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1、第九章 半導體傳感器 半導體傳感器 氣敏傳感器 濕敏傳感器 色敏傳感器 氣敏傳感器 用途: 主要用于工業(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、預報和自動控制 , 氣敏元 件是以化學物質(zhì)的成分為檢測參數(shù)的化學敏感元件。 材料: 氣敏電阻的材料是金屬氧化物半導體(分 P型如氧化錫 和 N型如氧化鈷),合成材料有時還滲入了催化劑 , 如鈀 ( Pd)、鉑( Pt)、銀( Ag)等。 氣敏傳感器工作原理 敏感材料的功函數(shù) 吸附分子的離解能 -吸附分子向材料釋 放電子(正離子吸附、還原型氣體),敏感材料的載流子增 加 - ,如 、 為提高氣體靈敏度,一般需加熱以加快氧化還原
2、反應(到 200 450 ) ,同時加熱還能使附著在測控部分上的油霧、塵 埃燒掉。 R 2O xNO R 2H CO 氣敏傳感器類型及結構 電阻型半導體氣敏傳感器 由三部分組成:敏感元件、加熱器和外殼 燒結型、薄膜型、厚膜型 非電阻型半導體傳感器 MOS二極管氣敏器件 MOS場效應晶體管氣敏器件 濕敏傳感器 絕對濕度和相對濕度 絕對濕度:一定溫度和壓力條件下,每單位體積的混合氣體中所含水 蒸氣的質(zhì)量,單位 g/m3,一般用符號 AH表示。 相對濕度:氣體的絕對濕度與同一溫度下達到飽和狀態(tài)的絕對濕度之 比,一般用符號 %RH表示。 在實際使用中多使用相對濕度這個概念。 氯化鋰濕敏電阻 原理 :材
3、料吸濕潮解或干化(能互逆),使器件的電阻率發(fā) 生變化。 氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體,其溶液中的離子導電能 力與濃度成正比。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?, 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 半導體陶瓷濕敏電阻 用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結而成的多孔陶 瓷。 導電機理:類似氣敏電阻 一般有兩種: 負特性濕敏半導體陶瓷:電阻率隨溫度增加而下降 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,有可能從半導瓷表面 俘獲電子,使半導瓷表面帶負電。對于 P型半導體,
4、將吸引更多的空穴到達其表面,使 其表面層的電阻下降。對于 N型半導體? 正特性濕敏半導體陶瓷:電阻率隨溫度增加而增大 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 色敏傳感器 色敏傳感器是光敏傳感器的一種。光敏器件一般檢測的都是 在一定波長范圍內(nèi)光的強度,而半導體色敏傳感器則可用來 直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的 波長 。 對于用半導體硅制造的光電二極管 , 在受光照射時 , 若入射 光子的能量 h 大于硅的禁帶寬度 Eg, 則光子就激發(fā)價帶中的 電子躍遷到導帶而產(chǎn)生一對電子 -空穴。 光在半導體中傳播時的衰減是由于價帶電子吸收光子而從價 帶躍遷到導帶的結果 ,
5、 這種吸收光子的過程稱為本征吸收。 不同材料對不同波長的光吸收程度不一樣。對硅而言,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入 硅的較深區(qū)域 。 淺的 P-N結有較好的藍紫光靈敏度 , 深的 P-N結則有利于紅外 靈敏度的提高 , 半導體色敏器件正是利用了這一特性。 半導體色敏傳感器工作原理 依據(jù):半導體中不同的區(qū)域對不同的波長分別具有不 同的靈敏度。 在具體應用時 , 應先對該色敏器件進行標定。 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是淺結二極管的短路電流 , 它在 短波區(qū)較大, ISD2是深結二極管的短
6、路電流 , 它在長波區(qū)較大 )。 確定二者的比值與入射單色光波長的關系。 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。 半導體色敏傳感器的基本特征 光譜特性 短路電流比波長特性 溫度特性 為什么不能用(二極管的)光譜特性(光生伏特效應),而 用二級對管的短路電流比測量單色光的波長? 1.消除光強的影響。 2.溫度影響(得到補償) 磁敏傳感器(補) 磁阻電阻 工作原理:半導體在磁場作用下有霍爾效應,電阻也會變化 電阻率的相對變化: 其中 是電子遷移率 磁阻二極管 工作原理:利用洛倫茲力的作用 二極管的結構特點: P-I-N結構,其中本征區(qū) I的長度較長。本征
7、區(qū)的 兩個側面一個制成光面、一個制成毛面。在毛面電子 -空穴對易復合 消失、電流小。在光面電子 -空穴對不易復合消失、電流大。可測量 磁場的大小和方向。 特點:測量靈敏度高(比霍爾元件高幾百倍)、能判定的方向。 2)( BK 毛面 P N 半導體傳感器的應用( 1) 半導體傳感器的應用( 2) 熱電式傳感器(補) 熱電偶 熱電阻 集成溫度傳感器 熱電偶傳感器 熱電偶工作原理 熱電現(xiàn)象:兩種不同材料導線在連接處形成節(jié),如將這兩個節(jié)分別置 于不同的溫度下( T0和 T1),便會在回路中形成電流。 熱電勢分為 接觸電勢 和 溫差電勢 接觸電勢:不同材料電子濃度不同,在節(jié)點處發(fā)生擴散導致電勢 設:導體
8、 A、 B的電子濃度分別為 NA、 NB,則: 其中: K為波爾茲曼常數(shù) T為結點所處溫度 若 NA NB ,則 eAB(T)0,反之亦然。故:電子濃度高的材料電位高。 溫差電勢:同一種金屬導體,由于二頭的溫度不同,電子從高溫段向低 溫段擴散,高溫處帶正電。 A與 T0、 T有關, 湯姆遜系數(shù),表示導體兩端單 位溫度差時產(chǎn)生的電勢 。 若 TT0,則 eAB(T)0,反之亦然。 A B T T 0 B AAB N N e kTTe ln)( dTTTe TT AA 0 ),( 0 熱電偶傳感器 接觸電勢與溫差電勢的性質(zhì) 回路總電勢 討論: 熱電偶的材料相同時, EAB(T,T0)=0 熱電偶的
9、兩個節(jié)點所處的溫度相同時 , EAB(T,T0)=0 所以形成熱電勢的兩個必要條件: 兩種導體的材料不同節(jié)點所處的溫度不同 )()( TeTe BAAB )()()( TeTeTe ACBCAB ),(),( 00 TTeTTe AA )(),(),()(),()(),()(),( 0000000 TeTTeTTeTeTTeTeTTeTeTTE ABABABABABABAB 熱電偶傳感器 熱電偶基本定律 均質(zhì)導體定律:熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構成。 中間導體定律:在熱電偶測溫回路內(nèi),接入第三種導體時,只要第三種導 體的兩端溫度相同,則對回路的總熱電勢沒有影響,即熱電偶接過渡 (中間)
10、導體(傳感器引出)時,總回路電勢不變。(測量引線) 中間溫度定律:在熱電偶測溫回路中, tc為熱電極上某一點的溫度,熱電 偶 AB在接點溫度為 t、 t0時的熱電勢 eAB(t,t0)等于熱電偶 AB在接點溫度 t、 tc和 tc、 t0時的熱電勢(溫度補償) 常用熱電偶 鉑鐒 鉑熱電偶,特點:精度高, 1300 C 鎳鉻 鎳硅熱電偶,特點:線性好, -501300 C,價格低 鎳鉻 銬銅熱電偶,特點:靈敏度高,常溫測量, -50500 C,價格低 鎢錸 10鎢錸 20熱電偶,特點:精度高,測高溫、 2000 C,成本高 熱電偶傳感器 熱電偶的溫度補償 標準測量時, T=0 C,但實際應用時較
11、難實現(xiàn)。常用方法為電位補償法。 補償電路置于變化的溫度環(huán)境( tn)中,調(diào)整 R使 E(tn, to)=UA,一般 t0=0 C,Rt為正溫度系數(shù)電阻。 當 tn ,UA 以補償 U(t,tn)的下降 V+ R R1 Rt tn UA T:測量溫度 E(t,t0) C C B A 熱電阻傳感器 原理:導體的 隨溫度 T變化。 特點:靈敏度低,精度高,宜用于常溫和低溫測量。 對導體材料的要求:理化性能穩(wěn)定, 隨 T的變化大,線性好。 常用:鉑、銅。 半導體熱敏電阻傳感器 特點:靈敏度高, A系數(shù)是金屬的 10 100倍;響應速度快; 非線性大;互換性、穩(wěn)定性差 分類:負溫度系數(shù);正溫度系數(shù)(常用于溫度補償電路中) 集成溫度傳感器 (半導體 PN結電壓隨溫度變化)