传感器原理及应用全套配套课件PPT动画教学大纲第10章 半导体传感器.ppt 92页

'第10章半导体式化学传感器传感器原理与应用 传感器原理及应用10.1气敏传感器10.2湿敏传感器10.3离子敏传感器第10章半导体传感器主要内容： 传感器原理及应用第10章半导体传感器概述凡是用半导体材料制作的传感器都属于半导体传感器。半导体式传感器种类很多，其中包括：压阻元件、集成温度传感器、磁敏元件、光敏电阻、霍尔元件等。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或改变PN结特性。半导体电特性被测量电信号本章主要介绍半导体型的电化学传感器 传感器原理及应用第10章半导体传感器优点：传感器器件采用半导体加工工艺，因而没有相对运动部件，结构简单；半导体材料容易实现集成化、智能化，低功耗，可用于便携式仪器的现场测试；缺点：受温度影响，需采用补偿措施；线性范围窄，性能参数离散性大。概述半导体式化学传感器是上世纪70年代后期诞生起来的新型传感器，主要是以半导体作为敏感材料，通过物理特性变化实现信号转换。如：气敏、湿敏、离子敏传感器。由于化学传感器转换机理复杂，目前半导体式化学传感器远不及电参数式物理量和其它传感器成熟。 传感器原理及应用第10章半导体传感器气敏元件湿敏元件湿敏传感器半导体电化学传感器 传感器原理及应用第10章半导体传感器甲烷、可燃气体报警器一氧化碳（CO）二氧化碳（CO2）二氧化硫（SO2）便携式酒精含量测试仪酸度计纯水测试仪测量水质气敏传感器离子敏传感器湿度测试仪测量 传感器原理及应用第10章半导体传感器10.1气敏传感器气敏传感器特点灵敏度较高，达10-6～10-3数量级，无需放大；可检测到可燃气体爆炸下限的1/10，用于泄漏报警;响应速度较慢。气敏传感器用于检测工业现场、环境气体浓度和成份工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；容器或管道泄漏的检漏；酒后驾车的乙醇浓度检测；环境中的有害、有毒气体监测；空气净化、家电用品、宇宙探测；牙医口臭检查。 传感器原理及应用第10章半导体传感器不同气体需采用各种不同气敏传感器的检测仪器一氧化碳（CO）矿用气体检测仪天然气、煤气等易燃易爆的安全监测酒后驾车的乙醇浓度检测 传感器原理及应用第10章半导体传感器二氧化硫（SO2）测试仪二氧化碳（CO2）检测仪氩气（Ar2）检测分析仪容器或管道泄漏的检漏可燃气体检漏仪 传感器原理及应用第10章半导体传感器甲烷遥距测试仪可燃气体检测仪智能型甲烷检测报警仪便携式甲醛检测仪环境中的有害、有毒气体监测空气质量检测仪 传感器原理及应用第10章半导体传感器半导体气体传感器按检测对象分类 传感器原理及应用第10章半导体传感器10.1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；所以检测不同气体需要选用不同型号的气敏传感器。按半导体的物理特性，可分为电阻型和非电阻型半导体气敏传感器按工作原理分类 传感器原理及应用第10章半导体式传感器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。氧气是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、醇类等是具有正离子吸附倾向的气体，被称为还原型气体——电子供给性气体。10.1.1电阻型半导体气敏传感器氧气氢气---+++半导体电阻变化气体氧化反应还原反应 传感器原理及应用第10章半导体式传感器当氧化型气体吸附到N型半导体上，使载流子减少，电阻率上升；当还原型气体吸附到N型半导体上，载流子增多，电阻率下降；当氧化型气体吸附到P型半导体上，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，载流子减少，电阻率上升；10.1.1电阻型半导体气敏传感器气体与（N、P型）半导体接触时情况N型半导体多电子；P型半导体多空穴氧化型气体接收电子；还原型气体供给电子N--氧N----氢P++ 传感器原理及应用第10章半导体式传感器半导体是一种多晶材料，晶粒大小约为10-6cm，一个器件是由许许多多小颗粒组成，在晶粒连接处形成许多晶粒间界；正是这些晶粒间界的性质决定着多晶材料的导电特性，整个半导体块的电导由这些间界的导电性能决定的。(1)电阻型半导体气敏传感器工作机理气敏材料敏感机理n-SnO2气敏传感器是目前工艺最成熟的气敏器件，这种传感器以多孔质SnO2陶瓷为基本材料，添加不同催化剂，采用传统制陶方法进行烧结。 传感器原理及应用第10章半导体式传感器空气中—高阻状态由于空气中的氧化的作用，半导体（N型）材料的电子电荷被氧吸附，结果使传导电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态；空气中—氧化作用—氧吸附半导体电子—电阻增加.气敏器件与被测器体接触—电阻减小当气敏元件与被测气体(氢、醇类)接触时，会与传感器表面吸附的氧发生反应，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。与气体接触时—吸附的气体与氧发生反应—电子释放—电导增加，电阻减小.以N型半导体为例：通常气敏器件工作在空气中N--氧N--氢-- 传感器原理及应用第10章半导体式传感器10.1.1电阻型半导体气敏传感器气体与N型半导体接触时情况N型半导体与气体接触时的氧化还原响应 传感器原理及应用第10章半导体式传感器电阻型半导体气敏传感器的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，从阻值的变化检测出气体的种类和浓度。电阻式气敏传感器可用于检测可燃气体，所以又称热效率探测器。(1)电阻型半导体气敏传感器工作机理电阻型气敏传感器是目前使用较广泛的一种气敏元件。 传感器原理及应用第10章半导体式传感器电阻型传感器主要由敏感元件、加热器、外壳三部分组成。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；按制造工艺分为烧结型、薄膜型、厚膜型金属氧化物有:N型半导体SnO2Fe2O3ZnOTiOP型半导体CoO2PbOMnO2CrO3(2)电阻型半导体气敏传感器结构特征电阻型气敏传感器封装这些金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后才显示气敏特性。 传感器原理及应用第10章半导体式传感器电阻式气敏传感器可以等效为电阻ABFF’AB电阻型气敏元件及符号(2)电阻型半导体气敏传感器结构特征在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的，因此，电阻型结构的气敏元件都有电阻丝加热器。气敏传感器电路符号 传感器原理及应用第10章半导体式传感器加热方式分为直热式和旁热式直热式(加热丝与测量丝埋入氧化物中烧结),特点是成本低，但受气流影响，稳定性差.旁热式(加热丝放在陶瓷管内,管外金属电极涂上氧化物),加热丝与气敏材料不接触,避免测量回路与加热回路的相互影响,减小环境温度的影响.国产同类产品：直热式-QN型；旁热式-MQ型. 传感器原理及应用第10章半导体式传感器气敏元件加热作用有两个：一是可以加速气体吸附和氧化还原反应，提高传感器的灵敏度和响应速度；二是烧掉附着在壳面上的油雾、尘埃。电阻型气敏元件在加热状态下工作加热时间2～3分钟；加热电源一般为5V；加热温度200～450℃。ABFF’ 传感器原理及应用第10章半导体式传感器(3)电阻型半导体气敏传感器特性参数a.固有电阻Ra气敏元件在洁净空气中的电阻值称为固有电阻Ra，固有电阻值一般在几十kΩ到数几百kΩ范围内。气敏传感器的分辨率反映气体元件对被测气体的识别以及对干扰气体的抑制能力，即b.分辨率式中，Ugi在规定浓度下，元件在第i种气体中负载电阻上电压。 传感器原理及应用第10章半导体式传感器c.灵敏度——表征气敏元件的灵敏度通常有下列几个参数：电阻灵敏度:气敏元件的固有电阻Ra与在规定气体浓度下气敏元件的电阻Rg之比为电阻灵敏度，即气体分离度:气体浓度分别为g1、g2时，气体元件的电阻Rg1、Rg2之比为气体分离度，可表示为电压灵敏度，气敏元件在固有电阻值时的输出电压Ua与在规定浓度下负载电阻的两端电压Ug之比为电压灵敏度 传感器原理及应用第10章半导体式传感器d.时间常数从气敏元件与某一特定浓度的气体接触开始，到元件的阻值达到此浓度下稳定阻值的63.2%为止所需要的时间称为元件在该浓度下的时间常数。e.恢复时间tr由气敏元件脱离某一浓度的气体开始，到气敏元件的阻值恢复到固有电阻Ra的36.8%为止所需要的时间称为元件的恢复时间tr。 传感器原理及应用第10章半导体式传感器(4)电阻型半导体气敏传感器基本测量电路特性气敏传感器测量电路测量电路是将元件电阻的变化转化成电压电流的变化。测量电路包括加热回路和测试回路两部分：A、B端为传感器测量电极回路，F、F’引脚为加热回路。加热电极F、F’电压UH=5V，A-B之间电极端等效为电阻Rs，负载电阻RL兼做取样电阻；可见输出电压与气敏电阻有对应关系负载电阻上输出电压为： 传感器原理及应用第10章半导体式传感器 传感器原理及应用第10章半导体传感器（5）应用5V（半定量）信号M 第10章半导体传感器（5）应用LM3914—LED驱动器集成电路内部电路条形LED器件封装 传感器原理及应用第10章半导体传感器防酒后驾车汽车点火电路继电器J1-1、J1-2常开结点,J2-1常闭结点,J2-2常接VD1（绿灯）,VD2（红灯）S闭合，无酒精时，J1闭合点火;气敏电阻高，Ua高Uo低，555输出高，J2无电流；有酒精时，气敏电阻下降，Ua低Uo高，555输出低，J2吸合，J2-1断开，不启动；若司机拔出气敏传感器，J1断电J1-1断开无法启动。J1-2气敏元件加热回路555触发器电源开关酒精 传感器原理及应用第10章半导体传感器预防瓦斯爆炸报警电路LC179型三模拟声报警专用集成电路,内部集成了功率放大器,可直接驱动扬声器发声。VD为晶闸管做电源控制。 传感器原理及应用第10章半导体传感器MQS2B传感器火灾报警电路 传感器原理及应用第10章半导体传感器IC1为比较器，检测电池电量，正常输出高，振荡器工作；IC2检测信号阈值比较器，接传感器（15脚）信号；无信号时IC2输出低；有气体时当信号输入小于阈值电压IC2翻转输出高；驱动10-11报警，5脚LED发光。报警输出LED驱动信号 传感器原理及应用第10章半导体式传感器10.1气敏传感器10.1.2非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器主要类型：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；利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化。非电阻型半导体气敏传感器利用晶体管参数进行气体检测，多为氢敏（氢气敏感）传感器。特点是：用特定材料对某些气体敏感。工艺成熟、易集成、价格便宜， 传感器原理及应用第10章半导体式传感器在P型硅氧化层上蒸发一层钯（Pd）金属膜作栅电极。氧化层（SiO2）电容Ca是固定不变的。而硅片与氧化层界面电容Cs，总电容C为Cs与Ca串联，Cs是外加电压的功函数，C也是偏压U的函数。MOS二极管等效电容C随电压变化。金属钯（Pd）对氢气（H2）特别敏感。当Pd吸附H2以后，使Pd电极的功函数下降，使MOS管C—U特性向左平移，利用这一特性用于测定氢气的浓度。MOS二极管元件结构MOS二极管C—U特性MOS二极管气敏元件等效电路（1）MOS二极管气敏元件（电容—电压）Pd吸附H2后Pd电极的功函数下降 传感器原理及应用第10章半导体传感器UGS>UT（阈值电压）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，MOSFET进入工作状态。在电压UDS作用下D-S有电流IDS流过。IDS随UDS、UGS变化；当UGS20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%rH20°C结束:40%rH50°C二次烘干处理（主要阶段）起始:40%rH80°C结束:20%rH110°C为何选择Testo650PHT温湿度变送器?温度量程高达180°C涵盖所有烘干工艺所需温度工作压力10bar(150psi)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 极高湿度测量加热探头7h,Tx100%rh例如73%rh5K后部耐热:持续高温5K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:210mm可能:80..500mm模拟输出：4-线(0..20mA,4..20mA,0..1V,0..10V)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10章半导体传感器10.３离子敏传感器除纯净的水外，水中总会有溶解或悬浮的其它物质。快速、准确地测出水中的某些物质含量对我们生存起着重要作用。离子敏传感器就是用来检测水中氰、钾、钠、钙、氯、溴、碘、氢等各种离子浓度（活度）的传感器。水质检测仪器便携式微量溶解氧仪溶解氧分析仪 传感器原理及应用第10章半导体传感器10.３离子敏传感器水质检测仪器笔式酸度计纯水测试仪便携式盐度计便携式浊度测定仪酸度计 传感器原理及应用第10章半导体传感器10.３离子敏传感器溶液中离子浓度（活度）是指含离子的多少，活度单位：mol(摩尔）/l或ppm浓度与活度的比值为离子活度系数。氢离子浓度对化学生物反映起着支配作用，为判断水中氢离子浓度（活度）用一个特殊的量值“PH值”来表示。测量溶液（体液）中离子浓度的微型固态电化学器件，是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管。PH计 传感器原理及应用第10章半导体传感器10.３.１离子敏传感器结构原理离子敏传感器由离子选择电极（ISE）-氧化物-半导体（MOSFET）组成，简称ISFET-离子场效应晶体管。与普通MOSFET管结构不同之处是没有金属栅极；在绝缘栅极上制作一层敏感膜，测量时将绝缘栅膜直接与被测溶液接触。离子传感器是通过测定溶液与电极的界面电位来检测溶液中离子浓度。 传感器原理及应用第10章半导体传感器10.３.１离子敏传感器结构原理将普通MOSFET的金属栅去掉，让绝缘氧化层直接与溶液相接触，栅极用铂金属膜作引线，在铂膜上涂一层离子敏感膜，构成离子敏场效应管-ISFET。敏感膜种类很多，不同敏感膜检测离子种类不同，具有离子选择性；如：Si3N4—氮，SiO2、Al2O3（无机膜），可测H+（氢）、PH。SiO2层与栅极间无金属电极，而是待测溶液，溶液与参比电极同时接触充当栅极构成场效应管，使用方法与普通管没有区别。工作原理与场效应管相似。 传感器原理及应用第10章半导体传感器10.３.２离子敏传感器测量电路用离子敏场效应管ISFET敏感器件测量PH值和离子浓度时，基本设备都是由测量电极、参考电极、测量电路组成。反馈补偿输入电路将ISFET和参考电极组成高内阻器件，接入放大器输出与输入间作为反馈电路器件，这可获得较高的闭环增益。电路中只要VS稍有变化，V0可有较大输出。调节电阻器W使电路工作在饱和区，使电路满足VDS＞（VGS’～VT）。被测溶液与敏感膜接触处就会产生一定的界面电势，这个电势大小取决于溶液中被测离子的浓度，而界面电势直接影响场效应管的阈值电压VT值.UTIDSUGS 传感器原理及应用第10章半导体传感器10.３.２离子敏传感器测量电路运放输入端为零时VS≈Vf；Vf为放大器A同相端调整电压。因为IDS=VS/RS不变，因此有EM是参比电极电位，代表一定浓度，只要检测出V0即可知道EM变化。电路中V0变化实际补偿了由于EM变化引起的IDS变化部分，最终能使IDS恒定，所以称反馈补偿输入电路。 传感器原理及应用第10章半导体传感器10.３.3其它离子敏传感器离子敏感烟传感器——是一种射线传感器电离室由H1和H2两个电极组成，电极之间有放射性同位素镅-241（Am241）,可放出α射线，并在两电极之间发生电离，产生正、负离子，在外加电压E作用下形成电离电流。当外电离室有烟雾进入时，离子被吸附到烟雾颗粒上，由于烟雾颗粒比离子大1000倍左右，故在电场中的移动速度比原来的速度慢，而且在移动过程中离子中和的机会增多，最终使离子电流相应减小。烟雾数量越多，离子电流越小，相当等效电阻增加。 传感器原理及应用第10章半导体传感器10.３.3其它离子敏传感器离子敏感烟传感器离子感烟传感器结构是两个电离室，内电离室是密封的，无烟雾离子进入，离子电流恒定。离子感烟传感器的结构设计为内、外电离室串联连接方式，外电离室等效电阻随烟雾数量变化，可等效为可变电阻Rp，而内电离室电阻R不变。电源E分压后供控制电路。UD-O2型烟雾传感器 传感器原理及应用第10章半导体传感器10.３.3其它离子敏传感器离子敏感烟传感器烟雾传感器NIS-09CNIS-05A适用各种高灵敏度烟雾探测器、火灾报警器等。额定电压：DC7——12V；电流：27±3pA；离子元素：镅241、33.3KBq；环境温度：0－50℃；环境湿度：95％RH以下；清净大气中输出值：5.6±0.4V；棉芯2％／foot烟灵敏度：0.6±0.1V。 传感器原理及应用第10章半导体传感器本章要点气敏传感器，半导体气敏传感器类型及结构，电阻型半导体气敏传感器、非电阻型半导体气敏传感器工作原理及应用方法；湿敏传感器，氯化锂湿敏电阻、半导体陶瓷湿敏电阻测湿原理；离子敏传感器工作机理。 10.1什么是半导体气体传感器？它有哪些基本类型？气体传感器的发展动态如何?10.2半导体气体传感器主要有哪儿种结构？各种结构气体传感器的特点如何？10.3如何提高半导体气体传感器的选择性？根据文献举例说明。查找文献说明近期有什么新的气体传感器。10.4半导体气体传感器为什么要在高温状态下工作？加热方式有哪几种？加热丝可以起到什么作用？10.5什么是绝对湿度？什么是相对湿度？10.6湿度传感器主要分为哪几类？主要参数有哪些？10.7简述氯化锂湿度传感器的感湿原理。10.8简述半导体湿敏陶瓷的感湿机理。10.9半导体陶瓷有那些特点？多孔硅湿敏元件有那些特点？10.10试述离子选择电极的结构与测量原理。思考题和习题 分析电路原理，回答问题：1.简述电阻型半导体气敏传感器的导电机理；2.下图中QM-5是哪种类型的气敏传感器；3.当气体(酒精)浓度变化时传感器A-B两端如何变化？M点信号电压如何变化？输出LED如何变化？调节电位器Rp有什么作用？课堂练习'