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。2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3气敏传感器湿敏传感器4气敏传感器气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传感器；如：工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；环境保护，有害、有毒气体监测；酒后驾车，乙醇浓度检测；气敏传感器灵敏度较高，达10-6～10-3数量级，可检测到1/10爆炸下限的可燃气体；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，按半导体的物理特性，可分为电阻型和非电阻型。5半导体气敏传感器工作原理(1)电阻型半导体气敏传感器半导体气敏传感器是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的。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，可分为表面控制型和体控制型。前者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；后者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。6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；如：氧气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。7当氧化型气体吸附到N型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升；当氧化型气体吸附到P型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；当还原型气体吸附到N型半导体上，半导体的载流子增多，电阻率下降；当还原型气体吸附到P型半导体上，半导体的载流子减少，电阻率上升；气体与半导体接触时情况N型半导体多电子P型半导体多空穴8N型半导体吸附气体时器件阻值变化图表示了气体接触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。9在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的，因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器;加热时间2～3分钟，加热电源一般为5V;加热方式分为直热式和旁热式。1234SnO2烧结体Ir—Pd合金丝(加热器兼电极)13242413(a)(b)加热丝测量电极加热丝加热丝引线电极引线电极绝缘瓷管SnO2烧结体(a)(b)直热式旁热式10组成：敏感元件、加热器、外壳；制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜型。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，这些金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后显示气敏特性。金属氧化物有：•N型半导体，如：SnO2Fe2O3ZnOTiO•P型半导体，如：CoO2PbOMnO2CrO3电阻型半导体气敏传感器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，从阻值的变化测出气体的种类和浓度。敏感元件11(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进行气体检测。121）MOS二极管气敏元件（电容—电压）•在P型硅氧化层上蒸发一层钯（Pd）金属膜作电极。氧化层（SiO2）电容Ca是固定不变的。而硅片与氧化层电容Cs是外加电压的功函数，总电容C也是偏压的函数。MOS二极管的等效电容C随电压U变化。•金属钯（Pd）对氢气（H2）特别敏感。当Pd吸附金属膜以后，使Pd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。132）MOSFET气敏元件Pd对H2吸附性很强，H2吸附在Pd栅上引起的Pd功函数降低。当栅极（G）源极（S）间加正向偏压UGSUT阀值时，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（N型沟道）此时MOSFET进入工作状态。在S—D间加电压UDS，S—D间有电流IDS流过，IDS随UDS、UGS变化。当UGSUT时，沟道没形成，无漏源电流IDS=0。UT（阀值）电压大小与金属与半导体间的功函数有关。Pd—MOSFET器件就是利用H2在钯栅极吸附后改变功函数使UT下降，检测H2浓度。143）肖特基二极管金属和半导体接触的界面形成肖特基势垒，构成金属半导体二极管。管子加正偏压，半导体金属的电子流增加，正向导通电阻极小UD＜0.2，加负偏压时UD很大，相当开路几乎无电流。当金属与半导体界面有气体时，势垒降低，电流变化（上升）。金属与半导体界面吸附气体时，影响半导体禁带宽度Eg，二极管正向偏压条件下，气体浓度电流输出电压UR。非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气浓度测量。气敏电阻外形酒精传感器其他可燃性气体传感器16酒精测试仪呼气管17家庭用煤气报警器18家庭用液化气报警器19一氧化碳传感器20其他气体传感器NH3传感器甲烷传感器21二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。图示是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器结构图及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。在图b中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt起温度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。22图TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路a）结构b）测量转换电路1－外壳（接地）2－安装螺栓3－搭铁线4－保护管5—补偿电阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏电阻8－进气口9－引脚23氧浓度传感器外形可用于汽车尾气测量24汽车尾气分析25有毒气体传感器的使用26酒精测试仪27防酒后驾车汽车点火电路•无酒精时，S闭合，气敏电阻高，Ua高Uo低，定时器输出高，J2释放，J1闭合，点火；•有酒精时，气敏电阻下降，Ua低Uo高，定时器输出低，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。•继电器J1-1、J1-2常开接点，J2-1常闭接点，J2-2常接VD1（绿灯），VD2（红灯）。28多种气体检测系统29红外吸收(IR-process)测量原理30湿敏传感器湿度是指空气中的水蒸气含量，干燥或潮湿对我们的生活有很大影响，潮湿—发霉，干燥—不舒服。湿度传感器主要应用于温湿度检测控制、军械仓库、粮仓、水果保鲜等场合。最早人们用头发随湿度变化而伸长或缩短现象做毛发湿度计，逐渐有了电阻湿度计，半导体湿度计是近年来才出现的。31为什么要测量湿度？32湿度对电子元件的影响当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。33露点降低温度会产生结露现象。露点与农作物的生长有很大关系，结露也严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。测量露点的仪器34湿度通常用绝对湿度和相对湿度表示：绝对湿度：单位空间所含水蒸汽的绝对含量或浓度，用符号AH表示，单位（g/m3）。相对湿度，被测气体中蒸汽压和该气体在相同温度下饱合水蒸气压的百分比，一般用%RH表示，无量纲。不同环境所需湿度不同，测量方法很多，但精度不高。目前世界上最高水平湿度测量精度在±0.01%左右；35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。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。通常，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。36氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻——电解质湿敏电阻利用物质吸收水分子使导电率发生变化检测湿度。在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl以正负离子的形式存在，锂离子（Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率上升,电阻率ρ下降。通过测量溶液电阻R值实现对湿度测量。当溶液置于一定湿度场中，若环境RH上升，溶液吸收水分子使浓度下降电阻率ρ上升，反之RH下降，溶液浓度上升，电阻率ρ下降。RH吸湿——浓度RRH脱湿——浓度R37半导体陶瓷湿敏电阻（半导瓷）通常用两种以上的金属—氧化物—半导体烧结成多孔陶瓷，材料有正特性系数和负特性系数两种。负特性湿敏半导体瓷的导电机理水分子氢原子具有很强的正电场，水分子在半导瓷表面吸附时从表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。P型半导体——水分子吸附表面电势下降，吸引空穴到达表面，使表面层电阻下降；N型半导体——水分子吸附表面电势下降，表面电势下降较多时，电子耗尽，同时吸引更多的空穴到达表面，可能使表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现反型层，这些反型载流子同样可以在表面迁移而表现出电导特性。水分子吸附时表面电阻也会下降。PN38•负特性湿敏半导体瓷湿敏电阻，电阻随湿度增加而下降。由于水分子中氢原子具有很强的正电场，当水分子在半导体瓷表面吸附时可能从半导体瓷表面俘获电子，使半导体表面带负电，相当表面电势变负，电阻率随湿度增加而下降。•正湿敏特性半导体瓷湿敏电阻（例：Fe3O4），材料结构、电子能量状态与负特性不同，总的电阻值升高没有负特性阻值下降的明显。•39电子湿度计模块封装后的外形湿敏传感器的应用40电子式温湿度计41机械式、电子式温湿度计对比42土壤湿度测量•RH为VT提供偏流，RH插入土壤，湿度不同传感器阻值不同，基极电流不同，使VT的Ie变化，在R2上转换为电压变化，送运放A放大；•RH放在水中湿度100%，调节RP2使增益输出满量程5V；•RH擦（吹）干湿度0%，调节RP1比较端电压，使输出0V。43最新湿度测量应用领域面条烘干44最新湿度测量应用领域生产过程的空气质量4546半导体色敏传感器是一种半导体光敏器件，工作原理基于光电效应，可将光信号转换为电信号的光辐射探测器。一般光电器件是检测在一定波长范围内的光强度或光子数目。而色敏器件可以直接测量从可见光到近远红外波段内单色辐射波长。色敏传感器47光电二极管的工作原理对于用半导体硅制造的光电二极管，在受光照射时，若入射光子的能量hυ大于硅的禁带宽度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。ＰＮ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（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。48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