传感器 第5版 教学课件 ppt 作者 唐文彦 第12章

普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器（第5版）哈尔滨工业大学唐文彦主编第一节气敏传感器第二节湿敏传感器第三节磁敏传感器第四节色敏传感器第五节离子敏传感器第十二章半导体式物性传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材返回主目录第十二章半导体式物性传感器第一节　气敏传感器一、半导体气敏传感器概述所谓半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。表12-1　半导体气敏传感器的分类主要物理特性传感器举例工作温度典型被测气体电阻式表面控制型氧化银、氧化锌室温～450℃可燃性气体体控制型氧化钛、氧化镁、氧化钴室温～700℃酒精、氧气非电阻式表面电位氧化银室温硫醇二极管整流特性铂/硫化镉、铂/氧化钛室温～200℃氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅MOS场效应晶体管室温～150℃氢气、硫化氢第一节　气敏传感器气敏传感器是暴露在各种气体环境使用的，其工作条件恶劣。为了保证传感器的性能，对气敏元件有下列要求：①能够检测易爆炸气体、有害气体等的浓度，与基准设定或允许浓度比较，并及时给出报警、显示与控制信号；②对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；③性能长期稳定、重复性好；④动态特性好、响应迅速；⑤使用、维护方便，价格便宜。第一节　气敏传感器二、气敏半导体材料的导电机理图12-1　气敏半导瓷吸附效应模型a)烧结体模型b)等效电路第一节　气敏传感器三、电阻型气敏器件电阻型气敏器件按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种。1.烧结型分为内热式和旁热式两种结构。图12-2　内热式气敏器件结构1、2、4、5—电极　3—SnO2烧结体图12-3　旁热式气敏器件结构1、2、4、5—电极　3—加热器6—SnO2烧结体　7—陶瓷绝缘管第一节　气敏传感器内热式优点：器件管芯体积很小，结构制造工艺简单。缺点：①热容量小，易受环境气流的影响；②测量电路和加热电路之间相互影响；③加热丝在加热和不加热状态下产生胀、缩，容易造成与材料接触不良的现象。旁热式气敏器件的管芯是在陶瓷管内放置高阻加热丝，在瓷管外涂梳状金电极，再在金电极外涂气敏半导体材料。这种结构形式克服了内热式器件的缺点，使器件稳定性有明显提高。第一节　气敏传感器2.薄膜型薄膜型器件外形结构如图12－4所示。这种器件具有较高的机械强度，而且具有互换性好、产量高、成本低等优点。图12-4　薄膜型器件结构图1、2、5、7—引线　3—半导体4—电极－6—绝缘基片　8—加热器第一节　气敏传感器3.厚膜型为解决器件一致性问题，1977年发展了厚膜型器件。其结构如图12－5所示。此种元件一致性较好，机械强度高，适于批量生产，是一种有前途的器件。图12-5　厚膜型器件的结构　1—加热器　2—电极3—湿敏电阻　4—基片第一节　气敏传感器四、非电阻型气敏器件1.　二极管气敏传感器在掺锢的硫化镉上，薄薄地蒸发一层钯薄膜，就形成了钯硫化镉二极管气敏传感器，这种传感器可用来检测氢气。氢气对这种二极管整流特性的影响如下：在氢气浓度急剧增高的同时，正向偏置条件下的电流也急剧增大。所以在一定的偏置下，通过测量电流值就能知道氢气的浓度。第一节　气敏传感器2.　MOS二极管气敏器件金属—氧化物—半导体（MOS）二极管的结构和等效电路如图12－8所示。它是利用MOS二极管的电容—电压特性的变化制成的MOS半导体气敏器件。图12-8　MOS气敏器件结构和等效电路图12-9　MOS结构的C-U特性和等效电路a—吸附H2前b—吸附H2后第二节　湿敏传感器一、湿度测量的名词术语1、湿度湿度是指大气中所含的水蒸气量。它有两种最常用的表示 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，即绝对湿度和相对湿度。2、绝对湿度绝对湿度是指一定大小空间中水蒸气的绝对含量，可用“kg/m3”表示。设空气的水气密度为ρv，与之相应的水蒸气分压为pv，根据理想气体状态方程，可以得出其关系式为m—水气的摩尔质量；R—摩尔气体普适常数；T—绝对温度。第十二章半导体式物性传感器第二节　湿敏传感器3、相对湿度相对湿度为某一被测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压的比值的百分数，常用%RH表示。这是一个无量纲的值。公式为：绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出了大气的潮湿程度，故使用更广泛。式中，p1(T)—温度T时的水蒸气压强；p2(T)—温度T时的饱和压强。第二节　湿敏传感器4、水蒸气压强当空气和水蒸气的混合物与水（或冰）保持平衡时，就处于饱和状态，相对湿度达到100%，此时水蒸气对水（或冰）的饱和压强称为水蒸气压强。5、露点在水汽冷却过程中最初发生结露的温度。若气温低于露点，水汽即开始凝结。6、湿度比它表示水蒸气的质量与干燥空气的质量比。第二节　湿敏传感器二、湿敏传感器概述湿敏传感器是指通过器件材料的物理或化学性质变化，将外界环境湿度变化转化成有用信号的元件。通常，湿敏元件应满足：①所要求的湿度测量范围，且响应迅速；②在各种气体环境中特性稳定；③受温度的影响小，能在-30~+100℃的环境温度中使用；④不受尘埃附着的影响；⑤工作可靠，互换性好，使用寿命长；⑥制造简单，价格便宜。半导体湿敏传感器在测量范围、响应速度、测量稳定性、可靠性、价格等方面具有令人较为满意的特性，得到了广泛应用。第二节　湿敏传感器三、半导瓷湿敏电阻制造半导瓷湿敏电阻的材料，主要是不同类型的金属氧化物。图12－10是三种典型的金属氧化物半导瓷的湿敏特性图。由于它们的电阻率随湿度的增加而下降，故称为负特性湿敏半导瓷。还有一种材料（如Fe3O4半导瓷）的电阻率随着湿度的增加而增大，称为正特性湿敏半导瓷。图12-10　几种负特性的湿敏半导瓷1—ZnO－LiO2－V2O5系2—Si－Na2O－V2O5系3—TiO2－MgO－Cr2O3系第二节　湿敏传感器按其制作工艺可分为涂薄膜型、烧结型、厚膜型、薄膜型及MOS型等。目前，烧结型在湿度传感器的应用中占有很重要的地位。（1）烧结型湿敏电阻图12-11　烧结型半导瓷湿敏电阻的结构1—接线柱　2—隔漏环　3—RuO2电极4—感湿体　5—加热丝6—底座　7—感湿体引线第二节　湿敏传感器（2）涂覆膜型Fe3O4湿敏器件Fe3O4湿敏器件采用滑石瓷做基片，在基片上用丝网印刷工艺印制成梳状金电极。将纯净的Fe3O4胶粒，用水调制成适当粘度的浆料，然后将其涂覆在已有金电极的基片上，经低温烘干后，引出电极即可使用。优点在常温、常湿下性能比较稳定；有较强的抗结露能力；在全湿范围内有相当一致的湿敏特性，而且其工艺简单，价格便宜。缺点响应缓慢，并有明显的湿滞效应。第三节磁敏传感器磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器。一、磁敏电阻器1.磁阻效应将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化，这种现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。本章只介绍磁敏电阻和磁敏二极管。第十二章半导体式物性传感器第三节磁敏传感器当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为式中B—磁感应强度；μ—载流子迁移率；ρ0—零磁场下的电阻率；ρB—磁感应强度为B时的电阻率。设电阻率的变化为Δρ=ρB－ρ0，则电阻率的相对变化率为磁场一定时，迁移率高的材料磁阻效应明显。第三节磁敏传感器2.磁敏电阻的形状常见的磁敏电阻是圆盘形的，中心和边缘处为两电极。这种圆盘形磁阻器叫科尔比诺圆盘。其磁阻效应叫科尔比诺效应。在考虑到形状的影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系，可以用下式表示式中f(L/b)——形状效应系数，L、b分别为磁敏电阻的长度和宽度。第三节磁敏传感器各种形状的磁敏电阻器，其磁阻RB与磁感应强度的关系如图12－12所示，图中R0为B=0时的电阻值。由图可见，圆盘形样品的磁阻最大。图12-12　磁阻RB与磁感应强度B关系第三节磁敏传感器3.磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用非常广泛。除了用它做成探头，配上简单线路可以探测各种磁场外，在测量方面还可制成位移检测器、角度检测器、功率计、安培计等。此外，可用磁敏电阻制成交流放大器、振荡器等。第三节磁敏传感器二、磁敏二极管（SMD）图12-13　磁敏二极管结构和工作原理　图12-14　SMD的伏安特性曲线第三节磁敏传感器磁敏二极管与其他磁敏器件相比，具有以下特点：1）灵敏度高磁敏二极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至上千倍，而且线路简单，成本低廉，更适合于测量弱磁场。2）具有正反磁灵敏度这一点是磁阻器件所欠缺的。故磁敏二极管可用作无触点开关。3）灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄这一点不如霍尔元件。磁敏二极管可用来检测交、直流磁场，特别适合于测量弱磁场；可制作箝位电流计，对高压线进行不断线、无接触电流测量，还可作无接触电位计等。第四节　色敏传感器一、半导体色敏传感器的基本原理半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合，故又称双结光电二极管。其结构原理及等效电路示于图12－15中。图12-15　半导体色敏传感器结构和等效电路第十二章半导体式物性传感器第四节　色敏传感器1.光电二极管的工作原理图12-16光照下的P-N结a)光生电子和空穴的运动　b)外电路开路，光生电压出现第四节　色敏传感器光在半导体中传播时的衰减，是由于价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带的结果这种吸收光子的过程称为本征吸收，硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线如图12－17所示。由图可见，在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大。这就表明，波长短的光子衰减较快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深的区域。图12-17　吸收系数随波长的变化第四节　色敏传感器对于光电器件而言，还常用量子效率来表征光生电子流与入射光子流的比值大小。其物理意义是单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。根据理论计算可以得到，P区在不同结深时量子效率随波长变化的曲线如图12－18所示。图中xj即表示结深。浅的P－N结有较好的蓝紫光灵敏度，深的P－N结则有利于红外灵敏度的提高，半导体色敏器件正是利用了这一特性。图12-18　量子效率随波长的变化第四节　色敏传感器2.半导体色敏传感器工作原理在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性，即可以用来测量入射光的波长。将两只结深不同的光电二极管组合，就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。图12－19示出了不同结深二极管的光谱响应曲线。图中PD1代表浅结二极管，PD2代表深结二极管。图12-19　硅色敏管中PD1和PD2的光谱响应曲线第四节　色敏传感器二、半导体色敏传感器的基本特征1.半导体色敏器件的光谱特性光谱特性是表示它所能检测的波长范围，图12-20a给出了国产CS－1型半导体色敏器件的光谱特性，其波长范围是400～1000nm。2.短路电流比－波长特性短路电流比－波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是用来确定被测波长的基本特性。上述CS－1型半导体色敏器件的短路电流比－波长特性曲线示于图12-20b中。第四节　色敏传感器图12-20　半导体色敏器件特性a)光谱特性　b)短路电流比－波长特性第五节　离子敏传感器图12-22　N沟道增强型MOSFET特性a)输出特性　b)转移特性第五节　离子敏传感器2.　离子敏传感器的结构与工作原理以αi表示响应离子的浓度，则当被测溶液中的干扰离子影响极小时，阈值电压VT可用下式表示：式中的C、S对一定的器件、一定的溶液而言，在固定参考电极电位时是常数，因此ISFET的阈值电压与被测溶液中的离子浓度的对数成线性关系。图12-23　敏感膜涂覆在MOSFET栅极的ISFET示意图1－MOSFET　2—铂膜　3—敏感膜第五节　离子敏传感器二、ISFET的应用ISFET可以用来测量离子敏感电极（ISE）所不能测量的生物体中的微小区域和微量离子。因此，它在生物医学领域中具有很强的生命力。此外，在环境保护、化工、矿山、地质、水文以及家庭生活等各方面都有其应用。1.对生物体液中无机离子的检测2.在环境保护中应用