色敏光電傳感器

2.7色敏光電傳感器色敏光電傳感器是半導體光敏傳感器件中的一種。它是基于內(nèi)光電效應將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光輻射探測器件。但不管是光電導器件還是光生伏特效應器件，它們檢測的都是在一定波長范圍內(nèi)光的強度，或者說光子的數(shù)目。而半導體色敏器件則可用來直接測量從可見光到紅外波段內(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。2．7．1色敏光電傳感器的基本原理色敏光電傳感器相當于兩只結(jié)構不同的光電二極管的組合，故又稱光電雙結(jié)二極管。其結(jié)構原理及等效電路如圖2.42所示。在圖2.42中所示的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外部。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。這就是說，在半導體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的靈敏度。這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人射光的波長。將兩只結(jié)深不同的光電二極管組合，就構成了可以測定波長的半導體色敏傳感器。在具體應用時，應先對該色敏器件進行標定。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/Isdi，Isdi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。因而二都有的比值與人射單色光波長的關系就可以確定根據(jù)標定的曲線，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2.43表示了不同結(jié)深二極管的光譜響應曲線。圖中VD1代表淺結(jié)二極管，VD2代表深結(jié)二極管。2--I---(案〕/2--I---(案〕/m區(qū)反SXjim圖2.42色敏光電傳感器結(jié)構和等效電路圖 圖2.43硅色敏管中VD1和VD2的光譜響應曲線

2.2.7色敏光電傳感器的基本特征1．光譜特性色敏光電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2.44(a)給出國產(chǎn)CS-1型色敏光電器件的光譜特性，其波長范圍是400nm?lOOOnm。100+4 0.5 0.70.80.91.010（b）短路電流比-波長圖2.44色敏光電器件特性短路電流比-波長特性短路電流比-波長特性是表征半導體色敏度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2.44(b)表示上述CS-1型色敏光器件的短路電流比一一波長特性曲線。3．溫度特性由于色敏光電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)部補償作用使色敏光電器件的短路電流比對溫度不十分敏感，所以通?？刹豢紤]溫度的影響。7.2.6氣敏傳感器的應用各類易燃、易爆、有毒、有害氣體的檢測和報警都可以用相應的氣敏傳感器及其相關電路來實現(xiàn)，如氣體成分檢測儀、氣體報警器、空氣凈化器等等已用于工廠、礦山、家庭、娛樂場所等。下面給出幾個典型實例。1、簡易家用氣體報警圖7.29是一種最簡單的家用氣體報警器電路，采用直熱式氣敏傳感器TGS109，當室內(nèi)可燃性氣體濃度增加時，氣敏器件接觸到可燃性氣體而電阻值降低，這樣流經(jīng)測試回路的電流增加，可直接驅(qū)動峰鳴器BZ報警。對于丙烷、丁烷、甲烷等氣體，報警濃度一般選定在其爆炸下限的1/10，通過調(diào)整電阻來調(diào)節(jié)。100VBX

100V圖7.29最簡單的家用氣體報警器電路2、有害氣體鑒別、報警與控制電路圖7.30給出的有害氣體鑒別、報警與控制電路圖一方面可鑒別實驗中有無有害氣體產(chǎn)生，鑒別液體是否有揮發(fā)性，另一方面可自動控制排風扇排氣，使室內(nèi)空氣清新°MQS2B是旁熱式煙霧、有害氣體傳感器，無有害氣體時阻值較高（10KQ左右），有有害氣體或煙霧進入時阻值急劇下降，A、B兩端電壓下降，使得B的電壓升高，經(jīng)電阻R1和RP和穩(wěn)壓二極管DW1穩(wěn)壓后供給微音器HTD電壓而發(fā)出嘀嘀聲，而且發(fā)光二極管發(fā)出紅光，實現(xiàn)聲光報警的功能。3、可燃性氣體濃度檢測電路圖7.31給出檢測電路原理圖，它可用于家庭對煤氣、一氧化碳、液化石油氣等泄露實現(xiàn)監(jiān)測報警。圖中U257B是LED條形驅(qū)動器集成電路，其輸出量（LED點亮只數(shù)）與輸入電壓成線性關系。LED被點亮的只數(shù)取決于輸入端⑦腳電位的高低。通常IC⑦腳電壓低于0.18V時，其輸出端②?⑥腳均為低電平，LED］?LED5均不亮。當⑦腳電位等于0.18V時，LED］被點亮；⑦腳電壓為0.53V時，則LED］和LED2均點亮;⑦腳電壓為0.84V時，LED］~LED3均點亮；⑦腳電壓為1.19V時，LED］~LED4均點亮;⑦腳電壓等于2V時，則使LED1~LED5全部點亮oU2587的額定工作范圍8V?25V；輸入電壓最大5V；輸入電流0.5mA；功耗690mW。采用低功耗、高靈敏的QM-N10圖7、31可燃性氣體濃度檢測電路原理圖當QM-N10不接觸可燃性氣體時，其A-B兩極間呈高阻抗，使得⑦腳電壓趨于0V，相應LED1~LED5均不亮。當QM-N10處在一定的可燃性氣體濃度中時，其A-B兩電極端電阻變得很小，這時⑦腳存在一定的電壓0.18V，使得相應的發(fā)光二極管點亮。如果可燃性氣體的濃度越高，則led1~led5依次被點亮的只數(shù)越多。4、礦燈瓦斯報警器圖7.32所示為礦燈瓦斯報警器電路，其瓦斯探頭由QM-N5型氣敏元件RQ、R1及4V礦燈蓄電池等組成，其中R1為限流電阻。因為氣敏元件在預熱期間會輸出信號造成誤報警，所以氣敏元件在使用前必須預熱十幾分鐘以避免誤報警。一般將礦燈瓦斯報警器直接安放在礦工的工作帽內(nèi)，以礦燈蓄電池為電源。當瓦斯超限時，礦燈自動閃光并發(fā)出報警聲。圖中ZD為礦燈，q、C2為CD10電解電容器，D為2AP13型鍺二極管；T1為3DG12B,B=80；T2為3AX81,B=70；J為4099型超小型中功率繼電器；全部元件安裝在礦帽內(nèi)。

圖7.32礦燈瓦斯報警器電路Rp為報警設定電位器。當瓦斯超過某設定點時，Rp輸出信號通過二極管D加到片基極上，片導通，T2、T3便開始工作。而當瓦斯?jié)舛冗^低時，Rp輸出的信號電位低,片截止，T2、T3也截止。T2、T3為一個互補式自激多諧振蕩器。在片導通后電源通過r3對C］充電，當充電至一定電壓時t3導通，C2很快通過t3充電，使t2導通,繼電器J吸合。T2導通后C1立即開始放電，C1正極經(jīng)T3的基極、發(fā)射極、T1的集電結(jié)、電源負極，再經(jīng)電源正極至t2集電結(jié)至C1負極，所以放電時間常數(shù)較大。當C1兩端電壓接近零時，t3截止，此時t2還不能馬上截止，原因是電容器C2上還有電荷,這時c2經(jīng)r2和t2的發(fā)射結(jié)放電，待c2兩端電壓接近零時t2就截止了，自然J也就釋放。當t3截止，c1又進入充電階段，以后過程又同前述，使電路形成自激振蕩，J不斷地吸合和釋放。由于J與礦燈都是安裝在工作帽上，J吸合時，銜鐵撞擊鐵芯發(fā)出的“嗒、嗒”聲通過礦帽傳遞給礦工聽見。同時，礦燈因J的吸合與釋放也不斷閃光，引起礦工的警覺，他可及時采取通風措施。對Rq要采取防風防煤塵措施但要透氣，將它安裝在礦帽前沿。調(diào)試時通過15min后，在清潔空氣中調(diào)節(jié)Rp,使D的正極對地電壓低于0.5V,使T1截止；然后將氣敏元件通入瓦斯氣樣，報警即可。7、3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氣的絕對含量、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。下面介紹一些至今發(fā)展比較成熟的幾類濕敏傳感器。7?3?1氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕鹽類潮解，離子導電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。該元件的結(jié)構如圖7.33所示，由引線、基片、感濕層與電極組成。7?3?1氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕鹽類潮解，離子導電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。該元件的結(jié)構如圖7.33所示，由引線、基片、感濕層與電極組成。氯化鋰通常與聚乙稀醇組成混合體，在氯化鋰(LiCl) 1.引線2.基片3.感濕器4.金屬電阻溶液中，Li和Cl均以正負離子的形式存在，而Li+對水分子 圖7.33濕敏電阻結(jié)構示意圖的吸引力強，離子水合程度高，其溶液中的離子導電能力2af與濃度成正比。當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。氯化鋰濕敏元件的濕度—電阻曲線如圖7.34所示。由圖可知，在50%~80%相對濕度范圍內(nèi)，電阻與濕度的變化呈線性關系。為了擴大濕度測量的線性范圍，可以將多個氯化鋰含量不同的器件組合使用，如將測量范圍分別為（10%~20%）RH，（20%~40%）RH，（40%~70%）RH，（70%~90%）RH和（80%~90%）RH五種元件配合使用，就可自動地轉(zhuǎn)換完成整個濕度范圍的測量。 圖7.34氯化鋰濕度-電阻特性曲線氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點是滯后小，不受測試環(huán)境風速影響，檢測精度高達±5%，但其耐熱性差，不能用于露點以下測量，器件性能的重復性不理想，使用壽命短。7.3.2半導體陶瓷濕敏電阻半導體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO2-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大而下降，故稱為負特性濕敏半導體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度的增大而增大，故稱為正特性濕敏半導體陶瓷（為敘述方便，有時稱將半導體陶瓷簡稱為半導瓷）。1、 負特性濕敏半導瓷的導電機理由于水分子中的氫原子具有很強的正電場，當水在半導瓷表面吸附時，就有可能從半導瓷表面俘獲電子使半導瓷表面帶負電。如果該半導瓷是P型半導體，則由于水分子吸附使表面電勢下降。若該半導瓷為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到表面層，有可能使到達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。它們同樣可以在表面遷移而對電導做出貢獻，由此可見，不論是N型還是P型半導瓷， 圖7、35幾種半導瓷濕敏負特性其電阻率都隨濕度的增加而下降。圖7.35表示了幾種負特性半導瓷阻值與濕度的關系。2、 正特性濕敏半導瓷的導電機理

正特性濕敏半導瓷的導電機理認為這類材料的結(jié)構、電子能量狀態(tài)與負特性材料有所不同。當水分子附著半導瓷的表面使電勢變負時，導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，此時仍以電子導電為主。于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導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。不過，通常濕敏半導瓷材料都是多孔的，表面電導占的比例很大，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，正特性半導瓷的總電阻值的升高沒有負特性材料的阻值下降得那么明顯。圖7.36給出了Fe3O4正特性半導瓷濕敏電阻阻值與濕度的關系曲線。電阻/Q相對濕度/(%RH)圖7、36Fe3O4半導瓷的正濕敏特性 圖7、37MgCr2-TiO4陶瓷濕度傳感器的結(jié)構3、典型半導瓷濕敏元件(1)MgCr2O4-TiO2濕敏元件氧化鎂復合氧化物-二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷“濕-電”轉(zhuǎn)換器件，它是負特性半導瓷，MgCr2O4為P型半導體，它的電阻率低阻值特性好，結(jié)構如圖7.37所示，在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的兩面涂覆有多孔金電極。金電極與引出線燒結(jié)在一起，為了減少測量誤差，在陶瓷片外設置由鎳鉻絲制成的加熱線圈，以便對器件加熱清洗，排除惡劣氣氛對器件的污染。整個器件安裝在陶瓷基片上，電極引線一般采用鉑-銥合金。MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器的相對濕度與電阻值之間的關系，見圖7.38所示。傳感器的電阻值既隨所處環(huán)境的相對濕度而減少，又隨周圍環(huán)