第11章半導(dǎo)體傳感器

1、第九章半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器n氣敏傳感器n濕敏傳感器n色敏傳感器氣敏傳感器n用途：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(yù)報和自動控制, 氣敏元件是以化學(xué)物質(zhì)的成分為檢測參數(shù)的化學(xué)敏感元件。 n材料：材料：氣敏電阻的材料是金屬氧化物半導(dǎo)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n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、n為提高氣體靈敏度，一般需加熱以加快氧化還原反應(yīng)（到200450）,同時加

2、熱還能使附著在測控部分上的油霧、塵埃燒掉。R2OxNOR2HCO氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu)n電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器n由三部分組成：敏感元件、加熱器和外殼n燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型 n非電阻型半導(dǎo)體傳感器nMOS二極管氣敏器件nMOS場效應(yīng)晶體管氣敏器件濕敏傳感器n絕對濕度和相對濕度n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。n相對濕度：氣體的絕對濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對濕度之比，一般用符號%RH表示。n在實(shí)際使用中多使用相對濕度這個概念。氯化鋰濕敏電阻n原理原理：材料吸濕潮解或干化（能互逆），使器件的電阻率發(fā)生變化。n氯化鋰通常

3、與聚乙烯醇組成混合體，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)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(dǎo)體陶瓷濕敏電阻n用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。n導(dǎo)電機(jī)理：類似氣敏電阻n一般有兩種：n負(fù)特性濕敏半導(dǎo)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(qiáng)的正電場，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時，有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。對于P型半導(dǎo)體，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面，使其表面層的電阻下降。對于N型半導(dǎo)體？n正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻

4、率隨溫度增加而增大當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢變負(fù)時，導(dǎo)致其表面層電子濃度下降，但色敏傳感器n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(qiáng)度，而半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)帶而產(chǎn)生一對電子-空穴。 光在半導(dǎo)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(dǎo)帶的結(jié)果, 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

5、子則能進(jìn)入硅的較深區(qū)域。淺的P-N結(jié)有較好的藍(lán)紫光靈敏度, 深的P-N結(jié)則有利于紅外靈敏度的提高, 半導(dǎo)體色敏器件正是利用了這一特性。 半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理依據(jù)：半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的靈敏度。在具體應(yīng)用時, 應(yīng)先對該色敏器件進(jìn)行標(biāo)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ISD2ISD1, （ISD1是淺結(jié)二極管的短路電流, 它在短波區(qū)較大， ISD2是深結(jié)二極管的短路電流, 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(guān)系。根據(jù)標(biāo)定的曲線, 實(shí)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(dǎo)體色敏傳感器的基本特征n光譜

6、特性n短路電流比波長特性n溫度特性為什么不能用（二極管的）光譜特性（光生伏特效應(yīng)），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(qiáng)的影響。2.溫度影響（得到補(bǔ)償）磁敏傳感器（補(bǔ)）n磁阻電阻n工作原理：半導(dǎo)體在磁場作用下有霍爾效應(yīng)，電阻也會變化n電阻率的相對變化：其中 是電子遷移率 n磁阻二極管n工作原理：利用洛倫茲力的作用 n二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：P-I-N結(jié)構(gòu)，其中本征區(qū)I的長度較長。本征區(qū)的兩個側(cè)面一個制成光面、一個制成毛面。在毛面電子-空穴對易復(fù)合消失、電流小。在光面電子-空穴對不易復(fù)合消失、電流大?？蓽y量磁場的大小和方向。n特點(diǎn)：測量靈敏度高（比霍爾元件高幾百倍）、能判定的方向。2

7、)( BK毛面PN半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用（1）半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用（2）熱電式傳感器（補(bǔ)）n熱電偶n熱電阻n集成溫度傳感器熱電偶傳感器n熱電偶工作原理n熱電現(xiàn)象：兩種不同材料導(dǎo)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。n熱電勢分為接觸電勢和溫差電勢n接觸電勢：不同材料電子濃度不同，在節(jié)點(diǎn)處發(fā)生擴(kuò)散導(dǎo)致電勢設(shè)：導(dǎo)體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(jié)點(diǎn)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。n溫差電勢：同一種金屬導(dǎo)體，由于二頭的溫度不同，電子從高溫段向低溫段擴(kuò)散，高溫處帶正電。A與T0、

8、T有關(guān)，湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)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。ABTT0BAABNNekTTeln)(dTTTeTTAA0),(0熱電偶傳感器n接觸電勢與溫差電勢的性質(zhì)n回路總電勢討論： 熱電偶的材料相同時，EAB(T,T0)=0 熱電偶的兩個節(jié)點(diǎn)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(dǎo)體的材料不同節(jié)點(diǎn)所處的溫度不同)()(TeTeBAAB)()()(TeTeTeACBCAB),(),(00TTeTTeAA)(),(),()(),()(),()(),(0000000TeTTeTTeTeTTeTeTTeTeTTEABAB

9、ABABABABAB熱電偶傳感器n熱電偶基本定律均質(zhì)導(dǎo)體定律：熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。中間導(dǎo)體定律：在熱電偶測溫回路內(nèi)，接入第三種導(dǎo)體時，只要第三種導(dǎo)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）導(dǎo)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(diǎn)的溫度，熱電偶AB在接點(diǎn)溫度為t、t0時的熱電勢eAB(t,t0)等于熱電偶AB在接點(diǎn)溫度t、tc和 tc、t0時的熱電勢（溫度補(bǔ)償）n常用熱電偶n鉑鐒鉑熱電偶，特點(diǎn)：精度高，1300Cn鎳鉻鎳硅熱電偶，特點(diǎn)：線性好，-501300C，價格低n鎳鉻銬銅熱電偶，特點(diǎn)：靈敏度高，常溫測量，-50500C，價格低n鎢錸10鎢錸20熱電偶，特點(diǎn)：精度高，測高溫、2000C，成本高熱電偶傳感器n熱電偶的溫度補(bǔ)償n標(biāo)準(zhǔn)測量時，T=0C，但實(shí)際應(yīng)用時較難實(shí)現(xiàn)。常用方法為電位補(bǔ)償法。補(bǔ)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=0C,Rt為正溫度系數(shù)電阻。n當(dāng)tn,UA以補(bǔ)償U(kuò)(t,tn)的下降 V+RR1RttnUAT:測量溫度E(t,t0)CCBA熱電阻傳感器n原理：導(dǎo)體的隨溫度T變化。n特點(diǎn)：靈敏