半导体式传感器(第七章)课件

1、第7章 半导体式传感器第7章 半导体式传感器 7.1 气敏传感器 7.2 湿敏传感器 7.3 磁敏传感器7.4 色敏传感器 第7章 半导体传感器主要内容： 7.1 气敏传感器 第7章 半导体传感器主要内容1.掌握半导体气敏传感器的概念；2. 熟悉半导体材料的导电机理；3. 了解电阻型气敏器件的结构；4. 掌握湿敏电阻的基本原理；5. 掌握磁阻效应；6. 掌握半导体色敏传感器的基本原理；教学要求1.掌握半导体气敏传感器的概念；教学要求第7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

2、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 第7章 半导体传感器 半导体传感器是典型的物理型传感器，它是第7章 半导体传感器概述 纸 品木材烘干 湿度传感器 芯片生产要求最高的湿度稳定性第7章 半导体传感器概述 纸 品木材烘干 湿度传感第7章 半导体传感器概述 气敏传感器湿敏 传感器第7章 半导体传感器概述 气敏传感器湿敏 第7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器件，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，如： 工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测； 环境保护，有害、

3、有毒气体监测； 酒后驾车，乙醇浓度检测。第一节 气敏传感器 第7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器半导体气敏传感器的分类：（1）按照半导体变化的物理性质，又可分为：电阻型半导体气敏元件：利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度非电阻型半导体气敏元件：利用其它参数的变化来检测气体的，如二极管的伏安特性。（2）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：表面控制型气敏电阻体控制型气敏电阻半导体气敏传感器的分类：半导体式传感器(第七章)课件一、气敏半导体传感器的导电机理 半导瓷材料SnO2为例说明气敏半导材料的导电机理。SnO

4、2是N型半导体，其导电机理可以用吸附效应来解释。图7-1（a）为烧结体N型半导瓷的模型。它是多晶体，晶粒间有较高的电阻，晶粒内部电阻较低。图中分别以空白部分和黑点部分示意表示。导电通路的等效电路如图7-1（b）所示。图中Rn为颈部等效电阻，Rb为晶粒的等效体电阻，Rs为晶粒的等效表面电阻。其中Rb的阻值较低，它不受吸附气体影响。 Rs和Rn则受吸附气体所控制，且 。由于Rs被Rb所短路。由此可见，半导体气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和种类而改变。一、气敏半导体传感器的导电机理 半导瓷材料SnO2为例说明气当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热时，其阻值急剧下降，然后上升，经2min4m

5、in后达到稳定，这段时间为初始稳定时间，元件只有在达到初始稳定状态后才可用于气体检测。当电阻值处于稳定值后，会随被测气体的吸附情况而发生变化，阻值发生变化的时间(称响应时间)不到1min，其电阻的变化规律视气体的性质而定。图 SnO2气敏元件电阻 与吸附气体关系当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热时，其阻值急剧下 如果被测气体是氧化性气体(如O2 、NOx)，被吸附气体分子从气敏元件得到电子，使N型半导体中载流子电子减少，因而电阻值增大。 如果被测气体为还原性气体,气体分子向气敏元件释放电子，使元件中载流子电子增多，因而电阻值下降。所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的

6、气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。 如果被测气体是氧化性气体(如O2 、NOx)，被吸附当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上，将使载流子浓度减少，电阻增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上，载流子浓度增加，电阻减少。注意：当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上第一节气敏传感器二、电阻型气敏器件组成：敏感元件、加热器、外壳； 制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜型。 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，这些金属氧化物在常温下是绝缘 的，制成半导体

7、后显示气敏特性。 金属氧化物有： N型半导体，如：SnO2 Fe2O3 ZnO TiO P型半导体，如： PbO MnO2 CrO3 第一节气敏传感器组成：敏感元件、加热器、外壳； 1、烧结型烧结型气敏器件的制作是将一定配比的敏感材料（SnO2、InO）及掺杂剂（Pt、Pb）等以水或粘合剂调和，经研磨后使其均匀混合，然后将已均匀混合的膏状物滴入模具内，用传统的制陶方法进行烧结。烧结时埋入加热丝和测量电极，最后将加热丝和测量电极焊在座上，加特制外壳构成器件。这种器件一般分为内热式和旁热式两种结构，如图7-2和图7-3所示。1、烧结型2、薄膜型薄膜型气敏器件的制作首先须处理基片（玻璃石英式陶瓷）；

8、焊接电极，之后有采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜。实验测得SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好。薄膜型器件外形结构如图7-4所示。这种器件具有较高的机械强度，而且具有互换性好，产量高，成本低等优点。2、薄膜型3、厚膜型为解决器件一致性问题，1977年发展了厚膜型器件。它是有SnO2和ZnO等材料与3%-15%（重量）的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到事先安装有铂电极的Al2O3基片上，以400-800烧结1h制成。其结构如图7-5所示。厚膜工艺制成的元件一致性较好，机械强度高，适于批量生产，是一种有前途的器件。3、厚膜型以上三种电阻型气敏元件都有加热器，

9、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。以上三种电阻型气敏元件都有加热器，通常工作在高温状态，气敏元各种可燃性气体的浓度与传感器电阻变化率的关系各种可燃性气体的浓度与传感器电阻变化率的关系 SnO2气敏器件温湿度特性返回 SnO2气敏器件温湿度特性返回第一节气敏传感器非电阻型气半导体敏传感器主要类型： 利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测利用MOS二极管的电容电压特性变化；利用MOS场效应管的阈值电压的变化； 三、非电阻型气敏器件第一节气敏传感器非电阻型气半导体敏传感器主要类型第一节

10、气敏传感器1、二极管气敏传感器 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。管子加正偏压，半导体金属的电子流增加，加负偏压，几乎无电流。当金属与半导体界面有气体时，势垒降低，电流变化。 非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气浓度测量。第一节 气敏传感器1、二极管气敏传感器 第一节气敏传感器2、MOS二极管气敏元件 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固定不变。总电容C也是偏压的函数。MOS二极管的等效电容C随电压U变化。 金属钯（Pd）对氢气（H2）特别敏感。当Pd吸附以后，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

11、氢气的浓度。MOS二极管气敏元件结构和等效电路第一节气敏传感器2、MOS二极管气敏元件 MOS二极第一节 气敏传感器 3、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管结构第一节 气敏传感器 3、MOSFET气敏元件 钯Pd 第一章 气敏传感器 在S D间加电压UDS，S D间有电流IDS 流过，IDS随UDS、UGS变化。当UGSUT时，沟 道没形成

12、，无漏源电流IDS = 0。 UT（阀值）电压大小与金属与半导体间的功 函数有关。 Pd MOSFET器件就是利用H2在钯栅极吸附 后改变功函数使UT下降，检测H2浓度。第一章 气敏传感器 在S D间加电压UDS，S 气敏电阻外形 酒精传感器 其他可燃性气体传感器气敏电阻外形 酒精传感器 其他可燃性气体传感器半导体式传感器(第七章)课件酒精测试仪呼气管酒精测试仪呼气管家庭用液化气报警器家庭用液化气报警器家用报警器电路图 这种测量回路能承受较高交流电压,因此,可直接由市电供电,不加复杂的放大电路,就能驱动蜂鸣器等来报警。这种报警器的工作原理是:蜂鸣器与气敏器件构成了简单串联电路，当气敏器件接触到

13、泄漏气体(如煤气、液化石油气)时,其阻值降低,回路电流增大,达到报警点时蜂鸣器便发出警报。家用报警器电路图 这种测量回路能承受较高交流电压,因此NH3传感器甲烷传感器NH3传感器甲烷传感器 烟气分析仪 烟气分析仪第9章 半导体传感器第二节 湿敏传感器 上 电 极 下 电 极第9章 半导体传感器第二节 湿敏传感器 上 最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 为什么要测量湿度?温湿度变送器h, Tx室 内 空 气 质 量 100% rH贮 存 / 催 熟生 产 空 气 质 量烘 干 过 程 耗费最低的能量 达到 / 保持成品的最佳品质 让设备高效率地进行生产- 更舒适 更高的工作效率 使产品或原材

14、料达到最佳品质 最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域第2节 湿敏传感器一、 绝对湿度与相对湿度湿度是指空气中的水蒸气含量，通常用绝对湿度和相对湿度表示：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。用AH表示。单位：g/m3相对湿度：空气中实际所含水蒸气密度（即绝对湿度）与同温度下饱和水蒸气密度的百分比值，用%RH表示，是一个无量纲的量。是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。第2节 湿敏传感器一、 绝对湿度与相对湿度湿度是指空气中第2节 湿敏传感器二、 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻即电解质湿敏电阻，利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发

15、生变化而制成的测湿元件。典型的类型：登莫式和浸渍式 在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl以正负离子的形式存在，锂离子（Li+）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，溶液浓度增加，导电率上升。第2节 湿敏传感器二、 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻即电解质1、半导体陶瓷湿敏元件的导电机理负机理：氢原子具有很强的正电场吸附电子半导瓷表面带负电吸附电子的同时也吸引空穴电阻1)、负特性三、半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻通常用两种以上的金属 氧化物半导体烧结成多孔陶瓷，材料有正湿度 系数和负湿度系数两种。第2节 湿敏传感器1、半导体陶瓷湿敏元件的导电机理负机理：氢原

16、子具有很强的正电2022/10/338 水中氢原子为正电场，吸附表面时可以俘获电子，使半导体表面带负电。 如果是P型半导体，由于水分子吸附，将吸引更多的空穴至达其表面，使表面电阻率下降； 若是N型半导体，水的附着使表面电势下降甚多，吸引更多的空穴到达表面，使表面的空穴浓度大于电子浓度也会使电阻下降，将使半导体呈现负特性。第2节 湿敏传感器2022/10/238 水中氢原子为正电场，吸附2)、正特性 当水份子附着半导瓷表面使电势变负时，导致电子浓度下降，此时以电子导电为主，由于电子浓度下降，致使电阻加大，又由于晶体内部低阻支路的存在，正特性电阻的升高，没有负特性电阻下降明显。 半导瓷的电阻率随湿

17、度的增加而增大，称为正湿敏特性。80010020140160180200220120406080100%第2节 湿敏传感器2)、正特性 当水份子附着半导瓷表面使电势变负时2022/10/340Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。第2节 湿敏传感器 正湿敏特性半导体瓷湿敏 电阻（例：Fe3O4），材料结构、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值下降的明显。 2022/10/240Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿烧结型MgCr2O4-TiO2湿敏传感器结构 烧结型MgCr2O4-TiO2湿敏传感器结构 2022/10/342湿敏传感器-应用2022/10/24

18、2湿敏传感器-应用2022/10/343直读式湿度计 RH为氯化锂湿度传感器，VT1、VT2、T1等组成测湿电桥的电源, 其振荡频率为2501000 Hz。 电桥输出级变压器T2, C3耦合到VT3, 经VT3放大后的信号, 由VD1VD4桥式整流后, 输入给微安表, 指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变, 经标定并把湿度刻划在微安表盘上, 就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。湿敏传感器-应用2022/10/243直读式湿度计湿敏传感器-应用湿敏传感器的应用 2. 自动气象站湿度测报 湿度传感器广泛用于自动气象站的遥测装置上，采用耗电量很小的湿度传感器可以由蓄电瓶供电长期自动工作，几乎不需

19、要维护。用于无线电遥测自动气象站的湿度测报原理方框图如图所示。湿敏传感器的应用 2. 自动气象站湿度测报 无线电遥测自动气象站的湿度测报原理方框图 无线电遥测自动气象站的湿度测报原理方框图 氯化锂湿度传感器将被测湿度转换为电阻值，Rf转换电路将此电阻值R转换为相应的频率f，再经自校准器控制使频率f与相对湿度一一对应，最后经门电路记录在自动记录仪上。如果需要远距离数据传输，则还需要将得到的数字量编码，调制到无线电载波上发射出去。 氯化锂湿度传感器将被测湿度转换为电阻值，Rf转换电 3. 湿度控制电路 湿度控制电路如图所示。振荡电路用时基电路IC1、D触发器IC2组成。IC1产生4Hz的脉冲信号，

20、经IC2后变为2Hz的对称方波作为湿度器件的电源，由IC3组成比较器。在比较器的同相输入端接入基准电压，调节电位器RP可以设定控制的相对湿度。 3. 湿度控制电路 湿度控制电路 湿度控制电路 4. 汽车后窗玻璃自动去湿装置 图是一种用于汽车驾驶室挡风玻璃的自动去湿电路。其目的是防止驾驶室的挡风玻璃结露或结霜，保证驾驶员视线清楚，避免事故发生。该电路也可用于其他需要去湿的场合。 4. 汽车后窗玻璃自动去湿装置 汽车后窗玻璃自动去湿装置 汽车后窗玻璃自动去湿装置硬质面粉水(鸡蛋)配料成形烘干剪切 / 包装60% RH.湿度过低:.湿度过高:30% 的水份含量 利于面条的成形12.5% 的水分含量便

21、于贮存面条1. 表面坚硬2. 内部水份蒸发产生的压力导致表面被破坏精确的烘干 过程需要避免. 表面松软易霉变70-120C (160-250F) 最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 面条烘干硬质面粉水(鸡蛋)配料成形烘干剪切 / 包装60% RH.颗 粒 产 品处理 易潮材料 对 空气质量 的要求 更高 纸 品纺 织 品能源耗费高最佳 产品质量产生静电 RH 高RH 低喷 漆 生 产 线漆面过湿最佳 产品质量漆面过干确定油漆中的水份含量需要非常精确的RH值!食 品 生 产 最 新 湿 度 测 量 应 用 领 域 生产过程的空气质量颗 粒 产 品处理 易潮材料 对 空气质量 的要求 更高 电

22、子式温湿度计电子式温湿度计机械式、电子式温湿度计对比机械式、电子式温湿度计对比第7章 半导体传感器磁敏传感器利用磁电转换原理工作的。60年代，西门子公司研制第一个磁敏元件，68年索尼公司研制成磁敏二极管，74年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。磁敏传感器主要有：磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管、和霍尔式磁敏传感器。第三节 磁敏传感器 第7章 半导体传感器磁敏传感器利用磁电转换原理工作的。60年第三节磁敏传感器一、磁敏电阻器1、磁阻效应 某些材料的电阻值受磁场的影响而改变的现象利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻， 。 当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。如果器件只有在电子

23、参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为磁阻效应方程式无磁场时的电阻率 存在磁感应强度为时的电阻率 电子迁移率 第三节磁敏传感器1、磁阻效应磁阻效应方程式无磁电阻率的变化： 电阻率的相对变化： 可见：当磁场B一定时，迁移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显，更适合于制作磁敏电阻。电阻率的变化： 电阻率的相对变化： 可见：当磁场B一定时，迁2、磁敏电阻的形状磁阻效应除了与电子的迁移率和磁场B有关（物理磁阻效应），还与元件的几何形状有关 常见的磁敏电阻是圆盘形的，中心和边缘处为两电极。叫科尔比诺圆盘。其磁阻效叫科尔比诺效应。考虑几何磁阻效应，半导体

24、磁敏电阻的磁阻效应方程式为：lb形状效应系数 b2、磁敏电阻的形状磁阻效应除了与电子的迁移率和磁场B有关（物几何形状与磁阻变化特性 3磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用非常广泛。除了用它做成探头，配上简单线路可以探测各种磁场外，在测量方面还可制成位移检测器、角度检测顺、功率计、安培计等。此外，还可用磁敏电阻制成交流放大器、振荡器等。几何形状与磁阻变化特性 3磁敏电阻的应用磁敏传感器利用磁阻效应，将三维方向的三个磁敏传感器件集成在同一个芯片上，可以很好地感测地球磁场。如将它装在公路上或通道的上方，当含有铁性物质的汽车驶过时，会干扰地磁场的分布。根据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，也可以根据不同

25、车辆对地磁产生的不同扰动来识别车辆类型。磁敏传感器利用磁阻效应，将三维方向的三个磁敏传感器件集成在同磁敏电阻的应用 根据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，可用于包括自动开门，路况监测，停车场检测，车辆位置监测，红绿灯控制等。 磁敏电阻的应用 根据铁磁物体对地磁的扰动，可磁阻IC用于转速测量 磁力线集中磁力线分散磁阻IC用于转速测量 磁力线集中磁力线分散磁阻IC用于笔式验钞器 验钞笔顺着纸币上的磁性防伪线扫描 磁阻IC用于笔式验钞器 验钞笔顺着纸币上的磁性防伪线扫描InSb磁敏电阻无触点开关InSb磁敏电阻无触点开关利用磁敏电阻制作小型探矿仪（磁力仪）用于铁矿的勘探 磁敏电阻（聚四氟乙烯封

26、装） 磁力 探矿仪的使用利用磁敏电阻制作小型探矿仪（磁力仪）用于铁矿的勘探 磁敏电阻小型探矿仪磁敏电阻小型探矿仪PN结型的磁电转换元件I 区：高阻/本征区P、N：掺杂区P-I-N结I 区两侧处理：光滑：I 面打毛：复合面（ r 面）二、磁敏二极管PN结型的磁电转换元件I 区：高阻/本征区P-I-N结I 区工作原理磁场H = 0：少量电子和空穴在 I 区、r区复合正向磁场 H+ ：电子和空穴偏向 r 区，电流因复合增大而减小，基区的等效电阻增大反向磁场 H- ：电子和空穴偏向 I 区，电流因复合减少而增大，基区的等效电阻减小工作原理磁场H = 0：正向磁场 H+ ：反向磁场 H- ：磁敏二极管与

27、其他磁敏器件相比，具有以下特点：（1）灵敏度高。磁敏二极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至上千倍，而且线路简单，成本低廉，更适合于测量弱磁场。（2）具有正反磁灵敏度。这一点是磁阻器件所欠缺的。故磁敏二极管可用作无触点开关。（3）灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄。这一点不如霍尔元件。磁敏二极管可用来检测交、直流磁场，特别适合于测量弱磁场；可制作箍位电流计，对高压线进行不断线、无接触电流测量，还可作无触点开关，无接触电位计等。利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其 电流发生变化，于是就实现磁电转换。磁敏二极管与其他磁敏器件相比，具有以下特点：利用磁敏二极管在第四节 色敏传感器半导体色敏传感器是半导体光

28、敏器件的一种，其工作原理是基于半导体的内光电效应，将光信号变成电信号。一般的光电器件是检测在一定波长范围内的光强度或光子数目，而色敏传感器可以直接测量从可见光到近红外波段内单色光的波长。第四节 色敏传感器半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种，1、光电二极管的工作原理光照射PN结时，若hEg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。一、半导体色敏传感器的基本原理1、光电二极管的工作原理 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，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