传感器感测技术第8篇 半导体传感器.pptVIP

* 8 . 半 导 体 传 感 器 * 本章内容： 基本概念； 气敏半导体式传感器及其应用； 湿敏半导体式传感器及其应用； 色敏半导体式传感器及其应用。 要求： 掌握各式半导体传感器的基本原理； 了解各式半导体传感器的应用。 第8章 半导体式传感器 8.1引言 一、敏感材料-半导体。 利用半导体材料的物理效应，把被测物理量的变化转换为电信号，制作成各种半导体传感器。 二、优点 1、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、易实现集成化、智能化； 4、功耗低，安全可靠。 三、缺点 1、线形范围窄（线性化补偿电路）； 2、输出特性易受温度影响； 3、性能参数离散性大。 但随着大规模集成电路的发展，半导体传感器技术越来越完善。 本章介绍气敏、湿敏、色敏半导体式传感器。 8.2气敏式半导体传感器 一、气敏传感器 利用半导体气敏元件同气体接触，使半导体性质变化，以此检测特定气体的器件。 可测量气体类别、浓度和成分。 分为半导体气敏传感器和非半导体气敏传感器。 半导体气敏传感器分为电阻型和非电阻型。 二、电阻型半导体气敏传感器 1、导电机理 1）利用气体在半导体表面的氧化和还原反应使敏感元件阻值变化而制成的传感器。 2）原理 如传感器的温度保持在高温状态，自由电子在内部流动，清洁的空气中时，表面吸附氧，自由电子被俘获，传感器阻值增加。如环境气氛中存在可燃性气体等还原性气体，该气体与氧发生反应，吸附的氧减少，电子又会移动，传感器阻值减小。 其中： 具有负离子吸附倾向的气体-氧化型气体。 具有正离子吸附倾向的气体-还原型气体。 氧化型气体吸附到N/P型半导体，还原型气体吸附到P/N型半导体，半导体阻值上升/下降。 从阻值的变化分析气体中的种类和浓度。 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图 3）半导体气敏电阻的阻值将随吸附气体的浓度变化而改变。响应时间：小于1min。 2、传感器结构 1）气敏元件、加热器和封装体等组成。 气敏元件分为烧结型、薄膜型、厚膜性。 2）烧结型气敏器件 结构图： 电极（铂丝） 氧化物半导体 加热器 玻璃 （尺寸约1mm，也有全为半导体的） 以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，加热加压，通过700~900摄氏度的制陶工艺烧结而成。 一般分为内热式和旁热式。 电极（铂丝） 氧化物半导体 加热器 玻璃 （尺寸约1mm，也有全为半导体的） 管芯体积小， 加热丝直接埋在金属 氧化半导体材料内。 特点：制作工艺简单。热容量小，易受环境气流影响，测量回路与加热回路间互相影响，易造成加热丝与材料接触不良的现象。 a、内热式器件 结构图： 电极 电极 电极 电极 SnO2烧结体 b、旁热式器件 结构图： 管芯在陶瓷管内 放置高阻加热丝，瓷管外涂金电极及气敏半导体材料。 克服了内热式的缺点，且其稳定性和可靠性比内热式的好。 特点：制作简单，寿命长。但机械强度不高，电性能一致性较差。 电极 加热器 电极 陶瓷绝缘管 电极 SnO2烧结体 电极 3）薄膜型气敏器件 在石英基片上形成氧化物半导体薄膜。 结构图： 其中， SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好。 特点：机械强度高，互换性好，产量高，成本低。 0.6 mm 电极 0.5 mm 半导体 加热器 电极 绝缘基片 3 mm 3 mm 4）厚膜型气敏器件 结构图： 解决器件一致性问题。 特点：一致性好，机械强度高，适于批量生产。 5）加热器 烧掉尘埃，加速气体的吸附，提高器件灵敏度和响应速度。 氧化物基片 Pt电极 氧化物半导体 器件加热用的加热器 （印制厚膜电阻） 例如SnO2系列的气敏元件： 在同一工作温度，含1.5%（重量）Pd元件对CO最敏感；而0.2%（重量）Pd元件对CH4最灵敏。 同一含量Pt的气敏元件，在200℃以下，检测CO最好；在300 ℃ ，检测丙烷最好；在400 ℃以上检测甲烷最佳。 三、非电阻型气敏器件 1、利用MOS二极管电容-电压特性的变化及MOS场效应晶体管的阈值电压的