2濕敏傳感器◆于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這232濕敏傳感器◆不過，通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔的，表面電導(dǎo)占的比例很大，故表面層電阻的升高，必將引起總電阻值的明顯升高；但是，由于晶體內(nèi)部低阻支路仍然存在，正特性半導(dǎo)瓷的總電阻值的升高沒有負(fù)特性材料的阻值下降得那么明顯。圖10-5給出了Fe3O4正特性半導(dǎo)瓷濕敏電阻阻值與濕度的關(guān)系曲線。2濕敏傳感器◆不過，通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔的，表面電242濕敏傳感器圖10-5Fe3O4半導(dǎo)瓷濕敏電阻特性2濕敏傳感器圖10-5Fe3O4半導(dǎo)瓷濕敏電阻特性252濕敏傳感器3.典型半導(dǎo)瓷濕敏元件(1)MgCr2O4-TiO2濕敏元件●氧化鎂復(fù)合氧化物——二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕—電”轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特性半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為Ｐ型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好，結(jié)構(gòu)如圖10-6所示。

2濕敏傳感器3.典型半導(dǎo)瓷濕敏元件262濕敏傳感器圖10-6MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器結(jié)構(gòu)2濕敏傳感器圖10-6MgCr2O4-TiO2陶瓷濕272濕敏傳感器圖10-7MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器相對濕度與電阻的關(guān)系●

MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器的相對濕度與電阻值之間的關(guān)系，見圖10-7所示。傳感器的電阻值既隨所處環(huán)境的相對濕度的增加而減少，又隨周圍環(huán)境溫度的變化而有所變化。2濕敏傳感器圖10-7MgCr2O4-TiO2陶瓷282濕敏傳感器（2）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件●ZnO-Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方塑料盒中用樹脂固定而做成的，其結(jié)構(gòu)如圖10-8。圖10-8ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu)2濕敏傳感器（2）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件圖10-293色敏傳感器半導(dǎo)體色敏傳感器是半導(dǎo)體光敏感器件中的一種。它是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光輻射探測器件。但不管是光電導(dǎo)器件還是光生伏特效應(yīng)器件，它們檢測的都是在一定波長范圍內(nèi)光的強(qiáng)度，或者說光子的數(shù)目。而半導(dǎo)體色敏器件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。這是近年來出現(xiàn)的一種新型光敏器件。3色敏傳感器半導(dǎo)體色敏傳感器是303色敏傳感器3.1半導(dǎo)體色敏傳感器的基本原理◆半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)深不同的光電極二極管的組合，故又稱光電雙結(jié)二極管。其結(jié)構(gòu)原理及等效電路如圖10-9所示。為了說明色敏傳感器的工作原理，有必要了解光電二極的工作機(jī)理。

圖10-9半導(dǎo)體色敏傳感器結(jié)構(gòu)3色敏傳感器3.1半導(dǎo)體色敏傳感器的基本原理圖10-313色敏傳感器1.光電二極管的工作原理◆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hυ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。這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子—空穴統(tǒng)稱為光生載流子。光電二極管的基本部分是一個Ｐ-Ｎ結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子只要能擴(kuò)散到勢壘區(qū)的邊界。3色敏傳感器1.光電二極管的工作原理323色敏傳感器◆其中少數(shù)載流子（專指P區(qū)中的電子和N區(qū)的空穴）就受勢壘區(qū)強(qiáng)電場的吸引而被拉向?qū)γ鎱^(qū)域，這部分少數(shù)載流子對電流做出貢獻(xiàn)。多數(shù)載流子（P區(qū)中的空穴或N區(qū)中的電子）則受勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘區(qū)的邊緣。在勢壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴，則分別被電場掃向N區(qū)和P區(qū)，它們對電流也有貢獻(xiàn)。3色敏傳感器◆其中少數(shù)載流子（專指P區(qū)中的電子和N區(qū)的空333色敏傳感器◆用能帶圖來表示上述過程如圖10-10（a）所示。圖中Ec表示導(dǎo)帶底能量；Ev表示價帶頂能量?！啊稹北硎編д姾傻目昭ǎ弧啊瘛北硎倦娮?。IL表示光電流，它由勢壘區(qū)兩邊能運動到勢壘邊緣的少數(shù)載流子和勢壘區(qū)中產(chǎn)生的電子-空穴對構(gòu)成，其方向是由N區(qū)流向P區(qū)，即與無光照射P-N結(jié)的反向飽和電流方向相同。3色敏傳感器◆用能帶圖來表示上述過程如圖10-10（a）343色敏傳感器圖10-10光照下的P-N結(jié)3色敏傳感器353色敏傳感器◆當(dāng)P-N結(jié)外電路短路時，這個光電流將全部流過短接回路，即從P區(qū)和勢壘區(qū)流入N區(qū)的光生電子將通過外短接回路全部流到P區(qū)電極處，與P區(qū)流出的光生空穴復(fù)合。因此，短接時外回路中的電流是IL，方向由P端經(jīng)外接回路流向N端。這時，P-N結(jié)中的載流子濃度保持平衡值，勢壘高度（圖10-10（a）中的q（UD-U））亦無變化。3色敏傳感器◆當(dāng)P-N結(jié)外電路短路時，這個光電流將全部流363色敏傳感器◆當(dāng)P-N結(jié)開路或接有負(fù)載時，勢壘區(qū)電場收集的光生載流子便要在勢壘區(qū)兩邊積累，從而使P區(qū)電位升高，N區(qū)電位降低，造成一個光生電動勢，如圖10-10（b）所示。該電動勢使原P-N結(jié)的勢壘高度下降為q（UD-U））。其中V即光生電動勢，它相當(dāng)于在P-N結(jié)上加了正向偏壓。只不過這是光照形成的，而不是電源饋送的，這稱為光生電壓，這種現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)。

3色敏傳感器◆當(dāng)P-N結(jié)開路或接有負(fù)載時，勢壘區(qū)電場收集373色敏傳感器◆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。硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長變化的曲線如圖10-11所示。由圖可見，在紅外部分吸收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。這就表明，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(jìn)入硅的較深區(qū)域。3色敏傳感器◆光在半導(dǎo)體中傳播時的衰減是由于價帶電子吸收383色敏傳感器圖10-11吸收系數(shù)隨波長的變化3色敏傳感器圖10-11吸收系數(shù)隨波長的變化393色敏傳感器◆對于光電器件而言，還常用量子效率來表征光生電子流與入射光子流的比值大小。其物理意義是指單位時間內(nèi)每入射一個光子所引起的流動電子數(shù)。根據(jù)理論計算可以得到，P區(qū)在不同結(jié)深時量子效率隨波長變化的曲線如圖10-12所示。圖中xj即表示結(jié)深。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。3色敏傳感器◆對于光電器件而言，還常用量子效率來表征光生403色敏傳感器圖10-12量子效應(yīng)隨波長的變化3色敏傳感器413色敏傳感器2．半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理◆在圖10-9中所表示的P-N-P不是晶體管，而是結(jié)深不同的兩個P-N結(jié)二極管，淺結(jié)的二極管是P-N結(jié)；深結(jié)的二極管是P-N結(jié)。當(dāng)有入射光照射時，P、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離已基本吸收完畢。在此，淺結(jié)的即是光電二極管對紫外光的靈敏度高，而紅外部分吸收系數(shù)較小，這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。因此，深結(jié)的那只光電二極管對紅外光的靈敏度較高。3色敏傳感器2．半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理423色敏傳感器◆這就是說，在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的靈敏度。這一特性給我們提供了將這種器件用于顏色識別的可能性，也就是可以用來測量入射光的波長。將兩只結(jié)深不同的光電二極管組合，圖10-13硅色敏管中VD1和VD2的光譜響應(yīng)曲線就構(gòu)成了可以測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。在具體應(yīng)用時，應(yīng)先對該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定。3色敏傳感器◆這就是說，在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL433色敏傳感器

圖10-13硅色敏管中VD1和VD2的光譜響應(yīng)曲線3色敏傳感器圖10-13硅色敏管中VD1和VD2的443色敏傳感器◆也就是說，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，因而二者的比值與入射單色光波長的關(guān)系就可以確定。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。圖10-13表示了不同結(jié)深二極管的光譜響應(yīng)曲線。圖中VD1代表淺結(jié)二極管，VD2代表深結(jié)二極管。3色敏傳感器◆也就是說，測定不同波長的光照射下，該器件中453色敏傳感器3.2半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征1．光譜特性◆半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性是表示它所能檢測的波長范圍，不同型號之間略有差別。圖10-14（a）給出了國產(chǎn)CS—１型半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性，其波長范圍是400~1000nm。2．短路電流比—波長特性◆短路電流比—波長特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力，是賴以確定被測波長的基本特性。圖10-14（b）表示上述CS—１型半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比—波長特性曲線。3色敏傳感器3.2半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征463色敏傳感器圖10-14半導(dǎo)體色敏器件特性3色敏傳感器473色敏傳感器3.溫度特性◆由于半導(dǎo)體色敏器件測定的是兩只光電二極管短路電流之比，而這兩只光電二極管是做在同一塊材料上的，具有相同的溫度系數(shù)，這種內(nèi)部補(bǔ)償作用使半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比對溫度不十分敏感，所以通常可不考慮溫度的影響。3色敏傳感器3.溫度特性484半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用4.1瓦斯煙霧檢測儀

圖10-15瓦斯煙霧傳感器電路4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用4.1瓦斯煙霧檢測儀494半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆圖10-15為瓦斯煙霧傳感器電路，本電路可偵測廚房瓦斯泄漏、浴室一氧化碳毒氣、屋內(nèi)香煙廢氣警報。U1-d組成一個臨界準(zhǔn)位電路，當(dāng)?shù)?3腳的電壓比第12腳的電壓高時（即瓦斯?jié)舛缺阮A(yù)定值低）,U1-d的輸出為低電位，對R8，C1組成的積分電路沒作用，因此U1-c的輸出為低電位，故U2，NE555振蕩器沒動作，輸出為零。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆圖10-15為瓦斯煙霧傳感器電路504半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆當(dāng)瓦斯、煙霧或者一氧化碳的濃度被傳感器所接受時，第12腳的正電位逐漸增加，以至于超過第13腳的設(shè)定值，故U1-d的輸出為正電位電壓，此電壓對R8，C1充電，此充電電壓超過第9腳的電壓值時，接到NE555的控制電壓為高電位，因此振蕩器動作。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆當(dāng)瓦斯、煙霧或者一氧化碳的濃度被514半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆由R13，R14及C3組成的無穩(wěn)態(tài)電路由第3腳輸出一個連續(xù)的脈沖波。直到當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀谠O(shè)定值時，警報才予以解除。如圖10-5所示的傳感器檢測電路也可用于檢測酒精，不同的在于將瓦斯傳感器改成酒精傳感器而已。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆由R13，R14及C3組成的無穩(wěn)524半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用4.2室內(nèi)濕度檢測儀◆該室內(nèi)濕度／溫度測量儀的主要功能是檢測室內(nèi)環(huán)境下的濕度，其次還有溫度檢測功能。它可用于車間、倉庫、部分實驗室等場合的濕度／溫度檢測與控制。傳感器采用的是阻抗式濕度傳感器，型號為H104R。在環(huán)境溫度25℃，該傳感器的供電頻率為lkHz的情況下，40%RH時阻抗為68kΩ；60%RH時阻抗為29kΩ；80%RH時阻抗為7kΩ。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用4.2室內(nèi)濕度檢測儀534半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用圖10-16濕度檢測儀◆測量電路如圖10-16所示。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用圖10-16濕度檢測儀◆測量電路544半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用由于阻抗式傳感器需要交流電壓供電，一般都需要有振蕩器。本電路由文氏振蕩器A1、電壓跟隨器A2、溫度補(bǔ)償器A5、加法器A3和電壓放大器A4等組成。文氏振蕩器的振蕩頻率：◆其振蕩幅度由反饋量確定，調(diào)節(jié)電位器RP1,使輸出電壓為4.5V。文氏振蕩器的輸出電壓作為阻抗式濕度傳感器的工作電壓。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用由于阻抗式傳感器需要交流電554半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆電壓跟隨器主要起阻抗變換作用，其電路的輸入阻抗很高，以減弱對傳感器信號的影響。電壓跟隨器輸出的是交流信號，而這里的檢測信號需要直流，故在跟隨器后加了二極管VD3整流及10uF的電容濾波，再加到加法器A3。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆電壓跟隨器主要起阻抗變換作用，其564半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆傳感器有0.7%RH/℃左右的溫度系數(shù)，如果不采取溫度補(bǔ)償措施，隨著溫度的變化，檢測將失去意義。為此采用了A5組成的熱敏電阻溫度補(bǔ)償電路，該電路以相對濕度60%RH為中心值，在35～85%RH的范圍內(nèi)，檢測精度可達(dá)±4%RH，但要達(dá)到這樣的精度還與傳感器性能有關(guān)。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆傳感器有0.7%RH/℃左右的溫574半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆熱敏電阻Rt與24kΩ電阻并聯(lián)作為反饋電阻，當(dāng)溫度變化后輸出與溫度成比例的信號。A5的輸出信號，一路送到加法器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，另一路輸入到A6經(jīng)放大后輸出溫度檢測信號?！鬉3輸出的經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)臐穸入妷盒盘?，再?jīng)電壓放大器A4。的放大，最后輸出與濕度成比例的放大了的電壓信號。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆熱敏電阻Rt與24kΩ電阻并聯(lián)作584半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用4.3CO探測報警器◆冬季用煤炭取暖燃燒不充分，室內(nèi)會存在大量一氧化碳，能引起煤氣中毒。本CO探測報警器可用于對室內(nèi)CO含量進(jìn)行檢測報警。本探測器可使用專用一氧化碳傳感器UL281或MQ-Y1型半導(dǎo)體氣敏傳感器。探測報警電路由加熱電路、電壓輸出電路、報警電路，氣敏元件損壞指示電路和電源指示電路組成，如圖10-17所示。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用4.3CO探測報警器594半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用圖10-17CO探測報警器4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用604半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆UL281工作時需對其加熱絲進(jìn)行加熱，其加熱電源要求穩(wěn)定，故采用穩(wěn)壓電路對其供電。穩(wěn)壓電路由IC1，VT1和R1～R4組成。IC1正輸入端上的電壓為U+=12×15(47+15)=2.9V,IC1為一同相放大器，輸出電壓約為6伏左右，因此晶體管VT1導(dǎo)通，加在傳感器加熱絲與地之間的電壓約為11伏。如果空氣是清新的，通過氣敏元件的電流仍很?。ㄆ潆娮韬艽螅?。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆UL281工作時需對其加熱絲進(jìn)行614半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用

◆IC5是555時基集成電路，它組成單穩(wěn)延時電路，接通電源后大約經(jīng)過165秒后555的輸出端3腳輸出高電平，使VT2、VT5導(dǎo)通。VT2組成初始熱清洗電路，VT2導(dǎo)通后，將R6和R7短路，流經(jīng)傳感器加熱絲的電流增大，對其吸附表面進(jìn)行加熱清洗，VT5組成初始清洗指示電路，VT5導(dǎo)通后LED（黃）發(fā)光。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆IC5是555時基集成電路，它624半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆IC2組成電壓放大器，其正輸入端輸入基準(zhǔn)電壓6V，當(dāng)空氣清潔時，氣敏元件的電阻很大，IC2的放大倍數(shù)接近1；當(dāng)一氧化碳濃度增加時，氣敏元件阻值下降，IC2的放大倍數(shù)增加，輸出電壓亦增加，調(diào)整電位器RP1(10K)可改變放大倍數(shù)。IC3為電壓比較器，它和晶體管VT3組成報警電路，調(diào)節(jié)RP2可調(diào)節(jié)報警濃度設(shè)定值，當(dāng)CO濃度超過設(shè)定值時，IC3輸出高電平，VT3導(dǎo)通，蜂鳴器報警。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆IC2組成電壓放大器，其正輸入端634半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆IC4、VT4組成氣敏元件損壞指示電路，IC4接成比較器，其輸入端的電位約為4.3V。氣體元件正常工作時，R6,R7上的壓降大于4.3V，IC4輸出為負(fù)，VT4截止，LED（紅）不亮；當(dāng)傳感器加熱絲被燒斷時，R6、R7懸空其壓降為0，IC4輸出高電平，VT4導(dǎo)通，LED（紅）亮，紅燈顯示元件已損壞。此外，LED3（綠）和R24組成電源顯示電路。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆IC4、VT4組成氣敏元件損壞指64半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器65內(nèi)容1半導(dǎo)體氣敏傳感器2濕敏傳感器3色敏傳感器4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用

內(nèi)容1半導(dǎo)體氣敏傳感器2濕敏傳感器3色敏傳感器4661半導(dǎo)體氣敏傳感器氣敏傳感器是用來測量氣體的類別、濃度和成分的傳感器，而半導(dǎo)體氣敏傳感器是目前實際使用最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。◆由于氣體種類繁多，性質(zhì)也各不相同，不可能用一種傳感器檢測所有類別的氣體，因此半導(dǎo)體氣敏傳感器的種類非常多?！裟壳鞍雽?dǎo)體氣敏傳感器常用于工業(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。1半導(dǎo)體氣敏傳感器氣敏傳感器是671半導(dǎo)體氣敏傳感器

1.1氣敏電阻的工作原理◆氣敏電阻的材料是金屬氧化物，在合成材料時，通過化學(xué)計量比的偏離和雜質(zhì)缺陷制成，金屬氧化物半導(dǎo)體分N型半導(dǎo)體，如氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢等，P型半導(dǎo)體，如氧化鈷、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳等。為了提高某種氣敏元件對某些氣體成分的選擇性和靈敏度，合成材料有時還滲入了催化劑，如鈀（Pd）、鉑（Pt）、銀（Ag）等。1半導(dǎo)體氣敏傳感器1.1氣敏電阻的工作原理681半導(dǎo)體氣敏傳感器◆金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)體后卻顯示氣敏特性。通常器件工作在空氣中，空氣中的氧和NO2這樣的電子兼容性大的氣體，接受來自半導(dǎo)體材料的電子而吸附負(fù)電荷，結(jié)果使N型半導(dǎo)體材料的表面空間電荷層區(qū)域的傳導(dǎo)電子減少，使表面電導(dǎo)減小，從而使器件處于高阻狀態(tài)。一旦元件與被測還原性氣體接觸，就會與吸附的氧起反應(yīng)，將被氧束縛的電子釋放出來，敏感膜表面電導(dǎo)增加，使元件電阻減小。1半導(dǎo)體氣敏傳感器◆金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)691半導(dǎo)體氣敏傳感器◆該類氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（200~450℃），目的是為了加速上述的氧化還原反應(yīng)。例如，用氧化錫制成的氣敏元件，在常溫下吸附某種氣體后，其電導(dǎo)率變化不大，若保持這種氣體濃度不變，該器件的電導(dǎo)率隨器件本身溫度的升高而增加，尤其在100~300℃范圍內(nèi)電導(dǎo)率變化很大。顯然，半導(dǎo)體電導(dǎo)率的增加是由于多數(shù)載流子濃度增加的結(jié)果。氣敏元件的基本測量電路如圖10-1（a）所示。氧化錫、氧化鋅材料氣敏元件輸出電壓與溫度的關(guān)系如圖10-1（b）所示。1半導(dǎo)體氣敏傳感器◆該類氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)（20701半導(dǎo)體氣敏傳感器圖中EH為加熱電源，EC為測量電源，電阻中氣敏電阻值的變化引起電路中電流的變化，輸出電壓（信號電壓）由電阻Ro上取出。圖10-1輸出電壓與溫度關(guān)系1半導(dǎo)體氣敏傳感器圖10-1輸出電壓與溫度關(guān)系711半導(dǎo)體氣敏傳感器◆氣敏元件工作時需要本身的溫度比環(huán)境溫度高很多。因此，氣敏元件結(jié)構(gòu)上，有電阻絲加熱，結(jié)構(gòu)如圖10-2所示，1和2是加熱電極，3和4是氣敏電阻的一對電極。圖10-2氣敏元件結(jié)構(gòu)1半導(dǎo)體氣敏傳感器圖10-2氣敏元件結(jié)構(gòu)721半導(dǎo)體氣敏傳感器1.2氣敏傳感器的種類◆氣敏電阻元件種類很多，按制造工藝上分燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。1.燒結(jié)型氣敏元件將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中，經(jīng)加熱成型后低溫?zé)Y(jié)而成。目前最常用的是氧化錫（SnO2）燒結(jié)型氣敏元件，它的加熱溫度較低，一般在200~300℃，SnO2氣敏半導(dǎo)體對許多可燃性氣體，如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有較高的靈敏度。

1半導(dǎo)體氣敏傳感器1.2氣敏傳感器的種類731半導(dǎo)體氣敏傳感器2.薄膜型氣敏元件采用真空鍍膜或濺射方法，在石英或陶瓷基片上制成金屬氧化物薄膜（厚度0.1μm以下），構(gòu)成薄膜型氣敏元件。氧化鋅（ZnO）薄膜型氣敏元件以石英玻璃或陶瓷作為絕緣基片，通過真空鍍膜在基片上蒸鍍鋅金屬，用鉑或鈀膜作引出電極，最后將基片上的鋅氧化。1半導(dǎo)體氣敏傳感器2.薄膜型氣敏元件采用真空鍍膜或濺741半導(dǎo)體氣敏傳感器◆氧化鋅（ZnO）薄膜型氣敏元件以石英玻璃或陶瓷作為絕緣基片，通過真空鍍膜在基片上蒸鍍鋅金屬，用鉑或鈀膜作引出電極，最后將基片上的鋅氧化。氧化鋅敏感材料是N型半導(dǎo)體，當(dāng)添加鉑作催化劑時，對丁烷、丙烷、乙烷等烷烴氣體有較高的靈敏度，而對H2、CO2等氣體靈敏度很低。若用鈀作催化劑時，對H2、CO有較高的靈敏度，而對烷烴類氣體靈敏度低。因此，這種元件有良好的選擇性，工作溫度在400~500℃的較高溫度。1半導(dǎo)體氣敏傳感器◆氧化鋅（ZnO）薄膜型氣敏元件以石英751半導(dǎo)體氣敏傳感器3.厚膜型氣敏元件將氣敏材料（如SnO2、ZnO）與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠。把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有鉑電極的氧化鋁（Al2O3）基片上，在400~800℃的溫度下燒結(jié)1~2小時便制成厚膜型氣敏元件。用厚膜工藝制成的器件一致性較好，機(jī)械強(qiáng)度高，適于批量生產(chǎn)。◆以上三種氣敏器件都附有加熱器，在實際應(yīng)用時，加熱器能使附著在測控部分上的油霧、塵埃等燒掉，同時加速氣體氧化還原反應(yīng)，從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。1半導(dǎo)體氣敏傳感器3.厚膜型氣敏元件將氣敏材料（如S762濕敏傳感器濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對濕度是指單位空間中所含水蒸汽的絕對含量或者濃度或者密度，一般用符號AH表示。相對濕度是指被測氣體中蒸汽壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比，一般用符號RH表示。相對濕度給出大氣的潮濕程度，它是一個無量綱的量，在實際使用中多使用相對濕度這一概念。2濕敏傳感器濕度是指大氣中的水蒸氣772濕敏傳感器◆水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同樣的空氣水蒸氣壓下，溫度越低，則空氣的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓差值越小。當(dāng)空氣溫度下降到某一溫度時，空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等。此時，空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠，相對濕度為100％RH。該溫度稱為空氣的露點溫度，簡稱露點。如果這一溫度低于0℃時，水蒸氣將結(jié)霜，又稱為霜點溫度。兩者統(tǒng)稱為露點?？諝庵兴魵鈮涸叫。饵c越低，因而可用露點表示空氣中的濕度。2濕敏傳感器◆水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降。在同782濕敏傳感器◆根據(jù)水分子易于吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部的這種特性（即水分子親和力），濕敏傳感器可分為水分子親和力型濕敏傳感器和非水分子親和力型濕敏傳感器。◆下面介紹一些至今發(fā)展比較成熟的幾類濕敏傳感器。2濕敏傳感器◆根據(jù)水分子易于吸附在固體表面并滲透到固體792濕敏傳感器◆氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。該元件的結(jié)構(gòu)如圖10-3所示，由引線、基片、感濕層與電極組成。圖10-3濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖1-引線；2-基片；3-感濕層；4-金屬電極2.1氯化鋰濕敏電阻2濕敏傳感器◆氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解802濕敏傳感器◆氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正負(fù)離子的形式存在，而Li+對水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，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，從而實現(xiàn)對濕度的測量?！袈然嚌衩粼膬?yōu)點是滯后小，不受測試環(huán)境風(fēng)速影響，檢測精度高達(dá)±5%，但其耐熱性差，不能用于露點以下測量，器件性能的重復(fù)性不理想，使用壽命短。2濕敏傳感器◆氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（812濕敏傳感器2.2半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻◆半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常是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。這些材料有ZnO-LiO-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增大而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷（為敘述方便，有時將半導(dǎo)體陶瓷簡稱為半導(dǎo)瓷）。2濕敏傳感器2.2半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻822濕敏傳感器1.負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理◆由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時，就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。如果該半導(dǎo)瓷是Ｐ型半導(dǎo)體，則由于水分子吸附使表面電勢下降，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面，于是，其表面層的電阻下降。2濕敏傳感器1.負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理832濕敏傳感器◆若該半導(dǎo)瓷為Ｎ型，則由于水分子的附著使表面電勢下降，如果表面電勢下降較多，不僅使表面層的電子耗盡，同時吸引更多的空穴達(dá)到表面層，有可能使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現(xiàn)所謂表面反型層，這些空穴稱為反型載流子。2濕敏傳感器◆若該半導(dǎo)瓷為Ｎ型，則由于水分子的附著使表面842濕敏傳感器◆它們同樣可以在表面遷移而對電導(dǎo)做出貢獻(xiàn)，由此可見，不論是Ｎ型還是Ｐ型半導(dǎo)瓷，其電阻率都隨濕度的增加而下降。圖10-4表示了幾種負(fù)特性半導(dǎo)瓷阻值與濕度之關(guān)系。

圖10-4幾種半導(dǎo)瓷濕敏負(fù)特性2濕敏傳感器◆它們同樣可以在表面遷移而對電導(dǎo)做出貢獻(xiàn)，由852濕敏傳感器2.正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理◆正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理的解釋可以認(rèn)為這類材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性材料有所不同。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，但還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，此時仍以電子導(dǎo)電為主。2濕敏傳感器2.正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理862濕敏傳感器◆于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。如果對某一種半導(dǎo)瓷，它的晶粒間的電阻并不比晶粒內(nèi)電阻大很多，那么表面層電阻的加大對總電阻并不起多大作用。2濕敏傳感器◆于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這872濕敏傳感器◆不過，通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔的，表面電導(dǎo)占的比例很大，故表面層電阻的升高，必將引起總電阻值的明顯升高；但是，由于晶體內(nèi)部低阻支路仍然存在，正特性半導(dǎo)瓷的總電阻值的升高沒有負(fù)特性材料的阻值下降得那么明顯。圖10-5給出了Fe3O4正特性半導(dǎo)瓷濕敏電阻阻值與濕度的關(guān)系曲線。2濕敏傳感器◆不過，通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔的，表面電882濕敏傳感器圖10-5Fe3O4半導(dǎo)瓷濕敏電阻特性2濕敏傳感器圖10-5Fe3O4半導(dǎo)瓷濕敏電阻特性892濕敏傳感器3.典型半導(dǎo)瓷濕敏元件(1)MgCr2O4-TiO2濕敏元件●氧化鎂復(fù)合氧化物——二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕—電”轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特性半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為Ｐ型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好，結(jié)構(gòu)如圖10-6所示。

2濕敏傳感器3.典型半導(dǎo)瓷濕敏元件902濕敏傳感器圖10-6MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器結(jié)構(gòu)2濕敏傳感器圖10-6MgCr2O4-TiO2陶瓷濕912濕敏傳感器圖10-7MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器相對濕度與電阻的關(guān)系●

MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器的相對濕度與電阻值之間的關(guān)系，見圖10-7所示。傳感器的電阻值既隨所處環(huán)境的相對濕度的增加而減少，又隨周圍環(huán)境溫度的變化而有所變化。2濕敏傳感器圖10-7MgCr2O4-TiO2陶瓷922濕敏傳感器（2）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件●ZnO-Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方塑料盒中用樹脂固定而做成的，其結(jié)構(gòu)如圖10-8。圖10-8ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu)2濕敏傳感器（2）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件圖10-933色敏傳感器半導(dǎo)體色敏傳感器是半導(dǎo)體光敏感器件中的一種。它是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光輻射探測器件。但不管是光電導(dǎo)器件還是光生伏特效應(yīng)器件，它們檢測的都是在一定波長范圍內(nèi)光的強(qiáng)度，或者說光子的數(shù)目。而半導(dǎo)體色敏器件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。這是近年來出現(xiàn)的一種新型光敏器件。3色敏傳感器半導(dǎo)體色敏傳感器是943色敏傳感器3.1半導(dǎo)體色敏傳感器的基本原理◆半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)深不同的光電極二極管的組合，故又稱光電雙結(jié)二極管。其結(jié)構(gòu)原理及等效電路如圖10-9所示。為了說明色敏傳感器的工作原理，有必要了解光電二極的工作機(jī)理。

圖10-9半導(dǎo)體色敏傳感器結(jié)構(gòu)3色敏傳感器3.1半導(dǎo)體色敏傳感器的基本原理圖10-953色敏傳感器1.光電二極管的工作原理◆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hυ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。這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子—空穴統(tǒng)稱為光生載流子。光電二極管的基本部分是一個Ｐ-Ｎ結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子只要能擴(kuò)散到勢壘區(qū)的邊界。3色敏傳感器1.光電二極管的工作原理963色敏傳感器◆其中少數(shù)載流子（專指P區(qū)中的電子和N區(qū)的空穴）就受勢壘區(qū)強(qiáng)電場的吸引而被拉向?qū)γ鎱^(qū)域，這部分少數(shù)載流子對電流做出貢獻(xiàn)。多數(shù)載流子（P區(qū)中的空穴或N區(qū)中的電子）則受勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘區(qū)的邊緣。在勢壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴，則分別被電場掃向N區(qū)和P區(qū)，它們對電流也有貢獻(xiàn)。3色敏傳感器◆其中少數(shù)載流子（專指P區(qū)中的電子和N區(qū)的空973色敏傳感器◆用能帶圖來表示上述過程如圖10-10（a）所示。圖中Ec表示導(dǎo)帶底能量；Ev表示價帶頂能量?！啊稹北硎編д姾傻目昭?；“●”表示電子。IL表示光電流，它由勢壘區(qū)兩邊能運動到勢壘邊緣的少數(shù)載流子和勢壘區(qū)中產(chǎn)生的電子-空穴對構(gòu)成，其方向是由N區(qū)流向P區(qū)，即與無光照射P-N結(jié)的反向飽和電流方向相同。3色敏傳感器◆用能帶圖來表示上述過程如圖10-10（a）983色敏傳感器圖10-10光照下的P-N結(jié)3色敏傳感器993色敏傳感器◆當(dāng)P-N結(jié)外電路短路時，這個光電流將全部流過短接回路，即從P區(qū)和勢壘區(qū)流入N區(qū)的光生電子將通過外短接回路全部流到P區(qū)電極處，與P區(qū)流出的光生空穴復(fù)合。因此，短接時外回路中的電流是IL，方向由P端經(jīng)外接回路流向N端。這時，P-N結(jié)中的載流子濃度保持平衡值，勢壘高度（圖10-10（a）中的q（UD-U））亦無變化。3色敏傳感器◆當(dāng)P-N結(jié)外電路短路時，這個光電流將全部流1003色敏傳感器◆當(dāng)P-N結(jié)開路或接有負(fù)載時，勢壘區(qū)電場收集的光生載流子便要在勢壘區(qū)兩邊積累，從而使P區(qū)電位升高，N區(qū)電位降低，造成一個光生電動勢，如圖10-10（b）所示。該電動勢使原P-N結(jié)的勢壘高度下降為q（UD-U））。其中V即光生電動勢，它相當(dāng)于在P-N結(jié)上加了正向偏壓。只不過這是光照形成的，而不是電源饋送的，這稱為光生電壓，這種現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)。

3色敏傳感器◆當(dāng)P-N結(jié)開路或接有負(fù)載時，勢壘區(qū)電場收集1013色敏傳感器◆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。硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長變化的曲線如圖10-11所示。由圖可見，在紅外部分吸收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。這就表明，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(jìn)入硅的較深區(qū)域。3色敏傳感器◆光在半導(dǎo)體中傳播時的衰減是由于價帶電子吸收1023色敏傳感器圖10-11吸收系數(shù)隨波長的變化3色敏傳感器圖10-11吸收系數(shù)隨波長的變化1033色敏傳感器◆對于光電器件而言，還常用量子效率來表征光生電子流與入射光子流的比值大小。其物理意義是指單位時間內(nèi)每入射一個光子所引起的流動電子數(shù)。根據(jù)理論計算可以得到，P區(qū)在不同結(jié)深時量子效率隨波長變化的曲線如圖10-12所示。圖中xj即表示結(jié)深。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。3色敏傳感器◆對于光電器件而言，還常用量子效率來表征光生1043色敏傳感器圖10-12量子效應(yīng)隨波長的變化3色敏傳感器1053色敏傳感器2．半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理◆在圖10-9中所表示的P-N-P不是晶體管，而是結(jié)深不同的兩個P-N結(jié)二極管，淺結(jié)的二極管是P-N結(jié)；深結(jié)的二極管是P-N結(jié)。當(dāng)有入射光照射時，P、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離已基本吸收完畢。在此，淺結(jié)的即是光電二極管對紫外光的靈敏度高，而紅外部分吸收系數(shù)較小，這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。因此，深結(jié)的那只光電二極管對紅外光的靈敏度較高。3色敏傳感器2．半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理1063色敏傳感器◆這就是說，在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的靈敏度。這一特性給我們提供了將這種器件用于顏色識別的可能性，也就是可以用來測量入射光的波長。將兩只結(jié)深不同的光電二極管組合，圖10-13硅色敏管中VD1和VD2的光譜響應(yīng)曲線就構(gòu)成了可以測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。在具體應(yīng)用時，應(yīng)先對該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定。3色敏傳感器◆這就是說，在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL1073色敏傳感器

圖10-13硅色敏管中VD1和VD2的光譜響應(yīng)曲線3色敏傳感器圖10-13硅色敏管中VD1和VD2的1083色敏傳感器◆也就是說，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，因而二者的比值與入射單色光波長的關(guān)系就可以確定。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。圖10-13表示了不同結(jié)深二極管的光譜響應(yīng)曲線。圖中VD1代表淺結(jié)二極管，VD2代表深結(jié)二極管。3色敏傳感器◆也就是說，測定不同波長的光照射下，該器件中1093色敏傳感器3.2半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征1．光譜特性◆半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性是表示它所能檢測的波長范圍，不同型號之間略有差別。圖10-14（a）給出了國產(chǎn)CS—１型半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性，其波長范圍是400~1000nm。2．短路電流比—波長特性◆短路電流比—波長特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力，是賴以確定被測波長的基本特性。圖10-14（b）表示上述CS—１型半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比—波長特性曲線。3色敏傳感器3.2半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特征1103色敏傳感器圖10-14半導(dǎo)體色敏器件特性3色敏傳感器1113色敏傳感器3.溫度特性◆由于半導(dǎo)體色敏器件測定的是兩只光電二極管短路電流之比，而這兩只光電二極管是做在同一塊材料上的，具有相同的溫度系數(shù)，這種內(nèi)部補(bǔ)償作用使半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比對溫度不十分敏感，所以通常可不考慮溫度的影響。3色敏傳感器3.溫度特性1124半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用4.1瓦斯煙霧檢測儀

圖10-15瓦斯煙霧傳感器電路4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用4.1瓦斯煙霧檢測儀1134半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆圖10-15為瓦斯煙霧傳感器電路，本電路可偵測廚房瓦斯泄漏、浴室一氧化碳毒氣、屋內(nèi)香煙廢氣警報。U1-d組成一個臨界準(zhǔn)位電路，當(dāng)?shù)?3腳的電壓比第12腳的電壓高時（即瓦斯?jié)舛缺阮A(yù)定值低）,U1-d的輸出為低電位，對R8，C1組成的積分電路沒作用，因此U1-c的輸出為低電位，故U2，NE555振蕩器沒動作，輸出為零。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆圖10-15為瓦斯煙霧傳感器電路1144半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆當(dāng)瓦斯、煙霧或者一氧化碳的濃度被傳感器所接受時，第12腳的正電位逐漸增加，以至于超過第13腳的設(shè)定值，故U1-d的輸出為正電位電壓，此電壓對R8，C1充電，此充電電壓超過第9腳的電壓值時，接到NE555的控制電壓為高電位，因此振蕩器動作。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆當(dāng)瓦斯、煙霧或者一氧化碳的濃度被1154半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆由R13，R14及C3組成的無穩(wěn)態(tài)電路由第3腳輸出一個連續(xù)的脈沖波。直到當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀谠O(shè)定值時，警報才予以解除。如圖10-5所示的傳感器檢測電路也可用于檢測酒精，不同的在于將瓦斯傳感器改成酒精傳感器而已。4半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用◆由R13，R14及C3組成的無穩(wěn)1164半導(dǎo)體式傳感器的應(yīng)用4.2室內(nèi)濕度檢測儀◆該室內(nèi)