2021年2021年度传感器技术和应用讲义.ppt

半导体传感器（Semiconductor Transducer）利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器。
优点：灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使实现检测转换一体化。
应用：工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。
分类：按输入信息分为物理敏感、化学敏感和生物敏感半导体传感器三类。
第7章 半导体式传感器的应用
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传感器技术和应用
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§ 基于气敏传感器的有毒气体报警器设计
【知识能力】
§ 半导体气敏传感器
一、半导体气敏传感器分类
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电导率等物理性质变化来检测气体的。
半导体气敏传感器分类:
按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。
表面控制型：半导体表面吸附气体与半导体间发生电子接收，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：半导体与气体反应，半导体内部组成发生变化，导致电导率等参量变化。
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传感器技术和应用
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§ 半导体气敏传感器
一、半导体气敏传感器分类
按照半导体变化的物理特性又可分为：电阻型和非电阻型。
电阻型：通过半导体敏感材料接触气体时阻值变化来检测气体的成分或浓度。
非电阻型：通过半导体气敏元件的其它参数变化来检测被测气体，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化。
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传感器技术和应用
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半导体气敏元件的分类
§ 半导体气敏传感器
主要物理特性
类型
检测气体
气敏元件
电阻型
电阻
表面控制型
可燃性气体
SnO2 ZnO等的烧结体
薄膜、厚膜
体控制型
酒精、可燃性气体氧气
氧化镁、SnO2
氧化钛(烧结体)、T-Fe2O3
非电阻型
二级管整流特性
表面控制型
氢气、一氧化碳、酒精
铂-硫化镉、铂-硫化钛
金属-半导体结型二级管
晶体管特性
氢气、硫化氢
铂栅、钯栅MOS场效应管
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传感器技术和应用
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§ 半导体气敏传感器
一、半导体气敏传感器分类
气敏传感器在各种成分气体中使用，由于检测现场温度、湿度变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体与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，共存物质产生影响小。用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上的天然气、煤气和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。
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传感器技术和应用
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§ 半导体气敏传感器
二、半导体气敏传感器的机理
电阻型半导体气敏传感器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）。
1、工作机理
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传感器技术和应用
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§ 半导体气敏传感器
二、半导体气敏传感器的机理
（1）氧化型气体：半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子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。氧气等具有负离子吸附倾向的气体称为氧化型或电子接收性气体。
（2）还原型气体：半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向器件释放出电子，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，称为还原型气体或电子供给性气体。
1、工作机理
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传感器技术和应用
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§ 半导体气敏传感器
二、半导体气敏传感器的机理
1、工作机理
当氧化型气体吸附到N型、还原型气体吸附到P型半导体上时，半导体载流子减少，而使电阻值增大。
当还原型气体吸附到N型、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。
气体浓度发生变化，阻值也变化。据此，可从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。
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传感器技术和应用
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§ 半导体气敏传感器
三、半导体气敏传感器类型及结构
半导体气敏传感器组成：敏感元件、加热器和外壳。按其制造工艺可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类。
1、电阻型半导体气敏传感器
（1）烧结型气敏器件
氧化物半导体材料为基体，铂电极和加热丝埋入材料中，用加热、加压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1μ