半导体式物性传感器

《半导体式物性传感器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第十一章　半导体式物性传感器1970年，荷兰科学家研制出了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管，标志着离子敏半导体传感器的诞生。由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世。这类传感器主要是以半导体为敏感材料，在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化，通过检测这些物理特性的变化，即可反映被测参数值。与各种结构型传感器相比，具有如下特点：1）由于传感器原理是基于物理变化的，因而没有相对运动部件，可以做到结构简单，微型化。2）灵敏度高，动态性能好，输出为电物理量。3）采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化和智能化。4）功耗低，安

2、全可靠。半导体传感器也存在以下一些缺点：1）线性范围窄，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路。2）与所有半导体元件一样，输出特性易受温度影响而漂移，所以应采用补偿措施。3）性能参数离散性大。虽然存在上述问题，但半导体传感器仍是目前传感器发展的重要方向，尤其是大规模集成电路技术的不断发展，半导体传感器的技术也日臻完善。半导体传感器第一节　气敏传感器第二节　湿敏传感器第三节磁敏传感器第四节　色敏传感器第五节　离子敏传感器第一节气敏传感器所谓半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总

3、称。一、气敏半导体材料的导电机理图a为烧结体N型半导瓷的模型。它是多晶体，晶粒间界有较高的电阻，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b所示。二、电阻型气敏器件电阻型气敏器件在目前使用的比较广泛。按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型这种器件一般分为内热式和旁热式两种结构,如图1、2、4、5—电极3—SnO2烧结体1、2、4、5—电极3—加热器6—SnO2烧结体7—陶瓷绝缘管内热式器件管芯体积一般都很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量板，该结构制造工艺简单。其缺点是：①热容量小，易受环境气流

4、的影响；②测量电路和加热电路之间相互影响；③加热丝在加热和不加热状态下产生胀、缩，容易造成与材料接触不良的现象。旁热式气敏器件的管芯是在陶瓷管内放置高阻加热丝，在瓷管外涂梳状金电极，再在金电极外涂气敏半导体材料。这种结构形式克服了内热式器件的缺点，使器件稳定性有明显提高。2.薄膜型薄膜型气敏器件的制作首先需处理基片（玻璃石英式陶瓷），焊接电极，之后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所示1、2、5、7—引线3—半导体4—电极－6—绝缘基片8—加热器这种器件具有较高的机械强度，而且具

5、有互换性好、产量高、成本低等优点。3.厚膜型其结构如图所示1—加热器2—电极3—气敏电阻4—基片此种元件一致性较好，机械强度高，适于批量生产，是一种有前途的器件。以上三种气敏器件都附有加热器。在实际应用时，加热器能使附着在测控部分上的油雾，尘埃等烧掉，同时加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度，一般加热到200～400℃，具体温度视所掺杂质不同而异。气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜，使用方便；对气体浓度变化响应快；即使在低浓度（3000mg/kg）下，灵敏度也很高。其缺点在于：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强；各器件之间的特性差异大等。各种可燃性

6、气体的浓度与SnO2半导瓷传感器的电阻率变化的关系如图三、气敏传感器的应用1、实用酒精测试仪测试驾驶员醉酒的程度。气体传感器选用二氧化锡气敏元件。当气体传感器探测不到酒精时,加在A5脚的电平为低电平;当气体传感器探测到酒精时,其内阻变低,从而使A5脚电平变高。A为显示驱动器,它共有10个输出端,每个输出端可以驱动一个发光二极管,显示推动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数,酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上5个发光二极管为红色,表示超过安全水平。下5个发光二极管为绿色,代表安全水平,酒精含量不超过0.05%。2.气体报警器与控制器电路如图所示。在洁

7、净空气中，传感器的电阻较大，在负载上的输出电压RL较小。在待测气体中时，传感器的电阻变小，则RL上的输出电压增大。图（a）为报警器，超过规定浓度时，发出声光报警。图（b）为控制器，超过设定浓度时，比较器翻转，输出控制信号，由驱动电路带动继电器或其它元件动作。稳压电源气敏传感器延时或放大报警电路RLf1f2AB(a)气体报警器及控制器原理框图(a)报警器(b)稳压电源气敏传感器延时或放大比较器RLf1f2AB驱动电路WR气体报警器及控制器原理框(b)控制器第二节　湿敏传感器一、绝对湿度与相对湿度所谓湿度，是指大气中所含的水蒸气量。它有两种最