传感器第十章半导体传感器气湿 ppt课件
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半导体气敏传感器分类 ppt课件
化石油气、煤气和天然气。α-Fe2O3对水蒸气和乙醇 不灵敏，特别适合做家庭可燃气报警器。
2)氧气传感器 Nb2O5对氧气敏感。用其制成氧传感器检测汽车发
动机和锅炉等所排废气中的氧气分压强，以控制其最佳 燃烧状态，以达节能目的。
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9
气敏元件外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
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10
K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管VD1通，发绿光，能点火 起动发动机。
若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，U1为高电 平，U3为为低电平，继电器K2线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管
VD2通，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法起动发动机。 若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触电K1-1断开，仍
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7
2)温湿度特性
SnO2传感器的阻值随温度、湿度上升而有规律地减小。 因此除尽量保持恒温、恒湿外，其有效措施是选用温湿
度特性好的气敏元件及在电路中进行温湿度补偿。
3)初期恢复特性及初期稳定特性
经短期存放再通电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化
（减小），这一特性称为初期恢复特性，它与元件种类、存
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4
A、烧结型气体传感器的结构与符号
烧结型气体传感器的加热方式分为直热式和间热式两种, 其结构与符号如图4-2-1、4-2-2所示。
直热式的加热 丝兼作电极。其结 构简单、成本低、 功耗小；但热容量 小，易受环境气流 影响；因加热丝热 胀冷缩，易使之与 材料接触不良；在 测量电路中，信号 电路和加热电路相 互干扰。
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2
2、半导体气敏传感器分类：
半导体气敏传感器的类型可分电阻型和非电阻型 两大类。电阻型有表面电阻型如氧化锡（SnO2）、氧 化锌（ZnO）等和体电阻型（Fe2O3）系列；非电阻型 有MOS场效应管型、二极管型（表面电流型——氢敏传 感器）和固体电解质型。
2)氧气传感器 Nb2O5对氧气敏感。用其制成氧传感器检测汽车发
动机和锅炉等所排废气中的氧气分压强，以控制其最佳 燃烧状态，以达节能目的。
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气敏元件外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
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10
K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管VD1通，发绿光，能点火 起动发动机。
若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，U1为高电 平，U3为为低电平，继电器K2线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管
VD2通，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法起动发动机。 若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触电K1-1断开，仍
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2)温湿度特性
SnO2传感器的阻值随温度、湿度上升而有规律地减小。 因此除尽量保持恒温、恒湿外，其有效措施是选用温湿
度特性好的气敏元件及在电路中进行温湿度补偿。
3)初期恢复特性及初期稳定特性
经短期存放再通电时，传感器电阻值有短暂的急剧变化
（减小），这一特性称为初期恢复特性，它与元件种类、存
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A、烧结型气体传感器的结构与符号
烧结型气体传感器的加热方式分为直热式和间热式两种, 其结构与符号如图4-2-1、4-2-2所示。
直热式的加热 丝兼作电极。其结 构简单、成本低、 功耗小；但热容量 小，易受环境气流 影响；因加热丝热 胀冷缩，易使之与 材料接触不良；在 测量电路中，信号 电路和加热电路相 互干扰。
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2、半导体气敏传感器分类：
半导体气敏传感器的类型可分电阻型和非电阻型 两大类。电阻型有表面电阻型如氧化锡（SnO2）、氧 化锌（ZnO）等和体电阻型（Fe2O3）系列；非电阻型 有MOS场效应管型、二极管型（表面电流型——氢敏传 感器）和固体电解质型。
半导体传感器
10.1 半导体气敏传感器
3. 厚膜型气敏元件将气敏材料（如 SnO2 、ZnO ）与一 定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。把厚膜胶 用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝（ Al2O3 ） 基片上，在400~800℃的温度下烧结 1~2 小时便制成 厚膜型气敏元件。用厚膜工艺制成的器件一致性较 好，机械强度高，适于批量生产。
◆以上三种气敏器件都附有加热器，在实际应用时， 加热器能使附着在测控部分上的油雾、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。
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 念固体表面并渗透到固体内 部的这种特性（即水分子亲和力），湿敏传感器 可分为水分子亲和力型湿敏传感器和非水分子亲 和力型湿敏传感器。
◆下面介绍一些至今发展比较成熟的几类湿敏传感 器。
10.2 湿敏传感器
10.2.1 氯化锂湿敏电阻
10.1 半导体气敏传感器
图10-1 输出电压与温度关系
图中E H 为加热电源， E C为测量电源，电阻中气敏
电阻值的变化引起电路中电流的变化，输出电压
（信号电压）由电阻 Ro上取出。
10.1 半导体气敏传感器
图10-2 气敏元件结构
◆气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。
因此，气敏元件结构上，有电阻丝加热，结构如图10-2 所示，1和2是加热电极，3和4是气敏电阻的一对电极。
《半导体传感器》课件
应用领域
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。
THANKS
感谢观看
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
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
传感器与检测技术讲义第10章半导体传感器
第10章半导体传感器10.1 半导体气敏传感器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。
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。
目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。
1. 气敏电阻的工作原理气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成。
金属氧化物半导体分N型半导体，如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等；P型半导体，如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。
为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时还渗入了催化剂，如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。
通常器件工作在空气中，空气中的氧和NO2这样的电子兼容性大的气体，接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷，结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少，使表面电导减小，从而使器件处于高阻状态。
一旦元件与被测还原性气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧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。
该类气敏元件通常工作在高温状态（200～450℃），目的是为了加速上述的氧化还原反应。
例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下吸附某种气体后，其电导率变化不大，若保持这种气体浓度不变，该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加，尤其在100～300℃范围内电导率变化很大。
显然，半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。
气敏元件的基本测量电路，如图10-1（a）所示，图中E H为加热电源，E c为测量电源，电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化，输出电压（信号电压）由电阻R o上取出。
氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图10-1（b）所示。
现代检测技术 半导体式传感器
10.1霍尔式传感器
图10-2 霍尔元件的结构和符号
10.1霍尔式传感器
3、基本电路 霍尔元件的基本电路如图10-3所示。控制电流
由供给，为调节控制电流大小的调节电阻。为一般 电阻作为负载电阻，也可以是放大器的输入电阻或 指示器的内阻。在磁场作用下，负载上就有电压输 出。在实际使用时，以或，或两者同时作为输入信 号输入，而输出信号则正比于或，或两者的乘积由 于建立霍尔效应所需的时间很短(约之间)，因此控
图 10-5 感应电动势示意图及其补偿
10.1.3基本误差及其补偿
三 温度误差补偿 因为半导体能参数，如内阻、霍尔 电动势等也将随温度变化。 ⒈采用恒流源
采用恒流源，可免去霍尔元件输入电阻随温度变 化对霍尔元件输出电压的影响。
10.1.3基本误差及其补偿
控制电流之间呈线性关系。直线的斜率称为控制电 流灵敏度，K I 用表示。
（二）UH B特性 当控制电流—定时，元件的开路霍尔输出随磁
场的增加不完全呈线性关系，只有当元件工作在0.5Wb
以下时，线性度才比较好。
10.1.3基本误差及其补偿
（一）元件的几何尺寸、电极接点大小对性能的
影响,在霍尔电动势表达式中
10.1.3基本误差及其补偿
②寄生直流电动势 由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触，
在控制电流极和霍尔电动势极上都可能出现整流效 应。因此。当元件通以交流控制电流 (不加磁场)时， 它的输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电 动势分量，这电动势就称为寄生直流电动势。寄生 直流电动势与工作电流有关，随工作电流减小而减 小。
10.1霍尔式传感器
10.1.1霍尔效应
半导体薄片，若在它的两端通过控制电流，并在 薄片的垂直方向上施加磁感应强度为的磁场，那么， 在垂直于电流和磁场方向上(即霍尔输出端之间)将产 生电动势(霍尔电动势或称霍尔电压)，这种现象称为 霍尔效应。
现代检测技术 半导体式传感器-PPT精品文档
10.1.3基本误差及其补偿
如果确知控制电流极偏离等位面的方向，就可以 采用补偿的方法来减小不等位电势。常用的几种补偿 电路如图
10.1.3基本误差及其补偿
②寄生直流电动势 由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触， 在控制电流极和霍尔电动势极上都可能出现整流效 应。因此。当元件通以交流控制电流 (不加磁场)时， 它的输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电 动势分量，这电动势就称为寄生直流电动势。寄生 直流电动势与工作电流有关，随工作电流减小而减 小。
第10章 半导体传感器
虽然存在上述问题，但半导体传感器仍是目前传感 器发展的重要方向，尤其是大规模集成电路技术的不断 发展，半导体传感器的技术也日臻完善。 从所使用的材料来看，凡是使用半导体为材料的传 感器都属于半导体式传感器，如霍尔元件、光敏、磁敏、 二极管和三极管热敏电阻、压阻式传感器、光电池、气 敏、湿敏、色敏和离子敏等传感器。
10.1霍尔式传感器
10.1.1霍尔效应
半导体薄片，若在它的两端通过控制电流，并在 薄片的垂直方向上施加磁感应强度为的磁场，那么， 在垂直于电流和磁场方向上(即霍尔输出端之间)将产 生电动势(霍尔电动势或称霍尔电压)，这种现象称为 霍尔效应。
10.1霍尔式传感器
图10-1 霍尔效应原理图
10.1 霍尔效应原理图
10.1霍尔式传感器
在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场，相 应的电动势就称为霍尔电势，其大小可用下式表示：
U bE H H
10.1霍尔式传感器
流过基片的电流常称为激励电流或控制电流， 假设它分布均匀，则有 I nqvbd
将上述公式进行合并整理得
RH IB UH d
10.1霍尔式传感器
《气湿敏传感器》课件
03
CATALOGUE
气湿敏传感器的发展趋势
提高灵敏度和精度
优化材料结构
通过改进材料结构，提高气湿敏传感器的灵敏度和响应速度。
表面修饰与功能化
采用表面修饰和功能化技术，提高气湿敏传感器的选择性，降低交 叉敏感性。
微纳技术与纳米材料
利用微纳加工技术和纳米材料，减小气湿敏传感器的尺寸，提高其 精度和稳定性。
农业领域的应用
在农业生产中，气湿敏传感器可 用于监测和控制温室内的气体和 湿度，以提高农作物的生长和产
量。
通过监测温室内的气体成分和湿 度，可以及时调整环境条件，满 足不同植物生长的需求，提高农
作物的品质和产量。
此外，气湿敏传感器还可以用于 农田环境的监测，例如检测土壤 中的气体和湿度，以指导农民合
加强基础研究与技术突破
总结词
基础研究和技术突破是推动气湿敏传感器发展的重要驱动力。
详细描述
加强基础研究，深入了解气湿敏传感器的原理和机制，探索新的材料、工艺和设 计方法。同时，鼓励技术突破，推动传感器技术的创新和进步，为气湿敏传感器 的发展注入新的活力。
拓展应用领域和范围
总结词ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
拓展应用领域和范围是气湿敏传感器发展的必然趋势。
理施肥和灌溉。
医疗领域的应用
在医疗领域，气湿敏传感器可用 于监测患者的呼吸和环境中的气 体成分，以协助医生诊断和治疗
。
对于某些疾病，如哮喘、慢性阻 塞性肺病等，气湿敏传感器可以 用于监测患者的呼吸状况，及时 发现异常情况并采取相应措施。
在手术室和重症监护室等医疗环 境中，气湿敏传感器可以用于监 测空气中的气体成分和湿度，以
详细描述
为了提高气湿敏传感器的稳定性与可靠性，可以采用先进的 材料和制造工艺，优化传感器结构，提高其长期稳定性和重 复性。此外，加强质量检测和控制也是必要的措施。
第10章 气、湿敏传感器分析
一、概述
N 型 —— 如氧化锡 (SnO2)、氧化铁 (Fe2O3)、氧 化锌(ZnO)，WO2等。 ii. P 型 —— 如氧化钴 (CoO)、氧化铅 (PbO)、氧化 铜(CuO)、NiO等。 实验证明，在上述氧化物半导体材料中，掺入 适量的添加物作为催化剂，如钯(Pd)、铂(Pt)、 钛(Ti)、银(Ag)等，可提高对某些气体的选择性 和灵敏度。 在诸多半导体中，用SnO2制成的气敏电阻有很 多优点，故应用最为广泛，其特点为： 1) 气敏元件的阻值随检测气体浓度按指数关系 变化，因此适宜测量低浓度的气体。 i.
一、概述
2) SnO2 的物理、化学性能稳定、寿命长、耐腐蚀。 3) SnO2 对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时 间短，可连续长时间使用。 4) 元件结构简单，成本低，可靠性高，机械性能 好。 5) 被检测气体浓度可通过元件电阻的变化直接转 换为电信号，且灵敏度高，因此信号处理不用 放大器或不需高倍数放大电路就可实现。 由于 SnO2 具有上述特点，因此是目前生产量最 大，应用范围最广泛的一种气体敏感元件。本 节以SnO2气敏元件为主做以介绍。
二、SnO2气敏元件的工作原理
如果亲电性高 ( 即氧化 性气体 ) ，产生的表面 能级将位于费米能级 上方，如图 10-4(a) 所 示，被吸附分子从空 间电荷吸取电子而成 为负离子吸附在半导 体表面，使空间电荷 层 宽 度 增 加 ( Δd)， 势 垒高度增加 ( Δφ ) ，其 结果是空间电荷层内 由1 O2 e O 2 式中：O — 吸附氧； e — 电子的电荷量
二、SnO2气敏元件的工作原理
由于氧吸附力很强，因 此， SnO 2 气敏器件在 空气中放置时，其表面 总是会有吸附氧的， 其 吸 附 状 态 可 以 2 O 、 O 、 O 是 2 等等， 均是负电荷吸附状态， 使接触晶界电子势垒高 度升高，如图 10-2(a) 电子势垒从虚线升至实 线 ， 使 SnO2 表 面 区 载 流子浓度下降，器件电 阻升高。