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(shí)的氧化還原反映時(shí)的氧化還原反映氣敏傳感器測(cè)量電路氣敏傳感器測(cè)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(duì)對(duì)H2H2吸附性很強(qiáng)，吸附性很強(qiáng)，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（G G）源極（）源極（S S）間加正向

2、偏壓）間加正向偏壓 U UGSGSUUT T 閥值時(shí)，柵極氧閥值時(shí)，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(lái)，（漏）連接起來(lái)，形成導(dǎo)電通道（形成導(dǎo)電通道（N N型溝道）此時(shí)型溝道）此時(shí)MOSFETMOSFET進(jìn)入工作狀態(tài)。進(jìn)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(guò)，過(guò)，I IDSDS隨隨U UDSDS、U UGSGS變化。當(dāng)變化。當(dāng)U UGSGSU 20 天精確的 烘干工藝烘干工藝.應(yīng)用于 高品質(zhì)

3、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(jī)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(cè)測(cè) 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）二次烘干處理（主要階段）起始: 40% rH80C 結(jié)束: 20% rH110C 為何選擇為何

4、選擇Testo 650 PHT溫濕度變送器溫濕度變送器?- 溫度量程高達(dá) 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(jiǎn)便 低維護(hù)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(jìn)入致使機(jī)械受損) 最最 新新 濕濕 度度 測(cè)測(cè) 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)6RS 232RS 485PC 帶帶 ComSoft V3.3每條每條 RS485 線線:多達(dá)多達(dá)32個(gè)個(gè)HygrotestHygrotest 帶顯示器帶顯示器H3: RS485H4: RS485 + 模擬

5、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(hào)通過(guò)總線獲得通過(guò)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(cè)量加熱探頭極高濕度測(cè)量加熱探頭 7h, Tx100 % rh例如 73 % rh 5 K后部耐熱后部耐熱:持續(xù)高溫 5 K處理?xiàng)l件(高濕度)加熱后的傳感器狀況Testo 濕度傳感器濕度傳感器附加 Pt1000Testo 探頭類型 04聚四氟乙烯帽聚四氟乙烯帽探頭長(zhǎng)度探頭長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn): 210 mm可能: 80.50

6、0 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(shí)間響應(yīng)時(shí)間即使長(zhǎng)期暴露在冷凝液中也不會(huì)腐蝕不會(huì)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探基于光電效應(yīng)，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器。測(cè)器。 一般光電器件是檢測(cè)在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光強(qiáng)度或光一般光電器件是檢測(cè)在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光強(qiáng)度或光子數(shù)目。而色敏器件可以直接測(cè)量從可見光到近遠(yuǎn)紅子數(shù)目。而色敏器件可以直接測(cè)量從可見光到近遠(yuǎn)

7、紅外波段內(nèi)單色輻射波長(zhǎng)。外波段內(nèi)單色輻射波長(zhǎng)。 1 12 23 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(shí)際不是三極管而是兩個(gè)深光電二極管組合，實(shí)際不是三極管而是兩個(gè)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(shí)，當(dāng)有光照射時(shí)，P+P+、N N、P P三個(gè)區(qū)域光子吸收三個(gè)區(qū)域光子吸收效果不同，紫外光部分吸收系數(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(zhǎng)，構(gòu)成可以紅外部分吸收系數(shù)小，穿透距離長(zhǎng)，構(gòu)成可以測(cè)定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體色敏傳感器。測(cè)定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體色敏傳感器。P+P+

8、N NP P波長(zhǎng)短波長(zhǎng)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(zhǎng)長(zhǎng)波長(zhǎng)長(zhǎng)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(duì)的光電二極管對(duì)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(duì)的光電二極管對(duì)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(shí)別顏色的可能。這一特征為色敏器件提供了識(shí)別顏色的可能。1 12 23 3UiUiU0U0I I1 1U UD DI ID DR1R1R2R2+ +- -11/26,DTDiUUDSSIIURII emv IBTT,二極管伏安特征方程U 電壓當(dāng)量，室溫時(shí)U反向飽和電流 具體

9、應(yīng)用時(shí)需要的對(duì)器件進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)定不同波長(zhǎng)時(shí)兩只二極管具體應(yīng)用時(shí)需要的對(duì)器件進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)定不同波長(zhǎng)時(shí)兩只二極管的短路電流比值，通過(guò)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(guò)判別兩只光電二極管光電流的大小判別顏色。 檢測(cè)光波長(zhǎng)（顏色）處理電路檢測(cè)光波長(zhǎng)（顏色）處理電路彩色信號(hào)處理電路，用二極管彩色信號(hào)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(yùn)算放大器電路。構(gòu)成運(yùn)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 I

10、2 2 是深結(jié)二極管的短路電流，它在長(zhǎng)波區(qū)較大是深結(jié)二極管的短路電流，它在長(zhǎng)波區(qū)較大由此確定二者比值與入射波長(zhǎng)關(guān)系，所以色彩識(shí)別必須獲得兩個(gè)光電由此確定二者比值與入射波長(zhǎng)關(guān)系，所以色彩識(shí)別必須獲得兩個(gè)光電二極管的短路電流比；二極管的短路電流比；02121lnlnln/UCIICIIC C為比例常數(shù)，使用前需對(duì)色敏器件進(jìn)行標(biāo)定。為比例常數(shù)，使用前需對(duì)色敏器件進(jìn)行標(biāo)定。色敏傳感器檢測(cè)電路框圖色敏傳感器檢測(cè)電路框圖對(duì)數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 檢測(cè)電路組成：對(duì)數(shù)電路檢測(cè)電路組成：對(duì)數(shù)電路OP1OP1、OP2OP2，運(yùn)放，運(yùn)放OP3OP3；采用對(duì)數(shù)放大器，電流較小時(shí)采用對(duì)數(shù)放大器，電流較小時(shí)二極管兩端電壓存在近似對(duì)數(shù)關(guān)二極管兩端電壓存在近似對(duì)數(shù)關(guān)系。系。 OP1OP1、OP2OP2輸出分別與輸出分別與I1I1、I2I2成比例，由