傳感器原理及工程應用 第9章w.ppt

1、第9章半導體傳感器，9.1氣體傳感器，氣體傳感器是一種以化學成分為檢測參數的化學傳感器。9.1.1概述，氣體傳感器是用于檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器，主要是半導體氣體傳感器。用于易燃、易爆、有毒有害氣體的監(jiān)測、預測和自動控制。它由半導體氣體傳感器組成，當待測氣體接觸半導體表面時，通過物理性質變化來檢測氣體。根據功能不同，根據物理性質(如伏安特性)可分為表面控制型和表面或內部音量控制型，以及電阻型和非電阻型。特點：當暴露在氣體中時，溫度和濕度變化很大，存在灰塵和油污。氣體傳感器要求：長時間穩(wěn)定工作，重復性好，響應速度快，共存物質影響小。9.1.2半導體氣體傳感器的機理，器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，

2、氣體被吸附，在表面上自由擴散，部分蒸發(fā)，剩余部分被熱分解并固定在吸附位置(化學吸附)。9.1.2半導體氣體傳感器的機理，利用氣體在半導體表面的氧化還原反應引起電阻變化。半導體的功函數小于(大于)親和力，導致負(正)離子氧(氫)吸附，如氧(氫)表面形成電荷層。為了提高氣體傳感器對氣體成分的選擇性和靈敏度，有時會滲入鈀等催化劑。氧化氣體對氮型的吸附阻力、還原氣體對磷型的吸附阻力增大，氧化氣體對磷型的吸附阻力和還原氣體對氮型的吸附阻力減小，半導體電導率的增加是由于多數載流子濃度的增加。氣體傳感器的結構由電阻絲加熱，如圖所示，1和2為加熱電極，3和4為氣體傳感器的一對電極，氧化錫和氧化鋅氣體傳感器的輸

3、出電壓與溫度的關系如圖所示。氣體傳感器的基本測量電路，如圖所示，其中EH為加熱電源，EC為測量電源，在低濃度時靈敏度高，在高濃度時趨于穩(wěn)定。用于檢查可燃氣體泄漏并報警。1)燒結氣體傳感器：傳感器的電極和加熱器埋在金屬氧化物氣敏材料中并燒結。9.1.2氣體傳感器的應用，氣敏電阻元件根據制造工藝分為燒結型、薄膜型和厚膜型。氧化錫燒結氣體傳感器是常用的傳感器，其加熱溫度較低。二氧化錫氣體傳感器半導體對可燃氣體如氫氣、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等具有高靈敏度。2)薄膜氣體傳感器：由應時或陶瓷襯底上的金屬氧化物薄膜通過真空鍍膜或濺射方法制成，3)厚膜氣體傳感器由混合有硅膠的氣敏材料制成，通過絲網印刷和燒

4、結預先印刷在具有電極的襯底上。用厚膜技術制作的器件一致性好，機械強度高。所有三種氣體傳感裝置都配有加熱器。使用時，加熱器可以燒掉測控部件上的油霧和灰塵，同時加速氣體氧化還原反應，從而提高裝置的靈敏度和響應速度。氧化鋅是一種氮型半導體。當添加鉑催化劑時，其對烷烴氣體具有高靈敏度，但對H2、CO2和其它氣體具有低靈敏度。鈀催化劑對H2和一氧化碳有較高的靈敏度，但對烷烴氣體的靈敏度較低。它具有良好的選擇性，工作溫度為400500。9.2濕度傳感器、9.2.1氯化鋰濕度傳感器，這是一種由吸濕鹽的潮解和離子電導率的變化制成的濕度測量元件。該器件的結構如圖所示，由引線、襯底、濕敏層和電極組成。濕度傳感器是

5、一種能夠感知濕度變化并通過設備材料的物理和化學特性將濕度轉換成有用信號的設備。很難檢測濕度，濕度傳感器需要暴露在測量的環(huán)境中。濕度傳感器要求：穩(wěn)定性好、重復性好、響應速度快、壽命長、抗污染、溫度影響小。在李相反，電阻率降低，濕度被測量。為了擴大濕度測量的線性范圍，可以組合使用多種不同氯化鋰含量的設備，自動完成整個濕度范圍內的濕度測量。氯化鋰濕度傳感器的耐濕特性曲線如圖所示。在50%相對濕度范圍內，電阻與濕度呈線性關系，耐熱性差，不能用于露點以下的測量，重復性差，使用壽命短，具有滯后小，不受風速影響，檢測精度高達%的優(yōu)點。半導體陶瓷濕敏電阻器通常是由兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結而成的多

6、孔陶瓷。9.2.2半導體陶瓷濕敏電阻器(簡稱半導體陶瓷)，Fe3O4的電阻率隨濕度增加而增加，稱為正特性濕敏半導體陶瓷，氧化鋅-LiO2-V2O5體系、硅-Na2O-V2O5體系和二氧化鈦-氧化鎂-Cr2O3體系的電阻率隨濕度增加而降低，稱為負特性濕敏半導體陶瓷。當水吸附在半導體陶瓷表面時，它能從半導體陶瓷表面捕獲電子，使半導體陶瓷表面帶負電，水分子的吸附使表面電位下降。1.濕敏半導體瓷的導電機理具有負特性，表面層的空穴濃度大于電子濃度，并出現表面反型層。半導體瓷的電阻率隨著濕度的增加而降低。當水分子附著在半導體陶瓷表面，電位為負時，表面層的電子濃度降低，但表面層沒有反轉，仍然以電子傳導為主。

7、2.具有正特性的濕敏半導體陶瓷的導電機理這種半導體陶瓷的表面電阻會隨著濕度的增加而增加。一般來說，濕敏半導體陶瓷材料是多孔的，表面電阻的增加會導致總電阻值明顯增加；正特性半導體陶瓷總電阻值的增加不如負特性材料電阻值的降低明顯。該圖顯示了Fe3O4正半導電陶瓷濕度傳感器的電阻值和濕度之間的關系。氧化鎂復合氧化物-二氧化鈦濕度傳感器通常制成多孔陶瓷型“濕-電”轉換器件，即負半導電陶瓷和MgCr2O4型半導體。其電阻率低，電阻和溫度特性好，其結構如圖所示。3。典型的半導體陶瓷濕度傳感器，1)MgCr2O 4-二氧化鈦MgCr2O 4-二氧化鈦陶瓷濕度傳感器的相對濕度和電阻值之間的關系如圖所示。傳感器

8、的電阻值不僅隨著環(huán)境中相對濕度的增加而減小，而且隨著環(huán)境溫度的變化而變化。ZnO-Cr2O3傳感器無需加熱去污裝置即可連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度，功耗小于0.5，體積小，成本低，是一種常用的濕度傳感器。2)氧化鋅-Cr2O3陶瓷濕度傳感器，其結構如圖所示。半導體顏色傳感器可以用來直接測量從可見光到近紅外的單色輻射的波長。這是近年來出現的一種新型光敏器件。9.3色傳感器，半導體色傳感器是半導體光敏器件之一。它是一種基于內部光電效應將光信號轉換成電信號的光輻射探測器。半導體顏色傳感器相當于兩個不同的光電二極管組，它們被稱為光電雙結二極管。圖9.3.1示出了顏色傳感器的基本原理，圖2示出了半導體顏色傳感器的

9、工作原理。圖中所示的pn結是兩個不同結深的pn結二極管，淺結二極管為pn結；深結二極管是pn結。淺結對紫外光具有高靈敏度，而深結對紅外光具有高靈敏度，9.3.2半導體顏色傳感器的基本特性，1。光譜特性，2。短路電流特定波長特性，表征半導體顏色傳感器的波長識別能力，并確定被測波長的基本特性。圖b示出了短路電流對波長的特性曲線。兩個光電二極管由相同的材料制成，具有相同的溫度系數，因此溫度的影響通?？梢院雎圆挥嫛?.溫度特性。圖為實用酒精測試儀電路。二氧化錫氣體傳感器為氣體傳感器，9.4應用半導體傳感器，9.4.1實用酒精測試儀，當沒有酒精時，A5引腳的電平低；當檢測到酒精時，其內部電阻變低，從而使A5引腳的電平變高。a是顯示驅動器，它有10個輸出端，每個輸出端可以驅動一個發(fā)光