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1、第九章 半导体传感器半导体传感器n气敏传感器n湿敏传感器n色敏传感器气敏传感器n用途：用途：主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制,气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。n材料：材料：气敏电阻的材料是金属氧化物半导体（分P型如氧化锡和N型如氧化钴），合成材料有时还渗入了催化剂,如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。气敏传感器工作原理n敏感材料的功函数吸附分子的离解能-吸附分子向材料释放电子（正离子吸附、还原型气体），敏感材料的载流子增加-，如、n为提高气体灵敏度，一般需加热以加快氧化还原反应（到200450）,同时加热还能使
2、附着在测控部分上的油雾、尘埃烧掉。气敏传感器类型及结构n电阻型半导体气敏传感器n由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳n烧结型、薄膜型、厚膜型 n非电阻型半导体传感器nMOS二极管气敏器件nMOS场效应晶体管气敏器件湿敏传感器n绝对湿度和相对湿度n绝对湿度：一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位g/m3，一般用符号AH表示。n相对湿度：气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。n在实际使用中多使用相对湿度这个概念。氯化锂湿敏电阻n原理原理：材料吸湿潮解或干化（能互逆），使器件的电阻率发生变化。n氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，其溶液中
3、的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中,若环境相对湿度高,溶液将吸收水分，使浓度降低,因此,其溶液电阻率增高。反之,环境相对湿度变低时,则溶液浓度升高,其电阻率下降半导体陶瓷湿敏电阻n用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。n导电机理：类似气敏电阻n一般有两种：n负特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随温度增加而下降水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。对于P型半导体，将吸引更多的空穴到达其表面，使其表面层的电阻下降。对于N型半导体？n正特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随温度增加而增大当水分子附着半导瓷的表面使电势
4、变负时，导致其表面层电子浓度下降，但色敏传感器n色敏传感器是光敏传感器的一种。光敏器件一般检测的都是在一定波长范围内光的强度，而半导体色敏传感器则可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。对于用半导体硅制造的光电二极管,在受光照射时,若入射光子的能量h大于硅的禁带宽度Eg,则光子就激发价带中的电子跃迁到导带而产生一对电子-空穴。光在半导体中传播时的衰减是由于价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带的结果,这种吸收光子的过程称为本征吸收。不同材料对不同波长的光吸收程度不一样。对硅而言，波长短的光子衰减快,穿透深度较浅,而波长长的光子则能进入硅的较深区域。浅的P-N结有较好的蓝紫光灵敏度,深的
5、P-N结则有利于红外灵敏度的提高,半导体色敏器件正是利用了这一特性。半导体色敏传感器工作原理依据：半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。在具体应用时,应先对该色敏器件进行标定。测定不同波长的光照射下,该器件中两只光电二极管短路电流的比值ISD2ISD1,（ISD1是浅结二极管的短路电流,它在短波区较大，ISD2是深结二极管的短路电流,它在长波区较大）。确定二者的比值与入射单色光波长的关系。根据标定的曲线,实测出某一单色光时的短路电流比值,即可确定该单色光的波长。半导体色敏传感器的基本特征n光谱特性n短路电流比波长特性n温度特性为什么不能用（二极管的）光谱特性（光生伏特效应），而用
6、二级对管的短路电流比测量单色光的波长？1.消除光强的影响。2.温度影响（得到补偿）磁敏传感器（补）n磁阻电阻n工作原理：半导体在磁场作用下有霍尔效应，电阻也会变化n电阻率的相对变化：其中 是电子迁移率 n磁阻二极管n工作原理：利用洛伦兹力的作用 n二极管的结构特点：P-I-N结构，其中本征区I的长度较长。本征区的两个侧面一个制成光面、一个制成毛面。在毛面电子-空穴对易复合消失、电流小。在光面电子-空穴对不易复合消失、电流大。可测量磁场的大小和方向。n特点：测量灵敏度高（比霍尔元件高几百倍）、能判定的方向。毛面PN半导体传感器的应用（1）半导体传感器的应用（2）热电式传感器（补）n热电偶n热电阻
7、n集成温度传感器热电偶传感器n热电偶工作原理n热电现象：两种不同材料导线在连接处形成节，如将这两个节分别置于不同的温度下（T0和T1），便会在回路中形成电流。n热电势分为接触电势和温差电势n接触电势：不同材料电子浓度不同，在节点处发生扩散导致电势设：导体A、B的电子浓度分别为NA、NB，则：其中：K为波尔兹曼常数T为结点所处温度若NA NB，则eAB(T)0,反之亦然。故：电子浓度高的材料电位高。n温差电势：同一种金属导体，由于二头的温度不同，电子从高温段向低温段扩散，高温处带正电。A与T0、T有关，汤姆逊系数，表示导体两端单位温度差时产生的电势。若TT0，则eAB(T)0，反之亦然。ABTT
8、0热电偶传感器n接触电势与温差电势的性质n回路总电势讨论：热电偶的材料相同时，EAB(T,T0)=0 热电偶的两个节点所处的温度相同时，EAB(T,T0)=0 所以形成热电势的两个必要条件：两种导体的材料不同节点所处的温度不同热电偶传感器n热电偶基本定律均质导体定律：热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。中间导体定律：在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响，即热电偶接过渡（中间）导体（传感器引出）时，总回路电势不变。（测量引线）中间温度定律：在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(
9、t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和 tc、t0时的热电势（温度补偿）n常用热电偶n铂铹铂热电偶，特点：精度高，1300Cn镍铬镍硅热电偶，特点：线性好，-501300C，价格低n镍铬铐铜热电偶，特点：灵敏度高，常温测量，-50500C，价格低n钨铼10钨铼20热电偶，特点：精度高，测高温、2000C，成本高热电偶传感器n热电偶的温度补偿n标准测量时，T=0C，但实际应用时较难实现。常用方法为电位补偿法。补偿电路置于变化的温度环境（tn）中，调整R使E(tn，to)=UA，一般t0=0C,Rt为正温度系数电阻。n当tn,UA以补偿U(t,tn)的下降 V+RR1RttnUAT:测量温度E(t,t0)CCBA热电阻传感器n原理：导体的随温度T变化。n特点：灵敏度低，精度高，宜用于常温和低温测量。n对导体材料的要求：理化性能稳定，随T的变化大，线性好。常用：铂、铜。半导体热敏电阻传感器n特点：灵敏度高，A系数是金属的10100倍；响应速度快；非线性大；互换性、稳定性差n分类：负温度系数；正温度系数（常用于温度补偿电路中）集成温度传感器（半导体PN结电压随温度变化）