半导体传感器PPT课件

《半导体传感器PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体传感器PPT课件（52页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、1半导体传感器半导体传感器2纸纸 品品木材烘干木材烘干 湿度传感器湿度传感器 芯片生产要求最高的湿度稳定性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气气 敏敏 传传 感感 器器 5 半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，接触时， 产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。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。控制型。 前者半导体表面吸附的气

2、体与半导体间发生电子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，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；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。生变化，而使电导率变化。678N型半导体吸附气体时器件阻值变化图型半导体吸附气体时器件阻值变化图 表示了气体接触表示了气体接触N N型半导体时所产生的器件阻值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变化情况。由于空气中的含氧量大体上是恒定的，的， 因此氧的吸附量也是恒定

3、的，器件阻值也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。吸附气体的种类和浓度。91234SnO2烧结体IrPd合金丝(加热器兼电极)13242 41 3(a)(b)直热式直热式旁热式旁热式101112132 2）MOSFETMOSFET气敏元件气敏元件 PdPd对对H2H2吸附性很强，吸附性很强，H2H2吸附在吸附在PdPd栅上引起的栅上引起的PdPd功函数降低。功函数降低。当栅极（当栅极（G G）源极（）源极（S S）

4、间加正向偏压）间加正向偏压 U UGSGSUUT T 阀值时，栅极氧阀值时，栅极氧化层下的硅从化层下的硅从P P变为变为N N型，型，N N型区将型区将S S（源）和（源）和D D（漏）连接起来，（漏）连接起来，形成导电通道（形成导电通道（N N型沟道）此时型沟道）此时MOSFETMOSFET进入工作状态进入工作状态。在在SDSD间加电压间加电压U UDSDS，SDSD间有电流间有电流I IDSDS流过，流过，I IDSDS随随U UDSDS、U UGSGS变化。变化。当当U UGSGSUUT T时，沟道没形成，无漏源电流时，沟道没形成，无漏源电流I IDSDS=0=0。 U UT T（阀值）

5、电压大小与金属与半导体间的功函数有关。（阀值）电压大小与金属与半导体间的功函数有关。 PdMOSFETPdMOSFET器件就是利用器件就是利用H2H2在钯栅极吸附后改变功函数使在钯栅极吸附后改变功函数使UTUT下下降，检测降，检测H2H2浓度。浓度。143 3）肖特基二极管）肖特基二极管 金属和半导体接触的界面形成肖特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子加正偏压，半导体金属的电子流增加，正向导通电阻极小加，正向导通电阻极小UDUD0.20.2，加负，加负偏压时偏压时UD UD 很大，相当开路几乎无电流。

6、很大，相当开路几乎无电流。当金属与半导体界面有气体时，势垒当金属与半导体界面有气体时，势垒降低，电流变化（上升）。降低，电流变化（上升）。 金属与半导体界面吸附气体时，影金属与半导体界面吸附气体时，影响半导体禁带宽度响半导体禁带宽度EgEg，二极管正向偏，二极管正向偏压条件下，气体浓度压条件下，气体浓度 电流电流 输出电输出电压压UR UR 。 非电阻型半导体气敏传感器主要用非电阻型半导体气敏传感器主要用于氢气浓度测量。于氢气浓度测量。气敏电阻外形气敏电阻外形 酒精传感器酒精传感器 其他可燃性其他可燃性气体传感器气体传感器16酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管17家庭用煤气报警器家庭用煤气报警器

7、18家庭用液化气家庭用液化气报警器报警器19一氧化碳传感器一氧化碳传感器20其他气体传感器其他气体传感器NH3传感器传感器甲烷传感器甲烷传感器21二氧化钛氧浓度传感器二氧化钛氧浓度传感器 半导体材料二氧化钛（半导体材料二氧化钛（TiO2）属于）属于N型半导体，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。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图示是

8、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，量减小时，RTiO2的阻值减小，的阻值减小，Uo增大。增大。 在图在图b中，与中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温起温度补偿作用。当环境温度升高时，度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根也以同样的比例减小，根据分压比定律，据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了

9、测量误差。不受温度影响，减小了测量误差。 22图图 TiOTiO2 2氧浓度传感器结构及测量转换电路氧浓度传感器结构及测量转换电路a a）结构）结构 b b）测量转换电路）测量转换电路 1 1外壳（接地）外壳（接地）2 2安装螺栓安装螺栓 3 3搭铁线搭铁线4 4保护管保护管 55补偿电阻补偿电阻 6 6陶瓷片陶瓷片 7 7TiOTiO2 2氧敏电阻氧敏电阻 8 8进气口进气口 9 9引脚引脚 23氧浓度传感器外形氧浓度传感器外形 可用于汽车可用于汽车尾气测量尾气测量24汽车尾气分析汽车尾气分析25有毒气体传感器的使用有毒气体传感器的使用26n酒精测试仪 27防防 酒酒 后后 驾驾 车车 汽汽

10、 车车 点点 火火 电电 路路无酒精时，无酒精时，S S闭合，气敏电阻高，闭合，气敏电阻高，UaUa高高UoUo低，定时器输出高，低，定时器输出高，J2J2释放，释放，J1J1闭合，点火；闭合，点火； 有酒精时，气敏电阻下降，有酒精时，气敏电阻下降，UaUa低低UoUo高，定时器输出低，高，定时器输出低，J2J2吸合，吸合，J2-1J2-1断开，不启动；断开，不启动； 若司机拔出气敏传感器，若司机拔出气敏传感器，J1J1断电断电J1-1J1-1断开无法启动。断开无法启动。J1-2J1-2气敏气敏元件加热回路。元件加热回路。 继电器继电器J1-1J1-1、J1-2J1-2常开接点，常开接点， J

11、2-1 J2-1 常闭接点，常闭接点， J2-2J2-2常接常接VD1VD1（绿灯），（绿灯），VD2VD2（红灯）。（红灯）。 28多种气体检测系统多种气体检测系统29红外吸收红外吸收 (IR-process) 测量原理测量原理30v 湿度是指空气中的水蒸气含量，干燥或潮湿对我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，潮湿们的生活有很大影响，潮湿发霉，干燥发霉，干燥不舒服。不舒服。湿度传感器主要应用于温湿度检测控制、军械仓库、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。粮仓、水果保鲜等场合。 最早人们用头发随湿度变最早人们用头发随湿度变化而伸长或缩

12、短现象做毛发湿度计，逐渐有了电阻湿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。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？为什么要测量湿度？32湿度对电子元件的影响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。起有机材料的霉烂。33露点露点 降低温度降低温

13、度会产生结露现会产生结露现象。露点与农象。露点与农作物的生长有作物的生长有很大关系，结很大关系，结露也严重影响露也严重影响电子仪器的正电子仪器的正常工作，必须常工作，必须予以注意。予以注意。 测量露点的仪器测量露点的仪器34v 湿度通常用绝对湿度和相对湿度表示：湿度通常用绝对湿度和相对湿度表示： v 绝对湿度：单位空间所含水蒸汽的绝对绝对湿度：单位空间所含水蒸汽的绝对含量或浓度，用符号含量或浓度，用符号 AH AH 表示，单位表示，单位（g/mg/m3 3）。）。 相对湿度，被测气体中蒸汽压和该气体相对湿度，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，在相同温度下饱合水蒸气压的百

14、分比，一般用一般用 %RH %RH 表示，无量纲。表示，无量纲。 不同环境所需湿度不同，测量方法很多，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但精度不高。目前世界上最高水平湿度测量精度在测量精度在0.01%0.01%左右；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。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；空气

15、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，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；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，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。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

16、下稳定性通常，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。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。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（在氯化锂（LiClLiCl）溶液中，）溶液中，LiLi和和ClCl以正负离子的形式存在，以正负离子的形式存在，锂离子（锂离子（Li+Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高，

17、）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，溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，溶液浓度增加，导电率上升导电率上升, ,电阻率电阻率下降下降 。v 通过测量溶液电阻通过测量溶液电阻R R值实现对湿度测量值实现对湿度测量。 当溶液置于一定湿度场中，若环境当溶液置于一定湿度场中，若环境RH RH 上升，溶液吸收水分子使浓度上升，溶液吸收水分子使浓度下降下降 电阻率电阻率 上升，反之上升，反之RHRH下降，下降，溶液浓度上升，电阻率溶液浓度上升，电阻率下降。下降。 RH RH 吸湿吸湿浓度浓度 R R RH RH 脱湿脱湿浓度浓度 R R37 半导体陶瓷湿

18、敏电阻（半导瓷）半导体陶瓷湿敏电阻（半导瓷）通常用两种以上的金属通常用两种以上的金属氧化物氧化物半导体烧结成多孔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。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。吸附时从表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。 P型半导体型半导体 水分子吸附表面电势下降，吸引空穴水分子吸附表面电势下降，吸引空穴到达表面，到达表面， 使表面层电阻下降；使表面层电阻下降； N型半

19、导体型半导体 水分子吸附表面电势下降，表面电势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，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些反型载流子同样可以在表面迁移而表现出电导特 性。性。 水水分子吸附时表面电阻也会下降。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，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水分子中氢原子具

20、有很强的正电场，当水分子在半导体瓷表电场，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，使半导体表面带负俘获电子，使半导体表面带负电，相当表面电势变负，电阻电，相当表面电势变负，电阻率随湿度增加而下降。率随湿度增加而下降。 正湿敏特性半导体瓷湿敏电阻正湿敏特性半导体瓷湿敏电阻（例：（例：Fe3O4Fe3O4），材料结构、），材料结构、电子能量状态与负特性不同，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总的电阻值升高没有负特性阻值下降的明显。值下降的明显。 39电子电子湿度计模块湿度计模块封装后封装后的外形的外形40电子式电子式温湿度计温湿度计41机

21、械机械式、式、电子式电子式温湿度计对比温湿度计对比42土壤湿度测量土壤湿度测量 RH为为VT提供偏流，提供偏流，RH插入土壤，湿度不同传感器阻值不插入土壤，湿度不同传感器阻值不同，基极电流不同，同，基极电流不同， 使使VT的的Ie变化，在变化，在R2上转换为电压变化，上转换为电压变化，送运放送运放A放大；放大； RH放在水中湿度放在水中湿度100%，调节，调节RP2使增益输出满量程使增益输出满量程5V； RH擦（吹）干湿度擦（吹）干湿度0%，调节，调节RP1比较端电压，使输出比较端电压，使输出0V。43 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 面面条烘干条烘干44 最最 新

22、新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 生产过程的空气质量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，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。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。从可见光到近远红外波段内单色辐射波长。色敏传感器色敏传感器47光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理 对于用半导

23、体硅制造的光电二极管，在受光照射时，若入射对于用半导体硅制造的光电二极管，在受光照射时，若入射光子的能量光子的能量h大于硅的禁带宽度大于硅的禁带宽度Eg，则光子就激发价带中的电子，则光子就激发价带中的电子跃迁到导带而产生一对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空穴。这些由光子激发而产生的电子子-空穴统称为光生载流子。光电二极管的基本部分是一个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（专指载流子（专指P区中的电子和区中的电子和N区的空穴）就受势垒区强电

24、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。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（多数载流子（P区中的空穴或区中的空穴或N区中的电子）则受势垒区电场的区中的电子）则受势垒区电场的排斥而留在势垒区的边缘。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，则分别被电场扫向空穴，则分别被电场扫向N区和区和P区，它们对电流也有贡献。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

25、光子的过程称为本征吸收。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。这就表明，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。入硅的较深区域。 0.2 0.4 0.6 0.81.2 1.4 1.61.8102101101102330 K77 K1061051041031021011波长 / m穿透深度

26、(1 / ) /m吸收系数 / cm1103SiGeGaAs49 半导体色敏传感器相当于半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管两只结构不同的光电二极管组合，实际不是三极管而是组合，实际不是三极管而是两个深浅不同的两个深浅不同的PNPN结，又称结，又称光电双结二极管。光电双结二极管。 当有光照射时，当有光照射时，P+P+、N N、P P三个区域光子吸收效果不同，三个区域光子吸收效果不同，紫外光部分吸收系数大，距紫外光部分吸收系数大，距离短；红外部分吸收系数小，离短；红外部分吸收系数小，穿透距离长，构成可以测定穿透距离长，构成可以测定波长的半导体色敏传感器。波长的半导体色敏传感器。50 波

27、长短的光子衰减快，穿透深度较浅，波长短的光子衰减快，穿透深度较浅， 波长长的光子衰减较慢，能穿透硅片较深区波长长的光子衰减较慢，能穿透硅片较深区域。域。 浅结的光电二极管对紫外光灵敏度高，浅结的光电二极管对紫外光灵敏度高， 深结的光电二极管对红外光灵敏度高；深结的光电二极管对红外光灵敏度高； 这一特征为色敏器件提供了识别颜色的可能。这一特征为色敏器件提供了识别颜色的可能。 具体应用时需要的对器件进行标定，测定不具体应用时需要的对器件进行标定，测定不同波长时两只二极管的短路电流比值，通过判同波长时两只二极管的短路电流比值，通过判别两只光电二极管光电流的大小判别颜色。别两只光电二极管光电流的大小判

28、别颜色。51 检测光波长（颜色）处理电路检测光波长（颜色）处理电路彩色信号处理彩色信号处理电路，用二极管电路，用二极管PNPN结做反馈元件，利用二极管正向结做反馈元件，利用二极管正向导通的伏安特性成指数规律变化，构成运算放大器导通的伏安特性成指数规律变化，构成运算放大器电路。电路。I1I1I2I252I1 I1 是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大；是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大； I2 I2 是深结二极管的短路电流，它在长波区较大是深结二极管的短路电流，它在长波区较大 由此确定二者比值与入射波长关系，所以色彩识由此确定二者比值与入射波长关系，所以色彩识别必须获得两个光电二极管的短路电流比；别必须获得两个光电二极管的短路电流比；采用对数放大器，电流较小时二极管两端电压存在采用对数放大器，电流较小时二极管两端电压存在近似对数关系。近似对数关系。 OP1OP1、OP2OP2输出分别与输出分别与I1I1、I2I2成比例，成比例，由由OP3OP3取出差值。经后续取出差值。经后续A/DA/D转换电路处理后输出。转换电路处理后输出。02121lnlnln/UCIICIIC C为比例常数，使用前需对色敏器件进行标定。为比例常数，使用前需对色敏器件进行标定。