傳感器原理及應(yīng)用第9章 半導(dǎo)體式傳感器

1、 主要內(nèi)容： 概述概述 概述概述 紙紙 品品 木材烘干木材烘干 濕度傳感器濕度傳感器 芯片生產(chǎn)要求最高的濕度穩(wěn)定性芯片生產(chǎn)要求最高的濕度穩(wěn)定性 概述概述 氣敏傳感器 濕敏 傳感器 N N型半導(dǎo)體與氣體接觸型半導(dǎo)體與氣體接觸 時的氧化還原反映時的氧化還原反映 氣敏傳感器測量電路氣敏傳感器測量電路 MOSMOS二極管二極管 氣敏元件結(jié)構(gòu)氣敏元件結(jié)構(gòu) MOSMOS二極管氣敏二極管氣敏 元件等效電路元件等效電路 2 2）MOSFETMOSFET氣敏元件氣敏元件 PdPd對對H2H2吸附性很強，吸附性很強，H2H2吸附在吸附在PdPd柵上引起的柵上引起的PdPd功函數(shù)降低。功函數(shù)降低。 當(dāng)柵極（當(dāng)柵極（

2、G G）源極（）源極（S S）間加正向偏壓）間加正向偏壓 U UGSGSUUT T 閥值時，柵極氧閥值時，柵極氧 化層下的硅從化層下的硅從P P變?yōu)樽優(yōu)镹 N型，型，N N型區(qū)將型區(qū)將S S（源）和（源）和D D（漏）連接起來，（漏）連接起來， 形成導(dǎo)電通道（形成導(dǎo)電通道（N N型溝道）此時型溝道）此時MOSFETMOSFET進入工作狀態(tài)。進入工作狀態(tài)。 鈀鈀Pd Pd MOSFET MOSFET管結(jié)構(gòu) 管結(jié)構(gòu) 在在S SD D間加電壓間加電壓U UDSDS，S SD D間有電流間有電流I IDSDS流流 過，過，I IDSDS隨隨U UDSDS、U UGSGS變化。當(dāng)變化。當(dāng)U UGSGSU

3、 20 天 精確的 烘干工藝烘干工藝.應(yīng)用于 高品質(zhì)木材高品質(zhì)木材, 防止. . 導(dǎo)致變形導(dǎo)致變形 . 影響木材表面影響木材表面 光潔度光潔度 鼓風(fēng)機 排出冷凝水份 空氣冷卻器 隔熱層 待烘干木堆 最最 新新 濕濕 度度 測測 量量 應(yīng)應(yīng) 用用 領(lǐng)領(lǐng) 域域 木材烘干木材烘干 . 產(chǎn)生氣孔產(chǎn)生氣孔 精確的 烘干工藝烘干工藝.用于制造 最優(yōu)品質(zhì)的磚塊最優(yōu)品質(zhì)的磚塊, 避免. . 變形變形 每一塊已干的磚塊 含有75% 的水份 將磚塊置于烘干 房中的隔板上 一次烘干處理（預(yù)干）一次烘干處理（預(yù)干） 空氣加熱設(shè)備 起始: 95% rH20C 結(jié)束: 40% rH50C 二次烘干處理（主要階段）二次烘干

4、處理（主要階段） 起始: 40% rH80C 結(jié)束: 20% rH110C 為何選擇為何選擇Testo 650 PHT溫濕度變送器溫濕度變送器? - 溫度量程高達 180C 涵蓋所有烘干工藝所需溫度 - 工作壓力 10 bar (150 psi) 使用范圍廣，性能穩(wěn)定 - 操作簡便 低維護成本 每片已干燥磚塊 含20%的水份 最終效果最終效果: 烘干房頂端 管道 (防止冷凝物 反向進入致使 機械受損) 最最 新新 濕濕 度度 測測 量量 應(yīng)應(yīng) 用用 領(lǐng)領(lǐng) 域域 磚塊烘干磚塊烘干 RS485 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò) 6 RS 232 RS 485 PC 帶帶 ComSoft V3.3 每條每條 RS485 線

5、線: 多達多達32個個Hygrotest Hygrotest 帶顯示器帶顯示器 H3: RS485 H4: RS485 + 模擬輸出模擬輸出 H5: RS485 + 模擬輸出模擬輸出+繼電器模擬輸出繼電器模擬輸出 + 中繼中繼 PLC 接入接入 RS485 或 避免傳統(tǒng)的電纜避免傳統(tǒng)的電纜 只使用數(shù)字信號 通過總線獲得通過總線獲得 所有相關(guān)信息所有相關(guān)信息 最容易的數(shù)據(jù)最容易的數(shù)據(jù) 保存保存/記錄和數(shù)據(jù)描述記錄和數(shù)據(jù)描述 極高濕度測量加熱探頭極高濕度測量加熱探頭 7 h, T x 100 % rh 例如 73 % rh 5 K 后部耐熱后部耐熱: 持續(xù)高溫 5 K 處理條件 (高濕度) 加熱后

6、的 傳感器狀況 Testo 濕度傳感器濕度傳感器附加 Pt1000 Testo 探頭類型 04 聚四氟乙烯帽聚四氟乙烯帽 探頭長度探頭長度 標(biāo)準(zhǔn): 210 mm 可能: 80.500 mm 模擬輸出：模擬輸出：4-線線 (0.20 mA, 4.20 mA, 0.1 V, 0.10 V) 2,5 % rh 精度精度 更快的更快的 響應(yīng)時間響應(yīng)時間 即使長期暴露在冷凝液中也 不會腐蝕不會腐蝕 可能不需鹽溶液調(diào)節(jié) 半導(dǎo)體色敏傳感器是一種半導(dǎo)體光敏器件，工作原理半導(dǎo)體色敏傳感器是一種半導(dǎo)體光敏器件，工作原理 基于光電效應(yīng)，可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光輻射探基于光電效應(yīng)，可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光輻射探

7、測器。測器。 一般光電器件是檢測在一定波長范圍內(nèi)的光強度或光一般光電器件是檢測在一定波長范圍內(nèi)的光強度或光 子數(shù)目。而色敏器件可以直接測量從可見光到近遠紅子數(shù)目。而色敏器件可以直接測量從可見光到近遠紅 外波段內(nèi)單色輻射波長。外波段內(nèi)單色輻射波長。 1 1 2 2 3 3 半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的 光電二極管組合，實際不是三極管而是兩個深光電二極管組合，實際不是三極管而是兩個深 淺不同的淺不同的PNPN結(jié)，又稱結(jié)，又稱光電雙結(jié)二極管光電雙結(jié)二極管。 當(dāng)有光照射時，當(dāng)有光照射時，P+P+、N N、P P三個區(qū)域光子吸收三個區(qū)域光子吸收 效果不同，紫外

8、光部分吸收系數(shù)大，距離短；效果不同，紫外光部分吸收系數(shù)大，距離短； 紅外部分吸收系數(shù)小，穿透距離長，構(gòu)成可以紅外部分吸收系數(shù)小，穿透距離長，構(gòu)成可以 測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。 P+P+ N N P P 波長短波長短的光子衰減快，穿透的光子衰減快，穿透深度較淺深度較淺， 波長長波長長的光子衰減較慢，能穿透硅片的光子衰減較慢，能穿透硅片較深較深區(qū)域。區(qū)域。 淺結(jié)淺結(jié)的光電二極管對的光電二極管對紫外光紫外光靈敏度高，靈敏度高， 深結(jié)深結(jié)的光電二極管對的光電二極管對紅外光紅外光靈敏度高；靈敏度高； 這一特征為色敏器件提供了識別顏色的可能。這一特征為色敏器件提供了識別顏色

9、的可能。 1 1 2 2 3 3 UiUi U0U0 I I1 1 U UD DI ID D R1R1 R2R2 + + - - 11 / / 26, DT Di UU DS S IIUR II e mv I B TT ,二極管伏安特征方程 U 電壓當(dāng)量，室溫時U反向飽和電流 具體應(yīng)用時需要的對器件進行標(biāo)定，測定不同波長時兩只二極管具體應(yīng)用時需要的對器件進行標(biāo)定，測定不同波長時兩只二極管 的短路電流比值，通過判別兩只光電二極管光電流的大小判別顏色。的短路電流比值，通過判別兩只光電二極管光電流的大小判別顏色。 檢測光波長（顏色）處理電路檢測光波長（顏色）處理電路彩色信號處理電路，用二極管彩色信號

10、處理電路，用二極管 PNPN結(jié)做反饋元件，利用二極管正向?qū)ǖ姆蔡匦猿芍笖?shù)規(guī)律變化，結(jié)做反饋元件，利用二極管正向?qū)ǖ姆蔡匦猿芍笖?shù)規(guī)律變化， 構(gòu)成運算放大器電路。構(gòu)成運算放大器電路。 I I1 1 是淺結(jié)二極管的短路電流，它在短波區(qū)較大；是淺結(jié)二極管的短路電流，它在短波區(qū)較大； I I2 2 是深結(jié)二極管的短路電流，它在長波區(qū)較大是深結(jié)二極管的短路電流，它在長波區(qū)較大 由此確定二者比值與入射波長關(guān)系，所以色彩識別必須獲得兩個光電由此確定二者比值與入射波長關(guān)系，所以色彩識別必須獲得兩個光電 二極管的短路電流比；二極管的短路電流比； 02121 lnlnln/UCIICII C C為比例常數(shù)，使用前需對色敏器件進行標(biāo)定。為比例常數(shù)，使用前需對色敏器件進行標(biāo)定。 色敏傳感器檢測電路框圖色敏傳感器檢測電路框圖 對數(shù)運算電路對數(shù)運算電路 檢測電路組成：對數(shù)電路檢測電路組成：對數(shù)電路OP1OP1、OP2OP2，運放，運放OP3OP3； 采用對數(shù)放大器，電流較小時采用對數(shù)放大器，電流較小時 二極管兩端電壓存在近似對數(shù)關(guān)二極管兩端電壓存在近似對數(shù)關(guān) 系。系。 OP1OP1、OP2OP2輸出分別與輸出分別與I1I1、 I2I2成比例，由成比例，由OP3OP3取出差值