第10章 半导体传感器
半导体传感器
10.2 湿敏传感器
于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。如果对某一种半导瓷，它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多，那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。
10.2 湿敏传感器
不过，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10-5给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。
第10章 半导体传感器
10.1 半导体气敏传感器
10.4 半导体式传感器的应用
Annual Work Summary Report
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用最多的是半导体气敏传感器。
由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传感器的种类非常多。
2
10.1 半导体气敏传感器
10.2 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。绝对湿度是指单位空间中所含水蒸汽的绝对含量或者浓度或者密度，一般用符号AH表示。相对湿度是指被测气体中蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，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。
氯化锂湿敏元件的优点是滞后小，不受测试环境风速影响，检测精度高达±5%，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短。
10.2 湿敏传感器
2.2 半导体陶瓷湿敏电阻
半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO-V2O5系、 Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷（为叙述方便，有时将半导体陶瓷简称为半导瓷）。
半导体温度传感器电子教案
半导体温度传感器电子教案第一章：半导体温度传感器概述1.1 教学目标让学生了解半导体温度传感器的定义、特点和应用领域。
1.2 教学内容定义：半导体温度传感器是一种利用半导体材料的电导特性随温度变化而变化的原理来测量温度的传感器。
特点：高灵敏度、快速响应、精确测量、稳定性好。
应用领域：家用电器、汽车、工业控制、医疗设备等。
1.3 教学方法采用讲解、示例和互动讨论的方式进行教学。
1.4 教学活动介绍半导体温度传感器的定义和特点。
展示半导体温度传感器的应用领域实例。
引导学生思考半导体温度传感器的工作原理。
第二章：半导体温度传感器的工作原理2.1 教学目标让学生了解半导体温度传感器的工作原理。
2.2 教学内容工作原理：半导体材料的电导率随温度的升高而增加，利用这一特性来测量温度。
温度测量原理：通过测量半导体材料的电阻值变化来间接得到温度的变化。
2.3 教学方法采用讲解和示例的方式进行教学。
2.4 教学活动讲解半导体温度传感器的工作原理。
示例说明温度变化对半导体材料电阻值的影响。
第三章：半导体温度传感器的类型3.1 教学目标让学生了解半导体温度传感器的不同类型。
3.2 教学内容热敏电阻传感器：利用热敏电阻的温度敏感特性进行温度测量。
热电偶传感器：利用热电偶的温差电势原理进行温度测量。
3.3 教学方法采用讲解和示例的方式进行教学。
3.4 教学活动讲解热敏电阻传感器和热电偶传感器的工作原理和特点。
展示不同类型的半导体温度传感器的图片和应用实例。
第四章：半导体温度传感器的应用4.1 教学目标让学生了解半导体温度传感器的应用领域。
4.2 教学内容家用电器：空调、冰箱、洗衣机等。
汽车：发动机温度控制、空调系统等。
工业控制：生产线温度监测、设备故障诊断等。
医疗设备：体温计、生命体征监测等。
4.3 教学方法采用讲解和互动讨论的方式进行教学。
4.4 教学活动讲解半导体温度传感器在不同领域的应用实例。
引导学生思考半导体温度传感器在其他领域的潜在应用。
半导体传感器最新课件
器 件 电 阻 /k
100
器件加热
稳定状 态
50
响 应 时 间 约 1 m in以 内 氧化型
5
还原型
加热开关
2 m in 4 m in 大气中
吸气时
图 9-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
半导体传感器 最新
9.1.4 气敏传感器应用 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优点，从而得到了广泛的应用。 按其用途可分为以下几种类型：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。
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表9-2 半导体气敏传感器的各种检测对象气体
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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。对湿度是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。
U oC(1nSID 2I nS1 D I)C 1n1 1n nS SIID D 2 2
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）。
半导体传感器 最新
内部组成发生变化，而使电导率变化。按照半导体变化的物理特
性，又可分为电阻型和非电阻型，电阻型半导体气敏元件是利用
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；
半导体传感器
长为L、宽为b、厚为d的导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度
为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制 电流 I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制电流 I 和磁感应强度 B 乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。这 一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件。
2．输入电阻Ri和输出电阻R0 Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值， R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻， 单位为Ω。可以在无磁场即B＝0时，用欧姆表等测量。 3．不平衡电势U0 在额定控制电流 I 之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍 尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mV。不平衡电势和额定控 制电流 I 之比为不平衡电阻r0。 4．霍尔电势温度系数α 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔 电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数α，单位为1／℃。 4
的输入电阻随温
度的增加值为
ΔRi = Rit0βt。用
稳压源供电时， 控制电流和输出 电势的减小量为
IRIR t0iR t0i(t10tt)
UHUH0R R i0 tR it(0 t1 (1 t)t)
全 补 偿 条 件 ： U H U HR()R it0(1t)
在霍尔元件的β、α为已知的条件下，即可求得R与Rt0的关系。但是，R 仍然是温度t的函数。实际的补偿电路如上图 (c)所示。调节电位器W1可 以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上 并联热敏电阻Rt。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使补 偿温度电基桥本的无输关出。电压UH相应变化，只要仔细调节，即可使其输出电压12UH与
半导体温度传感器电子教案
半导体温度传感器电子教案第一章：半导体温度传感器简介1.1 温度传感器的作用1.2 半导体温度传感器的分类1.3 半导体温度传感器的工作原理1.4 半导体温度传感器的主要性能指标第二章：热敏电阻温度传感器2.1 热敏电阻的原理与特点2.2 热敏电阻的温度特性2.3 热敏电阻的应用实例2.4 热敏电阻的选型与使用注意事项第三章：热电偶温度传感器3.1 热电偶的原理与分类3.2 热电偶的温度特性3.3 热电偶的冷端补偿技术3.4 热电偶的应用实例第四章：集成温度传感器4.1 集成温度传感器的原理与特点4.2 常见集成温度传感器的类型4.3 集成温度传感器的应用实例4.4 集成温度传感器的选型与使用注意事项第五章：半导体温度传感器的测量电路5.1 半导体温度传感器的信号处理电路5.2 半导体温度传感器的接口电路5.3 半导体温度传感器的电路设计实例5.4 半导体温度传感器的测量误差分析与减小方法第六章：半导体温度传感器的编程与应用6.1 半导体温度传感器的编程接口6.2 常见编程语言的半导体温度传感器应用实例6.3 基于半导体温度传感器的温度监控系统设计6.4 半导体温度传感器在物联网中的应用第七章：半导体温度传感器在工业领域的应用7.1 半导体温度传感器在制造过程中的应用7.2 半导体温度传感器在电力系统中的应用7.3 半导体温度传感器在交通运输领域的应用7.4 半导体温度传感器在环境保护领域的应用第八章：半导体温度传感器的故障诊断与维护8.1 半导体温度传感器的故障类型及原因8.2 半导体温度传感器的故障诊断方法8.3 半导体温度传感器的维护与保养8.4 半导体温度传感器的故障处理实例第九章：半导体温度传感器的发展趋势9.1 半导体温度传感器技术的发展趋势9.2 半导体温度传感器的创新应用9.3 我国半导体温度传感器产业的发展现状与展望9.4 半导体温度传感器在国际市场的竞争格局第十章：实战训练与案例分析10.1 半导体温度传感器的实验设计与实践10.2 半导体温度传感器应用案例分析10.3 半导体温度传感器在工程项目中的应用实例10.4 半导体温度传感器教学与实践相结合的案例分享重点和难点解析重点环节1：半导体温度传感器的工作原理解析：理解半导体温度传感器的工作原理是学习其应用和编程的基础。
半导体传感器物理基础
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响应速度
传感器应能快速响应外部变化。
设计原则与流程
1. 确定应用需求
明确传感器需要检测的物理量。
2. 选择敏感材料
根据需求选择合适的半导体材料。
设计原则与流程
3. 设计结构
确定传感器的结构、尺寸和形状。
4. 优化设计
通过仿真和实验验证，对设计进行 优化。
5. 制造与测试
将设计转化为实际产品，并进行性 能测试。
线性范围
传感器输入与输出之间保持线 性关系的范围。
稳定性
传感器在长时间内保持性能不 变的能力。
灵敏度
传感器输出变化量与输入变化 量的比值，表示传感器对外部 变化的响应程度。
分辨率
传感器能够检测到的最小输入 变化量。
响应速度
传感器对外部变化的响应速度， 即从静态到动态所需的时间。
05
半导体传感器应用实例
制造工艺与材料
薄膜沉积
通过物理或化学方法在衬底上沉积敏感材 料。
常用材料
硅、锗、硫化铅等半导体材料常用于制造 半导体传感器。
光刻与刻蚀
将设计好的图案转移到衬底上，形成传感 器的结构。
封装与测试
将传感器封装在适当的壳体中，并进行性 能测试。
掺杂与退火
对材料进行掺杂和热处理，以改变其电学 性质。
传感器性能参数
分类
根据工作原理和应用领域，半导体传 感器可分为温度传感器、压力传感器 、磁场传感器等。
工作原理与特点
工作原理
半导体传感器的工作原理主要基于半导体的电阻随物理量变 化的特性。例如，温度传感器利用半导体的电阻随温度变化 的特性，压力传感器利用半导体的压阻效应等。
特点
第10章 气敏传感器及其应用
第10章气敏传感器及其应用在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。
比如化工生产中气体成分的检测与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃烧情况的检测与控制等等。
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。
它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。
它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。
气敏传感器的实物如图10-1所示。
图10-1 气敏传感器实物图10.1气敏电阻气敏电阻就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。
10.1.1气敏传感器的工作原理由于气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。
例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。
利用SnO2（氧化锡）金属氧化物半导体气敏材料，通过颗粒超微细化和掺杂工艺制备SnO2纳米颗粒，并以此为基体掺杂一定催化剂，经适当烧结工艺进行表面修饰，制成旁热式烧结型CO敏感元件，能够探测0.005%～0.5%范围的CO气体。
还有许多易爆可燃气体、酒精气体、汽车尾气等有毒气体的进行探测的传感器。
常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。
接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。
《半导体传感器》课件
开拓新的应用领域，如医疗健康、环境监测、智能交 通和智能家居等，以满足不断增长的市场需求。
市场
加强国际合作与交流，推动传感器技术的国际市场拓展 ，提高国际竞争力。
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气体传感器
总结词
检测空气中的有害气体
详细描述
气体传感器利用半导体的气敏效应，能够检 测空气中的有害气体，如一氧化碳、二氧化 硫等。这些传感器在环境保护、工业安全等 领域有广泛应用。
紫外线传感器
总结词
监测紫外线的强度和照射时间
详细描述
紫外线传感器能够监测环境中紫外线的强度 和照射时间，对于预防紫外线辐射损伤和保 护皮肤健康具有重要意义。这些传感器广泛
敏感材料
敏感材料是半导体传感器的重要组成 部分，负责将待测物理量转换为电信 号。
选择敏感材料时需要考虑其稳定性、 灵敏度、响应速度和耐腐蚀性等性能 指标。
常见的敏感材料包括金属氧化物、硅 、陶瓷等，它们具有不同的特性，适 用于不同的应用场景。
敏感材料的制备方法包括化学气相沉 积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法等， 这些方法能够控制材料的成分和结构 ，从而影响传感器的性能。
测试的目的是检测传感器的性能指标是 否达到设计要求，以及在不同条件下的 稳定性和可靠性。
03
半导体传感器的性能参数
线性范围与灵敏度
线性范围
衡量传感器输出与输入之间线性关系 的参数，即输入量在一定范围内变化 时，输出量与输入量成正比。
灵敏度
表示传感器输出变化量与输入变化量 之比，即单位输入变化引起的输出变 化量。
半导体传感器的主要应用领域
医疗领域
用于生理参数的监测，如体温、血压、血氧 饱和度等。
环保领域
半导体传感器的工作原理
半导体传感器的工作原理半导体传感器是一种常用的传感器技术，广泛应用于各个领域。
它的工作原理基于半导体材料的特殊性质，通过测量半导体材料的电学参数变化来检测和测量环境中的某些物理量。
半导体传感器的工作原理可以简单地概括为以下几个步骤：1. 基于半导体材料的特性：半导体材料具有在不同环境条件下电学参数变化的特性。
其中最常用的半导体材料是硅和氧化铝。
2. 材料的特殊结构：半导体传感器通常采用特殊的结构设计，例如PN结、MOS结构等。
这些结构可以使半导体材料在受到外界作用时发生电学参数的变化。
3. 物理量的作用：半导体传感器通常用来检测环境中的某些物理量，例如温度、压力、湿度等。
当这些物理量作用于半导体材料时，会引起材料电学参数的变化。
4. 电学参数的变化：物理量的变化引起半导体材料电学参数的变化，例如电阻、电容、电流等。
这些电学参数的变化可以通过适当的电路进行测量和处理。
5. 信号的转换和处理：半导体传感器测得的电学参数变化被转换成与物理量相关的电信号，并通过信号处理电路进行放大、滤波和线性化处理。
6. 结果的输出：经过转换和处理后的电信号可以通过数字或模拟方式进行输出，以供用户使用。
用户可以根据输出信号来获取环境中物理量的信息。
半导体传感器的工作原理可以应用于许多领域。
例如，在温度传感器中，半导体材料的电阻随着温度的变化而变化，通过测量电阻的变化可以间接地得到温度信息。
在压力传感器中，半导体材料的电容随着压力的变化而变化，通过测量电容的变化可以得到压力的信息。
在湿度传感器中，半导体材料的电阻或电容随着湿度的变化而变化，通过测量电阻或电容的变化可以得到湿度的信息。
半导体传感器具有许多优点，例如体积小、功耗低、响应速度快、精度高等。
这些优点使得半导体传感器在各个领域得到了广泛的应用，例如工业自动化、环境监测、医疗仪器、汽车电子等。
半导体传感器是一种基于半导体材料特性的传感器技术。
它通过测量半导体材料的电学参数变化来检测和测量环境中的物理量。
10光电式传感器习题与解答
第10章光电式传感器一、单项选择题1、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。
A. 光电效应传感器B. 红外热释电探测器C. 固体图像传感器D. 光纤传感器2、下列光电器件是根据外光电效应做出的是（）。
A. 光电管B. 光电池C. 光敏电阻D. 光敏二极管3、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（）。
A. 伏安特性B. 光照特性C. 光谱特性D. 频率特性4、下列光电器件是基于光导效应的是（）。
A. 光电管B. 光电池C. 光敏电阻D. 光敏二极管5、光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为（）。
A. 伏安特性B. 光照特性C. 光谱特性D. 频率特性6、下列关于光敏二极管和光敏三极管的对比不正确的是（）。
A. 光敏二极管的光电流很小，光敏三极管的光电流则较大B. 光敏二极管与光敏三极管的暗点流相差不大C. 工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏三极管D. 光敏二极管的线性特性较差，而光敏三极管有很好的线性特性7、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。
A. 光电效应传感器B. 红外热释电探测器C. 固体图像传感器D. 光纤传感器8、光敏电阻的特性是（）A．有光照时亮电阻很大 B．无光照时暗电阻很小C．无光照时暗电流很大 D．受一定波长围的光照时亮电流很大9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（）A．光电管 B.光敏电阻C．光电池 D.光电倍增管10、CCD以（）为信号A. 电压B.电流C．电荷 D.电压或者电流11、构成CCD的基本单元是（）A. P型硅B.PN结C. 光电二极管D.MOS电容器12、基于全反射被破坏而导致光纤特性改变的原理，可以做成（）传感器，用于探测位移、压力、温度等变化。
A.位移B.压力C.温度D.光电13、光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和( )两个重要部件。
A.反射镜B.透镜C.光栅D.光探测器14、按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频率调制、波长调制以及( )等，所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。
半导体传感器工作原理
半导体传感器工作原理
在半导体中，当一个电子进入一个材料的时候，该材料中的
原子被激发并将产生电子-空穴对。
根据量子力学原理，当一个
电子进入材料中时，它会在材料中激发出一个电子和一个空穴。
电子和空穴以一种被称为复合的方式形成电荷。
当它们以某种方
式复合时，它们会失去一些能量，这会导致电子-空穴对发生变化。
在一种情况下，电子和空穴以一种称为自旋的方式结合在一起。
与此相反，当它们以另一种方式结合时，它们会发生在一种
称为双电的过程中，在这一过程中电子和空穴结合在一起。
当半导体材料被加热时，它会从基态变成激发态。
如果温度
保持不变，那么处于激发态的材料就会发出一个光子或一个电子。
如果温度发生变化，那么光子或电子将返回到基态。
在此过程中，它们会失去能量并变成没有能量的粒子或离子。
这一过程称为激发。
当材料受到温度变化的影响时，它的自旋方向就会发生变化。
在这个过程中，自旋方向从基态向激发态转变。
当温度发生变化时，材料中的电子-空穴对就会发生变化。
—— 1 —1 —。
检测与转换技术期末试题库
传感器习题集及答案第01章 检测与传感器基础1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。
1.3 简述传感器主要发展趋势。
1.4传感器的静态特性是什么？由哪些性能指标描述？它们一般可用哪些公式表示？1.5传感器的线性度是如何确定的？确定拟合直线有哪些方法？传感器的线性度L γ表征了什么含义？为什么不能笼统的说传感器的线性度是多少。
1.6传感器动态特性的主要技术指标有哪些？它们的意义是什么？1.7有一温度传感器，微分方程为30/30.15dy dt y x +=，其中y 为输出电压（mV) , x 为输入温度（℃）。
试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。
答案：1.1答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。
我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。
从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。
我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer ）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置”。
定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。
按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。
1.2答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。
传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
1.3答：数字化、集成化、智能化、网络化等。
1.4答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。
半导体传感器原理与应用
半导体传感器原理与应用
半导体传感器是一种基于半导体材料特性的传感器，其原理是利用半导体材料在外界刺激下发生电阻、电容、电势差等物理特性的变化，从而实现对目标物理量的测量。
具体而言，半导体传感器的工作原理主要包括以下几个方面：
1. PN结的特性：半导体传感器中的PN结具有正向偏置和反向偏置两种工作状态。
正向偏置时，PN结的电阻较低，反向偏置时，PN结的电阻较高。
利用PN结的这一特性，可以制造温度传感器、光敏传感器等。
2. 金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor, MOS）的特性：MOS传感器利用氧化物半导体在气体作用下的吸附、反应等特性，实现对气体浓度、湿度等的检测。
3. 压阻效应：半导体材料的电阻随压力的变化而变化。
利用这一特性，可以制造压力传感器。
半导体传感器广泛应用于工业、医疗、环境监测等领域，常见的应用包括：
1. 温度测量：利用半导体的温度敏感特性，制造温度传感器，广泛应用于温度控制、环境监测等领域。
2. 压力测量：利用半导体电阻随压力变化的特性，制造压力传感器，用于汽车、工业设备等领域的压力测量。
3. 气体检测：利用MOS器件的吸附、反应特性，制造气体传感器，常用于煤气、甲烷等可燃气体的检测。
4. 光电检测：利用半导体材料的光电效应，制造光敏传感器，用于光电测量、光电控制等领域。
总的来说，半导体传感器具有体积小、功耗低、响应速度快等优点，在现代化社会中得到了广泛的应用和发展。
第10章 半导体传感器
第10章
半导体式传感器
传感器原理及应
(4) 电阻型半导体气敏传感器基本测量电路特性 用 • 测量电路是将元件电阻的变化转化成电压电流的变化。 • 测量电路包括加热回路和测试回路两部分： A、B端为传感器测量电极回路，F、F’引脚为加热回 路。 • 加热电极F、F’电压UH=5V, A-B之间电极端等效为电阻Rs， • 负载电阻RL兼做取样电阻； 负载电阻上输出电压为：
传感器原理及应用 传感器原理及应用
第10章 半导体传感器
主要内容： 10.1 10.2 10.3
传感器原理及应 用
气敏传感器 湿敏传感器 离子敏传感器
第10章 半导体传感器
概述
传感器原理及应 用
本章主要介绍半导体型的电化学传感器，半导体式化学 传感器是上世纪70年代后期诞生起来的新型传感器，主 要是以半导体作为敏感材料，通过物理特性变化实现信 号转换。如：气敏传感器、湿敏传感器、离子敏传感器。 优点： • 传感器器件采用半导体加工工艺，因而没有相对运动 部件，结构简单； • 半导体材料容易实现集成化、智能化，低功耗，可用 于便携式仪器的现场测试； 缺点： • 受温度影响，需采用补偿措施； • 线性范围窄，性能参数离散性大。
F B
F’
第10章
半导体式传感器
传感器原理及应
(3) 电阻型半导体气敏传感器特性参数
用
a. 固有电阻Ra 气敏元件在洁净空气中的电阻值称为固有电阻Ra ，固有 电阻值一般在几十kΩ到数几百kΩ范围内。 b. 分辨率 气敏传感器的分辨率反映气体元件对被测气体的识别 以及对干扰气体的抑制能力，即
半导体式传感器
传感器原理及应
10.1.1 电阻型半导体气敏传感器
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RL U0 U RS RL
☻ 可见 输出电压与气敏电阻有对应关系
气敏传感器测量电路
第10章
半导体式传感器
传感与检测技术
第10章 半导体传感器 （5）应用
5V
第10章 半导体传感器
10.1 气敏传感器
传感与检测技术
气敏传感器用于检测工业现场、环境气体浓度和成份 • • • • • • • • • 工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测； 容器或管道泄漏的检漏； 酒后驾车的乙醇浓度检测； 环境中的有害、有毒气体监测； 空气净化、家电用品、宇宙探测； 牙医口臭检查。 灵敏度较高，达10-6～10-3数量级，无需放大； 可检测到可燃气体爆炸下限的1/10，用于泄漏报警; 响应速度较慢。
氧化反应 还原反应
- 氧气 + + +
氢气
第10章
半导体式传感器
传感与检测技术
氧 -N -
10.1.1 电阻型半导体气敏传感器 气体与（ N、P 型）半导体接触时情况
当氧化型气体吸附到N型半导体上， 使载流子减少，电阻率上升； 当还原型气体吸附到N型半导体上， 载流子增多，电阻率下降；
当氧化型气体吸附到P型半导体上， 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， 载流子减少，电阻率上升；
• N型半导体多电子； P型半导体多空穴
• 氧化型气体接收电子； 还原型气体供给电子
氢 - -N - -
+
P
+
第10章
•
半导体式传感器
传感与检测技术
(1) 电阻型半导体气敏传感器工作机理 半导体是一种多晶材料，晶粒大小约为10-6cm，一个器 件是由许许多多小颗粒组成，在晶粒连接处形成许多 晶粒间界； 正是这些晶粒间界的性质决定着多晶材料的导电特性， 整个半导体块的电导由这些间界的导电性能决定的。
气敏传感器特点
第10章 半导体传感器
传感与检测技术
不同气体需采用各种不同气敏传感器的检测仪器
• 天然气、煤气等易燃易爆的安全监测 • 酒后驾车的乙醇浓度检测
一氧化碳（ CO ） 矿用气体检测仪
第10章 半导体传感器
• 容器或管道泄漏的检漏
传感与检测技术
二氧化碳 （ CO 2） 检测仪
二氧化硫 （ SO2 ） 测试仪 氩气（ Ar2 ） 检测分析仪
e. 恢复时间 tr 由气敏元件脱离某一浓度的气 体开始，到气敏元件的阻值恢 复到固有电阻Ra的36.8%为止 所需要的时间称为元件的恢复 时间tr。
第10章
半导体式传感器
传感与检测技术
(4) 电阻型半导体气敏传感器基本测量电路特性 • 测量电路是将元件电阻的变化转化成电压电流的变化。
• 测量电路包括加热回路和测试回路两部分： A、B端为传感器测量电极回路，F、F’引脚为加热回路。
Rg1 / Rg 2
电压灵敏度，气敏元件在固有电阻值 时的输出电压Ua 与在规定浓度下负载 电阻的两端电压Ug 之比为电压灵敏度
Ku Ua / Ug
第10章
d.时间常数
半导体式传感器
传感与检测技术
从气敏元件与某一特定浓度的气体接触开始，到元件的阻 值达到此浓度下稳定阻值的63.2%为止所需要的时间称为 元件在该浓度下的时间常数 。
氢 - N --
第10章
半导体式传感器
传感与检测技术
10.1.1 电阻型半导体气敏传感器 气体与N型半导体接触时情况
N型半导体与气体接触时的氧化还原响应
第10章
半导体式传感器
传感与检测技术
(1) 电阻型半导体气敏传感器工作机理
☻ 电阻型半导体气敏传感器的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，从阻值的变化检测出气体的种类和浓度。 电阻型气敏传感器是目前使用较广泛的一种气敏元件。 电阻式气敏传感器可用于检测可燃气体，
第10章
半导体式传感器
传感与检测技术
10.1 气敏传感器 10.1.2 非电阻型半导体气敏传感器 • 非电阻型半导体气敏传感器利用晶体管参数进行气体检测， 多为氢敏（氢气敏感）传感器。 • 特点是：用特定材料对某些气体敏感。 工艺成熟、易集成、价格便宜， 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；
传感器原理与应用
第10章 半导体式化学传感器
第10章 半导体传感器
传感与检测技术
主要内容： 10.1 10.2 10.3 气传感器 湿敏传感器 离子敏传感器
第10章 半导体传感器
概述
传感与检测技术
凡是用半导体材料制作的传感器都属于半导体传感器。 半导体式传感器种类很多，其中包括：压阻元件、集成 温度传感器、磁敏元件、光敏电阻、霍尔元件等。 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 体内载流子的数目或改变PN结特性。
第10章
半导体式传感器
传感与检测技术
c. 灵敏度—— 表征气敏元件的灵敏度通常有下列几个参数：
电阻灵敏度: 气敏元件的固有电阻Ra与在规定气体浓度下 气敏元件的电阻Rg 之比为电阻灵敏度，即
k Ra / Rg
气体分离度: 气体浓度分别为g1、g2 时，气体元件的电阻 Rg1、R g2 之比为气体分离度，可表示为
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。
第10章
•
半导体式传感器
传感与检测技术
（1）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）金属膜作栅电极。
• •
•
氧化层（SiO2）电容Ca是固定不变的。 而硅片与氧化层界面电容Cs，总电容C 为Cs 与Ca串联， Cs是外加电压 的功函数，C也是偏压U的函数。MOS二极管等效电容 C 随电压变化。
这些金属氧化物在常温下是绝缘的， 制成半导体后才显示气敏特性。
电阻型气敏传感器封装
第10章
半导体式传感器
传感与检测技术
F
A
气敏传感器 电路符号
(2) 电阻型半导体气敏传感器结构特征 电阻式气敏传感器可以等效为电阻 A B
B
F’
在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的， 因此，电阻型结构的气敏元件都有电阻丝加热器。
第10章 半导体传感器
半导体电化学传感器
传感与检测技术
湿敏 元件
气 敏 元 件
湿敏传感器
第10章 半导体传感器
气敏传感器 测量
一氧化碳（ CO ） 二氧化碳（ CO2） 二氧化硫（ SO2 ）
传感与检测技术
湿度测试仪
纯水测试仪 测量水质
甲烷、可燃气体 报警器
便携式酒精 含量测试仪
酸 度 计 离子敏传感器
第10章 半导体传感器
传感与检测技术
预防瓦斯爆炸报警电路
LC179 型三模拟声报警专用集成电路, 内部 集成了功率放大器, 可直接驱动扬声器发声。VD为晶闸管做电源控制。
第10章 半导体传感器
传感与检测技术
MQS2B 传感器火灾报警电路
第10章 半导体传感器
传感与检测技术
报警输出
LED 驱动 信号 • IC1为比较器，检测电池电量， 正常输出高，振荡器工作； • IC2检测信号阈值比较器，接传 感器（15脚）信号； • 无信号时IC2输出低； • 有气体时当信号输入小于阈值电 压IC2翻转输出高； • 驱动10-11报警，5脚LED发光。
• n-SnO2气敏传感器 是目前工艺最成熟的 气敏器件，这种传感 器以多孔质SnO2陶瓷 为基本材料，添加不 同催化剂，采用传统 制陶方法进行烧结。
气敏材料敏感机理
•
第10章
半导体式传感器
传感与检测技术
氧 -N -
以N型半导体为例：通常气敏器件工作在空气中 空气中—高阻状态 由于空气中的氧化的作用，半导体（N型）材料的 电子电荷被氧吸附，结果使传导电子减少，电阻增 加，使器件处于高阻状态； 空气中—氧化作用—氧吸附半导体电子—电阻增加. 气敏器件与被测器体接触—电阻减小 当气敏元件与被测气体(氢、醇类)接触时，会与 传感器表面吸附的氧发生反应，将束缚的电子释 放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。 与气体接触时—吸附的气体与氧发生反应—电子 释放—电导增加，电阻减小.
电阻型气敏元件及符号
第10章
半导体式传感器
传感与检测技术
加热方式分为直热式和旁热式
• 直热式(加热丝与测量丝埋入氧化物中烧结), 特点是成本低，但受气流影响，稳定性差.
• 旁热式(加热丝放在陶瓷管内,管外金属电极涂上氧化物), 加热丝与气敏材料不接触,避免测量回路与加热回路的相 互影响,减小环境温度的影响. 国产同类产品：直热式-QN型；旁热式-MQ型.
传感与检测技术
（半定量）
信号
M
第10章 半导体传感器
（5）应用 • LM3914—LED驱动器 集成电路内部电路
条形LED器件封装
第10章 半导体传感器
传感与检测技术
防酒后驾车汽车点火电路
电源 开关
酒 精
555 触发器
• 继电器J1-1、J1-2常开结点, J2-1常闭结点, J2-2常接VD1（绿灯）,VD2（红灯） • S闭合，无酒精时， J1闭合点火;气敏电阻高，Ua高Uo低，555输出高，J2无电流； • 有酒精时，气敏电阻下降，Ua低Uo高，555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