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1、半导体传感器半导体传感器 半导体传感器是典型的物理型传感器，它是半导体传感器是典型的物理型传感器，它是利用某些材料的电特征的变化实现被测量的直利用某些材料的电特征的变化实现被测量的直接转换，如改变半导体内载流子的数目。接转换，如改变半导体内载流子的数目。凡凡是用半导体材料制作的传感器都属于半导体传是用半导体材料制作的传感器都属于半导体传感器。感器。其中包括：光敏电阻、光敏二极管、其中包括：光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、霍尔元件、磁敏元件、压阻元件、光敏晶体管、霍尔元件、磁敏元件、压阻元件、气敏、湿敏等等。气敏、湿敏等等。1纸纸 品品木材烘干木材烘干 湿度传感器湿度传感器 芯片生产要求最高的
2、湿度稳定性芯片生产要求最高的湿度稳定性2气敏传感器湿敏 传感器3气气 敏敏 传传 感感 器器 气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传感器；感器；感器；感器；如：如：如：如：l l 工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；l l 环境保护，有害、有毒气体监测；环境保护，有害、有毒气体监测；环境保护，有害、有毒气体监测；环境保护，有害、有毒气体监测；l l 酒后驾车，乙醇浓度
3、检测；酒后驾车，乙醇浓度检测；酒后驾车，乙醇浓度检测；酒后驾车，乙醇浓度检测；气敏传感器灵敏度较高，达气敏传感器灵敏度较高，达气敏传感器灵敏度较高，达气敏传感器灵敏度较高，达10101010-6-6-6-610101010-3-3-3-3数量级，数量级，数量级，数量级，可检测到可检测到可检测到可检测到 1/10 1/10 1/10 1/10 爆炸下限的可燃气体；爆炸下限的可燃气体；爆炸下限的可燃气体；爆炸下限的可燃气体；由于气体种类很多，性质各不相同，不可能用由于气体种类很多，性质各不相同，不可能用由于气体种类很多，性质各不相同，不可能用由于气体种类很多，性质各不相同，不可能用同一种气体传感器
4、测量所有气体，按半导体的物同一种气体传感器测量所有气体，按半导体的物同一种气体传感器测量所有气体，按半导体的物同一种气体传感器测量所有气体，按半导体的物理特性，可分为电阻型和非电阻型。理特性，可分为电阻型和非电阻型。理特性，可分为电阻型和非电阻型。理特性，可分为电阻型和非电阻型。4半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理(1)(1)(1)(1)电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器 半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。产生的电导率等物
5、理性质变化来检测气体的。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。型。前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；部化学组成不变；后者半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生后者半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。变化，而使电导率变化。5电阻型气敏传感器是利用气体
6、在半导体表电阻型气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值变化；变化；如：如：l l氧气具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧气具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧化型气体氧化型气体电子接收性气体；电子接收性气体；l l氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸附氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸附倾向的气体，被称为还原型气体倾向的气体，被称为还原型气体电子电子供给性气体。供给性气体。6l l当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到N N型半导体上，型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升；半导体的载流子减少，电阻率上升；l l当氧化型气体吸附到当氧
7、化型气体吸附到P P型半导体上，型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；半导体的载流子增多，电阻率下降；l l当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到N N型半导体上，型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；半导体的载流子增多，电阻率下降；l l当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到P P型半导体上，型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升；半导体的载流子减少，电阻率上升；气体与半导体接触时情况气体与半导体接触时情况气体与半导体接触时情况气体与半导体接触时情况 N N N N型半导体多电子型半导体多电子型半导体多电子型半导体多电子 P P P P型半导体多空穴型半导体多空穴型半导体多空穴型
8、半导体多空穴7N型半导体吸附气体时器件阻值变化图型半导体吸附气体时器件阻值变化图 表示了气体接触表示了气体接触N N型半导体时所产生的器件阻值型半导体时所产生的器件阻值变化情况。由于空气中的含氧量大体上是恒定变化情况。由于空气中的含氧量大体上是恒定的，的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。吸附气体的种类和浓度。8在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的，在常温下，电导率变化并
9、不大，达不到检测目的，在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的，在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的，因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器;加热时间加热时间加热时间加热时间2 2 2 23 3 3 3分钟，加热电源一般为分钟，加热电源一般为分钟，加热电源一般为分钟，加热电源一般为5V;5V;5V;5V;加热方式分为直热式和旁热式。加热方式分为直热式和旁热式。加热方式分为直热式和旁热式。加热方式分为直热式和旁热式。直热式直热式旁热式旁热式9组成：敏感元件、加热器、外壳；组成
10、：敏感元件、加热器、外壳；组成：敏感元件、加热器、外壳；组成：敏感元件、加热器、外壳；制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜型。型。型。型。气敏电阻的材料是金属氧化物，合气敏电阻的材料是金属氧化物，合气敏电阻的材料是金属氧化物，合气敏电阻的材料是金属氧化物，合成时加敏感材料和催化剂烧结，这成时加敏感材料和催化剂烧结，这成时加敏感材料和催化剂烧结，这成时加敏感材料和催化剂烧结，这些金属氧化物在常温下是绝缘的，些金属氧化物在常温下是绝缘的，些金属氧化物在常温下是绝缘的，些金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后显示气
11、敏特性。制成半导体后显示气敏特性。制成半导体后显示气敏特性。制成半导体后显示气敏特性。金属氧化物有：金属氧化物有：金属氧化物有：金属氧化物有：N N N N型半导体，如：型半导体，如：型半导体，如：型半导体，如：SnOSnOSnOSnO2 2 2 2 Fe Fe Fe Fe2 2 2 2O O O O3 3 3 3 ZnO TiO ZnO TiO ZnO TiO ZnO TiO P P P P型半导体，如：型半导体，如：型半导体，如：型半导体，如：CoOCoOCoOCoO2 2 2 2 PbO MnO PbO MnO PbO MnO PbO MnO2 2 2 2 CrO CrO CrO CrO
12、3 3 3 3 vv电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述：电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述：电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述：电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述：利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化，利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化，利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化，利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度。根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度。根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度。根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度。敏感元件敏感
13、元件敏感元件敏感元件10(2)(2)非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器主要类型：非电阻型半导体气敏传感器主要类型：利用利用MOSMOS二极管的电容二极管的电容电压特性变化；电压特性变化；利用利用MOSMOS场效应管的阈值电压的变化；场效应管的阈值电压的变化；利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测。行气体检测。11 1 1 1 1）MOSMOSMOSMOS二极管气敏元件二极管气敏元件二极管气敏元件二极管气敏元件（电容（电容（电容（电容电压）电压）电压）电压）在在在在P P P P型硅氧化层上蒸发一层钯（型硅氧化
14、层上蒸发一层钯（型硅氧化层上蒸发一层钯（型硅氧化层上蒸发一层钯（PdPdPdPd）金属膜作电极。氧化层）金属膜作电极。氧化层）金属膜作电极。氧化层）金属膜作电极。氧化层（SiO2SiO2SiO2SiO2）电容）电容）电容）电容CaCaCaCa是固定不变的。而硅片与氧化层电容是固定不变的。而硅片与氧化层电容是固定不变的。而硅片与氧化层电容是固定不变的。而硅片与氧化层电容CsCsCsCs是外是外是外是外加电压的功函数，总电容加电压的功函数，总电容加电压的功函数，总电容加电压的功函数，总电容C C C C也是偏压的函数。也是偏压的函数。也是偏压的函数。也是偏压的函数。MOSMOSMOSMOS二极管的
15、等二极管的等二极管的等二极管的等效电容效电容效电容效电容C C C C随电压随电压随电压随电压U U U U变化。变化。变化。变化。金属钯（金属钯（金属钯（金属钯（PdPdPdPd）对氢气（）对氢气（）对氢气（）对氢气（H2H2H2H2）特别敏感。当）特别敏感。当）特别敏感。当）特别敏感。当PdPdPdPd吸附金属膜以后，吸附金属膜以后，吸附金属膜以后，吸附金属膜以后，使使使使PdPdPdPd的功函数下降，使的功函数下降，使的功函数下降，使的功函数下降，使MOSMOSMOSMOS管管管管CUCUCUCU特性向左平移，利用这一特特性向左平移，利用这一特特性向左平移，利用这一特特性向左平移，利用这
16、一特性用于测定氢气的浓度。性用于测定氢气的浓度。性用于测定氢气的浓度。性用于测定氢气的浓度。122 2）MOSFETMOSFET气敏元件气敏元件 Pd Pd对对H2H2吸附性很强，吸附性很强，H2H2吸附在吸附在PdPd栅上引起的栅上引起的PdPd功函数降低。功函数降低。当栅极（当栅极（G G）源极（）源极（S S）间加正向偏压）间加正向偏压 U UGSGSUUT T 阀值时，栅极氧阀值时，栅极氧化层下的硅从化层下的硅从P P变为变为N N型，型，N N型区将型区将S S（源）和（源）和D D（漏）连接起来，（漏）连接起来，形成导电通道（形成导电通道（N N型沟道）此时型沟道）此时MOSFET
17、MOSFET进入工作状态进入工作状态。在在SDSD间加电压间加电压U UDSDS，SDSD间有电流间有电流I IDSDS流过，流过，I IDSDS随随U UDSDS、U UGSGS变化。变化。当当U UGSGSUUT T时，沟道没形成，无漏源电流时，沟道没形成，无漏源电流I IDSDS=0=0。U UT T（阀值）电压大小与金属与半导体间的功函数有关。（阀值）电压大小与金属与半导体间的功函数有关。PdMOSFETPdMOSFET器件就是利用器件就是利用H2H2在钯栅极吸附后改变功函数使在钯栅极吸附后改变功函数使UTUT下下降，检测降，检测H2H2浓度。浓度。133 3）肖特基二极管）肖特基二极
18、管 金属和半导体接触的界面形成肖特金属和半导体接触的界面形成肖特基势垒，构成金属半导体二极管。管基势垒，构成金属半导体二极管。管子加正偏压，半导体金属的电子流增子加正偏压，半导体金属的电子流增加，正向导通电阻极小加，正向导通电阻极小UDUD0.20.2，加负，加负偏压时偏压时UD UD 很大，相当开路几乎无电流。很大，相当开路几乎无电流。当金属与半导体界面有气体时，势垒当金属与半导体界面有气体时，势垒降低，电流变化（上升）。降低，电流变化（上升）。金属与半导体界面吸附气体时，影金属与半导体界面吸附气体时，影响半导体禁带宽度响半导体禁带宽度EgEg，二极管正向偏，二极管正向偏压条件下，气体浓度压
19、条件下，气体浓度 电流电流 输出电压输出电压UR UR 。非电阻型半导体气敏传感器主要用非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气浓度测量。于氢气浓度测量。14气敏电阻外形气敏电阻外形 酒精传感器酒精传感器 其他可燃性其他可燃性气体传感器气体传感器15酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管16家庭用煤气报警器家庭用煤气报警器17家庭用液化气家庭用液化气报警器报警器18一氧化碳传感器一氧化碳传感器19其他气体传感器其他气体传感器NH3传感器传感器甲烷传感器甲烷传感器20二氧化钛氧浓度传感器二氧化钛氧浓度传感器 半导体材料二氧化钛（半导体材料二氧化钛（TiO2）属于）属于N型半导体，型半导体，对氧气十分敏感。
20、其电阻值的大小取决于周围环境的对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。图图示示是是用用于于汽汽车车或或燃燃烧烧炉炉排排放放气气体体中中的的氧氧浓浓度度传传感感器器结结构构图图及及测测量量转转换换电电路路。二二氧氧化化钛钛气气敏敏电电阻阻与与补补偿偿热热敏敏电电阻阻同同处处于于陶陶瓷瓷绝绝缘缘体体的的末末端端。当当氧氧气气含含量量减减小时，小时，RTiO2的阻值减小，的阻值减小，Uo增大。增大。在图在图b
21、中，与中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温起温度补偿作用。当环境温度升高时，度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根据分也以同样的比例减小，根据分压比定律，压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。不受温度影响，减小了测量误差。21图图 TiO TiO2 2氧浓度传感器结构及测量转换电路氧浓度传感器结构及测量转换电路a a）结构）结构 b b）测量转换电路）测量转换电路 1 1外壳（接地）外壳（接地）2 2安装螺栓安装螺栓 3 3搭铁线搭铁线4 4保护管保护管 55补偿电阻补偿
22、电阻 6 6陶瓷片陶瓷片 7 7TiOTiO2 2氧敏电阻氧敏电阻 8 8进气口进气口 9 9引脚引脚 22氧浓度传感器外形氧浓度传感器外形 可用于汽车可用于汽车尾气测量尾气测量23汽车尾气分析汽车尾气分析24有毒气体传感器的使用有毒气体传感器的使用25n酒精测试仪 26防防 酒酒 后后 驾驾 车车 汽汽 车车 点点 火火 电电 路路无酒精时，无酒精时，S S闭合，气敏电阻高，闭合，气敏电阻高，UaUa高高UoUo低，定时器输出高，低，定时器输出高，J2J2释放，释放，J1J1闭合，点火；闭合，点火；有酒精时，气敏电阻下降，有酒精时，气敏电阻下降，UaUa低低UoUo高，定时器输出低，高，定时
23、器输出低，J2J2吸合，吸合，J2-1J2-1断开，不启动；断开，不启动；若司机拔出气敏传感器，若司机拔出气敏传感器，J1J1断电断电J1-1J1-1断开无法启动。断开无法启动。J1-2J1-2气敏气敏元件加热回路。元件加热回路。继电器继电器J1-1J1-1、J1-2J1-2常开接点，常开接点，J2-1 J2-1 常闭接点，常闭接点，J2-2 J2-2常接常接VD1VD1（绿灯），（绿灯），VD2VD2（红灯）。（红灯）。27多种气体检测系统多种气体检测系统28红外吸收红外吸收(IR-process)测量原理测量原理29湿敏传感器湿敏传感器 v 湿度是指空气中的水蒸气含量，干燥或潮湿对我湿度是
24、指空气中的水蒸气含量，干燥或潮湿对我们的生活有很大影响，潮湿们的生活有很大影响，潮湿发霉，干燥发霉，干燥不舒服。不舒服。湿度传感器主要应用于温湿度检测控制、军械仓库、湿度传感器主要应用于温湿度检测控制、军械仓库、粮仓、水果保鲜等场合。粮仓、水果保鲜等场合。最早人们用头发随湿度变最早人们用头发随湿度变化而伸长或缩短现象做毛发湿度计，逐渐有了电阻湿化而伸长或缩短现象做毛发湿度计，逐渐有了电阻湿度计，半导体湿度计是近年来才出现的。度计，半导体湿度计是近年来才出现的。30 为什么要测量湿度？为什么要测量湿度？31湿度对电子元件的影响湿度对电子元件的影响 当环境的相对湿度增大时，物体表面就当环境的相对湿
25、度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。起有机材料的霉烂。32露点露点 降低温度降低温度会产生结露现会产生结露现象。露点与农象。露点与农作物的生长有作物的生长有很大关系，结很大关系，结露也严重影响露也严重影响电子仪器的正电子仪器的正常工作，必须常工作，必须予以注意。予以注意。测量露点的仪器测量露点的仪器33v湿度通常用绝对湿度和相对湿度表示：湿度通常用绝对湿度和相对湿度表
26、示：v 绝对湿度：单位空间所含水蒸汽的绝对绝对湿度：单位空间所含水蒸汽的绝对含量或浓度，用符号含量或浓度，用符号 AH AH 表示，单位表示，单位（g/mg/m3 3）。）。相对湿度，被测气体中蒸汽压和该气体相对湿度，被测气体中蒸汽压和该气体在相同温度下饱合水蒸气压的百分比，在相同温度下饱合水蒸气压的百分比，一般用一般用%RH%RH 表示，无量纲。表示，无量纲。不同环境所需湿度不同，测量方法很多，不同环境所需湿度不同，测量方法很多，但精度不高。目前世界上最高水平湿度但精度不高。目前世界上最高水平湿度测量精度在测量精度在0.01%0.01%左右；左右；34 湿湿敏敏传传感感器器是是能能够够感感受
27、受外外界界湿湿度度变变化化，并并通通过过器器件件材材料料的的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿湿度度检检测测较较之之其其它它物物理理量量的的检检测测显显得得困困难难，这这首首先先是是因因为为空气中水蒸气含量要比空气少得多；空气中水蒸气含量要比空气少得多；另另外外，液液态态水水会会使使一一些些高高分分子子材材料料和和电电解解质质材材料料溶溶解解，一一部部分分水水分分子子电电离离后后与与溶溶入入水水中中的的空空气气中中的的杂杂质质结结合合成成酸酸或或碱碱，使使湿湿敏敏材材料料不不同同程程度度地地受受到到腐腐蚀蚀和和老老化化，从从而而丧
28、丧失失其其原原有有的的性性质；质；再再者者，湿湿信信息息的的传传递递必必须须靠靠水水对对湿湿敏敏器器件件直直接接接接触触来来完完成成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通通常常，对对湿湿敏敏器器件件有有下下列列要要求求：在在各各种种气气体体环环境境下下稳稳定定性性好好，响响应应时时间间短短，寿寿命命长长，有有互互换换性性，耐耐污污染染和和受受温温度度影影响响小小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。35氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻电解质湿敏电阻电解质湿
29、敏电阻 利用物质吸收水分子使导电率发生变化检测湿度。利用物质吸收水分子使导电率发生变化检测湿度。在氯化锂（在氯化锂（LiClLiCl）溶液中，）溶液中，LiLi和和ClCl以正负离子的形式存在，以正负离子的形式存在，锂离子（锂离子（Li+Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比，溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，溶液浓度增加，导电率上升导电率上升,电阻率电阻率下降下降 。v 通过测量溶液电阻通过测量溶液电阻R R值实现对湿度测量值实现对湿度测量。当溶液置于一定湿度场中，若环境当溶液置于一定湿度场中，若环
30、境RH RH 上升，溶液吸收水分子使浓度上升，溶液吸收水分子使浓度下降下降 电阻率电阻率 上升，反之上升，反之RHRH下降，下降，溶液浓度上升，电阻率溶液浓度上升，电阻率下降。下降。RH RH 吸湿吸湿浓度浓度 R R RH RH 脱湿脱湿浓度浓度 R R36半导体陶瓷湿敏电阻（半导瓷）半导体陶瓷湿敏电阻（半导瓷）通常用两种以上的金属通常用两种以上的金属氧化物氧化物半导体烧结成多孔半导体烧结成多孔陶瓷，材料有正特性系数和负特性系数两种。陶瓷，材料有正特性系数和负特性系数两种。负特性湿敏半导体瓷的导电机理负特性湿敏半导体瓷的导电机理 水分子氢原子具有很强的正电场，水分子在半导瓷表面水分子氢原子具
31、有很强的正电场，水分子在半导瓷表面 吸附时从表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。吸附时从表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。P型半导体型半导体 水分子吸附表面电势下降，吸引空穴水分子吸附表面电势下降，吸引空穴到达表面，到达表面，使表面层电阻下降；使表面层电阻下降；N型半导体型半导体 水分子吸附表面电势下降，表面电势水分子吸附表面电势下降，表面电势下降较多时，电子耗尽，同时吸引更多的空穴到达表面，下降较多时，电子耗尽，同时吸引更多的空穴到达表面，可能使表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现反型层，这可能使表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现反型层，这 些反型载流子同样可以在表面迁移而表现出电导特些反型载流
32、子同样可以在表面迁移而表现出电导特 性。性。水水分子吸附时表面电阻也会下降。分子吸附时表面电阻也会下降。PN37负特性湿敏半导体瓷湿敏电阻，负特性湿敏半导体瓷湿敏电阻，电阻随湿度增加而下降。由于电阻随湿度增加而下降。由于水分子中氢原子具有很强的正水分子中氢原子具有很强的正电场，当水分子在半导体瓷表电场，当水分子在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面面吸附时可能从半导体瓷表面俘获电子，使半导体表面带负俘获电子，使半导体表面带负电，相当表面电势变负，电阻电，相当表面电势变负，电阻率随湿度增加而下降。率随湿度增加而下降。正湿敏特性半导体瓷湿敏电阻正湿敏特性半导体瓷湿敏电阻（例：（例：Fe3O4Fe3
33、O4），材料结构、），材料结构、电子能量状态与负特性不同，电子能量状态与负特性不同，总的电阻值升高没有负特性阻总的电阻值升高没有负特性阻值下降的明显。值下降的明显。38电子电子湿度计模块湿度计模块封装后封装后的外形的外形湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用39电子式电子式温湿度计温湿度计40机械机械式、式、电子式电子式温湿度计对比温湿度计对比41土壤湿度测量土壤湿度测量 RH为为VT提供偏流，提供偏流，RH插入土壤，湿度不同传感器阻值不同，插入土壤，湿度不同传感器阻值不同，基极电流不同，基极电流不同，使使VT的的Ie变化，在变化，在R2上转换为电压变化，送上转换为电压变化，送运放运放A放大；放大；
34、RH放在水中湿度放在水中湿度100%，调节，调节RP2使增益输出满量程使增益输出满量程5V；RH擦（吹）干湿度擦（吹）干湿度0%，调节，调节RP1比较端电压，使输出比较端电压，使输出0V。42 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 面面条烘干条烘干43 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 生产过程的空气质量生产过程的空气质量4445半导体色敏传感器是一种半导体光敏器件，半导体色敏传感器是一种半导体光敏器件，工作原理基于光电效应，可将光信号转换为工作原理基于光电效应，可将光信号转换为电信号的光辐射探测器。电信号的光辐射探测器。一般光电器件是检测在一定
35、波长范围内的光一般光电器件是检测在一定波长范围内的光强度或光子数目。而色敏器件可以直接测量强度或光子数目。而色敏器件可以直接测量从可见光到近远红外波段内单色辐射波长。从可见光到近远红外波段内单色辐射波长。色敏传感器色敏传感器46光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理 对对于于用用半半导导体体硅硅制制造造的的光光电电二二极极管管，在在受受光光照照射射时时，若若入入射射光光子子的的能能量量h大大于于硅硅的的禁禁带带宽宽度度Eg，则则光光子子就就激激发发价价带带中中的的电电子子跃跃迁迁到到导导带带而而产产生生一一对对电电子子-空空穴穴。这这些些由由光光子子激激发发而而产产生生的的电电子子-空空穴穴
36、统统称称为为光光生生载载流流子子。光光电电二二极极管管的的基基本本部部分分是是一一个个结结，产产生生的的光光生生载载流流子子只只要要能能扩扩散散到到势势垒垒区区的的边边界界，其其中中少少数数载载流流子子（专专指指P区区中中的的电电子子和和N区区的的空空穴穴）就就受受势势垒垒区区强强电电场场的的吸吸引引而而被被拉拉向向对对面面区区域域，这这部部分分少少数数载载流流子子对对电电流流作作出出贡贡献献。多多数数载载流流子子（P区区中中的的空空穴穴或或N区区中中的的电电子子）则则受受势势垒垒区区电电场场的的排排斥斥而而留留在在势势垒垒区区的的边边缘缘。在在势势垒垒区区内内产产生生的的光光生生电电子子和和
37、光生空穴，则分别被电场扫向光生空穴，则分别被电场扫向N区和区和P区，它们对电流也有贡献。区，它们对电流也有贡献。47 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。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。硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线如图所示。由图可硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线如图所示。由图可见，在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大。这就表明，见，在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大。这就表明，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
38、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。入硅的较深区域。48 半导体色敏传感器相当于半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管两只结构不同的光电二极管组合，实际不是三极管而是组合，实际不是三极管而是两个深浅不同的两个深浅不同的PNPN结，又称结，又称光电双结二极管。光电双结二极管。当有光照射时，当有光照射时，P+P+、N N、P P三个区域光子吸收效果不同，三个区域光子吸收效果不同，紫外光部分吸收系数大，距紫外光部分吸收系数大，距离短；红外部分吸收系数小，离短；红外部分吸收系数小，穿透距离长，构成可以测定穿透距离长，构成可以测定波长的半导体色敏传感器。波长的半
39、导体色敏传感器。49波长短的光子衰减快，穿透深度较浅，波长短的光子衰减快，穿透深度较浅，波长长的光子衰减较慢，能穿透硅片较深区波长长的光子衰减较慢，能穿透硅片较深区域。域。浅结的光电二极管对紫外光灵敏度高，浅结的光电二极管对紫外光灵敏度高，深结的光电二极管对红外光灵敏度高；深结的光电二极管对红外光灵敏度高；这一特征为色敏器件提供了识别颜色的可能。这一特征为色敏器件提供了识别颜色的可能。具体应用时需要的对器件进行标定，测定不具体应用时需要的对器件进行标定，测定不同波长时两只二极管的短路电流比值，通过判同波长时两只二极管的短路电流比值，通过判别两只光电二极管光电流的大小判别颜色。别两只光电二极管光
40、电流的大小判别颜色。50 检测光波长（颜色）处理电路检测光波长（颜色）处理电路彩色信号处理彩色信号处理电路，用二极管电路，用二极管PNPN结做反馈元件，利用二极管正向结做反馈元件，利用二极管正向导通的伏安特性成指数规律变化，构成运算放大器导通的伏安特性成指数规律变化，构成运算放大器电路。电路。I1I1I2I251I1 I1 是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大；是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大；I2 I2 是深结二极管的短路电流，它在长波区较大是深结二极管的短路电流，它在长波区较大 由此确定二者比值与入射波长关系，所以色彩识由此确定二者比值与入射波长关系，所以色彩识别必须获得两个光电二极管的短路电流比；别必须获得两个光电二极管的短路电流比；采用对数放大器，电流较小时二极管两端电压存在采用对数放大器，电流较小时二极管两端电压存在近似对数关系。近似对数关系。OP1 OP1、OP2OP2输出分别与输出分别与I1I1、I2I2成比例，成比例，由由OP3OP3取出差值。经后续取出差值。经后续A/DA/D转换电路处理后输出。转换电路处理后输出。C C为比例常数，使用前需对色敏器件进行标定。为比例常数，使用前需对色敏器件进行标定。52演讲完毕，谢谢观看！