第12章 半导体式物性传感器

绝对湿度也可用水的蒸气压来表示。 绝对湿度也可用水的蒸气压来表示。设空 气的水气密度为ρv， 气的水气密度为 ，与之相应的水蒸气分压为 pv，根据理想气体状态方程，可以得出其关系 ，根据理想气体状态方程， 式为 p m
m——水气的摩尔质量； 水气的摩尔质量； 水气的摩尔质量 R——摩尔气体普适常数； 摩尔气体普适常数； 摩尔气体普适常数 T——绝对温度。 绝对温度。 绝对温度
薄膜型器件外形结构如图所 示
1、2、5、7—引线 3—半导体 8—加热器 4—电极－6—绝缘基片
这种器件具有较高的机械 强度，而且具有互换性好、 强度，而且具有互换性好、 产量高、成本低等优点。 产量高、成本低等优点。
3. 厚膜型 厚膜型
其结构如图所示
1—加热器 2—电极 加热器 电极 3—湿敏电阻 4—基片 湿敏电阻 基片
三、半导瓷湿敏电阻 半导瓷湿敏电阻
制造半导瓷湿敏电阻的材料， 制造半导瓷湿敏电阻的材料，主要是不 同类型的金属氧化物。 同类型的金属氧化物。 有一些材料电阻率随湿度的增加而下降， 有一些材料电阻率随湿度的增加而下降， 故称为负特性湿敏半导瓷 负特性湿敏半导瓷。 故称为负特性湿敏半导瓷。 还有一种材料（如Fe3O4半导瓷）的电阻 还有一种材料（ 半导瓷） 率随着湿度的增加而增大， 率随着湿度的增加而增大，称为正特性湿敏半 导瓷。 导瓷。
第一节
气敏传感器
所谓半导体气敏传感器， 所谓半导体气敏传感器，是利用半导体 气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化， 气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化， 借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度 的传感器的总称。 的传感器的总称。
半导体气敏传感器的种类如表
主要物理特性 电 阻 式 非 电 阻 式
第二节 湿敏传感器
一、绝对湿度与相对湿度
所谓湿度，是指大气中所含的水蒸气量。 所谓湿度，是指大气中所含的水蒸气量。 它有两种最常用的表示方法， 它有两种最常用的表示方法，即绝对湿度和相 对湿度。 对湿度。绝对湿度是指一定大小空间中水蒸气 的绝对含量，可用“ 表示。 的绝对含量，可用“kg/m3”表示。绝对湿度 表示 也称水气浓度或水气密度。 也称水气浓度或水气密度。
在实际生活中，许多现象与湿度有关， 在实际生活中，许多现象与湿度有关，如 水分蒸发的快慢。 水分蒸发的快慢。然而除了与空气中水气分压 有关外， 有关外，更主要的是和水气分压与饱和蒸气压 的比值有关。因此有必要引入相对湿度的概念。 的比值有关。因此有必要引入相对湿度的概念。 相对湿度为某一被测蒸气压与相同温度下 的饱和蒸气压的比值的百分数，常用%RH表 的饱和蒸气压的比值的百分数，常用 表 这是一个无量纲的值。显然， 示。这是一个无量纲的值。显然，绝对湿度给 出了水分在空间的具体含量， 出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出 了大气的潮湿程度，故使用更广泛。 了大气的潮湿程度，故使用更广泛。
此种元件一致性较 机械强度高， 好，机械强度高，适于批 量生产， 量生产，是一种有前途的 器件。 器件。
以上三种气敏器件都附有加热器。在实际应用时， 以上三种气敏器件都附有加热器。在实际应用时，加热器 油雾， 等烧掉， 能使附着在测控部分上的油雾 尘埃等烧掉 能使附着在测控部分上的油雾，尘埃等烧掉，同时加速气 体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度， 体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度，一般加 热到200～400℃，具体温度视所掺杂质不同而异。 热到 ～ ℃ 具体温度视所掺杂质不同而异。 气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜，使用方便； 气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜，使用方便；对 气体浓度变化响应快；即使在低浓度（ 气体浓度变化响应快；即使在低浓度（3000mg/kg）下， ） 灵敏度也很高。其缺点在于：稳定性差，老化较快， 灵敏度也很高。其缺点在于：稳定性差，老化较快，气体 识别能力不强；各器件之间的特性差异大等。 识别能力不强；各器件之间的特性差异大等。
虽然存在上述问题， 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， 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， 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。 的技术也日臻完善。
半导体传感器
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 气敏传感器 气敏传感器 湿敏传感器 湿敏传感器 磁敏传感器 色敏传感器 色敏传感器 离子敏传感器
与各种结构型传感器相比，具有如下特点： 与各种结构型传感器相比，具有如下特点：
1）由于传感器原理是基于物理变化的，因 ）由于传感器原理是基于物理变化的， 而没有相对运动部件，可以做到结构简单， 而没有相对运动部件，可以做到结构简单， 微型化。 微型化。 2）灵敏度高，动态性能好，输出为电物理 ）灵敏度高，动态性能好， 量。 3）采用半导体为敏感材料容易实现传感器 ） 集成化和智能化。 集成化和智能化。 4）功耗低，安全可靠。 ）功耗低，安全可靠。
半导体传感器也存在以下一些缺点：
1）线性范围窄，在精度要求高的场合应采用 ）线性范围窄， 线性化补偿电路。 线性化补偿电路。 2）与所有半导体元件一样，输出特性易受温 ）与所有半导体元件一样， 度影响而漂移，所以应采用补偿措施。 度影响而漂移，所以应采用补偿措施。 3）性能参数离散性大。 ）性能参数离散性大。
晶体管特性
一、气敏半导体材料的导电机理
为烧结体N型半 图a为烧结体 型半 为烧结体 导瓷的模型。 导瓷的模型。它是多晶 体，晶粒间界有较高的 电阻， 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。 分和黑点部分示意表示。 导电通路的等效电路如 所示。 图b所示。 所示
图中晶粒为颈部等效电阻， 为晶粒的 图中晶粒为颈部等效电阻，Rb为晶粒的 等效体电阻， 为晶粒的等效表面电阻 为晶粒的等效表面电阻。 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 的阻值较低， 的阻值较低 它不受吸附气体影响。 和 Rn则受吸附气体所控制，且Rs>>Rb， 则受吸附气体所控制， 则受吸附气体所控制 ， Rn>>Rb。由此可见，半导体气敏电阻的阻 。由此可见， 值将随吸附气体的数量和种类而改变。 值将随吸附气体的数量和种类而改变。氧化型 气体吸附到N型半导体上 将使载流子减少， 型半导体上， 气体吸附到 型半导体上，将使载流子减少， 从而使材料的电阻率增大。还原型气体吸附到 从而使材料的电阻率增大。 N型半导体上，将使载流子增多，材料电阻率 型半导体上， 型半导体上 将使载流子增多， 下降。根据这一特性， 下降。根据这一特性，就可以从阻值变化的情 况得知吸附气体的种类和浓度。 况得知吸附气体的种类和浓度。
二、氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻
氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮 离子导电率发生变化而制成的测湿元件。 解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。 典型的氯化锂湿度传感器有登莫 典型的氯化锂湿度传感器有登莫 浸渍式两种 两种。 （Dunmore）式和浸渍式两种。 ）
第十二章 半导体式物性传感器
1970年，荷兰科学家Bergveld研制出了对 氢离子响应的离子敏感场效应晶体管 离子敏感场效应晶体管，标志 离子敏感场效应晶体管 着离子敏半导体传感器的诞生。 由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器 为代表的各种固态传感器 固态传感器相继问世。这类传 固态传感器 感器主要是以半导体为敏感材料，在各种物 在各种物 理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度 或分布的变化， 或分布的变化，通过检测这些物理特性的变 化，即可反映被测参数值。
各种可燃性气体的浓度与SnO2半导瓷传感器 各种可燃性气体的浓度与 的电阻率变化的关系如图
SnO2气敏器件易受环境温度和湿度的影 响。温湿度综合特性曲线图如下

三、非电阻型气敏器件
1. 2. 3. MOS二极管气敏器件 二极管气敏器件 二极管气敏器件 Pd-MOSFET气敏器件 气敏器件 气敏器件 二极管气敏传感器
1. 半导瓷湿敏材料的导电机理
三种典型的金属氧化物半导瓷的湿敏特性如 图:
1—ZnO－LiO2－V2O5系 － － 系 2—Si－Na2O－V2O5系 － － 系 3—TiO2－MgO－Cr2O3系 － － 系
关于半导体湿敏材料的导电机理有多种理论。 关于半导体湿敏材料的导电机理有多种理论。一 般认为，作为湿敏材料的多晶陶瓷 多晶陶瓷（ 般认为，作为湿敏材料的多晶陶瓷（也称半导 ），由于晶粒间界的结构不够致密与缺乏规律性 由于晶粒间界的结构不够致密与缺乏规律性， 瓷），由于晶粒间界的结构不够致密与缺乏规律性， 不仅载流子浓度远比晶粒内部小， 不仅载流子浓度远比晶粒内部小，而且载流子迁移率 也要低得多。所以， 也要低得多。所以，一般半导瓷的晶粒间界电阻要比 体内高得多。 体内高得多。因而半导瓷的晶粒间界便成了半导瓷中 传导电流的主要障碍。正由于这种高阻效应的存在， 传导电流的主要障碍。正由于这种高阻效应的存在， 使半导瓷具有良好的湿敏特性。 使半导瓷具有良好的湿敏特性。
登莫式传感器的结构如图,图中 为聚苯乙 登莫式传感器的结构如图 图中A为聚苯乙 图中 烯包封的铝管； 为用聚乙烯醋酸盐覆盖在 为用聚乙烯醋酸盐覆盖在A 烯包封的铝管； B为用聚乙烯醋酸盐覆盖在 上的钯丝。 上的钯丝。
浸渍式传感器是在基本材料上直接浸渍氯化 锂溶液构成的。 锂溶液构成的。这类传感器的浸渍基片材料 为天然树皮。 为天然树皮。 它部分地避免了高温下所产生的湿敏膜的误 由于采用了表面积大的基片材料， 差。由于采用了表面积大的基片材料，并直 接在基片上浸渍氯化锂溶液， 接在基片上浸渍氯化锂溶液，因此这种传感 器具有小型化的特点。 器具有小型化的特点。 它适用于微小空间的湿度检测。 它适用于微小空间的湿度检测。
2. 薄膜型
薄膜型气敏器件的制作首先需处理基片（ 薄膜型气敏器件的制作首先需处理基片（玻 璃石英式陶瓷），焊接电极， ），焊接电极 璃石英式陶瓷），焊接电极，之后采用蒸发或 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 体薄膜。实验测得 薄膜的气敏特 性较好。 性较好。