半导体式传感器(第七章)

半导体气敏传感器的分类：
• （1）按照半导体变化的物理性质，又可分为： – 电阻型半导体气敏元件：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 – 非电阻型半导体气敏元件：利用其它参数的变化 来检测气体的，如二极管的伏安特性。 • （2）按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限 于半导体表面或深入到半导体内部，可分为： – 表面控制型气敏电阻 – 体控制型气敏电阻
第7章 半导体传感器
概述
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。 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。
MOS二极管气敏元件结构和等效电路
第一节 气敏传感器
3、MOSFET气敏元件 Pd对H2吸附性很强，H2吸附在Pd栅上引起的Pd 功函数降低。当栅极（G）源极（S）间加正向偏 压UGS>UT阀值时，栅极氧化层下的硅从P变为N型， 钯 N型区将S（源）和 D（漏）连接起来， 形成导电通道（N型 沟道）此时MOSFET 管 结 进入工作状态。 构
以上三种电阻型气敏元 件都有加热器，通常工 作在高温状态，气敏元 件的加热作用： 为加速气体吸附和上述 的氧化还原反应，提高 灵敏度和响应速度； 另外使附着在壳面上的 油雾、尘埃烧掉。
各种可燃性气体的浓度与传感器电阻变化率的关系
SnO2气敏器件温湿度特性
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第一节
气敏传感器
三、非电阻型气敏器件 非电阻型气半导体敏传感器主要类型：
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半导瓷的电阻率随湿 度的增加而增大，称为正湿 敏特性。
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第2节 湿敏传感器
Fe3O4 正特性半导瓷湿 敏电阻阻值与湿度的 关系曲线。
• 正湿敏特性半导体瓷湿敏 电阻（例：Fe3O4），材料结构、 电子能量状态与负特性不同，总 的电阻值升高没有负特性阻值下 降的明显。
图 SnO2气敏元件电阻 与吸附气体关系
如果被测气体是氧化 性气体(如O2 、NOx)， 所谓还原性气体就是在化学 被吸附气体分子从气敏 反应中能给出电子，化学价 元件得到电子，使N 型 升高的气体。还原性气体多 半导体中载流子电子减 数属于可燃性气体，例如石 少，因而电阻值增大。 油蒸气、酒精蒸气、甲烷、 乙烷、煤气、天然气、氢气 等。 如果被测气体为还原性气体,气体分子向气敏 元件释放电子，使元件中载流子电子增多，因而电 阻值下降。
气敏电阻外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
酒精测试仪
呼气管
家庭用液化气 报警器
家用 报警 器电 路图
这种测量回路能承受较高交流电压 , 因此 , 可直 接由市电供电 ,不加复杂的放大电路 ,就能驱动蜂鸣 器等来报警。这种报警器的工作原理是 : 蜂鸣器与 气敏器件构成了简单串联电路，当气敏器件接触到 泄漏气体(如煤气、液化石油气)时 ,其阻值降低,回 路电流增大,达到报警点时蜂鸣器便发出警报。
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5
10
4
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3
0 20
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40 60 80 100% 相 对 湿 度 （ %RH）38
第2节 湿敏传感器
2)、正特性
当水份子附着半导瓷表面使电势变负时，导致电子 浓度下降，此时以电子导电为主，由于电子浓度下降， 致使电阻加大，又由于晶体内部低阻支路的存在，正特 性电阻的升高，没有负特性电阻下降明显。
第一节 气敏传感器
2、MOS二极管气敏元件 • 在P型硅氧化层上蒸发一层钯（Pd）金属膜作电极。氧化层 （SiO2）电容Ca固定不变。总电容C也是偏压的函数。MOS二 极管的等效电容C随电压U变化。 • 金属钯（Pd）对氢气（H2）特别敏感。当Pd吸附以后，使Pd 的功函数下降，使MOS管C—U特性向左平移，利用这一特性用 于测定氢气的浓度。
第2节 湿敏传感器
二、 氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻即电解质湿敏电阻，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。 典型的类型：登莫式和浸渍式 在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl以正负离 子的形式存在，锂离子（Li+）对水分子的吸 收力强，离子水合成度高，溶液中的离子导 能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导 电率上升。
甲烷传感器
NH3传感器
烟气分析仪
第9章 半导体传感器
第二节 湿敏传感器
上 电 极
Porous cover-electrode
Polymer layer
下
Base electrode
电
极
Ceramic substrate
Connection wires
最新湿度测量应用领域
为什么要测量湿度?
室内空气质量
第7章 半导体式传感器
第7章 半导体传感器
主要内容：
7.1 7.2 7.3 7.4 气敏传感器 湿敏传感器 磁敏传感器 色敏传感器
教学要求
1.掌握半导体气敏传感器的概念； 2. 熟悉半导体材料的导电机理； 3. 了解电阻型气敏器件的结构；
4. 掌握湿敏电阻的基本原理；
5. 掌握磁阻效应； 6. 掌握半导体色敏传感器的基本原理；
利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进 行气体检测 利用MOS二极管的电容—电压特性变化； 利用MOS场效应管的阈值电压的变化；
第一节 气敏传感器
1、二极管气敏传感器 金属和半导体接触的界面形成肖 特基势垒，构成金属半导体二极管。 管子加正偏压，半导体金属的电子 流增加，加负偏压，几乎无电流。 当金属与半导体界面有气体时，势 垒降低，电流变化。 非电阻型半导体气敏传感器主要 用于氢气浓度测量。
当半导体气敏传感器在洁 净的空气中开始通电加热 时，其阻值急剧下降，然 后上升，经2min～4min后 达到稳定，这段时间为初 始稳定时间，元件只有在 达到初始稳定状态后才可 用于气体检测。当电阻值 处于稳定值后，会随被测 气体的吸附情况而发生变 化，阻值发生变化的时间 (称响应时间)不到1min， 其电阻的变化规律视气体 的性质而定。
一、气敏半导体传感器的导电机理
半导瓷材料 SnO2 为例说明气敏半导材料 的导电机理。 SnO2 是 N 型半导体，其导电 机理可以用吸附效应来解释。 图7-1（a）为烧结体 N型半导瓷的模型。 它是多晶体，晶粒间有较高的电阻，晶 粒内部电阻较低。图中分别以空白部分 和黑点部分示意表示。导电通路的等效 电路如图 7-1 （ b ）所示。图中 Rn 为颈部 等效电阻， Rb 为晶粒的等效体电阻， Rs 为晶粒的等效表面电阻。其中 Rb 的阻值 较低，它不受吸附气体影响。 Rs和Rn则 受吸附气体所控制，且 Rs Rb , Rn Rb 。 由于 Rs 被 Rb 所短路。由此可见，半导体 气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和 种类而改变。
1、烧结型
烧结型气敏器件的制作是将一定配比的敏感材料（SnO2、 InO ）及掺杂剂（ Pt 、 Pb ）等以水或粘合剂调和，经研磨后 使其均匀混合，然后将已均匀混合的膏状物滴入模具内，用 传统的制陶方法进行烧结。烧结时埋入加热丝和测量电极， 最后将加热丝和测量电极焊在座上，加特制外壳构成器件。 这种器件一般分为内热式和旁热式两种结构，如图 7-2 和图 7-3所示。
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加热丝 感湿体 Ru O2 电极 隔漏环 底板
4 1 3 2 感湿体引线 接线柱
烧结型MgCr2O4-TiO2湿敏传感器结构
湿敏传感器-应用
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湿敏传感器-应用
直读式湿度计
RH为氯化锂湿度传感器，VT1、VT2、T1等组成测湿电 桥的电源, 其振荡频率为250~1000 Hz。 电桥输出级变压器 T2, C3耦合到VT3, 经VT3放大后的信号, 由VD1~VD4桥式整流 后, 输入给微安表, 指示出由于相对湿度的变化引起电流的
2、薄膜型
薄膜型气敏器件的制作首先须处理基片（玻璃石英式陶 瓷）；焊接电极，之后有采用蒸发或溅射方法在石英基片上 形成一薄层氧化物半导体薄膜。实验测得SnO2和ZnO薄膜的 气敏特性较好。 薄膜型器件外形结构如图7-4所示。这种器件具有较高的 机械强度，而且具有互换性好，产量高，成本低等优点。
3、厚膜型
注意：
• 当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气 体吸附到P型半导体上，将使载流子浓度减少， 电阻增大。 • 当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气 体吸附到P型半导体上，载流子浓度增加，电 阻减少。
第一节
气敏传感器
二、电阻型气敏器件 组成：敏感元件、加热器、外壳； 制造工艺：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，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。 金属氧化物有： • N型半导体，如：SnO2 Fe2O3 ZnO TiO • P型半导体，如： PbO MnO2 CrO3
改变, 经标定并把湿度刻划在微安表盘上 , 就成为一个简单
而实用的直读式湿度计了。
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湿敏传感器的应用 2. 自动气象站湿度测报 湿度传感器广泛用于自动气象站的遥测 装臵上，采用耗电量很小的湿度传感器可 以由蓄电瓶供电长期自动工作，几乎不需 要维护。用于无线电遥测自动气象站的湿 度测报原理方框图如图所示。
生产空气质量
h, T
100% rH
x - 让设备高效率地进行生产 - 耗费最低的能量 温湿度变送器 贮存/催熟 烘干过程 - 更舒适 - 更高的工作效率
- 达到 / 保持成品的最佳品质
- 使产品或原材料达到最佳品质
第2节 湿敏传感器