检测技术已自动化仪表

1、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。1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2气敏传感器湿敏 传感器3气 敏传传感感 器气敏传感感器是用用来检测测气体浓浓度和成成份的传传感器；如： 工业天然然气、煤煤气等易易燃易爆爆的安全全监测；环境保护护，有害害、有毒毒气体监监测；酒后驾车车，乙醇醇浓度检检测；气敏传感感器灵敏敏度较高高，达10-610-3数量

2、级，可检测测到1/10爆炸下限限的可燃燃气体；由于气体体种类很很多，性性质各不不相同，不可能能用同一一种气体体传感器器测量所所有气体体，按半半导体的的物理特特性，可可分为电电阻型和和非电阻阻型。4半导体气气敏传感感器工作作原理(1)电阻型半半导体气气敏传感感器半导体气气敏传感感器是利利用待测测气体与与半导体体表面接接触时， 产生生的电导导率等物物理性质质变化来来检测气气体的。按照半半导体与与气体相相互作用用时产生生的变化化只限于于半导体体表面或或深入到到半导体体内部，可分为为表面控控制型和和体控制制型。前者半导导体表面面吸附的的气体与与半导体体间发生生电子接接受，结结果使半半导体的的电导率率等

3、物理理性质发发生变化化，但内内部化学学组成不不变；后者半导导体与气气体的反反应，使使半导体体内部组组成发生生变化，而使电电导率变变化。5电阻型气气敏传感感器是利利用气体体在半导导体表面面的氧化化和还原原反应，导致敏敏感元件件阻值变变化；如： 氧气具有有负离子子吸附倾倾向的气气体，被被称为氧氧化型气气体电子接收收性气体体；氢、碳氧氧化合物物、醇类类等具有有正离子子吸附倾倾向的气气体，被被称为还还原型气气体电子供给给性气体体。6当氧化型型气体吸吸附到N型半导体体上，半导体的的载流子子减少，电阻率率上升；当氧化型型气体吸吸附到P型半导体体上，半导体的的载流子子增多，电阻率率下降；当还原型型气体吸吸附

4、到N型半导体体上，半导体的的载流子子增多，电阻率率下降；当还原型型气体吸吸附到P型半导体体上，半导体的的载流子子减少，电阻率率上升；气体与半半导体接接触时情情况N型半导体体多电子子P型半导体体多空穴穴7N型半导导体吸附附气体时时器件阻阻值变化化图表示了气气体接触触N型半导体体时所产产生的器器件阻值值变化情情况。由由于空气气中的含含氧量大大体上是是恒定的的，因因此氧的的吸附量量也是恒恒定的，器件阻阻值也相相对固定定。若气气体浓度度发生变变化，其其阻值也也将变化化。根据据这一特特性，可可以从阻阻值的变变化得知知吸附气气体的种种类和浓浓度。8在常温下下，电导导率变化化并不大大，达不不到检测测目的，因

5、此以上上结构的的气敏元元件都有有电阻丝丝加热器器;加热时间间23分钟，加加热电源源一般为为5V;加热方式式分为直直热式和和旁热式式。直热式旁热式9组成：敏敏感元件件、加热热器、外外壳；制造工艺艺：烧结结型、薄薄膜型、厚膜型型。气敏电阻阻的材料料是金属属氧化物物，合成成时加敏敏感材料料和催化化剂烧结结，这些些金属氧氧化物在在常温下下是绝缘缘的，制制成半导导体后显显示气敏敏特性。金属氧化化物有：N型半导体体，如：SnO2Fe2O3ZnOTiOP型半导体体，如：CoO2PbOMnO2CrO3电阻型半半导体气气敏传感感器导电电机理用用一句话话描述：利用半导导体表面面因吸附附气体引引起半导导体元件件电阻

6、值值变化，根据这这一特性性，从阻阻值的变变化测出出气体的的种类和和浓度。敏感元件10(2)非电阻型型半导体体气敏传传感器非电阻型型半导体体气敏传传感器主主要类型型：利用MOS二极管的的电容电压特性性变化；利用MOS场效应管管的阈值值电压的的变化；利用肖特特基金属属半导体体二极管管的势垒垒变化进进行气体体检测。111）MOS二极管气气敏元件件（电容电压）在P型硅氧化化层上蒸蒸发一层层钯（Pd）金属膜膜作电极极。氧化化层（SiO2）电容Ca是固定不不变的。而硅片片与氧化化层电容容Cs是外加电电压的功功函数，总电容容C也是偏压压的函数数。MOS二极管的的等效电电容C随电压U变化。金属钯（Pd）对氢气

7、气（H2）特别敏敏感。当当Pd吸附金属属膜以后后，使Pd的功函数数下降，使MOS管CU特性向左左平移，利用这这一特性性用于测测定氢气气的浓度度。122）MOSFET气敏元件件Pd对H2吸附性很很强，H2吸附在Pd栅上引起起的Pd功函数降降低。当当栅极（G）源极（S）间加正正向偏压压UGSUT阀值时，栅极氧氧化层下下的硅从从P变为N型，N型区将S（源）和和D（漏）连连接起来来，形成成导电通通道（N型沟道）此时MOSFET进入工作作状态。在SD间加电压压UDS，SD间有电流流IDS流过，IDS随UDS、UGS变化。当当UGSUT时，沟道道没形成成，无漏漏源电流流IDS=0。UT（阀值）电压大大小与

8、金金属与半半导体间间的功函函数有关关。PdMOSFET器件就是是利用H2在钯栅极极吸附后后改变功功函数使使UT下降，检检测H2浓度。133）肖特基基二极管管金属和半半导体接接触的界界面形成成肖特基基势垒，构成金金属半导导体二极极管。管管子加正正偏压，半导体体金属的的电子流流增加，正向导导通电阻阻极小UD0.2，加负偏偏压时UD很大，相相当开路路几乎无无电流。当金属属与半导导体界面面有气体体时，势势垒降低低，电流流变化（上升）。金属与半半导体界界面吸附附气体时时，影响响半导体体禁带宽宽度Eg，二极管管正向偏偏压条件件下，气气体浓度度电流输输出电电压UR。非电阻型型半导体体气敏传传感器主主要用于于

9、氢气浓浓度测量量。14气敏电阻阻外形酒精传感感器其他可燃燃性气体体传感器器15酒精测试试仪呼气管16家庭用煤煤气报警警器17家庭用液液化气报报警器18一氧化碳碳传感器器19其他气体体传感器器NH3传传感器甲烷传感感器20二氧化钛钛氧浓度度传感器器半导体材材料二氧氧化钛（TiO2）属于N型半导体体，对氧氧气十分分敏感。其电阻阻值的大大小取决决于周围围环境的的氧气浓浓度。当当周围氧氧气浓度度较大时时，氧原原子进入入二氧化化钛晶格格，改变变了半导导体的电电阻率，使其电电阻值增增大。图示是用用于汽车车或燃烧烧炉排放放气体中中的氧浓浓度传感感器结构构图及测测量转换换电路。二氧化化钛气敏敏电阻与与补偿热热

10、敏电阻阻同处于于陶瓷绝绝缘体的的末端。当氧气气含量减减小时，RTiO2的阻值减减小，Uo增大。在图b中，与TiO2气敏电阻阻串联的的热敏电电阻Rt起温度补补偿作用用。当环环境温度度升高时时，TiO2气敏电阻阻的阻值值会逐渐渐减小，只要Rt也以同样样的比例例减小，根据分分压比定定律，Uo不受温度度影响，减小了了测量误误差。21图TiO2氧浓度传传感器结结构及测测量转换换电路a）结构b）测量转换换电路1外壳（接地）2安装螺螺栓3搭铁线线4保护管管5补偿电阻阻6陶瓷片片7TiO2氧敏电阻阻8进气口口9引脚22氧浓度传传感器外外形可用于汽汽车尾气气测量23汽车尾气气分析24有毒气体体传感器器的使用用2

11、5酒精测试试仪26防 酒 后 驾 车 汽 车 点 火 电 路无酒精时时，S闭合，气气敏电阻阻高，Ua高Uo低，定时时器输出出高，J2释放，J1闭合，点点火；有酒精时时，气敏敏电阻下下降，Ua低Uo高，定时时器输出出低，J2吸合，J2-1断开，不不启动；若司机拔拔出气敏敏传感器器，J1断电J1-1断开无法法启动。J1-2气敏元件件加热回回路。继电器J1-1、J1-2常开接点点，J2-1常闭接点点，J2-2常接VD1（绿灯），VD2（红灯）。27多种气体体检测系系统28红外吸收收(IR-process)测量原理理29湿敏传感感器湿度是指指空气中中的水蒸蒸气含量量，干燥燥或潮湿湿对我们们的生活活有很

12、大大影响，潮湿发霉，干干燥不舒服。湿度传传感器主主要应用用于温湿湿度检测测控制、军械仓仓库、粮粮仓、水水果保鲜鲜等场合合。最最早人们们用头发发随湿度度变化而而伸长或或缩短现现象做毛毛发湿度度计，逐逐渐有了了电阻湿湿度计，半导体体湿度计计是近年年来才出出现的。30为什么要要测量湿湿度？31湿度对电电子元件件的影响响当环境的的相对湿湿度增大大时，物物体表面面就会附附着一层层水膜，并渗入入材料内内部。这这不仅降降低了绝绝缘强度度，还会会造成漏漏电、击击穿和短短路现象象；潮湿湿还会加加速金属属材料的的腐蚀并并引起有有机材料料的霉烂烂。32露点 降低温度度会产生生结露现现象。露露点与农农作物的的生长有有

13、很大关关系，结结露也严严重影响响电子仪仪器的正正常工作作，必须须予以注注意。测量露点点的仪器器33湿度通常常用绝对对湿度和和相对湿湿度表示示： 绝对湿度度：单位位空间所所含水蒸蒸汽的绝绝对含量量或浓度度，用符符号AH表示，单单位（g/m3）。相对湿度度，被测测气体中中蒸汽压压和该气气体在相相同温度度下饱合合水蒸气气压的百百分比，一般用用%RH表示，无无量纲。不同环境境所需湿湿度不同同，测量量方法很很多，但但精度不不高。目目前世界界上最高高水平湿湿度测量量精度在在0.01%左右；34湿敏传感感器是能能够感受受外界湿湿度变化化，并通通过器件件材料的的物理或或化学性性质变化化，将湿湿度转化化成有用用

14、信号的的器件。湿度检测测较之其其它物理理量的检检测显得得困难，这首先先是因为为空气中中水蒸气气含量要要比空气气少得多多；另外，液液态水会会使一些些高分子子材料和和电解质质材料溶溶解，一一部分水水分子电电离后与与溶入水水中的空空气中的的杂质结结合成酸酸或碱，使湿敏敏材料不不同程度度地受到到腐蚀和和老化，从而丧丧失其原原有的性性质；再者，湿湿信息的的传递必必须靠水水对湿敏敏器件直直接接触触来完成成，因此此湿敏器器件只能能直接暴暴露于待待测环境境中，不不能密封封。通常，对对湿敏器器件有下下列要求求：在各各种气体体环境下下稳定性性好，响响应时间间短，寿寿命长，有互换换性，耐耐污染和和受温度度影响小小等

15、。微微型化、集成化化及廉价价是湿敏敏器件的的发展方方向。35氯化锂湿湿敏电阻阻氯化锂湿湿敏电阻阻电解质湿湿敏电阻阻利用物质质吸收水水分子使使导电率率发生变变化检测测湿度。在氯化锂锂（LiCl）溶液中中，Li和Cl以正负离离子的形形式存在在，锂离离子（Li+）对水分分子的吸吸收力强强，离子子水合成成度高，溶液中中的离子子导能力力与溶液液浓度成成正比，溶液浓度度增加，导电率率上升,电阻率下降。通过测量量溶液电电阻R值实现对对湿度测测量。当溶液置置于一定定湿度场场中，若若环境RH上升，溶溶液吸收收水分子子使浓度度下降电电阻率率上升，反反之RH下降，溶溶液浓度度上升，电阻率率下降。RH吸湿浓度RRH脱

16、湿浓度R36半导体陶陶瓷湿敏敏电阻（半导瓷瓷）通常用两两种以上上的金属属氧化物半导体烧烧结成多多孔陶瓷瓷，材料料有正特特性系数数和负特特性系数数两种。负特性湿湿敏半导导体瓷的的导电机机理水分子氢氢原子具具有很强强的正电电场，水水分子在在半导瓷瓷表面吸附时从从表面俘俘获电子子，使半半导瓷表表面带负负电。P型半导体体水分子吸吸附表面面电势下下降，吸吸引空穴穴到达表表面，使使表面面层电阻阻下降；N型半导体体水分子吸吸附表面面电势下下降，表表面电势势下降较较多时，电子耗耗尽，同同时吸引引更多的的空穴到到达表面面，可能能使表面面层的空空穴浓度度大于电电子浓度度，出现现反型层层，这些些反型型载流子子同样可

17、可以在表表面迁移移而表现现出电导导特性性。水水分子吸吸附时表表面电阻阻也会下下降。PN37负特性湿湿敏半导导体瓷湿湿敏电阻阻，电阻阻随湿度度增加而而下降。由于水水分子中中氢原子子具有很很强的正正电场，当水分分子在半半导体瓷瓷表面吸吸附时可可能从半半导体瓷瓷表面俘俘获电子子，使半半导体表表面带负负电，相相当表面面电势变变负，电电阻率随随湿度增增加而下下降。正湿敏特特性半导导体瓷湿湿敏电阻阻（例：Fe3O4），材料料结构、电子能能量状态态与负特特性不同同，总的的电阻值值升高没没有负特特性阻值值下降的的明显。 38电子湿度计模模块封装后的的外形湿敏传感感器的应应用39电子式温湿度计计40机械式、电子

18、式温湿度计计对比41土壤湿度度测量RH为VT提供偏流流，RH插入土壤壤，湿度度不同传传感器阻阻值不同同，基极极电流不不同，使VT的Ie变化，在在R2上转换为为电压变变化，送送运放A放大；RH放在水中中湿度100%，调节RP2使增益输输出满量量程5V；RH擦（吹）干湿度度0%，调节RP1比较端电电压，使使输出0V。42最 新湿湿度度 测量量应应 用领领域域面条烘干干43最 新湿湿度度 测量量应应 用领领域域生产过程程的空气气质量4445半导体色色敏传感感器是一一种半导导体光敏敏器件，工作原原理基于于光电效效应，可可将光信信号转换换为电信信号的光光辐射探探测器。一般光电电器件是是检测在在一定波波长

19、范围围内的光光强度或或光子数数目。而而色敏器器件可以以直接测测量从可可见光到到近远红红外波段段内单色色辐射波波长。色敏传感感器46光电二极极管的工工作原理理对于用半半导体硅硅制造的的光电二二极管，在受光光照射时时，若入入射光子子的能量量h大于硅的的禁带宽宽度Eg，则光子子就激发发价带中中的电子子跃迁到到导带而而产生一一对电子子-空穴穴。这些些由光子子激发而而产生的的电子-空穴统统称为光光生载流流子。光光电二极极管的基基本部分分是一个个结，产产生的光光生载流流子只要要能扩散散到势垒垒区的边边界，其其中少数数载流子子（专指指P区区中的电电子和N区的的空穴）就受势势垒区强强电场的的吸引而而被拉向向对

20、面区区域，这这部分少少数载流流子对电电流作出出贡献。多数载载流子（P区中中的空穴穴或N区区中的电电子）则则受势垒垒区电场场的排斥斥而留在在势垒区区的边缘缘。在在势垒区区内产生生的光生生电子和和光生空空穴，则则分别被被电场扫扫向N区区和P区区，它们们对电流流也有贡贡献。47光在半导导体中传传播时的的衰减是是由于价价带电子子吸收光光子而从从价带跃跃迁到导导带的结结果，这这种吸收收光子的的过程称称为本征征吸收。硅的本本征吸收收系数随随入射光光波长变变化的曲曲线如图图所示。由图可可见，在在红外部部分吸收收系数小小，紫外外部分吸吸收系数数大。这这就表明明，波波长短的的光子衰衰减快，穿透深深度较浅浅，而波波长长的的光子则则能进入入硅的较较深区域域。48半导体色色敏传感感