半导体式传感器(第七章)

第一章检测与传感技术基础检测系统由传感器、测量电路、显示记录装置组成。

根据测量手段分：直接测量、间接测量、组合测量测量方式：偏差式测量（指针式万用表）、零位式测量（天平）、微差式测量（电子称）。

测量系统由被测对象、传感器、变送器、传输通道、信号处理环节、显示装置测量误差的表示方法：绝对误差、实际相对误差、引用误差、基本误差、附加误差测量误差的性质：随机误差、系统误差、粗大误差传感器的组成：敏感元件、转换元件、信号调理转换开关传感器的静态特性：灵敏度（大）、迟滞（小）、线性度（小）、重复性（小）、精度（大）、漂移（小）灵敏度：输出量Y与引起输出增量Y的相应输入量增量X之比线性度：输出与输入之间数量关系的线性程度（拟合直线）迟滞：传感器在输入量由小到大级输入量由大到小变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象第二章应变式传感器金属电阻应变片由基片、敏感栅（核心，有丝式和箔式）、覆盖层、引线组成。

康铜是广泛应用材料（热电偶也用）。

电阻应变片的温度补偿方法：线路补偿（电桥补偿）和自补偿（不容易实现）。

为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥。

第三章电容式传感器电容式传感器可分为变极距型、变面积型、变介电常数型。

电容式传感器测量电路：调频电路（电容转频率通过鉴频器转电压）、运算放大器（电容转电压）、二极管双T型交流电桥（电容转电压）、环形二极管充放电、脉冲宽度调制电路（电容转电压）第四章电感式传感器变磁阻式传感器（自感型）可分为变气隙型电感式传感器（常用）和变面积型电感式传感器。

为了提高灵敏度采用差动式电感传感器。

电涡流传感器分为高频反射式和低频透射式，测量电路有调频式和调幅式第五章压电式传感器压电材料有压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度。

X轴电轴纵向y轴机械轴横向产生压电效应z轴光轴不产生。

原始的压电陶瓷不具有压电性质，必须要有外加电场和压力（极化方向）的共同作用。

目前常用锆钛酸铅PZT。

半导体传感器主要内容：9.1气敏传感器9.2湿敏传感器9.3色敏传感器半导体传感器特征：半导体式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。

9．1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，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。

气敏传感器主要有以下应用：∙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，乙醇浓度检测等。

9．1．1 半导体气敏传感器工作机理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：∙氧气等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。

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；图9—1N型半导体与气体接触时的氧化还原反映按半导体的物理特性，气敏传感器可分为电阻型和非电阻型。

9．1．2电阻型半导体气敏传感器电阻型气敏传感器是目前使用较广泛的一种气敏元件。

∙传感器由三部分组成：敏感元件、加热器、外壳；∙按制造工艺分为：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，金属氧化物有：N型半导体，如：SnO2Fe2O3ZnOTiOP型半导体，如：CoO2PbOMnO2CrO3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。

通常器件工作在空气中，由于氧化的作用，空气中的氧被半导体（N型半导体）材料的电子吸附负电荷，结果半导体材料的传导电子减少，电阻增加，使器件处于高阻状态；当气敏元件与被测气体接触时，会与吸附的氧发生反应，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。

半导体传感器的工作原理半导体传感器是一种基于半导体材料的传感器，其工作原理是利用半导体材料的特性，通过测量半导体材料中电流、电压或电阻的变化来实现对环境参数的检测和测量。

半导体材料具有导电性能，但其导电性能又介于导体和绝缘体之间。

当半导体材料处于平衡状态时，其内部的自由电子和空穴的浓度是相等的，电流几乎为零。

但是，当半导体材料受到外界环境的影响时，如温度、光照、气体浓度等发生变化时，半导体材料的导电性能也会发生变化，进而导致电流、电压或电阻的变化。

以温度传感器为例，半导体温度传感器的工作原理是基于半导体材料的温度系数。

温度系数是指半导体材料的导电性能随温度变化的程度。

一般来说，半导体材料的导电性能随温度的升高而增加。

当温度升高时，半导体材料中的自由电子和空穴的浓度增加，导致电流的增加。

半导体温度传感器通常采用PN结构或热敏电阻的形式。

PN结构的半导体温度传感器由P型半导体和N型半导体构成，两者之间形成一个结，称为PN结。

当温度升高时，由于热激发作用，电子从价带跃迁到导带中，导致PN结的导电性能发生变化，进而导致电流的变化。

通过测量电流的变化，可以得到温度的信息。

另一种常见的半导体温度传感器是热敏电阻。

热敏电阻是一种在温度变化下电阻值发生变化的元件。

当温度升高时，热敏电阻的电阻值减小，反之则增加。

通过测量电阻的变化，可以得到温度的信息。

除了温度传感器，半导体传感器还可以用于测量其他环境参数，如光照强度、湿度、气体浓度等。

不同类型的半导体传感器根据测量原理和结构有所不同，但都是利用半导体材料的特性来实现对环境参数的检测和测量。

总结一下，半导体传感器的工作原理是基于半导体材料的特性，通过测量半导体材料中电流、电压或电阻的变化来实现对环境参数的检测和测量。

不同类型的半导体传感器根据测量原理和结构有所不同，但都是利用半导体材料的导电性能随环境参数变化的特性来实现测量。

半导体传感器在工业控制、环境监测、医疗健康等领域有着广泛的应用前景。

半导体传感器的原理与应用一、什么是半导体传感器半导体传感器是一种利用半导体材料特性进行物理、化学量测量的传感器。

半导体材料是指在温度较高时，导电性大致介于导体和绝缘体之间的物质。

半导体传感器广泛应用于环境监测、工业自动化、医疗仪器等领域。

二、半导体传感器的工作原理半导体传感器的工作原理基于半导体材料的特性，主要包括以下步骤：1.材料选择：选择合适的半导体材料，如硅、锗等。

材料的选择取决于传感器要测量的物理或化学量的特性。

2.材料加工：对半导体材料进行加工，通常包括晶体生长、切割、抛光等工艺，以获得符合要求的传感器元件。

3.接触电极制备：通过沉积金属薄膜或其他电导材料，制备出用于与被测物接触的电极或反应层。

接触电极的材料和形状也是根据要测量的物理或化学量的不同而选择的。

4.电流或电压测量：将电流或电压施加到半导体传感器中，根据传感器的特性，通过测量电阻、电导率、电容等参数，计算出被测量物理或化学量的值。

三、半导体传感器的应用领域半导体传感器由于其高灵敏度、快速响应和可靠性等优势，广泛应用于以下领域：1.环境监测：半导体传感器可以用于检测温度、湿度、气体浓度等环境参数。

在空气质量监测、室内空调控制和农业温室管理等方面发挥重要作用。

2.工业自动化：在工业自动化领域，半导体传感器被用于测量压力、流量、位移等物理量。

通过实时监测和控制，提高生产效率和产品质量。

3.医疗仪器：半导体传感器可以测量血氧浓度、体温等生命体征参数，用于医疗仪器中，如血氧仪、体温计等。

在医疗诊断和治疗中起到重要作用。

4.汽车电子：半导体传感器在汽车电子中广泛应用，如气囊传感器、氧气传感器等。

提高汽车安全性能和燃油效率。

四、半导体传感器的发展趋势随着科技的不断发展，半导体传感器也在不断创新和进步。

未来的发展趋势主要包括：1.小型化和集成化：半导体传感器的体积将越来越小，以适应微型化设备和系统的需求。

同时，将更多的传感器集成在一个芯片上，提高系统的集成度和简化制造工艺。

•第七章光敏传感器•1．光电效应通常分为哪几类？简要叙述之。

与之对应的光电器件有哪些？•2．半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么？3．光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？•4．试述光电倍增管的组成及工作原理？•5．简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管的区别？•6．为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再•随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？•7．试举出几个实例说明光电传感器的实际应用，并进行工作原理的分析。

答案：一、光电效应分为两类：外光电效应和内光电效应外光电效应：入射光子被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子的一种物理现象。

基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。

内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。

分为光电导效应（如：光敏电阻）和光生伏特效应（如光电池、光电二极管、光电三极管）。

二、、对于不同的本征半导体材料，禁带宽度Eg不同，对入射光的波长或频率的要求也不同，一般都必须满足：7he1.24「hv=T^^-Eg式中v、A分别为入射光的频率和波长。

对于杂质半导体：Ei为杂质电离能三、1、欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。

欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。

在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。

在使用光电倍增管时，保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。

2、热发射由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。

要减小热电子发射，应选用热发射小的阴极材料，并在满足使用的前提下，尽量减小光电阴极的面积，降低光电倍增管温度。

3、残余气体放电光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。

这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。

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 —。

半导体传感器的工作原理半导体传感器是一种利用半导体材料特性制作的传感器，它可以将被测量的物理量转换为电信号输出，广泛应用于工业控制、环境监测、医疗诊断等领域。

它的工作原理主要包括材料特性、电子结构和电荷传输等方面。

下面将详细介绍半导体传感器的工作原理。

首先，半导体传感器的工作原理与半导体材料的特性密切相关。

半导体材料是指在绝缘体和导体之间的一类材料，它的导电性介于绝缘体和导体之间。

当半导体材料受到外界刺激时，会发生电子结构的变化，导致电子的能带结构发生变化，从而影响了材料的导电性能。

这种特性使得半导体材料可以用来制作传感器，通过外界物理量的作用，改变半导体材料的电子结构，从而实现对被测物理量的敏感检测。

其次，半导体传感器的工作原理还涉及到电子结构的变化。

在半导体材料中，电子的能级分布和运动规律对于传感器的性能起着至关重要的作用。

当外界物理量作用于半导体材料时，会改变材料中电子的分布和运动状态，从而影响了材料的导电性能。

传感器可以通过检测电子结构的变化，实现对外界物理量的测量和检测。

最后，半导体传感器的工作原理还涉及到电荷传输的过程。

半导体材料中电子和空穴的运动规律对于传感器的灵敏度和响应速度有着重要的影响。

当外界物理量作用于半导体材料时，会引起电荷的重新分布和传输，从而产生电信号输出。

传感器可以通过检测电荷传输的过程，实现对外界物理量的准确测量和快速响应。

综上所述，半导体传感器的工作原理主要包括材料特性、电子结构和电荷传输等方面。

通过对半导体材料的特性和电子结构的变化进行检测和分析，可以实现对外界物理量的敏感检测和精准测量。

半导体传感器在工业控制、环境监测、医疗诊断等领域具有重要的应用价值，其工作原理的深入理解对于传感器的设计和优化具有重要意义。

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。