传感器原理及应用第9章 半导体式传感器课件

1、传感器原理及应用第9章 半导体式传感器传感器原理及应用 9.1 气敏传感器 9.2 湿敏传感器 9.3 色敏传感器第9章 半导体传感器主要内容：传感器原理及应用第9章 半导体传感器 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接转换，如改变半导体内载流子的数目。 凡是用半导体材料制作的传感器都属于半导体传感器。 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、气敏、湿敏等等。概述 传感器原理及应用第9章 半导体传感器概述 气敏传感器湿敏传感器传感器原理及应用第9章 半导体传感器 气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传感器；如： 工业天

2、然气、煤气等易燃易爆的安全监测； 环境保护，有害、有毒气体监测； 酒后驾车，乙醇浓度检测； 牙医口臭检查 气敏传感器灵敏度较高，达10-610-3数量级，可检测到 1/10 爆炸下限的可燃气体；9.1 气敏传感器 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。传感器原理及应用第9章半导体式传感器 9.1 气敏传感器 9.1.1 半导体气敏传感器工作原理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，导致敏感元件阻值变化；如：氧气具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧化型气体电子接收性气体；氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸

3、附倾向的气体，被称为还原型气体电子供给性气体。(1) 电阻型半导体气敏传感器传感器原理及应用第9章半导体式传感器当氧化型气体吸附到N型半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升；当氧化型气体吸附到P型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降；当还原型气体吸附到N型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降；当还原型气体吸附到P型半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升；N型半导体与气体接触时的氧化还原反映 9.1 气敏传感器 9.1.1 半导体气敏传感器工作原理气体与半导体接触时情况N型半导体多电子P型半导体多空穴(1) 电阻型半导体气敏传感器传感器原理及应用第9章半导体式传感器通常器件工

4、作在空气中高阻状态，由于氧化的作用，空气中的氧被半导体（N型半导体）材料的电子吸附负电荷，结果半导体材料的传导电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态； 空气中氧化作用被氧电子吸附N型半导体电子减少电阻增加电阻减小，当气敏元件与被测气体接触时会与吸附的氧发生反应，将束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。 气体接触吸附气体氧发生反应电子释放电导增加，电阻增加9.1 气敏传感器9.1.1 半导体气敏传感器工作原理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，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度。传感器原理及应用第9章半导体

5、式传感器9.1 气敏传感器9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构(1) 电阻型半导体气敏传感器电阻型气敏元件通常工作在高温状态，气敏元件的加热作用：为加速气体吸附和上述的氧化还原反应，提高灵敏度和响应速度；另外使附着在壳面上的油雾、尘埃烧掉。电阻型气敏元件符号传感器原理及应用第9章半导体式传感器9.1 气敏传感器9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构(2) 非电阻型半导体气敏传感器 1）MOS二极管气敏元件（电容电压）在P型硅氧化层上蒸发一层钯（Pd）金属膜作电极。氧化层（SiO2）电容Ca是固定不变的。而硅片与氧化层电容Cs是外加电压的功函数，总电容C也是偏压的函数。MOS二极管的等效电容C

6、随电压U变化。金属钯（Pd）对氢气（H2）特别敏感。当Pd吸附金属膜以后，使Pd的功函数下降，使MOS管CU特性向左平移，利用这一特性用于测定氢气的浓度。MOS二极管气敏元件结构MOS二极管气敏元件等效电路传感器原理及应用第9章 半导体传感器9.1 气敏传感器9.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 2）MOSFET气敏元件 Pd对H2吸附性很强，H2吸附在Pd栅上引起的Pd功函数降低。当栅极（G）源极（S）间加正向偏压 UGSUT 阀值时，栅极氧化层下的硅从P变为N型，N型区将S（源）和D（漏）连接起来，形成导电通道（N型沟道）此时MOSFET进入工作状态。钯Pd MOSFET管结构在SD间加

7、电压UDS，SD间有电流IDS流过，IDS随UDS、UGS变化。当UGS 20 天精确的 烘干工艺.应用于 高品质木材, 防止. . 导致变形. 影响木材表面 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 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 木材烘干. 产生气孔精确的 烘干工艺.用于制造 最优品质的砖块, 避免. 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）空气加热设备起始: 95% rH20C 结束: 40% rH50C 二次烘干处理（主要阶段）起始: 40% rH80C 结束: 20% rH110C 为何选择Testo 650 PHT温湿度

8、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:烘干房顶端管道 (防止冷凝物反向进入致使机械受损) 最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 砖块烘干RS485 网络6RS 232RS 485PC 带 ComSoft V3.3每条 RS485 线:多达32个HygrotestHygrotest 带显示器H3: RS485H4: RS485 + 模拟输出H5: RS485 + 模拟输出+继电器模拟输出 + 中继PLC 接入 RS485或避免传统的电缆只使用数字信号

9、通过总线获得所有相关信息最容易的数据保存/记录和数据描述极高湿度测量加热探头 7h, Tx100 % rh例如 73 % rh 5 K后部耐热:持续高温 5 K处理条件(高湿度)加热后的传感器状况Testo 湿度传感器附加 Pt1000Testo 探头类型 04聚四氟乙烯帽探头长度标准: 210 mm可能: 80.500 mm模拟输出：4-线 (0.20 mA, 4.20 mA, 0.1 V, 0.10 V)2,5 % rh 精度更快的 响应时间即使长期暴露在冷凝液中也不会腐蚀可能不需盐溶液调节传感器原理及应用第9章 半导体传感器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

10、光信号转换为电信号的光辐射探测器。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。 9.3 色敏传感器123 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浅不同的PN结，又称光电双结二极管。 当有光照射时，P+、N、P三个区域光子吸收效果不同，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，构成可以测定波长的半导体色敏传感器。P+NP传感器原理及应用第9章 半导体传感器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，能穿透硅片较深区域。浅结的光电二极管对紫外光灵敏度高， 深

11、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。9.3 色敏传感器123UiU0I1UDIDR1R2+- 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。 检测光波长（颜色）处理电路彩色信号处理电路，用二极管PN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。传感器原理及应用第9章 半导体传感器9.3 色敏传感器 I1 是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大；I2 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二极管的短路电流比；C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对数运算电路 检测电路组成：对数电路OP1、OP2，运放OP3；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。 OP1、OP2输出分别与I1、I2成比例，由OP3取出差值。经后续A/D转换电路处理后输出。I1I2传感器原理及应用第9章 半导体传感器9.3 色敏传感器两种色敏管的光