传感器原理及应用第9章 半导体式传感器

1、 主要内容： 概述概述 概述概述 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湿度稳定性芯片生产要求最高的湿度稳定性 概述概述 气敏传感器 湿敏 传感器 N N型半导体与气体接触型半导体与气体接触 时的氧化还原反映时的氧化还原反映 气敏传感器测量电路气敏传感器测量电路 MOSMOS二极管二极管 气敏元件结构气敏元件结构 MOSMOS二极管气敏二极管气敏 元件等效电路元件等效电路 2 2）MOSFETMOSFET气敏元件气敏元件 PdPd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（

2、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MOSFETMOSFET进入工作状态。进入工作状态。 钯钯Pd Pd MOSFET MOSFET管结构 管结构 在在S SD D间加电压间加电压U UDSDS，S SD D间有电流间有电流I IDSDS流流 过，过，I IDSDS随随U UDSDS、U UGSGS变化。当变化。当U UGSGSU

3、 20 天 精确的 烘干工艺烘干工艺.应用于 高品质木材高品质木材, 防止. . 导致变形导致变形 . 影响木材表面影响木材表面 光洁度光洁度 鼓风机 排出冷凝水份 空气冷却器 隔热层 待烘干木堆 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 木材烘干木材烘干 . 产生气孔产生气孔 精确的 烘干工艺烘干工艺.用于制造 最优品质的砖块最优品质的砖块, 避免. . 变形变形 每一块已干的砖块 含有75% 的水份 将砖块置于烘干 房中的隔板上 一次烘干处理（预干）一次烘干处理（预干） 空气加热设备 起始: 95% rH20C 结束: 40% rH50C 二次烘干处理（主要阶段）二次烘干

4、处理（主要阶段） 起始: 40% rH80C 结束: 20% rH110C 为何选择为何选择Testo 650 PHT温湿度变送器温湿度变送器? - 温度量程高达 180C 涵盖所有烘干工艺所需温度 - 工作压力 10 bar (150 psi) 使用范围广，性能稳定 - 操作简便 低维护成本 每片已干燥砖块 含20%的水份 最终效果最终效果: 烘干房顶端 管道 (防止冷凝物 反向进入致使 机械受损) 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 砖块烘干砖块烘干 RS485 网络网络 6 RS 232 RS 485 PC 带带 ComSoft V3.3 每条每条 RS485 线

5、线: 多达多达32个个Hygrotest Hygrotest 带显示器带显示器 H3: RS485 H4: RS485 + 模拟输出模拟输出 H5: RS485 + 模拟输出模拟输出+继电器模拟输出继电器模拟输出 + 中继中继 PLC 接入接入 RS485 或 避免传统的电缆避免传统的电缆 只使用数字信号 通过总线获得通过总线获得 所有相关信息所有相关信息 最容易的数据最容易的数据 保存保存/记录和数据描述记录和数据描述 极高湿度测量加热探头极高湿度测量加热探头 7 h, T x 100 % rh 例如 73 % rh 5 K 后部耐热后部耐热: 持续高温 5 K 处理条件 (高湿度) 加热后

6、的 传感器状况 Testo 湿度传感器湿度传感器附加 Pt1000 Testo 探头类型 04 聚四氟乙烯帽聚四氟乙烯帽 探头长度探头长度 标准: 210 mm 可能: 80.500 mm 模拟输出：模拟输出：4-线线 (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 响应时间响应时间 即使长期暴露在冷凝液中也 不会腐蚀不会腐蚀 可能不需盐溶液调节 半导体色敏传感器是一种半导体光敏器件，工作原理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，可将光信号转换为电信号的光辐射探基于光电效应，可将光信号转换为电信号的光辐射探

7、测器。测器。 一般光电器件是检测在一定波长范围内的光强度或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从可见光到近远红子数目。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。外波段内单色辐射波长。 1 1 2 2 3 3 半导体色敏传感器相当于两只结构不同的半导体色敏传感器相当于两只结构不同的 光电二极管组合，实际不是三极管而是两个深光电二极管组合，实际不是三极管而是两个深 浅不同的浅不同的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三个区域光子吸收三个区域光子吸收 效果不同，紫外

8、光部分吸收系数大，距离短；效果不同，紫外光部分吸收系数大，距离短； 红外部分吸收系数小，穿透距离长，构成可以红外部分吸收系数小，穿透距离长，构成可以 测定波长的半导体色敏传感器。测定波长的半导体色敏传感器。 P+P+ N N P P 波长短波长短的光子衰减快，穿透的光子衰减快，穿透深度较浅深度较浅， 波长长波长长的光子衰减较慢，能穿透硅片的光子衰减较慢，能穿透硅片较深较深区域。区域。 浅结浅结的光电二极管对的光电二极管对紫外光紫外光灵敏度高，灵敏度高， 深结深结的光电二极管对的光电二极管对红外光红外光灵敏度高；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

9、的可能。 1 1 2 2 3 3 UiUi U0U0 I I1 1 U UD DI ID D R1R1 R2R2 + + - - 11 / / 26, DT Di UU DS S IIUR II e mv I B TT ,二极管伏安特征方程 U 电压当量，室温时U反向饱和电流 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，通过判别两只光电二极管光电流的大小判别颜色。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。 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电路，用二极管彩色信号

10、处理电路，用二极管 PNPN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，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， 构成运算放大器电路。构成运算放大器电路。 I I1 1 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； I I2 2 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，所以色彩识别必须获得两个光电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；二极管的短路电流比； 02121 lnlnln/UCIICII 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。 色敏传感器检测电路框图色敏传感器检测电路框图 对数运算电路对数运算电路 检测电路组成：对数电路检测电路组成：对数电路OP1OP1、OP2OP2，运放，运放OP3OP3； 采用对数放大器，电流较小时采用对数放大器，电流较小时 二极管两端电压存在近似对数关二极管两端电压存在近似对数关 系。系。 OP1OP1、OP2OP2输出分别与输出分别与I1I1、 I2I2成比例，由成比例，由OP3OP3取出差