傳感器原理及應(yīng)用第9章 半導(dǎo)體式傳感器課件

1、傳感器原理及應(yīng)用第9章 半導(dǎo)體式傳感器傳感器原理及應(yīng)用 9.1 氣敏傳感器 9.2 濕敏傳感器 9.3 色敏傳感器第9章 半導(dǎo)體傳感器主要內(nèi)容：傳感器原理及應(yīng)用第9章 半導(dǎo)體傳感器 半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)被測(cè)量的直接轉(zhuǎn)換，如改變半導(dǎo)體內(nèi)載流子的數(shù)目。 凡是用半導(dǎo)體材料制作的傳感器都屬于半導(dǎo)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。概述 傳感器原理及應(yīng)用第9章 半導(dǎo)體傳感器概述 氣敏傳感器濕敏傳感器傳感器原理及應(yīng)用第9章 半導(dǎo)體傳感器 氣敏傳感器是用來(lái)檢測(cè)氣體濃度和成份的傳感器；如： 工業(yè)天

2、然氣、煤氣等易燃易爆的安全監(jiān)測(cè)； 環(huán)境保護(hù)，有害、有毒氣體監(jiān)測(cè)； 酒后駕車，乙醇濃度檢測(cè)； 牙醫(yī)口臭檢查 氣敏傳感器靈敏度較高，達(dá)10-610-3數(shù)量級(jí)，可檢測(cè)到 1/10 爆炸下限的可燃?xì)怏w；9.1 氣敏傳感器 由于氣體種類很多，性質(zhì)各不相同，不可能用同一種氣體傳感器測(cè)量所有氣體，按半導(dǎo)體的物理特性，可分為電阻型和非電阻型。傳感器原理及應(yīng)用第9章半導(dǎo)體式傳感器 9.1 氣敏傳感器 9.1.1 半導(dǎo)體氣敏傳感器工作原理電阻型氣敏傳感器是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)，導(dǎo)致敏感元件阻值變化；如：氧氣具有負(fù)離子吸附傾向的氣體，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

3、附傾向的氣體，被稱為還原型氣體電子供給性氣體。(1) 電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器傳感器原理及應(yīng)用第9章半導(dǎo)體式傳感器當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上， 半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升；當(dāng)氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上， 半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降；當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上， 半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降；當(dāng)還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上， 半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升；N型半導(dǎo)體與氣體接觸時(shí)的氧化還原反映 9.1 氣敏傳感器 9.1.1 半導(dǎo)體氣敏傳感器工作原理氣體與半導(dǎo)體接觸時(shí)情況N型半導(dǎo)體多電子P型半導(dǎo)體多空穴(1) 電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器傳感器原理及應(yīng)用第9章半導(dǎo)體式傳感器通常器件工

4、作在空氣中高阻狀態(tài)，由于氧化的作用，空氣中的氧被半導(dǎo)體（N型半導(dǎo)體）材料的電子吸附負(fù)電荷，結(jié)果半導(dǎo)體材料的傳導(dǎo)電子減少，電阻增加，使器件處于高阻狀態(tài)； 空氣中氧化作用被氧電子吸附N型半導(dǎo)體電子減少電阻增加電阻減小，當(dāng)氣敏元件與被測(cè)氣體接觸時(shí)會(huì)與吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，將束縛的電子釋放出來(lái)，敏感膜表面電導(dǎo)增加，使元件電阻減小。 氣體接觸吸附氣體氧發(fā)生反應(yīng)電子釋放電導(dǎo)增加，電阻增加9.1 氣敏傳感器9.1.1 半導(dǎo)體氣敏傳感器工作原理電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器導(dǎo)電機(jī)理用一句話描述： 利用半導(dǎo)體表面因吸附氣體引起半導(dǎo)體元件電阻值變化，根據(jù)這一特性，從阻值的變化測(cè)出氣體的種類和濃度。傳感器原理及應(yīng)用第9章半導(dǎo)體

5、式傳感器9.1 氣敏傳感器9.1.2 半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu)(1) 電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器電阻型氣敏元件通常工作在高溫狀態(tài)，氣敏元件的加熱作用：為加速氣體吸附和上述的氧化還原反應(yīng)，提高靈敏度和響應(yīng)速度；另外使附著在殼面上的油霧、塵埃燒掉。電阻型氣敏元件符號(hào)傳感器原理及應(yīng)用第9章半導(dǎo)體式傳感器9.1 氣敏傳感器9.1.2 半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu)(2) 非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器 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(shù)，總電容C也是偏壓的函數(shù)。MOS二極管的等效電容C

6、隨電壓U變化。金屬鈀（Pd）對(duì)氫氣（H2）特別敏感。當(dāng)Pd吸附金屬膜以后，使Pd的功函數(shù)下降，使MOS管CU特性向左平移，利用這一特性用于測(cè)定氫氣的濃度。MOS二極管氣敏元件結(jié)構(gòu)MOS二極管氣敏元件等效電路傳感器原理及應(yīng)用第9章 半導(dǎo)體傳感器9.1 氣敏傳感器9.1.2 半導(dǎo)體氣敏傳感器類型及結(jié)構(gòu) 2）MOSFET氣敏元件 Pd對(duì)H2吸附性很強(qiáng)，H2吸附在Pd柵上引起的Pd功函數(shù)降低。當(dāng)柵極（G）源極（S）間加正向偏壓 UGSUT 閥值時(shí)，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(lái)，形成導(dǎo)電通道（N型溝道）此時(shí)MOSFET進(jìn)入工作狀態(tài)。鈀Pd MOSFET管結(jié)構(gòu)在SD間加

7、電壓UDS，SD間有電流IDS流過(guò)，IDS隨UDS、UGS變化。當(dāng)UGS 20 天精確的 烘干工藝.應(yīng)用于 高品質(zhì)木材, 防止. . 導(dǎo)致變形. 影響木材表面 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 新 濕 度 測(cè) 量 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 木材烘干. 產(chǎn)生氣孔精確的 烘干工藝.用于制造 最優(yōu)品質(zhì)的磚塊, 避免. 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）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）起始: 40% rH80C 結(jié)束: 20% rH110C 為何選擇Testo 650 PHT溫濕度

8、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: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 新 濕 度 測(cè) 量 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 磚塊烘干RS485 網(wǎng)絡(luò)6RS 232RS 485PC 帶 ComSoft V3.3每條 RS485 線:多達(dá)32個(gè)HygrotestHygrotest 帶顯示器H3: RS485H4: RS485 + 模擬輸出H5: RS485 + 模擬輸出+繼電器模擬輸出 + 中繼PLC 接入 RS485或避免傳統(tǒng)的電纜只使用數(shù)字信號(hào)

9、通過(guò)總線獲得所有相關(guān)信息最容易的數(shù)據(jù)保存/記錄和數(shù)據(jù)描述極高濕度測(cè)量加熱探頭 7h, Tx100 % rh例如 73 % rh 5 K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 濕度傳感器附加 Pt1000Testo 探頭類型 04聚四氟乙烯帽探頭長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn): 210 mm可能: 80.500 mm模擬輸出：4-線 (0.20 mA, 4.20 mA, 0.1 V, 0.10 V)2,5 % rh 精度更快的 響應(yīng)時(shí)間即使長(zhǎng)期暴露在冷凝液中也不會(huì)腐蝕可能不需鹽溶液調(diào)節(jié)傳感器原理及應(yīng)用第9章 半導(dǎo)體傳感器半導(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

10、光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探測(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)度或光子數(shù)目。而色敏器件可以直接測(cè)量從可見(jiàn)光到近遠(yuǎn)紅外波段內(nèi)單色輻射波長(zhǎng)。 9.3 色敏傳感器123 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)深淺不同的PN結(jié)，又稱光電雙結(jié)二極管。 當(dāng)有光照射時(shí)，P+、N、P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；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。P+NP傳感器原理及應(yīng)用第9章 半導(dǎo)體傳感器波長(zhǎng)短的光子衰減快，穿透深度較淺， 波長(zhǎng)長(zhǎng)的光子衰減較慢，能穿透硅片較深區(qū)域。淺結(jié)的光電二極管對(duì)紫外光靈敏度高， 深

11、結(jié)的光電二極管對(duì)紅外光靈敏度高；這一特征為色敏器件提供了識(shí)別顏色的可能。9.3 色敏傳感器123UiU0I1UDIDR1R2+- 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。 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PN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。傳感器原理及應(yīng)用第9章 半導(dǎo)體傳感器9.3 色敏傳感器 I1 是淺結(jié)二極管的短路電流，它在短波區(qū)較大；I2 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)光電二極管的短路電流比；C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)電路框圖對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 檢測(cè)電路組成：對(duì)數(shù)電路OP1、OP2，運(yùn)放OP3；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)系。 OP1、OP2輸出分別與I1、I2成比例，由OP3取出差值。經(jīng)后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換電路處理后輸出。I1I2傳感器原理及應(yīng)用第9章 半導(dǎo)體傳感器9.3 色敏傳感器兩種色敏管的光