新型传感器.pptx
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1、安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors第一节第一节 离子敏传感器离子敏传感器1、场效应管的结构、场效应管的结构一、一、MOS场效应管场效应管n在在P型硅衬底上扩散两个型硅衬底上扩散两个n+区,将两个区,将两个n+区用电极引出,区用电极引出,作为作为源极(源极(S)和和漏极(漏极(D)。离子敏场效应管离子敏场效应管(ISFET)的结构和一般的场效应管基的结构和一般的场效应管基本相同,为了理解离子敏场效应管的原理,我们不妨先本相同,为了理解离子敏场效应管的原理,我们不妨先简单回顾一下场效应管的工作原理。简单回顾一下场效应管
2、的工作原理。n源极和漏极之间生成源极和漏极之间生成 SiO2 绝缘层,在绝缘层上蒸镀一层绝缘层,在绝缘层上蒸镀一层金属电极并引出,作为金属电极并引出,作为栅极(栅极(G)。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn若源极和漏极之间施加电压的话,带电粒子将沿着该沟道若源极和漏极之间施加电压的话,带电粒子将沿着该沟道流通,形成漏源极之间的沟道电流,又称作流通,形成漏源极之间的沟道电流,又称作漏电流(漏电流(ID)。2、场效应管工作原理、场效应管工作原理n在栅在栅-源极施加电压源极施加电压VGS,栅极下的,栅极下的P型衬底表面
3、将大型衬底表面将大量积聚电子而形成量积聚电子而形成反型层反型层。n当当VGSVTH时,栅极下将形成时,栅极下将形成强反型层强反型层,在源极,在源极-漏漏极之间形成极之间形成 n型沟道。型沟道。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors离子敏场效应管正是利用场效应管的上述特性而实现对离子浓度的测量的。离子敏场效应管正是利用场效应管的上述特性而实现对离子浓度的测量的。3、漏电流的计算、漏电流的计算n当当VDS (VGS VT)时时(场效应管工作在非饱和区):(场效应管工作在非饱和区):当当VDS(VGS VT)时(在饱和区):
4、时(在饱和区):式中:式中:是一个与场效应管结构有关的系数,并且:是一个与场效应管结构有关的系数,并且:其中,其中,W、L、n、Cox分别为沟道宽度、长度、沟道中电子的有效迁移率。分别为沟道宽度、长度、沟道中电子的有效迁移率。n场效应管漏电流场效应管漏电流ID的大小与阈值电压的大小与阈值电压VT有关,特别是在有关,特别是在VDS、VGS恒定的情况下,恒定的情况下,阈值电压阈值电压VT的变化将引起漏电流的变化将引起漏电流ID的变化的变化。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors1、离子敏场效应管的结构、离子敏场效应管的结构
5、二、二、离子敏场效应管离子敏场效应管n离子敏感器件离子敏感器件由由离子选择膜(敏感膜)和转换器离子选择膜(敏感膜)和转换器两部分构两部分构成,成,敏感膜敏感膜用以识别离子的种类和浓度,用以识别离子的种类和浓度,转换器转换器则将敏感则将敏感膜感知的信息转换为电信号。膜感知的信息转换为电信号。基本原理:离子在敏感膜与溶液交界处产生界面电位,基本原理:离子在敏感膜与溶液交界处产生界面电位,影响影响MOS管的阈值电压管的阈值电压。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn溶液与敏感膜和参比电极同时接触,充当了普通场效应溶液与敏感
6、膜和参比电极同时接触,充当了普通场效应管的栅金属极,构成了完整的场效应管结构,其源极、漏管的栅金属极,构成了完整的场效应管结构,其源极、漏极的用法与一般的场效应管没有任何的区别。极的用法与一般的场效应管没有任何的区别。n离子敏场效应管的绝缘层(离子敏场效应管的绝缘层(Si3N4 或或 SiO2层)与栅极之层)与栅极之间间没有金属栅极没有金属栅极,而是在绝缘栅上制作一层,而是在绝缘栅上制作一层敏感膜敏感膜。离离子膜可以是固态也可以是液态子膜可以是固态也可以是液态的。的。不同的敏感膜所检测的离子种类也不同,从而具有离子选择性。不同的敏感膜所检测的离子种类也不同,从而具有离子选择性。n含有各种含有各
7、种离子的溶液离子的溶液与与敏感膜敏感膜直接接触,直接接触,栅极用参考电极栅极用参考电极构成。构成。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors2、离子的活度、离子的活度n在待测溶液和敏感膜的交界处将产生在待测溶液和敏感膜的交界处将产生界面电位界面电位i,根据能,根据能斯特方程,界面电位的大小和离子的活度有关:斯特方程,界面电位的大小和离子的活度有关:u其中,其中,0为常数;为常数;T为器件的绝对温度;为器件的绝对温度;n为溶液为溶液中离子的价数;中离子的价数;i为溶液中离子的活度;为溶液中离子的活度;气体常数气体常数R=8.
8、314Jk-1mol-1;法拉第常数法拉第常数F=9.694104Cmol-1。u对于对于阴离子阴离子,若还原态物质活度为,若还原态物质活度为 1:u对于对于阳离子阳离子,若氧化态物质活度为,若氧化态物质活度为 1:安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors式中,式中,Kij为离子敏场效应管的选择系数。为离子敏场效应管的选择系数。n活度活度i表征了溶液中参加化学反应的离子浓度表征了溶液中参加化学反应的离子浓度Ci,其,其单位为单位为mol/L,并且:,并且:i=i Ci 其中,其中,i为离子的活度系数,与溶液中离子的浓度有
9、关,为离子的活度系数,与溶液中离子的浓度有关,离子浓度越大,离子浓度越大,i越小;越小;相反,相反,i越大,当离子浓度越大,当离子浓度Ci=0时,时,i=1。n在待测溶液中,一般总是存在着许多种离子,其它离在待测溶液中,一般总是存在着许多种离子,其它离子对待测离子的测量会起到干扰作用。考虑到干扰离子子对待测离子的测量会起到干扰作用。考虑到干扰离子的作用,能斯特方程可以表示为:的作用,能斯特方程可以表示为:安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type SensorsnVGS =VGS i ref3、离子的浓度的测量、离子的浓度的测量n采用采用
10、共源电路共源电路连接。连接。n考虑到参比电极的考虑到参比电极的电位电位ref、界面电位界面电位i,实际施,实际施加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电压为:加于场效应管绝缘膜和半导体表面上的电压为:安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn在外加电压在外加电压VGS 和和VDS恒定、保持参考电极的电位恒定、保持参考电极的电位ref不变条件下,不变条件下,ISFET的漏电流的漏电流IDS的大小将随溶液的离子活度的大小将随溶液的离子活度i的变化而变化。的变化而变化。式中,式中,QSS为场效应管等效表面态和氧化层电荷;为场效应管
11、等效表面态和氧化层电荷;QB为场效应管耗尽为场效应管耗尽区单位面积电荷;区单位面积电荷;Cox为场效应管单位面积的栅电容;为场效应管单位面积的栅电容;F为场效应管为场效应管P型衬底的体内费米能级。型衬底的体内费米能级。n对于对于 n 沟道增强型场效应管,如果沟道增强型场效应管,如果VGS大于场效应管阈值电压大于场效应管阈值电压VT,场效应管将由于场效应管将由于VGS的作用而导通,其的作用而导通,其漏极电流漏极电流IDS为:为:u非饱和区:非饱和区:u饱和区:饱和区:u其中,等效阈值电压为:其中,等效阈值电压为:n通过对通过对ISFET的漏电流的漏电流IDS的大小的测量,就可以检测出溶液中离子的
12、浓度。的大小的测量,就可以检测出溶液中离子的浓度。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors4)三、三、离子敏场效应管特性离子敏场效应管特性n选择系数选择系数:在相同的电气与外界环境条件下,引起相同界面电位:在相同的电气与外界环境条件下,引起相同界面电位的待测离子活度的待测离子活度i与干扰离子的活度与干扰离子的活度j之间的比值称作选择系数,之间的比值称作选择系数,用用Kij表示。表示。具有普通场效应管具有普通场效应管的优良特性,而作的优良特性,而作为离子敏器件,它为离子敏器件,它还应满足还应满足敏感元件敏感元件的一些基本特
13、性要的一些基本特性要求,求,n线性度线性度:器件在特定的测量范围内的输出电流:器件在特定的测量范围内的输出电流IDS随溶液中离子浓随溶液中离子浓度的变化而变化的特性。度的变化而变化的特性。n动态响应动态响应:溶液中的离子活度阶跃变化或周期性变化时,离子敏:溶液中的离子活度阶跃变化或周期性变化时,离子敏场效应管栅源电压场效应管栅源电压VGS、漏极电流、漏极电流IDS或输出电压或输出电压VOUT随时间而变化随时间而变化的情况。的情况。n迟滞迟滞:溶液中离子活度由低值向高值变化或由高值向低值变化,:溶液中离子活度由低值向高值变化或由高值向低值变化,离子敏场效应管的输出的重复程度。离子敏场效应管的输出
14、的重复程度。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors第二节第二节 气敏传感器气敏传感器 常见的方法:电化法、光学法、电气法。电气法主要有常见的方法:电化法、光学法、电气法。电气法主要有半导体式和接触燃烧式两类,而半导体式更具优点(灵敏度半导体式和接触燃烧式两类,而半导体式更具优点(灵敏度高、制作方法简单、价格便宜、响应速度快等)。高、制作方法简单、价格便宜、响应速度快等)。能够响应于气体中的一定的成分,伴随由此而引起的能够响应于气体中的一定的成分,伴随由此而引起的化学、物理效应化学、物理效应,有着相应变化的,有着相应变化
15、的电信号输出电信号输出的器件的器件即称为即称为气体敏感器件气体敏感器件气体敏感器件气体敏感器件气敏传感器气敏传感器将气体敏感器件随气体种类及浓度相应变化的电信号将气体敏感器件随气体种类及浓度相应变化的电信号送入记录、监测、报警、控制等电路系统,就构成了送入记录、监测、报警、控制等电路系统,就构成了气敏传感器气敏传感器安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors1、传感原理、传感原理一、电阻式气敏传感器一、电阻式气敏传感器nSnO2是由许多晶粒组成的是由许多晶粒组成的n型多晶体,其内部的型多晶体,其内部的电阻值电阻值可以等效为
16、三种电阻串联:可以等效为三种电阻串联:u单个晶粒的体电阻单个晶粒的体电阻Rb(不受吸附气体的影响)(不受吸附气体的影响)气体给予或俘获电子,气体给予或俘获电子,改变晶粒表面势垒,改变晶粒表面势垒,从而改变电子形成电从而改变电子形成电流能力。流能力。n半导体材料半导体材料SnO2表面吸附某些气体时,其表面吸附某些气体时,其电导率电导率将随气将随气体浓度的不同而发生改变。体浓度的不同而发生改变。u晶粒与晶粒之间的晶间电阻晶粒与晶粒之间的晶间电阻Rn(受吸附气体浓度的影响)(受吸附气体浓度的影响)u单个晶粒的表面电阻单个晶粒的表面电阻Rs(受吸附气体的浓度影响),且(受吸附气体的浓度影响),且Rs
17、Rn安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn当SnO2表面吸附氧化性气体(如O2)时,吸附态的气体从晶粒表面俘获电子,增大了材料表面的电子势垒,使导带电子数目减少,材料导电率降低,电阻增加。n晶粒与晶粒相互接触的表面(即晶界)存在着势垒qVs。n当表面吸附还原性气体时,获取气体原子中的电子。电子在半导体内束缚空穴,降低空穴与电子的复合率,加强电子形成电流的能力,材料导电率提高,电阻减小。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn烧烧结结型型:气气
18、敏敏电电阻阻悬悬挂挂于于中中央央,底底座座树树脂脂模模压压制制成成,六根引线为贵重金属,外罩为六根引线为贵重金属,外罩为100目不锈钢丝网。目不锈钢丝网。n电阻式气敏传感器有:电阻式气敏传感器有:烧结型、薄膜型和厚膜型烧结型、薄膜型和厚膜型三种,三种,敏感元件多为敏感元件多为SnO2。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors2、电阻式气敏传感器特性、电阻式气敏传感器特性n温度的影响温度的影响u结论结论:传感器通电初期,其电阻值的输出有一个过渡时传感器通电初期,其电阻值的输出有一个过渡时间,无论是定量测量还是阈值报警,电路
19、应注意气敏传感间,无论是定量测量还是阈值报警,电路应注意气敏传感器通电初期的过渡状态。器通电初期的过渡状态。u现象现象:电阻随温度而变化,其电阻随温度而变化,其灵敏度关系有一峰值,峰值所处灵敏度关系有一峰值,峰值所处的温度点为的温度点为最佳工作温度最佳工作温度。因此,。因此,可以通过加热的办法提高气敏传可以通过加热的办法提高气敏传感器的灵敏度及稳定性。感器的灵敏度及稳定性。u原因原因:通电之前,材料吸附着大量水分子,通电后的一段:通电之前,材料吸附着大量水分子,通电后的一段时间内,受加热而温度上升,电阻值增加;当温度上升到一时间内,受加热而温度上升,电阻值增加;当温度上升到一定的值之后,传感器
20、吸附的水被蒸发,电阻值由高变低。定的值之后,传感器吸附的水被蒸发,电阻值由高变低。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn湿度的影响湿度的影响u在潮湿空气中,传感器的电导随温度的上升而增加。在潮湿空气中,传感器的电导随温度的上升而增加。u200之后之后,电导值随温度的上升而下降;,电导值随温度的上升而下降;600之后之后,干、湿空气的电导值随温度的变化趋于一致。干、湿空气的电导值随温度的变化趋于一致。u因此,选择气敏传感器的工作温度时,应尽可能选择因此,选择气敏传感器的工作温度时,应尽可能选择较高的工作温度。较高的工作
21、温度。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsu钯掺杂量多、活性高的气敏材料,电阻值随温度的变化也较快;钯掺杂量多、活性高的气敏材料,电阻值随温度的变化也较快;钯掺杂量少、活性低的气敏材料,电阻值随温度的变化较缓慢。钯掺杂量少、活性低的气敏材料,电阻值随温度的变化较缓慢。n催化剂和添加剂的作用催化剂和添加剂的作用 改进传感器选择性最有效的办法是加入催化剂或添加剂。改进传感器选择性最有效的办法是加入催化剂或添加剂。u不同的催化剂或添加剂不同的催化剂或添加剂能够提高传感器对不同的气体的灵敏度,能够提高传感器对不同的气体的灵敏
22、度,从而可以提高气敏传感器的选择性。加入从而可以提高气敏传感器的选择性。加入ThO2,对,对CO的灵敏,对的灵敏,对H2的灵敏。的灵敏。u催化剂的含量催化剂的含量同样能提高气敏传感器的选择性,不同含量的钯量同样能提高气敏传感器的选择性,不同含量的钯量作用效果不同,这是由于作用效果不同,这是由于SnO2 表面对氧吸附的激活能不同造成的。表面对氧吸附的激活能不同造成的。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensors二、二、MOSFET气敏传感器气敏传感器n可以检测氢气、含有氢原子、能与氢发生反应的气体,可以检测氢气、含有氢原子、能
23、与氢发生反应的气体,例如氨气例如氨气(NH3)、硫化氢、硫化氢(H2S)、氧气、氧气(O2)、一氧化碳、一氧化碳(CO)等。用的最多的是检测氢气。等。用的最多的是检测氢气。1、原理与结构、原理与结构基本原理基本原理:吸附于:吸附于Pd栅膜表面的氢分子分解为栅膜表面的氢分子分解为氢原子氢原子,并扩散至并扩散至SiO2界面,界面,改变改变V VT T值值。n用能溶于氢气用能溶于氢气(H2)的金属的金属钯钯(Pd)或铂或铂(Pt)作为作为MOS管的管的金金属栅属栅,即得到,即得到催化金属场效应气敏传感器催化金属场效应气敏传感器。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传
24、传感感器器New Type Sensorsn当氢气吸附于当氢气吸附于Pd栅膜表面时,氢分子在栅膜表面迅速分解栅膜表面时,氢分子在栅膜表面迅速分解为氢原子,氢原子迅速向栅膜内扩散,其中一部分氢原子为氢原子,氢原子迅速向栅膜内扩散,其中一部分氢原子被吸附于被吸附于Pd栅膜与氧化物栅膜与氧化物(SiO2)界面,并在此界面形成氢界面,并在此界面形成氢原子层。原子层。MOSFET的阈值电压的阈值电压VT因此而变化。因此而变化。n氢气敏氢气敏n沟沟MOS晶体管采用晶体管采用P型单晶硅,型单晶硅,S区、区、D区为重掺区为重掺杂的杂的n+型扩散区,氧化膜用氯化氢干氧氧化,膜厚为型扩散区,氧化膜用氯化氢干氧氧化
25、,膜厚为100nm,金属,金属Pd栅的厚度为栅的厚度为100nm。安徽工程科技学院安徽工程科技学院电气工程系电气工程系 张红张红新新型型传传感感器器New Type Sensorsn阈阈电电压压变变化化值值的的测测量量电电路路中中,R是是传传感感器器内内部部的的加加热热器器电电阻阻值值,Vs是是加加热热的的直直流流稳稳压压电电源源,将将栅栅极极与与漏漏极极短短接接,使使VG=VD,从从而而保保证证VD VG-VT,使使晶晶体体管管工工作作于于电电流流饱饱和和区区。外外加加恒恒流流Id。在在一一定定的的温温度度下下,置置于于氢氢气气中中的的晶晶体体管管阈阈电电压压随随氢氢气气的的浓浓度度变变化化
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