傳感器原理及工程應(yīng)用 第9章w.ppt

1、第9章半導(dǎo)體傳感器，9.1氣體傳感器，氣體傳感器是一種以化學(xué)成分為檢測(cè)參數(shù)的化學(xué)傳感器。9.1.1概述，氣體傳感器是用于檢測(cè)氣體類別、濃度和成分的傳感器，主要是半導(dǎo)體氣體傳感器。用于易燃、易爆、有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和自動(dòng)控制。它由半導(dǎo)體氣體傳感器組成，當(dāng)待測(cè)氣體接觸半導(dǎo)體表面時(shí)，通過(guò)物理性質(zhì)變化來(lái)檢測(cè)氣體。根據(jù)功能不同，根據(jù)物理性質(zhì)(如伏安特性)可分為表面控制型和表面或內(nèi)部音量控制型，以及電阻型和非電阻型。特點(diǎn)：當(dāng)暴露在氣體中時(shí)，溫度和濕度變化很大，存在灰塵和油污。氣體傳感器要求：長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)影響小。9.1.2半導(dǎo)體氣體傳感器的機(jī)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(kuò)散，部分蒸發(fā)，剩余部分被熱分解并固定在吸附位置(化學(xué)吸附)。9.1.2半導(dǎo)體氣體傳感器的機(jī)理，利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)引起電阻變化。半導(dǎo)體的功函數(shù)小于(大于)親和力，導(dǎo)致負(fù)(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(duì)氣體成分的選擇性和靈敏度，有時(shí)會(huì)滲入鈀等催化劑。氧化氣體對(duì)氮型的吸附阻力、還原氣體對(duì)磷型的吸附阻力增大，氧化氣體對(duì)磷型的吸附阻力和還原氣體對(duì)氮型的吸附阻力減小，半導(dǎo)體電導(dǎo)率的增加是由于多數(shù)載流子濃度的增加。氣體傳感器的結(jié)構(gòu)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(duì)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(guān)系如圖所示。氣體傳感器的基本測(cè)量電路，如圖所示，其中EH為加熱電源，EC為測(cè)量電源，在低濃度時(shí)靈敏度高，在高濃度時(shí)趨于穩(wěn)定。用于檢查可燃?xì)怏w泄漏并報(bào)警。1)燒結(jié)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(jié)。9.1.2氣體傳感器的應(yīng)用，氣敏電阻元件根據(jù)制造工藝分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型。氧化錫燒結(jié)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(dǎo)體對(duì)可燃?xì)怏w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(yīng)時(shí)或陶瓷襯底上的金屬氧化物薄膜通過(guò)真空鍍膜或?yàn)R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(guò)絲網(wǎng)印刷和燒

4、結(jié)預(yù)先印刷在具有電極的襯底上。用厚膜技術(shù)制作的器件一致性好，機(jī)械強(qiáng)度高。所有三種氣體傳感裝置都配有加熱器。使用時(shí)，加熱器可以燒掉測(cè)控部件上的油霧和灰塵，同時(shí)加速氣體氧化還原反應(yīng)，從而提高裝置的靈敏度和響應(yīng)速度。氧化鋅是一種氮型半導(dǎo)體。當(dāng)添加鉑催化劑時(shí)，其對(duì)烷烴氣體具有高靈敏度，但對(duì)H2、CO2和其它氣體具有低靈敏度。鈀催化劑對(duì)H2和一氧化碳有較高的靈敏度，但對(duì)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(dǎo)率的變化制成的濕度測(cè)量元件。該器件的結(jié)構(gòu)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(guò)設(shè)備材料的物理和化學(xué)特性將濕度轉(zhuǎn)換成有用信號(hào)的設(shè)備。很難檢測(cè)濕度，濕度傳感器需要暴露在測(cè)量的環(huán)境中。濕度傳感器要求：穩(wěn)定性好、重復(fù)性好、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、抗污染、溫度影響小。在李相反，電阻率降低，濕度被測(cè)量。為了擴(kuò)大濕度測(cè)量的線性范圍，可以組合使用多種不同氯化鋰含量的設(shè)備，自動(dòng)完成整個(gè)濕度范圍內(nèi)的濕度測(cè)量。氯化鋰濕度傳感器的耐濕特性曲線如圖所示。在50%相對(duì)濕度范圍內(nèi)，電阻與濕度呈線性關(guān)系，耐熱性差，不能用于露點(diǎn)以下的測(cè)量，重復(fù)性差，使用壽命短，具有滯后小，不受風(fēng)速影響，檢測(cè)精度高達(dá)%的優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻器通常是由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

6、孔陶瓷。9.2.2半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻器(簡(jiǎn)稱半導(dǎo)體陶瓷)，F(xiàn)e3O4的電阻率隨濕度增加而增加，稱為正特性濕敏半導(dǎo)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(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。當(dāng)水吸附在半導(dǎo)體陶瓷表面時(shí)，它能從半導(dǎo)體陶瓷表面捕獲電子，使半導(dǎo)體陶瓷表面帶負(fù)電，水分子的吸附使表面電位下降。1.濕敏半導(dǎo)體瓷的導(dǎo)電機(jī)理具有負(fù)特性，表面層的空穴濃度大于電子濃度，并出現(xiàn)表面反型層。半導(dǎo)體瓷的電阻率隨著濕度的增加而降低。當(dāng)水分子附著在半導(dǎo)體陶瓷表面，電位為負(fù)時(shí)，表面層的電子濃度降低，但表面層沒有反轉(zhuǎn)，仍然以電子傳導(dǎo)為主。

7、2.具有正特性的濕敏半導(dǎo)體陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理這種半導(dǎo)體陶瓷的表面電阻會(huì)隨著濕度的增加而增加。一般來(lái)說(shuō)，濕敏半導(dǎo)體陶瓷材料是多孔的，表面電阻的增加會(huì)導(dǎo)致總電阻值明顯增加；正特性半導(dǎo)體陶瓷總電阻值的增加不如負(fù)特性材料電阻值的降低明顯。該圖顯示了Fe3O4正半導(dǎo)電陶瓷濕度傳感器的電阻值和濕度之間的關(guān)系。氧化鎂復(fù)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(zhuǎn)換器件，即負(fù)半導(dǎo)電陶瓷和MgCr2O4型半導(dǎo)體。其電阻率低，電阻和溫度特性好，其結(jié)構(gòu)如圖所示。3。典型的半導(dǎo)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(duì)濕度和電阻值之間的關(guān)系如圖所示。傳感器

8、的電阻值不僅隨著環(huán)境中相對(duì)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(wú)需加熱去污裝置即可連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)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(jié)構(gòu)如圖所示。半導(dǎo)體顏色傳感器可以用來(lái)直接測(cè)量從可見光到近紅外的單色輻射的波長(zhǎng)。這是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型光敏器件。9.3色傳感器，半導(dǎo)體色傳感器是半導(dǎo)體光敏器件之一。它是一種基于內(nèi)部光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光輻射探測(cè)器。半導(dǎo)體顏色傳感器相當(dāng)于兩個(gè)不同的光電二極管組，它們被稱為光電雙結(jié)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(dǎo)體顏色傳感器的

9、工作原理。圖中所示的pn結(jié)是兩個(gè)不同結(jié)深的pn結(jié)二極管，淺結(jié)二極管為pn結(jié)；深結(jié)二極管是pn結(jié)。淺結(jié)對(duì)紫外光具有高靈敏度，而深結(jié)對(duì)紅外光具有高靈敏度，9.3.2半導(dǎo)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(zhǎng)特性，表征半導(dǎo)體顏色傳感器的波長(zhǎng)識(shí)別能力，并確定被測(cè)波長(zhǎng)的基本特性。圖b示出了短路電流對(duì)波長(zhǎng)的特性曲線。兩個(gè)光電二極管由相同的材料制成，具有相同的溫度系數(shù)，因此溫度的影響通?？梢院雎圆挥?jì)。3.溫度特性。圖為實(shí)用酒精測(cè)試儀電路。二氧化錫氣體傳感器為氣體傳感器，9.4應(yīng)用半導(dǎo)體傳感器，9.4.1實(shí)用酒精測(cè)試儀，當(dāng)沒有酒精時(shí)，A5引腳的電平低；當(dāng)檢測(cè)到酒精時(shí)，其內(nèi)部電阻變低，從而使A5引腳的電平變高。a是顯示驅(qū)動(dòng)器，它有10個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)光