半导体传感器教学ppt课件.ppt

第第1111章章 半半导体体传感器感器Ø 半导体传感器是典型的物理型传感器，它是利用某些资料的电特征的变化实现被丈量的直接转换，如改动半导体内载流子的数目Ø 凡是用半导体资料制造的传感器都属于半导体传感器Ø 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、湿敏等等概述概述 第第1111章章 半半导体体传感器感器概述概述 纸纸 品品木材烘干木材烘干湿度传感器湿度传感器芯片消费要求最高的湿度稳定性芯片消费要求最高的湿度稳定性第第1111章章 半半导体体传感器感器概述概述 气敏传感器湿敏传感器第第1111章章 半半导体体传感器感器Ø半半半半导导体气敏体气敏体气敏体气敏传传感器是用来感器是用来感器是用来感器是用来检测检测气体气体气体气体浓浓度和成份的，度和成份的，度和成份的，度和成份的，检测检测低低低低浓浓度的可燃性气体及毒性气体，如度的可燃性气体及毒性气体，如度的可燃性气体及毒性气体，如度的可燃性气体及毒性气体，如COCOCOCO、、、、H2SH2SH2SH2S、、、、NOxNOxNOxNOx及及及及 C2H5OH C2H5OH C2H5OH C2H5OH、、、、CH4CH4CH4CH4、、、、C4H10C4H10C4H10C4H10等碳等碳等碳等碳氢氢气体。

其丈量范气体其丈量范气体其丈量范气体其丈量范围为围为百万分之几到百万分之几千由于气体种百万分之几到百万分之几千由于气体种百万分之几到百万分之几千由于气体种百万分之几到百万分之几千由于气体种类类很多，性很多，性很多，性很多，性质质各不一各不一各不一各不一样样，不能，不能，不能，不能够够 用同一种气体用同一种气体用同一种气体用同一种气体传传感感感感器丈量一切气体，如：器丈量一切气体，如：器丈量一切气体，如：器丈量一切气体，如：Ø 工工工工业业天然气、煤气等易燃易爆的平安天然气、煤气等易燃易爆的平安天然气、煤气等易燃易爆的平安天然气、煤气等易燃易爆的平安监测监测；；；；Ø 环环境境境境维护维护，有害、有毒气体，有害、有毒气体，有害、有毒气体，有害、有毒气体监测监测；；；；Ø 酒后酒后酒后酒后驾车驾车，乙醇，乙醇，乙醇，乙醇浓浓度度度度检测检测11.1 气敏气敏传感器感器第第第第11111111章章章章                        半半半半导导体体体体式式式式传传感器感器感器感器 11.1 11.1 气敏气敏气敏气敏传传感器感器感器感器 11.1.1 11.1.1 半半半半导导体气敏体气敏体气敏体气敏传传感器任感器任感器任感器任务务原理原理原理原理Ø气敏气敏气敏气敏传传感器是利用气体在半感器是利用气体在半感器是利用气体在半感器是利用气体在半导导体外表的氧化和复原体外表的氧化和复原体外表的氧化和复原体外表的氧化和复原反响，反响，反响，反响，导导致敏感元件阻致敏感元件阻致敏感元件阻致敏感元件阻值变值变化，如：化，如：化，如：化，如：Ø氧气等具有氧气等具有氧气等具有氧气等具有负负离子吸附离子吸附离子吸附离子吸附倾倾向的气体，被称向的气体，被称向的气体，被称向的气体，被称为为氧化型氧化型氧化型氧化型气体气体气体气体————————电电子接子接子接子接纳纳性气体；性气体；性气体；性气体；Ø氢氢、碳氧化合物、醇、碳氧化合物、醇、碳氧化合物、醇、碳氧化合物、醇类类等具有正离子吸附等具有正离子吸附等具有正离子吸附等具有正离子吸附倾倾向的气向的气向的气向的气体，被称体，被称体，被称体，被称为为复原型气体复原型气体复原型气体复原型气体————————电电子供子供子供子供应应性气体。

性气体第第第第11111111章章章章                        半半半半导导体体体体式式式式传传感器感器感器感器l l当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到N N N N型半型半型半型半导导体上，体上，体上，体上，l l 半半半半导导体的体的体的体的载载流子减少，流子减少，流子减少，流子减少，电电阻率上升；阻率上升；阻率上升；阻率上升；l l当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到P P P P型半型半型半型半导导体上，体上，体上，体上，l l 半半半半导导体的体的体的体的载载流子增多，流子增多，流子增多，流子增多，电电阻率下降；阻率下降；阻率下降；阻率下降；l l当复原型气体吸附到当复原型气体吸附到当复原型气体吸附到当复原型气体吸附到N N N N型半型半型半型半导导体上，体上，体上，体上，l l 半半半半导导体的体的体的体的载载流子增多，流子增多，流子增多，流子增多，电电阻率下降；阻率下降；阻率下降；阻率下降；l l当复原型气体吸附到当复原型气体吸附到当复原型气体吸附到当复原型气体吸附到P P P P型半型半型半型半导导体上，体上，体上，体上，l l 半半半半导导体的体的体的体的载载流子减少，流子减少，流子减少，流子减少，电电阻率上升；阻率上升；阻率上升；阻率上升；N N型半导体与气体接触型半导体与气体接触时的氧化复原反映时的氧化复原反映11.1 气敏气敏传感器感器 11.1.1 半半导体气敏体气敏传感器任感器任务原理原理第第第第11111111章章章章                        半半半半导导体体体体式式式式传传感器感器感器感器11.1 11.1 气敏气敏气敏气敏传传感器感器感器感器11.1.1 11.1.1 半半半半导导体气敏体气敏体气敏体气敏传传感器任感器任感器任感器任务务原理原理原理原理Ø组组成：敏感元件、加成：敏感元件、加成：敏感元件、加成：敏感元件、加热热器、外壳；器、外壳；器、外壳；器、外壳；Ø制造工制造工制造工制造工艺艺：：：：烧结烧结型、薄膜型、厚膜型。

型、薄膜型、厚膜型型、薄膜型、厚膜型型、薄膜型、厚膜型Ø气敏气敏气敏气敏电电阻的阻的阻的阻的资资料是金属氧化物，合成料是金属氧化物，合成料是金属氧化物，合成料是金属氧化物，合成时时加敏感材加敏感材加敏感材加敏感材Ø料和催化料和催化料和催化料和催化剂烧结剂烧结，，，，这这些金属氧化物在常温下是些金属氧化物在常温下是些金属氧化物在常温下是些金属氧化物在常温下是绝绝缘缘Ø的，制成半的，制成半的，制成半的，制成半导导体后体后体后体后显显示气敏特性示气敏特性示气敏特性示气敏特性Ø金属氧化物有：金属氧化物有：金属氧化物有：金属氧化物有：ØN N N N型半型半型半型半导导体，如：体，如：体，如：体，如：SnO2 Fe2O3 ZnO TiOSnO2 Fe2O3 ZnO TiOSnO2 Fe2O3 ZnO TiOSnO2 Fe2O3 ZnO TiOØP P P P型半型半型半型半导导体，如：体，如：体，如：体，如：CoO2 PbO MnO2 CrO3 CoO2 PbO MnO2 CrO3 CoO2 PbO MnO2 CrO3 CoO2 PbO MnO2 CrO3 第第第第11111111章章章章                        半半半半导导体体体体式式式式传传感器感器感器感器Ø通常器件任通常器件任通常器件任通常器件任务务在空气中在空气中在空气中在空气中Ø由于氧化的作用，空气中的氧被半由于氧化的作用，空气中的氧被半由于氧化的作用，空气中的氧被半由于氧化的作用，空气中的氧被半导导体〔体〔体〔体〔N N N N型半型半型半型半导导体〕体〕体〕体〕资资料的料的料的料的电电子吸附子吸附子吸附子吸附负电负电荷，荷，荷，荷，结结果半果半果半果半导导体体体体资资料的料的料的料的传导电传导电子减少，子减少，子减少，子减少，电电阻添加，使器件阻添加，使器件阻添加，使器件阻添加，使器件处处于高于高于高于高阻形状；阻形状；阻形状；阻形状；Ø当气敏元件与被当气敏元件与被当气敏元件与被当气敏元件与被测测气体接触气体接触气体接触气体接触时时会与吸附的氧会与吸附的氧会与吸附的氧会与吸附的氧发发生反响，将束生反响，将束生反响，将束生反响，将束缚缚的的的的电电子子子子释释放出来，敏感膜外表放出来，敏感膜外表放出来，敏感膜外表放出来，敏感膜外表电导电导添加，使元件添加，使元件添加，使元件添加，使元件电电阻减小。

阻减小11.1 气敏气敏传感器感器11.1.1 半半导体气敏体气敏传感器任感器任务原理原理第第第第11111111章章章章                        半半半半导导体体体体式式式式传传感器感器感器感器11.1 气敏气敏传感器感器11.1.2 半半导体气敏体气敏传感器感器类型及构造型及构造(1) 电阻型半阻型半导体气敏体气敏传感器感器Ø高阻形状高阻形状高阻形状高阻形状Ø 空气中空气中空气中空气中————————氧化作用氧化作用氧化作用氧化作用————氧被氧被氧被氧被电电子吸附子吸附子吸附子吸附————电电子减少子减少子减少子减少Ø电电阻减小阻减小阻减小阻减小Ø 气体接触气体接触气体接触气体接触————————吸附吸附吸附吸附————氧氧氧氧发发生反响生反响生反响生反响————电电子子子子————电导电导添添添添加加加加Ø电电阻型半阻型半阻型半阻型半导导体气敏体气敏体气敏体气敏传传感器感器感器感器导电导电机理用一句机理用一句机理用一句机理用一句话话描画：描画：描画：描画：Ø 利用半利用半利用半利用半导导体外表因吸附气体引起半体外表因吸附气体引起半体外表因吸附气体引起半体外表因吸附气体引起半导导体元件体元件体元件体元件电电阻阻阻阻值变值变化，根据化，根据化，根据化，根据这这一特性，从阻一特性，从阻一特性，从阻一特性，从阻值值的的的的变变化化化化测测出气体的出气体的出气体的出气体的种种种种类类和和和和浓浓度。

度第第第第11111111章章章章                        半半半半导导体体体体式式式式传传感器感器感器感器11.1 气敏气敏传感器感器11.1.2 半半导体气敏体气敏传感器感器类型及构造型及构造(1) 电阻型半阻型半导体气敏体气敏传感器感器Ø在常温下，在常温下，在常温下，在常温下，电导电导率率率率变变化不大，达不到化不大，达不到化不大，达不到化不大，达不到检测检测目的，目的，目的，目的，Ø 因此以上构造的气敏元件都有因此以上构造的气敏元件都有因此以上构造的气敏元件都有因此以上构造的气敏元件都有电电阻阻阻阻丝丝加加加加热热器器器器; ; ; ;Ø加加加加热时间热时间2—32—32—32—3分分分分钟钟，加，加，加，加热电热电源普通源普通源普通源普通为为5V;5V;5V;5V;Ø加加加加热热方式分方式分方式分方式分为为内内内内热热式和旁式和旁式和旁式和旁热热式气敏传感器丈量电路气敏传感器丈量电路第第第第11111111章章章章                        半半半半导导体体体体式式式式传传感器感器感器感器11.1 气敏气敏传感器感器11.1.2 半半导体气敏体气敏传感器感器类型及构造型及构造(1) 电阻型半阻型半导体气敏体气敏传感器感器v电电阻型气敏元件通常任阻型气敏元件通常任阻型气敏元件通常任阻型气敏元件通常任务务在高温形状，气敏元在高温形状，气敏元在高温形状，气敏元在高温形状，气敏元件的加件的加件的加件的加热热作用：作用：作用：作用：v为为加速气体吸附和上述加速气体吸附和上述加速气体吸附和上述加速气体吸附和上述的氧化复原反响，提高的氧化复原反响，提高的氧化复原反响，提高的氧化复原反响，提高灵敏度和呼灵敏度和呼灵敏度和呼灵敏度和呼应应速度；速度；速度；速度；v另外使附着在壳面上的另外使附着在壳面上的另外使附着在壳面上的另外使附着在壳面上的油油油油雾雾、、、、尘尘埃埃埃埃烧烧掉。

掉第第第第11111111章章章章                        半半半半导导体体体体式式式式传传感器感器感器感器11.1 气敏气敏传感器感器11.1.2 半半导体气敏体气敏传感器感器类型及构造型及构造(2) 非非电阻型半阻型半导体气敏体气敏传感器感器非非非非电电阻型气半阻型气半阻型气半阻型气半导导体敏体敏体敏体敏传传感器主要感器主要感器主要感器主要类类型：型：型：型：利用利用利用利用MOSMOSMOSMOS二极管的二极管的二极管的二极管的电电容容容容————电压电压特性特性特性特性变变化；化；化；化；利用利用利用利用MOSMOSMOSMOS场场效效效效应应管的管的管的管的阈值电压阈值电压的的的的变变化；化；化；化；利用肖特基金属半利用肖特基金属半利用肖特基金属半利用肖特基金属半导导体二极管的体二极管的体二极管的体二极管的势垒变势垒变化化化化进进展气展气展气展气体体体体检测检测第第第第11111111章章章章                        半半半半导导体体体体式式式式传传感器感器感器感器11.1 气敏气敏传感器感器11.1.2 半半导体气敏体气敏传感器感器类型及构造型及构造(2) 非非电阻型半阻型半导体气敏体气敏传感器感器 1 1 1 1〕〕〕〕MOSMOSMOSMOS二极管气敏元件二极管气敏元件二极管气敏元件二极管气敏元件在在在在P P P P型硅氧化型硅氧化型硅氧化型硅氧化层层上蒸上蒸上蒸上蒸发发一一一一层钯层钯〔〔〔〔PdPdPdPd〕金属膜作〕金属膜作〕金属膜作〕金属膜作电电极。

氧化极氧化层层〔〔〔〔SiO2SiO2SiO2SiO2〕〕〕〕电电容容容容CaCaCaCa固定不固定不固定不固定不变变总电总电容容容容C C C C也是偏也是偏也是偏也是偏压压的函数MOSMOSMOSMOS二极二极二极二极管的等效管的等效管的等效管的等效电电容容容容C C C C随随随随电压电压U U U U变变化金属金属金属金属钯钯〔〔〔〔PdPdPdPd〕〕〕〕对氢对氢气〔气〔气〔气〔H2H2H2H2〕特〕特〕特〕特别别敏感当PdPdPdPd吸附以后，使吸附以后，使吸附以后，使吸附以后，使PdPdPdPd的功的功的功的功函数下降，使函数下降，使函数下降，使函数下降，使MOSMOSMOSMOS管管管管C—UC—UC—UC—U特性向左平移，利用特性向左平移，利用特性向左平移，利用特性向左平移，利用这这一特性用于一特性用于一特性用于一特性用于测测定定定定氢氢气的气的气的气的浓浓度第第1111章章 半半导体体传感器感器11.1 气敏气敏传感器感器11.1.2 半半导体气敏体气敏传感器感器类型及构造型及构造(2) 非非电阻型半阻型半导体气敏体气敏传感器感器MOSMOS二极管气敏元件构造和等效电路二极管气敏元件构造和等效电路　　　　1. 氧化氧化锌元件元件　　氧化　　氧化锌元件是比元件是比较常用的一种气敏元件。

根据所用的催化常用的一种气敏元件根据所用的催化剂的不同，可以推的不同，可以推测环境空气中大体含有哪些气体　　境空气中大体含有哪些气体　　 如如N N型半型半导体氧化体氧化锌与少量的三氧化二与少量的三氧化二铬混合后，混合后，当有催化当有催化剂铂时，元件的阻，元件的阻值与与环境气体中的乙境气体中的乙烷、、丙丙烷、异丁、异丁烷的含量有关，含量越高，阻的含量有关，含量越高，阻值越小；越小； 催化催化剂是是钯，那么，那么对氢、一氧化碳、甲、一氧化碳、甲烷很敏感，很敏感，也就是也就是说这些气体的含量越高，阻些气体的含量越高，阻值越小；越小； 元件的阻元件的阻值不不变，那么，那么阐明空气明空气纯真图 11-2 气体浓度与氧化锌元件阻值比之间的关系曲线 假假设将元件在将元件在纯真空气中的阻真空气中的阻值用用 R0 R0 表示，那表示，那么在有上述气体的么在有上述气体的环境中的阻境中的阻值用用RgRg表示，以气体的表示，以气体的浓度度为横坐横坐标，以阻，以阻值比比Rg/R0Rg/R0为纵坐坐标，，气体气体浓度与元件度与元件阻阻值比之比之间的关的关系曲系曲线如如图11-211-2所示。

所示　　2. 以三氧化二铁为主的元件　　三氧化二铁也是N型半导体资料，分两种， α三氧化二铁:检测液化石油气； γ三氧化二铁:检测乙烷、丙烷、丁烷、氢 气以甲 烷为主的天然气，还可以检测乙醇气体　　以三氧化二铁为主要资料制做的敏感元件其阻值也是随着气体中被测气体量的提高而减小以气体浓度为横坐标，以元件阻值为纵坐标，可绘出特性曲线，如图 图 11-3 以三氧化二铁为主的元件阻值与气体浓度之间的关系曲线11.1.3 11.1.3 气敏传感器的运用气敏传感器的运用　　半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、　　半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、呼应时间和恢复时间快、运用寿命长以及本呼应时间和恢复时间快、运用寿命长以及本钱低等优点，从而得到了广泛的运用按用钱低等优点，从而得到了广泛的运用按用途可将其分为气体泄露报警、自动控制、自途可将其分为气体泄露报警、自动控制、自动测试等几种类型表动测试等几种类型表11-1 11-1 列出了半导体气列出了半导体气敏传感器的检测对象及运用场所敏传感器的检测对象及运用场所第第1111章章 半半导体体传感器感器11.1 11.1 气敏气敏气敏气敏传传感器感器感器感器11.1.3 11.1.3 半半半半导导体气敏体气敏体气敏体气敏传传感器运用感器运用感器运用感器运用 气体浓度检测气体浓度检测红色绿色第第1111章章 半半导体体传感器感器11.1 11.1 气敏气敏气敏气敏传传感器感器感器感器11.1.3 11.1.3 半半半半导导体气敏体气敏体气敏体气敏传传感器运用感器运用感器运用感器运用n酒精测试仪第第1111章章 半半导体体传感器感器11.1 11.1 气敏气敏气敏气敏传传感器感器感器感器11.1.3 11.1.3 半半半半导导体气敏体气敏体气敏体气敏传传感器运用感器运用感器运用感器运用防酒后防酒后驾车汽汽车点火点火电路路第第1111章章 半半导体体传感器感器11.1 11.1 气敏气敏气敏气敏传传感器感器感器感器11.1.3 11.1.3 半半半半导导体气敏体气敏体气敏体气敏传传感器运用感器运用感器运用感器运用 红外多种气体检测系统动画演示红外多种气体检测系统动画演示红外吸收红外吸收 (IR-process)丈量原理丈量原理 CO2CO2气体气体IR-探测器可吸收CO2的过滤器接口 IR-散热器 (lamp)氧气传感器氧气传感器 (带带 2 个电极个电极)电化学传感器电化学传感器 (2) 阳极电离流动电解溶液阴极衔接电缆 阴极NTC-resistor with negative TK可渗入气体膜外部电路烟气 参考电极counter electrode 任务 电极烟气 可渗入气体膜可渗入气体膜新颖空气 电解溶液sensor flow外部电路CO, SO2 or NOx传感器传感器(3 electrodes)电化学传感器电化学传感器 (3)  白金线外壳为催化金属热效率探测器热效率探测器用于检测可燃气体用于检测可燃气体线圈温度升高Ø 气体中氧气的熄灭率湿必需知道的!Ø运用于丈量KW 白金线经过电流加热至约 500°CØ 受热或不受热的抽提探头受热或不受热的抽提探头Ø 不同的探头资料不同的探头资料Ø 适用于不同温度范围的探头适用于不同温度范围的探头Ø 带简单陶瓷过滤器的探头带简单陶瓷过滤器的探头Ø 探头清洁安装〔根据类型〕探头清洁安装〔根据类型〕抽提探头抽提探头 丈量气体管丈量气体管露点露点 & 冷凝冷凝 (4)最大长度: 5 mPTFE- (特福珑) 管规范管管径- : 2mm从探头丈量气体流速丈量气体流到分析仪器 烟气分析仪烟气分析仪第第1111章章 半半导体体传感器感器11.2 11.2 湿敏湿敏湿敏湿敏传传感器感器感器感器v湿度是指空气中的水蒸气含量，通常用湿度是指空气中的水蒸气含量，通常用绝对湿度和相湿度和相对湿度表示：湿度表示：v绝对湿度，在一定的温度和湿度，在一定的温度和压力下，每力下，每单位体位体积的混合的混合气体中所含水蒸气的气体中所含水蒸气的质量，量，单位位为g/m3g/m3，， 用符号用符号AHAH表示，表示，单位〔位〔g/m3g/m3〕。

〕v相相对湿度，被湿度，被测气体的气体的绝对湿度与同一温度下到达湿度与同一温度下到达饱和和形状的形状的绝对湿度之比，普通用湿度之比，普通用%RH%RH表表v 示，无量示，无量纲普通运用湿度，量程普通运用湿度，量程0 0～～100%RH100%RHv不同不同环境所需湿度不同，丈量方法很多，但精度不高境所需湿度不同，丈量方法很多，但精度不高目前世界上最高程度湿度丈量精度在目前世界上最高程度湿度丈量精度在±0.01%±0.01%左右，理左右，理想想测湿量程湿量程应是是0 0～～100%RH100%RH，量程越大适用价，量程越大适用价值越大第第1111章章 半半导体体传感器感器11.2 11.2 湿敏湿敏湿敏湿敏传传感器感器感器感器绝缘层绝缘层 上上 电电 极极 下下 电电 极极 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 为什么要丈量湿度为什么要丈量湿度? ?温湿度变送器温湿度变送器h, Tx室室 内内 空空 气气 质质 量量 100% rH贮贮 存存 / / 催催 熟熟生生 产产 空空 气气 质质 量量烘烘 干干 过过 程程- 耗费最低的能量耗费最低的能量- 到达到达 / 坚持废品的最正确质量坚持废品的最正确质量- 让设备高效率地进展消费让设备高效率地进展消费- 更温馨更温馨 - 更高的任务效率更高的任务效率- 使产品或原资料到达最正确质量使产品或原资料到达最正确质量湿敏传感器种类:1、按输出量可分为电阻型、电容型和频率型等；2、按探测功能可分为绝对湿度型、相对湿度型和结露型等；3、按资料可分为电解质式、陶瓷式、有机高分子式和半导体式等。

第第1111章章 半半导体体传感器感器11.2 湿敏湿敏传感器感器11.2.1 氯化化锂湿敏湿敏电阻阻Ø氯化化锂湿敏湿敏电阻即阻即电解解质湿敏湿敏电阻，利用物阻，利用物质吸收水分子而吸收水分子而导电率率发生生变化化检测湿度Ø在在氯化化锂〔〔LiClLiCl〕溶液中，〕溶液中，LiLi和和ClCl以正以正负离子离子的方式存在，的方式存在，锂离子〔离子〔Li+Li+〕〕对水分子的吸收水分子的吸收力力强，离子水合成度高，溶液中的离子，离子水合成度高，溶液中的离子导才干才干与溶液与溶液浓度成正比，溶液度成正比，溶液浓度添加，度添加，导电率上率上升第第1111章章 半半导体体传感器感器11.2 11.2 湿敏湿敏湿敏湿敏传传感器感器感器感器11.2.1 11.2.1 氯氯化化化化锂锂湿敏湿敏湿敏湿敏电电阻阻阻阻 Ø当溶液置于一定湿度当溶液置于一定湿度场中，假中，假设环境境RHRH上升，溶液上升，溶液吸收水分子使吸收水分子使浓度下降度下降电阻率阻率ρρ下升，反之下升，反之RHRH下降，下降，溶液吸收水分子使溶液吸收水分子使浓度上升，度上升，电阻率阻率ρρ上降。

上降Ø经过丈量溶液丈量溶液电阻阻R R值实现对湿度丈量湿度丈量 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻 利用其外表多孔性吸湿进展导电，从而改动元利用其外表多孔性吸湿进展导电，从而改动元件的阻值就行了这种湿敏元件的阻值随着外界湿件的阻值就行了这种湿敏元件的阻值随着外界湿度的变化而变化的特性便是用来制造湿敏传感器的度的变化而变化的特性便是用来制造湿敏传感器的根据陶瓷湿敏传感器较成熟的产品有根据陶瓷湿敏传感器较成熟的产品有 MgCr2O4-TiO2、、ZnO-Cr2O3、、ZrO2厚膜型、厚膜型、Al2O3薄膜型、薄膜型、TiO2-V2O2 薄膜型等薄膜型等11.2 11.2 湿敏湿敏湿敏湿敏传传感器感器感器感器11.2.2 11.2.2 半半半半导导体陶瓷湿敏体陶瓷湿敏体陶瓷湿敏体陶瓷湿敏电电阻阻阻阻第第1111章章 半半导体体传感器感器11.2 11.2 湿敏湿敏湿敏湿敏传传感器感器感器感器11.2.2 11.2.2 半半半半导导体陶瓷湿敏体陶瓷湿敏体陶瓷湿敏体陶瓷湿敏电电阻阻阻阻• 正湿敏特性半正湿敏特性半导体瓷湿敏体瓷湿敏 •电阻〔例：阻〔例：Fe3O4Fe3O4〕，〕，资料料构造、构造、电子能量形状与子能量形状与负特特性不同，性不同，总的的电阻阻值升高没升高没有有负特性阻特性阻值下降的明下降的明显。

Ø半半导体陶瓷湿敏体陶瓷湿敏电阻通常用两种以上的金属阻通常用两种以上的金属—Ø氧化物氧化物—半半导体体烧结成多孔陶瓷，成多孔陶瓷，资料有正温料有正温度度Ø系数和系数和负温度系数两种温度系数两种第第1111章章 半半导体体传感器感器11.2 湿敏湿敏传感器感器11.2.2 半半导体陶瓷湿敏体陶瓷湿敏电阻阻•负湿敏特性半湿敏特性半导体瓷湿敏体瓷湿敏电阻，阻，电阻随湿度添加而阻随湿度添加而下降由于水分子中下降由于水分子中氢原原子具有很子具有很强的正的正电场，当，当水分子在半水分子在半导体瓷外表吸体瓷外表吸附附时能能够从半从半导体瓷外表体瓷外表俘俘获电子，使半子，使半导体外表体外表带负电，相当外表，相当外表电势变负，，电阻率随湿度添加而阻率随湿度添加而下降　　11.2.3. 有机高分子湿敏传感器　　有高分子电阻式湿敏传感器、高分子电容式湿敏传感器和结露传感器等　　1) 高分子电阻式湿敏传感器　　高分子电阻式湿敏传感器的工件原理是水可以吸附在有极性基的高分子膜上，在低湿的环境下，因吸附量少，不能产生电离子，所以电阻值较高，当相对湿度添加时，吸附量也添加，大量的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的正负离子主要起到载流子的作用，从而使高分子湿敏传感器的电阻值下降。

利用这种原理制成的传感器称为高分子电阻式湿敏传感器　　　　2) 2) 高分子电容式湿敏传感器高分子电容式湿敏传感器　　高分子电容式湿敏传感器是在绝缘衬底上制造一对平板　　高分子电容式湿敏传感器是在绝缘衬底上制造一对平板金属电极，然后在上面涂敷一层均匀的高分子感湿膜做电介金属电极，然后在上面涂敷一层均匀的高分子感湿膜做电介质，在表层以镀膜的方法制造多孔浮置电极构成串联电容质，在表层以镀膜的方法制造多孔浮置电极构成串联电容这种传感器的原理是高分子资料吸水后，元件的介电常数随这种传感器的原理是高分子资料吸水后，元件的介电常数随环境的相对湿度的改动而变化，引起电容的变化，元件的介环境的相对湿度的改动而变化，引起电容的变化，元件的介电常数是水与高分子资料的两种介电常数的总和当水以水电常数是水与高分子资料的两种介电常数的总和当水以水分子方式被吸附在高分子介质膜中时，由于高分子介质的介分子方式被吸附在高分子介质膜中时，由于高分子介质的介电常数远小于水的介电常数，因此介质中水的成分对总介电电常数远小于水的介电常数，因此介质中水的成分对总介电常数的影响比较大，使元件对湿度有较好的敏感性能常数的影响比较大，使元件对湿度有较好的敏感性能。

　　　　3) 3) 结露传感器结露传感器　　结露传感器利用了掺入碳粉的有机高分子资料吸湿后的　　结露传感器利用了掺入碳粉的有机高分子资料吸湿后的膨胀景象在高湿条件下，高分子资料的膨胀使其中所含碳膨胀景象在高湿条件下，高分子资料的膨胀使其中所含碳粉的间距发生变化，从而产生电阻突变利用这种景象可制粉的间距发生变化，从而产生电阻突变利用这种景象可制成具有开关特性的湿敏传感器成具有开关特性的湿敏传感器第第1111章章 半半导体体传感器感器11.2 11.2 湿敏湿敏湿敏湿敏传传感器感器感器感器11.2.3 11.2.3 湿敏湿敏湿敏湿敏传传感器的运用感器的运用感器的运用感器的运用电电路路路路湿度控制第第1111章章 半半导体体传感器感器11.2 11.2 湿敏湿敏湿敏湿敏传传感器感器感器感器11.2.3 11.2.3 湿敏湿敏湿敏湿敏传传感器的运用感器的运用感器的运用感器的运用电电路路路路土壤湿度测量第第1111章章 半半导体体传感器感器11.2 11.2 湿敏湿敏湿敏湿敏传传感器感器感器感器11.2.3 11.2.3 湿敏湿敏湿敏湿敏传传感器的运用感器的运用感器的运用感器的运用Ø 电路由路由检测、放大、温、放大、温压源源组成成Ø RH RH为硅湿敏硅湿敏电阻，温度阻，温度25℃25℃时呼呼应时间小于小于5 5秒；秒； Ø 检测土壤含水量范土壤含水量范围RH=0RH=0～～100%100%，，RHRH为VTVT提供偏流；提供偏流； Ø RH RH插入土壤，湿度不同插入土壤，湿度不同时传感器感器电阻阻值不同；不同；Ø RH RH变化引起化引起VTVT基极基极电流流变化使化使IeIe在在R2R2上上转换为电压，， Ø 经同相放大器放大，同相放大器放大，输出出VD3VD3控制在控制在5V5V电压。

Ø 电路路调试：：Ø 满量程，放量程，放RHRH在水中在水中调整整RP2RP2使使输出出为5V/100RH%5V/100RH%；；Ø 最小最小调整，将整，将RHRH擦干，擦干，调理理RP1RP1使使输出出为0V/0RH%0V/0RH%Ø 下面一下面一组图片片阐明湿度丈量明湿度丈量领域情况：域情况：硬质面粉水(鸡蛋)配料配料成形成形烘干烘干剪切剪切 / 包装包装60% RH...湿度过低湿度过低:...湿度过高湿度过高:30% 的水份含量利于面条的成形12.5% 的水分含量便于储存面条1. 外表巩固2. 内部水份蒸发产生的压力导致外表被破坏准确的烘干过程需求防止... 外表松软易霉变70-120°C(160-250°F) 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 面条烘干面条烘干颗颗 粒粒 产产 品品处置 易潮资料 对 空气质量 的要求 更高 纸纸 品品纺纺 织织 品品能源耗费高能源耗费高最正确 产质量量产生静电RH 高高RH 低低喷喷 漆漆 生生 产产 线线漆面过湿最正确 产质量量漆面过干确定油漆中的水份含量需求非常准确的RH值!食食 品品 生生 产产 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 消费过程的空气质量消费过程的空气质量相对湿度相对湿度温度温度继续时间继续时间... 外表张力外表张力起始: 110 % rH终了: 40 % rH 1吨橡木含有: 500 公升水份110°C = 恒温.> 20 天准确的 烘干工艺......运用于 高质量木材, 防止... ... 导致变形导致变形... 影响木材外表影响木材外表 光洁度光洁度鼓风机排出冷凝水份空气冷却器隔热层待烘干木堆 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 木木材烘干材烘干... 产生气孔产生气孔准确的 烘干工艺...用于制造 最优质量的砖块, 防止...... 变形变形每一块已干的砖块含有75% 的水份将砖块置于烘干房中的隔板上一次烘干处置〔预干〕一次烘干处置〔预干〕空气加热设备起始: 115% rH 20°C 终了: 40% rH50°C 二次烘干处置〔主要阶段〕二次烘干处置〔主要阶段〕起始: 40% rH80°C 终了: 20% rH110°C 为何何选择Testo 650 PHT温湿度温湿度变送器送器? 温度量程高达温度量程高达 180°C 涵盖一切烘干工涵盖一切烘干工艺所需温度所需温度 任任务压力力 10 bar (150 psi) 运用范运用范围广，性能广，性能稳定定 操作操作简便便 低低维护本本钱每片已枯燥砖块含20%的水份最终效果最终效果:烘干房顶端管道 (防止冷凝物反向进入致使机械受损) 最最 新新 湿湿 度度 测测 量量 应应 用用 领领 域域 砖块烘干砖块烘干RS485 网络网络6RS 232RS 485PC 带带 ComSoft V3.3每条每条 RS485 线线:多达多达32个个HygrotestHygrotest 带显示器带显示器H3: RS485H4: RS485 + 模拟输出模拟输出H5: RS485 + 模拟输出模拟输出+继电器模拟输出继电器模拟输出 + 中继中继PLC 接入接入 RS485或防止传统的电缆防止传统的电缆只运用数字信号经过总线获得经过总线获得一切相关信息一切相关信息最容易的数据最容易的数据保管保管/记录和数据描画记录和数据描画极高湿度丈量加热探头极高湿度丈量加热探头 7h, Tx100 % rh例如 73 % rh 5 K后部耐热后部耐热:继续高温继续高温 5 K处置条件(高湿度)加热后的传感器情况Testo 湿度传感器附加 Pt1000Testo 探头类型 04聚四氟乙烯帽聚四氟乙烯帽探头长度探头长度规范规范: 210 mm能够能够: 80..500 mm模拟输出：模拟输出：4-线线 (0..20 mA, 4..20 mA, 0..1 V, 0..10 V)2,5 % rh 精度精度更快的更快的 呼应时间呼应时间即使长期暴露在冷凝液中也不会腐蚀能够不需盐溶液调理第第1111章章 半半导体体传感器感器Ø半半导体色敏体色敏传感器是一种半感器是一种半导体光敏器件，任体光敏器件，任务原理基于内光原理基于内光电效效应，可将光信号，可将光信号转换为电信号的光信号的光辐射探射探测器。

器Ø普通光普通光电器件是器件是检测在一定波在一定波长范范围内的光内的光强度或光子数目而色敏器件可以直接丈量从可度或光子数目而色敏器件可以直接丈量从可见光到近光到近远红外波段内外波段内单色色辐射波射波长Ø半半导体色敏体色敏传感器相当于两只构造不同的光感器相当于两只构造不同的光电二极管，二极管，实践不是晶体管而是两个深浅不同的践不是晶体管而是两个深浅不同的PNPN结，又称光，又称光电双双结二极管 11.3 色敏色敏传感器感器图 11-8 半导体色敏传感器的构造原理和等效电路1.光光电二极管的任二极管的任务原理原理 对于用半于用半导体硅制造的光体硅制造的光电二极管，当受光照射二极管，当受光照射时，，假假设入射光子的能量入射光子的能量hυ大于硅的禁大于硅的禁带宽度度Eg，那么光子，那么光子就激就激发价价带中的中的电子子跃迁到迁到导带，而，而产生一个生一个电子子-空穴空穴对这种吸收光子的种吸收光子的过程称程称为本征吸收，硅的本征吸收本征吸收，硅的本征吸收系数随入射光波系数随入射光波长变化的曲化的曲线如如图11-10所示图中中实线和虚和虚线分分别表示不同开表示不同开尔文温度下的呼文温度下的呼应曲曲线。

由由图可可见，在，在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大这就就阐明，波明，波长短的光子衰减短的光子衰减较快，穿透深度快，穿透深度较浅，而波浅，而波长长的光子那么能的光子那么能进入硅的入硅的较深区域图 11-10 硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线　对于光电器件而言，还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其物理意义是单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数根据实际计算可以得到P区在不同结深时量子效率随波长变化的曲线，如图11-11所示图 11-11 量子效率随波长变化的曲线图中，中，xjxj即表示即表示结深浅的浅的PNPN结有有较好的好的蓝紫光灵敏度，深的紫光灵敏度，深的PNPN结那么有利于那么有利于红外灵外灵敏度的提高，半敏度的提高，半导体体色敏器件正是利用了色敏器件正是利用了这一特性一特性第第1111章章 半半导体体传感器感器Ø浅浅P+NP+N结的光的光电二极管二极管对紫外光灵敏度高，紫外光灵敏度高，Ø深深PNPN结的光的光电二极管二极管对红外光灵敏度高；外光灵敏度高；Ø波波长短的光子衰减快，穿透深度浅，波短的光子衰减快，穿透深度浅，波长长的光子衰减的光子衰减较慢，能穿透硅片慢，能穿透硅片较深区域。

深区域Ø这一特征一特征为色敏器件提供了色敏器件提供了识别颜色的能色的能够11.3 11.3 色敏色敏色敏色敏传传感器任感器任感器任感器任务务原理原理原理原理在详细运用时，应先对该色敏器件进展标定，即测定在不同在详细运用时，应先对该色敏器件进展标定，即测定在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/ISD1ISD2/ISD1ISD1ISD1是浅结二极管的短路电流，它在短波区较是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大ISD2ISD2是深结二极管的短路电流，它在长波区较大因此是深结二极管的短路电流，它在长波区较大因此两者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定两者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定　　图　　图11-1211-12示出了不同结深二极管的光谱呼应曲线图中示出了不同结深二极管的光谱呼应曲线图中VD1VD1代表浅结二极管，代表浅结二极管，VD2VD2代表深结二极管代表深结二极管11.3.2 半半导体色敏体色敏传感器的根本特性感器的根本特性　　　　1. 光光谱特性特性 　　光　　光谱特性表示半特性表示半导体色敏器件所能体色敏器件所能检测的波的波长范范围。

图11-13(a)给出了国出了国产CS-1型半型半导体色敏器件的光体色敏器件的光谱特性，其特性，其波波长范范围是是400～～1000 nm　　　　2. 短路短路电流比流比-波波长特性特性　　短路　　短路电流比流比-波波长特性表征半特性表征半导体色敏器体色敏器件件对波波长的的识别才干，是才干，是赖以确定被以确定被测波波长的根本特性上述的根本特性上述CS-1型半型半导体色敏器件的体色敏器件的短路短路电流比流比-波波长特性曲特性曲线示于示于图11-13(b)中 　　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的短路电流之比，而这两只光电二极管是做在同一块资料上的，具有一样的温度系数，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非常敏感，因此通常可不思索温度的影响第第1111章章 半半导体体传感器感器11.3 色敏色敏传感器感器 色敏传感器检测电路框图色敏传感器检测电路框图　　要识别颜色，必需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，二极管两端所加的电压和流过的电流之间存在近似对数关系，即OP1、OP2的输出分别跟lnISD2、lnISD1成比例，由OP3输出它们的差，计算公式为输出正比于短路电流比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、 处置后即可判别出与电平相对应的波长(即颜色) 第第1111章章 半半导体体传感器感器本章要点• 气敏气敏传感器，半感器，半导体气敏体气敏传感器感器类型及型及 • 构造，构造，电阻型半阻型半导体气敏体气敏传感器、非感器、非电• 阻型半阻型半导体气敏体气敏传感器任感器任务原理及运用原理及运用• 方法；方法；• 湿敏湿敏传感器，感器，氯化化锂湿敏湿敏电阻、半阻、半导体体• 陶瓷湿敏陶瓷湿敏电阻阻测湿原理；湿原理；• 色敏色敏传感器任感器任务机理思索题与习题思索题与习题　　　　11-1 简述气敏元件的任务原理简述气敏元件的任务原理　　　　11-2 湿敏元件有哪些类型？各有什么特湿敏元件有哪些类型？各有什么特点？点？　　　　11-3 根据半导体色敏传感器的构造和等根据半导体色敏传感器的构造和等效电路，试述其任务原理效电路，试述其任务原理　　　　11-4 半导体色敏传感器为什么不利用单半导体色敏传感器为什么不利用单个光敏二极管的光谱特性丈量单色光谱，而个光敏二极管的光谱特性丈量单色光谱，而是用两个光敏二极管的短路电流比作为单色是用两个光敏二极管的短路电流比作为单色光谱的标定曲线？光谱的标定曲线？。