半导体气敏传感器的应用ppt课件.ppt

第9章 半导体传感器,9.1 气敏传感器 9.2 湿敏传感器 9.3 色敏传感器 9.4 半导体式传感器应用,9.1 气 敏 传 感 器,9.1.1 概述 用途：用来检测气体类别、浓度和成分。 分类：按构成气敏传感器的材料分为两大类：半导体和非半导体气敏传感器。使用最多的是半导体气敏传感器。,半导体气敏传感器工作原理：利用待测气体与半导体表面接触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测气体。分类：表面控制型和体控制型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-半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变； 体控制型-半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，而使电导率变化。电阻型和非电阻型按照半导体变化的物理特性，又可分为。 电阻型是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； 非电阻型是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。,表9-1 半导体气敏元件的分类,气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣， 而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差对气敏元件有下列要求：能长期稳定工作，重复性好，响应速度快， 共存物质产生的影响小等。半导体气敏传感器的应用：主要用于工业上的天然气、煤气，石油化工等部门的易燃、 易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。,9.1.2 半导体气敏传感器的机理 制作机理：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而制成的。 当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时被吸附的分子首先在表面物性自由扩散失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附） 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面呈现电荷层。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。 如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。,当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时将使半导体载流子减少使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时则载流子增多，使半导体电阻值下降。,图 9-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图,图9-1表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。由于空气中的含氧量大体上是恒定的， 因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间(响应时间)一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。,9.1.3 半导体气敏传感器类型及结构 1. 电阻型半导体气敏传感器组成：敏感元件、加热器、外壳。分类：烧结型、薄膜型、厚膜型器件。,图9-2 气敏半导体传感器的器件结构(a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件,图9-2 气敏半导体传感器的器件结构(a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件,9.1.3 半导体气敏传感器类型及结构 1. 电阻型半导体气敏传感器,(a) 烧结型气敏器件,图9-2(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加压、温度为700900的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷， 简称半导瓷。半导瓷内的晶粒直径为1m左右，晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气体检测灵敏度则无很大的影响。特点：制作方法简单，器件寿命长； 由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制。,图9-2(b)为薄膜型器件。它采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下），制作方法也很简单。 实验证明，SnO2半导体薄膜的气敏特性最好， 但这种半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性能差异较大。,(b) 薄膜型器件；,图9-2(c)为厚膜型器件。这种器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成的。由于这种工艺制成的元件机械强度高，离散度小，适合大批量生产。 这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200400左右。,(c) 厚膜型器件,加热方式：一般有直热式和旁热式两种形成了直热式和旁热式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如图9-3所示。直热式器件是将加热丝、 测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路下使用， 但热容量小， 易受环境气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。国产QN型和日本费加罗TGS109型气敏传感器均属此类结构。,图 9-3 直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号,旁热式气敏器件的结构及符号（图9-4 ）， 特点：将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上SnO2等材料。旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离， 而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响，所以这类结构器件的稳定性、 可靠性都较直热式器件好，国产QM-N5型和日本费加罗TGS812、813型等气敏传感器都采用这种结构。,图 9-4 旁热式气敏器件的结构及符号 (a) 旁热式结构； (b) 符号,2. 非电阻型半导体气敏传感器制作机理：它是利用MOS二极管的电容电压特性的变化以及MOS场效应晶体管(MOSFET)的阈值电压的变化等物性而制成的气敏元件。由于类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价格便宜。 利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。,(1) MOS二极管气敏器件 MOS二极管气敏元件制作过程是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50100 nm的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯(Pd)的金属薄膜，作为栅电极，如图9-5(a)所示。由于SiO2层电容Ca固定不变， 而Si和SiO2界面电容Cs是外加电压的函数(其等效电路如图9-5(b)，,图 9-5 MOS二极管结构和等效电路 (a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性,因此由等效电路可知，总电容C也是栅偏压的函数。其函数关系称为该类MOS二极管的C-U特性，如图9-5（c）曲线a所示。由于钯对氢气(H2)特别敏感，当钯吸附了H2以后，会使钯的功函数降低，导致MOS管的C-U特性向负偏压方向平移，如图9-5(c)曲线b所示。根据这一特性就可用于测定H2的浓度。,图 9-5 MOS二极管结构和等效电路 (a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性,(2)MOS场效应晶体管气敏器件 钯-MOS场效应晶体管(Pd-MOSFET)的结构（图9-6 ）。由于Pd对H2很强的吸附性，当H2吸附在Pd栅极上时，会引起Pd的功函数降低。PdMOSFET气敏器件机理：就是利用H2在钯栅极上吸附后引起阈值电压UT下降这一特性来检测H2浓度的。,图 9-6 钯MOS场效应晶体管的结构,9.1.4 气敏传感器应用优点：半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等，从而得到了广泛的应用。 按其用途分类：气体泄露报警、自动控制、自动测试等。 表9-2给出了半导体气敏传感器的应用举例。,表9-2 半导体气敏传感器的各种检测对象气体,9.2 湿 敏 传 感 器,湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度：是指在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，单位为g/m3，一般用符号AH表示。相对湿度：指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。,湿敏传感器：是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。 （阅读P158）湿度检测较之其它物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质；再者，湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。 对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好，响应时间短，寿命长，有互换性，耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。,9.2.1 氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻制作机理：是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。组成：引线、基片、感湿层与电极， 如图9-7所示。 工作原理：氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。 当,溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。,图9-7 湿敏电阻结构示意图,图9-8 氯化锂湿度电阻特性曲线,在50%80%相对湿度范围内，电阻与湿度的变化成线性关系。 氯化锂湿敏元件的优点：滞后小，不受测试环境风速影响， 检测精度高达%，缺点：耐热性差，不能用于露点以下测量， 器件性能重复性不理想，使用寿命短。,9.2.2 半导体陶瓷湿敏电阻 构成：通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。负特性湿敏半导体陶瓷有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系正特性湿敏半导体陶瓷(以下简称半导瓷) Fe3O4等,1. 负特性湿敏半导瓷的导电机理 水分子中的氢原子有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时有可能从半导瓷表面俘获电子使半导瓷表面带负电。如半导瓷是型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降吸引更多的空穴到达其表面表面层的电阻下降。若半导瓷为型，则由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽， 同时吸引更多的空穴达到表面层有可能使到达表面层的空穴浓度电子浓度出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性因此， 由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。不论是型还是型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。,图 9-9 几种半导瓷湿敏负特性,图9-9表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度之关系。,2. 正特性湿敏半导瓷的导电机理导电机理：这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时， 导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。表面电阻将由于电子浓度下降而加大，即表面电阻将随湿度的增加而加大。通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大故表面层电阻的升高， 必将引起总电阻值的明显升高。 但是，由于晶体内部低阻支路仍然存在，正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明显。,图 9-10 Fe3O4半导瓷的正湿敏特性,图9-10Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。 从图9-9与图9-10可以看出，当相对湿度从0%RH变化到100%RH时，负特性材料的阻值均下降3个数量级，而正特性材料的阻值只增大了约一倍。,图 9-9 几种半导瓷湿敏负特性,3. 典型半导瓷湿敏元件（1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料结构与特点：多孔陶瓷型“湿电”转换器件，它是负特性半导瓷， MgCr2O4为型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好， 结构如图9-11所示， 在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。 金电极与引出线烧结在一起，为了减少测量误差，陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染 整个器件安装在陶瓷基片上， 电极引线一般采用铂铱合金。,图9-11 MgCr2O4-TiO2陶瓷,图9-12 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器湿度传感器的结构相对湿度与电阻的关系,（2）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件 构成：ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定，其结构如图9-13所示。 特点：ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无须加热除污装置，因此功耗低于0.5，体积小，成本低，是一种常用测湿传感器。,图9-13 ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏传感器结构,（3）四氧化三铁（Fe3O4）湿敏器件 组成：四氧化三铁湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成，器件构造如图9-14 所示。 基片：材料选用滑石瓷，光洁度为1011，该材料的吸水率低，机械强度高，化学性能稳定。 电极：基片上制作一对梭状金电极，最后将预先配制好的Fe3O4胶体液涂覆在梭状金电极的表面，进行热处理和老化。 胶膜：Fe3O4胶体之间的接触呈凹状，粒子间的空隙使薄膜具有多孔性，当空气相对湿度增大时，Fe3O4胶膜吸湿，由于水分子的附着，强化颗粒之间的接触，降低粒间的电阻和增加更多的导流通路，所以元件阻值减小。当处于干燥环境中，胶膜脱湿，粒间接触面减小，元件阻值增大。当环境温度不同时， 涂覆膜上所吸附的水分也随之变化，使梭状金电极之间的电阻产生变化。,图9-14 Fe3O4湿敏元件构造,图9-15 MCS型Fe3O4湿敏器件的,图9-15和图9-16分别为国产MCS型Fe3O4湿敏器件的电阻-湿度特性和温度-湿度特性。,图 9-16 MCS型Fe3O4湿敏器件的,特点：Fe3O4湿敏器件在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，测湿范围广，有较为一致的湿敏特性和较好的温度-湿度特性，但器件有较明显的湿滞现象，响应时间长，吸湿过程（60%RH98%RH）需要2min，脱湿过程（98%RH12%RH）需57 min。,9.3 色 敏 传 感 器,9.3.1 半导体色敏传感器的基本原理 半导体色敏传感器（又称光电双结二极管）相当于两只结构不同的光电二极管的组合，其结构原理及等效电路如图9-17所示。,图 9-17 半导体色敏传感器结构和等效电路图,1. 光电二极管的工作原理 硅制造的光电二极管在受光照射时，若入射光子的能量h硅的禁带宽度Eg则光子就激发价带中的电子跃迁到导带而产生一对电子-空穴。这些由光子激发而产生的电子-空穴统称为光生载流子。光电二极管的基本部分是一个结，产生的光生载流子只要能扩散到势垒区的边界，其中少数载流子（专指P区中的电子和N区的空穴）就受势垒区强电场的吸引而被拉向对面区域，这部分少数载流子对电流作出贡献。多数载流子（P区中的空穴或N区中的电子）则受势垒区电场的排斥而留在势垒区的边缘。 在势垒区内产生的光生电子和光生空穴，则分别被电场扫向N区和P区，它们对电流也有贡献。,图 9-17 半导体色敏传感器结构和等效电路图,用能带图来表示上述过程，如图9-18（a）所示。图中Ec表示导带底能量；Ev表示价带顶能量。 “。”表示带正电荷的空穴； “”表示电子。IL表示光电流，它由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载流子和势垒区中产生的电子-空穴对构成，其方向是由N区流向P区，即与无光照射PN结的反向饱和电流方向相同。,图9-18 光照下的PN结（a） 光生电子和空穴的运动， 光电流产生； （b）外电路开路，光生电压出现,当PN结外电路短路时，这个光电流将全部流过短接回路， 即从P区和势垒区流入N区的光生电子将通过外短接回路全部流到P区电极处，与P区流出的光生空穴复合。因此，短接时外回路中的电流是IL，其方向由P端经外接回路流向N端。这时，PN结中的载流子浓度保持平衡值，势垒高度（图9-18（a）中的q(UD-U)亦无变化。,图9-18 光照下的PN结（a） 光生电子和空穴的运动， 光电流产生； （b）外电路开路，光生电压出现,当PN结开路或接有负载时，势垒区电场收集的光生载流子便要在势垒区两边积累，从而使P区电位升高，N区电位降低， 造成一个光生电动势，如图9-18（b）所示。该电动势使原PN结的势垒高度下降为q(UD-U)。其中U即光生电动势，它相当于在PN结上加了正向偏压。只不过这是由光照形成，而不是电源馈送的， 这称为光生电压， 这种现象就是光生伏特效应。 ,图9-18 光照下的PN结（a） 光生电子和空穴的运动， 光电流产生； （b）外电路开路，光生电压出现,图9-19 吸收系数随波长的变化,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9-19所示。由图可见，在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大。这就表明， 波长短的光子衰减快，穿透深度较浅，而波长长的光子则能进入硅的较深区域。,量子效率:对于光电器件而言，常用量子效率来表征光生电子流与入射光子流的比值大小。物理意义:是指单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。根据理论计算可以得到， P区在不同结深时量子效率随波长变化的曲线如图9-20所示。图中xj即表示结深。浅的PN结有较好的蓝紫光灵敏度，深的PN结则有利于红外灵敏度的提高， 半导体色敏器件正是利用了这一特性。,图9-20 量子效率随波长的变化,2. 半导体色敏传感器工作原理 在图9-17中所表示的P-N-P不是晶体管，而是结深不同的两个PN结二极管，浅结的二极管是PN结；深结的二极管是PN结。 当有入射光照射时，P、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系数大， 经过很短距离已基本吸收完毕。在此，浅结的即是光电二极管对紫外光的灵敏度高，而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收。因此，深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。,图 9-17 半导体色敏传感器结构和等效电路图,这就是说，在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性，也就是可以用来测量入射光的波长。将两只结深不同的光电二极管组合，就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。 在具体应用时， 应先对该色敏器件进行标定。也就是说，测定不同波长的光照射下该器件中两只光电二极管短路电流的比值ISD2/ISD1。ISD1是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大；ISD2是深结二极管的短路电流，它在长波区较大，因而二者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定的曲线，实测出某一单色光时的短路电流比值， 即可确定该单色光的波长。,图9-21 硅色敏管中VD和VD的光谱响应曲线,9.3.2 半导体色敏传感器的基本特征 1. 光谱特性 半导体色敏器件的光谱特性:是表示它所能检测的波长范围， 不同型号之间略有差别。图9-22（a）给出了国产CS1型半导体色敏器件的光谱特性，其波长范围是4001000nm。,图9-22 半导体色敏器件特性（a） 光谱特性; （b） 短路电流比波长特性,2. 短路电流比波长特性 短路电流比波长特性:是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。图9-22（b）表示上述CS1型半导体色敏器件的短路电流比波长特性曲线。,图9-22 半导体色敏器件特性（a） 光谱特性; （b） 短路电流比波长特性,3. 温度特性 由于半导体色敏器件测定的是两只光电二极管短路电流之比， 而这两只光电二极管是做在同一块材料上的，具有相同的温度系数， 这种内部补偿作用使半导体色敏器件的短路电流比对温度不十分敏感， 所以通常可不考虑温度的影响。,9.4 半导体式传感器应用,9.4.1 实用酒精测试仪当气体传感器探测不到酒精时，加在A的第5脚电平为低电平；当气体传感器探测到酒精时，其内阻变低，从而使A的第5脚电平变高。A为显示推动器，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。上面5个发光二极管为红色，表示超过安全水平。 下面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%。,图9-23 酒精测试仪电路,9.4.2 直读式湿度计 图9-24是直读式湿度计电路，其中RH为氯化锂湿度传感器。 由V1、V2、T1等组成测湿电桥的电源，其振荡频率为2501000 Hz。电桥输出经变压器T2, C3耦合到V3，经V3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。,图9-24 直读式湿度计电路图,9.4.3 彩色信号处理电路 图9-25所示为检测光波长（即颜色）处理电路。它由色敏半导体传感器、两路对数放大器电路及运算放大器OP3构成。,图9-25 色彩信号处理电路,要识别色彩，必须获得两只光电二极管的短路电流比。故采用对数放大器电路，在电流较小的时候，二极管两端加上的电压和流过电流之间存在近似对数关系，即OP1、OP2输出分别跟lnISD1、lnISD2成比例， OP3取出它们的差。输出为,其正比于短路电流比ISD2/ISD1的对数。其中C为比例常数。将电路输出电压经A/D变换、 处理后即可判断出与电平相对应的波长（即颜色）。,