1、第9 章 半导体传感器,9.1 气 敏 传 感 器,气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。,9.1.1 概述,气敏传感器用于检测气体类别、浓度和成分的传感器，主要是半导体气敏传感器。用于易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。由半导体气敏元件组成,利用待测气体与半导体表面接触时产生物性变化来检测。,根据作用是在表面或内部分为表面控制型与体控制型,根据物性分电阻型与非电阻型（如伏安特性）。,特点：暴露在气体中温度湿度变化大，存在粉尘油污等,气敏元件要求:能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质影响小。,9.1.2半导体气敏传感器的机理,器件被加热到稳定状态，气体被吸
2、附，在表面自由扩散, 部分被蒸发，残余部热分解固定在吸附处(化学吸附).,9.1.2半导体气敏传感器的机理,利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致阻值变化的。,半导体功函数小(大)于亲和力，成负(正)离子氧（氢）吸附，如氧（氢）表面成电荷层。,为提高气敏元件对气体成分的选择性和灵敏度，有时还渗入催化剂，如钯（Pd）。,氧化型气体吸附到N型，还原型气体吸附到P型上电阻增加,氧化型气体吸附到P型，还原型气体吸附到N型上电阻下降,半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果,气敏元件结构上,有电阻丝加热,结构如图,1和2是加热电极,3和4是气敏电阻的一对电极,氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与
3、温度的关系如图,气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。,气敏元件的基本测量电路, 如右图所示, 图中EH为加热电源, EC为测量电源,在低浓度下灵敏度高, 而高浓度下趋于稳定值。用来检查可燃性气体泄漏并报警,1）烧结型气敏元件：将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中, 烧结而成。,9.1.2 气敏传感器的应用,气敏电阻元件按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。,常用的是氧化锡(SnO2)烧结型气敏元件, 它的加热温度较低,SnO2气敏半导体对可燃性气体, 如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等有较高的灵敏度,2）薄膜型气敏元件:采用真空镀膜或溅射方法, 在石英或陶瓷基片上制成金属氧
4、化物薄膜而成,3)厚膜型气敏元件将气敏材料与硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。用丝网印刷到事先安装有电极的基片上,烧结制成,用厚膜工艺制成的器件一致性较好, 机械强度高。,三种气敏器件都附有加热器, 使用时, 加热器能使测控部分上的油雾、尘埃等烧掉, 同时加速气体氧化还原反应, 从而提高器件的灵敏度和响应速度。,氧化锌是N型半导体,添加铂催化剂时,对烷烃气体有较高的灵敏度,而对H2、CO2等气体灵敏度很低。用钯催化剂时, 对H2 、CO有较高的灵敏度, 而对烷烃类气体灵敏度低。,它有良好的选择性, 工作温度在400500的较高温度。,9.2 湿 敏 传 感 器,9.2.1 氯化锂湿敏电阻,氯化锂湿敏
5、电阻是利用吸湿性盐类潮解, 离子导电率发生变化而制成的测湿元件。该元件的结构如图所示, 由引线、 基片、 感湿层与电极组成。,湿敏传感器是能感受到湿度变化并通过器件材料的物化性质变化将湿度转变为有用的信号的器件,湿度检测较困难，湿敏器件需暴露在被测环境中,湿敏元件要求:稳定性好，重复性好，响应速度快，寿命长，耐污染，温度影响小。,氯化锂溶液中,Li和Cl以正负离子的形式存在,而Li+对水分子的吸引力强,水合程度高,离子导电能力与浓度成正比,溶液置于温湿场中,相对湿度高,溶液将吸收水分，使浓度降低,电阻率增高。反之电阻率下降,实现对湿度的测量。,为扩大湿度测量的线性范围,可将多个氯化锂含量不同的
6、器件组合使用,自动地转换完成整个湿度范围的湿度测量,氯化锂湿敏元件的湿度电阻特性曲线如图所示。,在50%80%相对湿度范围内,电阻与湿度的变化呈线性关系,耐热性差,不能用于露点以下测量,重复性差,使用寿命短,优点是滞后小, 不受风速影响, 检测精度高达%,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。（简称为半导瓷）,9.2.2 半导体陶瓷湿敏电阻,Fe3O4的电阻率随湿度增大，称为正特性湿敏半导体陶瓷,ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系的电阻率随湿度增加而下降, 称为负特性湿敏半导体陶瓷。,水在半导瓷表面
7、吸附时,可从半导瓷表面俘获电子,使半导瓷表面带负电,水分子吸附使表面电势下降,1. 负特性湿敏半导瓷的导电机理,表面层的空穴浓度大于电子浓度,出现表面反型层。半导瓷电阻率随湿度增加而下降。,当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时, 导致其表面层电子浓度下降,但表面层不出现反型,仍以电子导电为主。,2. 正特性湿敏半导瓷的导电机理,这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。,通常湿敏半导瓷材料都是多孔的,表面层电阻的升高,引起总电阻值明显升高;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。图给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线,氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿
8、敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件,它是负特性半导瓷, MgCr2O4为型半导体,它的电阻率低,阻值温度特性好,结构如图所示,3. 典型半导瓷湿敏元件,1） MgCr2O4-TiO2湿敏元件,为减少测量误差,陶瓷片外设置加热线圈, 以便对器件加热清洗, 排除恶劣气氛对器件的污染。,MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系见图。,传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减少,又随周围环境温度的变化而有所变化。,ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度, 而无需加热除污装置, 因此功耗低于0.5 , 体积小, 成本低, 是一种常用测湿传感器。,2） ZnO
9、-Cr2O3陶瓷湿敏元件,ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构如图所示。,半导体色敏器件可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。,9.3色 敏 传 感 器,半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。,半导体色敏传感器相当于两只不同的光电二极管组,称光电双结二极管。结构原理及等效电路如图,9.3.1 色敏传感器的基本原理,2. 半导体色敏传感器工作原理,在图中所示的P-N-P是结深不同的两个P-N结二极管, 浅结二极管是P-N结; 深结二极管是P-N结。,浅结的对紫外光灵敏度高, 深结的对红外光灵
10、敏度较高。,两只结深不同的光电二极管组合, 硅色敏管中VD和VD的光谱响应曲线就构成了可测定波长的半导体色敏传感器。,半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度,应用时, 应先进行标定。,SD1是浅结二极管的短路电流, 它在短波区较大。SD2是深结二极管的短路电流, 它在长波区较大。,图表示了不同结深二极管的光谱响应曲线。图中VD代表浅结二极管,VD代表深结二极管,实测某单色光的短路电流比值,可确定该单色光的波长。,表示它所能检测的波长范围。图a为CS型色敏器件的光谱特性,其波长范围是4001000 nm。,9.3.2 半导体色敏传感器的基本特征,1. 光谱特性,2. 短路电流比波长特
11、性,表征半导体色敏器件对波长的识别能力,确定被测波长的基本特性。图b表示短路电流比波长特性曲线。,两只光电二极管是做在同一块材料上的, 具有相同的温度系数, 通常可不考虑温度的影响。,3. 温度特性,图为实用酒精测试仪的电路。气体传感器用二氧化锡气敏元件,9.4 半导体式传感器的应用,9.4.1 实用酒精测试仪,无酒精时,A5脚的电平为低电平; 探测到酒精时,其内阻变低,从而使A5脚电平变高。,A为显示推动器,它共有10个输出端,每个输出端可以驱动一个发光二极管,A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数,酒精含量越高点亮二极管的级数越大。,由VT1,VT2,T1等组成测湿电桥的电源,其振荡频率为2501000Hz。湿度刻划在微安表盘上,成为直读式湿度计,9.4.2 直读式湿度计,图为直读式湿度计电路,其中RH为氯化锂湿度传感器。,
