半導體傳感器PPT課件

1、1,半導體傳感器,半導體傳感器是典型的物理型傳感器，它是利用某些材料的電特征的變化實現被測量的直接轉換，如改變半導體內載流子的數目。 凡是用半導體材料制作的傳感器都屬于半導體傳感器。 其中包括：光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管、霍爾元件、磁敏元件、壓阻元件、氣敏、濕敏等等,2,3,4,氣 敏 傳 感 器,氣敏傳感器是用來檢測氣體濃度和成份的傳感器； 如： 工業(yè)天然氣、煤氣等易燃易爆的安全監(jiān)測； 環(huán)境保護，有害、有毒氣體監(jiān)測； 酒后駕車，乙醇濃度檢測； 氣敏傳感器靈敏度較高，達10-610-3數量級，可檢測到 1/10 爆炸下限的可燃氣體,由于氣體種類很多，性質各不相同，不可能用同一種氣體傳感器

2、測量所有氣體，按半導體的物理特性，可分為電阻型和非電阻型,5,半導體氣敏傳感器工作原理,1) 電阻型半導體氣敏傳感器,半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體表面接觸時， 產生的電導率等物理性質變化來檢測氣體的。按照半導體與氣體相互作用時產生的變化只限于半導體表面或深入到半導體內部，可分為表面控制型和體控制型。 前者半導體表面吸附的氣體與半導體間發(fā)生電子接受，結果使半導體的電導率等物理性質發(fā)生變化，但內部化學組成不變； 后者半導體與氣體的反應，使半導體內部組成發(fā)生變化，而使電導率變化,6,電阻型氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應，導致敏感元件阻值變化； 如： 氧氣具有負離子吸附傾向

3、的氣體，被稱為氧化型氣體電子接收性氣體； 氫、碳氧化合物、醇類等具有正離子吸附傾向的氣體，被稱為還原型氣體電子供給性氣體,7,當氧化型氣體吸附到N型半導體上， 半導體的載流子減少，電阻率上升； 當氧化型氣體吸附到P型半導體上， 半導體的載流子增多，電阻率下降； 當還原型氣體吸附到N型半導體上， 半導體的載流子增多，電阻率下降； 當還原型氣體吸附到P型半導體上， 半導體的載流子減少，電阻率上升,氣體與半導體接觸時情況 N型半導體多電子 P型半導體多空穴,8,N型半導體吸附氣體時器件阻值變化圖,表示了氣體接觸N型半導體時所產生的器件阻值變化情況。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的， 因此氧的吸附量也

4、是恒定的，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度,9,在常溫下，電導率變化并不大，達不到檢測目的， 因此以上結構的氣敏元件都有電阻絲加熱器; 加熱時間23分鐘，加熱電源一般為5V; 加熱方式分為直熱式和旁熱式,直熱式,旁熱式,10,組成：敏感元件、加熱器、外殼； 制造工藝：燒結型、薄膜型、厚膜型。 氣敏電阻的材料是金屬氧化物，合成時加敏感材料和催化劑燒結，這些金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導體后顯示氣敏特性,金屬氧化物有： N型半導體，如：SnO2 Fe2O3 ZnO TiO P型半導體，如：CoO2 PbO MnO2

5、 CrO3,電阻型半導體氣敏傳感器導電機理用一句話描述： 利用半導體表面因吸附氣體引起半導體元件電阻值變化，根據這一特性，從阻值的變化測出氣體的種類和濃度,11,2) 非電阻型半導體氣敏傳感器,非電阻型半導體氣敏傳感器主要類型： 利用MOS二極管的電容電壓特性變化； 利用MOS場效應管的閾值電壓的變化； 利用肖特基金屬半導體二極管的勢壘變化進行氣體檢測,12,1）MOS二極管氣敏元件（電容電壓） 在P型硅氧化層上蒸發(fā)一層鈀（Pd）金屬膜作電極。氧化層（SiO2）電容Ca是固定不變的。而硅片與氧化層電容Cs是外加電壓的功函數，總電容C也是偏壓的函數。MOS二極管的等效電容C隨電壓U變化。 金屬鈀

6、（Pd）對氫氣（H2）特別敏感。當Pd吸附金屬膜以后，使Pd的功函數下降，使MOS管CU特性向左平移，利用這一特性用于測定氫氣的濃度,13,2）MOSFET氣敏元件 Pd對H2吸附性很強，H2吸附在Pd柵上引起的Pd功函數降低。當柵極（G）源極（S）間加正向偏壓 UGSUT 閥值時，柵極氧化層下的硅從P變?yōu)镹型，N型區(qū)將S（源）和D（漏）連接起來，形成導電通道（N型溝道）此時MOSFET進入工作狀態(tài),在SD間加電壓UDS，SD間有電流IDS流過，IDS隨UDS、UGS變化。當UGSUT時，溝道沒形成，無漏源電流IDS=0。 UT（閥值）電壓大小與金屬與半導體間的功函數有關。 PdMOSFET器

7、件就是利用H2在鈀柵極吸附后改變功函數使UT下降，檢測H2濃度,14,3）肖特基二極管 金屬和半導體接觸的界面形成肖特基勢壘，構成金屬半導體二極管。管子加正偏壓，半導體金屬的電子流增加，正向導通電阻極小UD0.2，加負偏壓時UD 很大，相當開路幾乎無電流。當金屬與半導體界面有氣體時，勢壘降低，電流變化（上升）。 金屬與半導體界面吸附氣體時，影響半導體禁帶寬度Eg，二極管正向偏壓條件下，氣體濃度 電流 輸出電壓UR 。 非電阻型半導體氣敏傳感器主要用于氫氣濃度測量,氣敏電阻外形,酒精傳感器,其他可燃性氣體傳感器,16,酒精測試儀,呼氣管,17,家庭用煤氣報警器,18,家庭用液化氣報警器,19,一

8、氧化碳傳感器,20,其他氣體傳感器,NH3傳感器,甲烷傳感器,21,二氧化鈦氧濃度傳感器,半導體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導體，對氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當周圍氧氣濃度較大時，氧原子進入二氧化鈦晶格，改變了半導體的電阻率，使其電阻值增大,圖示是用于汽車或燃燒爐排放氣體中的氧濃度傳感器結構圖及測量轉換電路。二氧化鈦氣敏電阻與補償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當氧氣含量減小時，RTiO2的阻值減小，Uo增大。 在圖b中，與TiO2氣敏電阻串聯的熱敏電阻Rt 起溫度補償作用。當環(huán)境溫度升高時，TiO2氣敏電阻的阻值會逐漸減小，只要Rt也以同樣的比例減小，根據分

9、壓比定律，Uo不受溫度影響，減小了測量誤差,22,圖 TiO2氧濃度傳感器結構及測量轉換電路,a）結構 b）測量轉換電路,1外殼（接地）2安裝螺栓 3搭鐵線4保護管 5補償電阻 6陶瓷片 7TiO2氧敏電阻 8進氣口 9引腳,23,氧濃度傳感器外形,可用于汽車尾氣測量,24,汽車尾氣分析,25,有毒氣體傳感器的使用,26,酒精測試儀,27,防 酒 后 駕 車 汽 車 點 火 電 路,無酒精時，S閉合，氣敏電阻高，Ua高Uo低，定時器輸出高，J2釋放，J1閉合，點火； 有酒精時，氣敏電阻下降，Ua低Uo高，定時器輸出低，J2吸合，J2-1斷開，不啟動； 若司機拔出氣敏傳感器，J1斷電J1-1斷開

10、無法啟動。J1-2氣敏元件加熱回路。 繼電器J1-1、J1-2常開接點， J2-1 常閉接點， J2-2常接VD1（綠燈），VD2（紅燈,28,多種氣體檢測系統(tǒng),29,紅外吸收 (IR-process,測量原理,30,濕敏傳感器,濕度是指空氣中的水蒸氣含量，干燥或潮濕對我們的生活有很大影響，潮濕發(fā)霉，干燥不舒服。濕度傳感器主要應用于溫濕度檢測控制、軍械倉庫、糧倉、水果保鮮等場合。 最早人們用頭發(fā)隨濕度變化而伸長或縮短現象做毛發(fā)濕度計，逐漸有了電阻濕度計，半導體濕度計是近年來才出現的,31,為什么要測量濕度,32,濕度對電子元件的影響,當環(huán)境的相對濕度增大時，物體表面就會附著一層水膜，并滲入材料

11、內部。這不僅降低了絕緣強度，還會造成漏電、擊穿和短路現象；潮濕還會加速金屬材料的腐蝕并引起有機材料的霉爛,33,露點,降低溫度會產生結露現象。露點與農作物的生長有很大關系，結露也嚴重影響電子儀器的正常工作，必須予以注意,測量露點的儀器,34,濕度通常用絕對濕度和相對濕度表示： 絕對濕度：單位空間所含水蒸汽的絕對含量或濃度，用符號 AH 表示，單位（g/m3）。 相對濕度，被測氣體中蒸汽壓和該氣體在相同溫度下飽合水蒸氣壓的百分比，一般用 %RH 表示，無量綱。 不同環(huán)境所需濕度不同，測量方法很多，但精度不高。目前世界上最高水平濕度測量精度在0.01%左右,35,濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，

12、并通過器件材料的物理或化學性質變化，將濕度轉化成有用信號的器件。 濕度檢測較之其它物理量的檢測顯得困難，這首先是因為空氣中水蒸氣含量要比空氣少得多； 另外，液態(tài)水會使一些高分子材料和電解質材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質結合成酸或堿，使?jié)衩舨牧喜煌潭鹊厥艿礁g和老化，從而喪失其原有的性質； 再者，濕信息的傳遞必須靠水對濕敏器件直接接觸來完成，因此濕敏器件只能直接暴露于待測環(huán)境中，不能密封。 通常，對濕敏器件有下列要求：在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好，響應時間短，壽命長，有互換性，耐污染和受溫度影響小等。微型化、集成化及廉價是濕敏器件的發(fā)展方向,36,氯化鋰濕敏電阻,氯化鋰濕敏電

13、阻電解質濕敏電阻 利用物質吸收水分子使導電率發(fā)生變化檢測濕度。 在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl以正負離子的形式存在，鋰離子（Li+）對水分子的吸收力強，離子水合成度高，溶液中的離子導能力與溶液濃度成正比，溶液濃度增加，導電率上升,電阻率下降,通過測量溶液電阻R值實現對濕度測量,當溶液置于一定濕度場中，若環(huán)境RH 上升，溶液吸收水分子使?jié)舛认陆?電阻率 上升，反之RH下降，溶液濃度上升，電阻率下降。 RH 吸濕濃度 R RH 脫濕濃度 R,37,半導體陶瓷濕敏電阻（半導瓷,通常用兩種以上的金屬氧化物半導體燒結成多孔陶瓷，材料有正特性系數和負特性系數兩種,負特性濕敏半導體瓷的導電機理 水分

14、子氫原子具有很強的正電場，水分子在半導瓷表面 吸附時從表面俘獲電子，使半導瓷表面帶負電。 P型半導體 水分子吸附表面電勢下降，吸引空穴到達表面， 使表面層電阻下降； N型半導體 水分子吸附表面電勢下降，表面電勢下降較多時，電子耗盡，同時吸引更多的空穴到達表面，可能使表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現反型層，這 些反型載流子同樣可以在表面遷移而表現出電導特 性。 水分子吸附時表面電阻也會下降,38,負特性濕敏半導體瓷濕敏電阻，電阻隨濕度增加而下降。由于水分子中氫原子具有很強的正電場，當水分子在半導體瓷表面吸附時可能從半導體瓷表面俘獲電子，使半導體表面帶負電，相當表面電勢變負，電阻率隨濕度增加而下

15、降。 正濕敏特性半導體瓷濕敏電阻（例：Fe3O4），材料結構、電子能量狀態(tài)與負特性不同，總的電阻值升高沒有負特性阻值下降的明顯,39,電子濕度計模塊,封裝后的外形,濕敏傳感器的應用,40,電子式溫濕度計,41,機械式、電子式溫濕度計對比,42,土壤濕度測量,RH為VT提供偏流，RH插入土壤，濕度不同傳感器阻值不同，基極電流不同， 使VT的Ie變化，在R2上轉換為電壓變化，送運放A放大； RH放在水中濕度100%，調節(jié)RP2使增益輸出滿量程5V； RH擦（吹）干濕度0%，調節(jié)RP1比較端電壓，使輸出0V,43,最 新 濕 度 測 量 應 用 領 域 面條烘干,44,最 新 濕 度 測 量 應 用

16、 領 域 生產過程的空氣質量,45,46,半導體色敏傳感器是一種半導體光敏器件，工作原理基于光電效應，可將光信號轉換為電信號的光輻射探測器。 一般光電器件是檢測在一定波長范圍內的光強度或光子數目。而色敏器件可以直接測量從可見光到近遠紅外波段內單色輻射波長,色敏傳感器,47,光電二極管的工作原理 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生一對電子-空穴。這些由光子激發(fā)而產生的電子-空穴統(tǒng)稱為光生載流子。光電二極管的基本部分是一個結，產生的光生載流子只要能擴散到勢壘區(qū)的邊界，其中少數載流子（專指P區(qū)中的電子和N區(qū)的

17、空穴）就受勢壘區(qū)強電場的吸引而被拉向對面區(qū)域，這部分少數載流子對電流作出貢獻。多數載流子（P區(qū)中的空穴或N區(qū)中的電子）則受勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘區(qū)的邊緣。 在勢壘區(qū)內產生的光生電子和光生空穴，則分別被電場掃向N區(qū)和P區(qū)，它們對電流也有貢獻,48,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，這種吸收光子的過程稱為本征吸收。硅的本征吸收系數隨入射光波長變化的曲線如圖所示。由圖可見，在紅外部分吸收系數小，紫外部分吸收系數大。這就表明， 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,49,半導體色敏傳感器相當于兩只結構不同的光電二極管組合，實際不是三極管而是兩個深淺不同的PN結，又稱光電雙結二極管。 當有光照射時，P+、N、P三個區(qū)域光子吸收效果不同，紫外光部分吸收系數大，距離短；紅外部分吸收系數小，穿透距離長，構成可以測定波長的半導體色敏傳感器,50,波長短的光子衰減快，穿透深度較淺， 波長長的光子衰減較慢，能穿透硅片較深區(qū)域。 淺結的光電二極管對紫外光靈敏度高， 深結的光電二極管對紅外光靈敏度高； 這一特征為色敏器件提供了識別顏色的可能,具體應用時需要的對器件進行標定，測定不同波長時兩只二極管的短路電流比