第八章半导体式传感器
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2024年半导体式传感器
1.场论。场论(field theory)是美国心理学家勒温（Lewin， 1951)率先提出的理论。
2.团体动力学理论。团体动力学理论（group dynamic theory），又称群体动力学，是20世纪40年代由社会心理 学家勒温在场论的基础上提出的。
3.需求－压力论。需求－压力论(need-press)是在勒温的 “场论”基础上，用来说明个人行为是个人与环境的互动结 果的一种理论。
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第一节 气敏传感器
各种可燃性气体的浓度与SnO2半导体瓷传感器的电阻率变 化的关系如图7-6所示。对各种气体的相对灵敏度，可以通 过不同的烧结条件和添加增感剂在某种程度上进行调整。一 般说，烧结型S2气敏器件在低浓度下灵敏度高，而高浓度下 趋于稳定值。这一特点非常适宜检测低浓度微量气体。因此， 这种器件常用来检查可燃性气体的泄漏，定限报警等。目前， 检测液化石油气、管道空气等气体泄漏传感器已付诸实际应 用。
未来我们会创造一个更经济、更有效 率的世界，但是让人担心的是，人们 却没有现在过得幸福。
2024/11/21
13
[学习与实践目标]
1.掌握班级气氛的涵义和班级气氛的理论 2.编制班级气氛的测量量表和测量工具 3.掌握师生冲突问题的诊断与解决方法 4.开展教室环境布置与设计的活动
2024/11/21
第七章 半导体式传感器
第一节 气敏传感器 第二节 湿敏传感器 第三节 磁敏传感器 第四节 色敏传感器
第一节 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，借此检测特定气体的成分或者测量其 浓度的传感器的总称。
一、气敏半导体材料的导电机理
这里我们以半导瓷材料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。
2.团体动力学理论。团体动力学理论（group dynamic theory），又称群体动力学，是20世纪40年代由社会心理 学家勒温在场论的基础上提出的。
3.需求－压力论。需求－压力论(need-press)是在勒温的 “场论”基础上，用来说明个人行为是个人与环境的互动结 果的一种理论。
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第一节 气敏传感器
各种可燃性气体的浓度与SnO2半导体瓷传感器的电阻率变 化的关系如图7-6所示。对各种气体的相对灵敏度，可以通 过不同的烧结条件和添加增感剂在某种程度上进行调整。一 般说，烧结型S2气敏器件在低浓度下灵敏度高，而高浓度下 趋于稳定值。这一特点非常适宜检测低浓度微量气体。因此， 这种器件常用来检查可燃性气体的泄漏，定限报警等。目前， 检测液化石油气、管道空气等气体泄漏传感器已付诸实际应 用。
未来我们会创造一个更经济、更有效 率的世界，但是让人担心的是，人们 却没有现在过得幸福。
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13
[学习与实践目标]
1.掌握班级气氛的涵义和班级气氛的理论 2.编制班级气氛的测量量表和测量工具 3.掌握师生冲突问题的诊断与解决方法 4.开展教室环境布置与设计的活动
2024/11/21
第七章 半导体式传感器
第一节 气敏传感器 第二节 湿敏传感器 第三节 磁敏传感器 第四节 色敏传感器
第一节 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，借此检测特定气体的成分或者测量其 浓度的传感器的总称。
一、气敏半导体材料的导电机理
这里我们以半导瓷材料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。
传感器原理半导体式课件
词
光电传感器利用光敏元件将光信号转换为电信号，广泛应用于光照强度、光亮度、颜色等参数的检测 。
详细描述
光电传感器通常由光敏元件和辅助元件组成，当光敏元件受到光照时，其电阻值会发生变化，从而产 生电信号。在实践中，光电传感器常用于自动控制、机器人视觉、安全监控等领域。
热电偶传感器的应用实例
光电传感器在环境监测、图像识别、 光通信等领域有广泛应用，例如在自 动控制系统中用于检测物体位置和运 动速度等。
热电偶传感器
热电偶传感器利用热电效应，将温度差转换为电信号。热电偶传感器具有测量精 度高、稳定性好、响应速度快等优点。
热电偶传感器广泛应用于温度测量和控制系统，如工业炉温控制、发动机温度监 测等。
、噪声等环境参数。
在医疗健康领域，传感器 用于监测生理参数，如血
压、血糖、心电等。
02
半导体式传感器原理
半导体材料特性
半导体材料具有导电 性，介于金属和非金 属之间。
半导体材料中载流子 的种类和浓度对传感 器的性能有重要影响。
半导体材料的电阻率 随温度、光照、磁场 等外部条件的变化而 变化。
半导体式传感器工作原理
传感器分类
根据不同的分类标准，传感器可以分 为多种类型，如按工作原理可分为机 械式、光学式、半导体式等；按输出 信号可分为模拟式和数字式等。
传感器的工作原理
转换原理
传感器的工作原理是将输入的非电信号转换为电信号。不同的传感器采用不同 的转换原理，如电阻式传感器利用电阻随压力变化的原理，电容式传感器利用 电容量随位移变化的原理等。
未来发展方向
未来半导体式传感器的发展方向包 括高精度、高稳定性、微型化、集 成化、智能化和网络化等，同时将 不断拓展新的应用领域。
光电传感器利用光敏元件将光信号转换为电信号，广泛应用于光照强度、光亮度、颜色等参数的检测 。
详细描述
光电传感器通常由光敏元件和辅助元件组成，当光敏元件受到光照时，其电阻值会发生变化，从而产 生电信号。在实践中，光电传感器常用于自动控制、机器人视觉、安全监控等领域。
热电偶传感器的应用实例
光电传感器在环境监测、图像识别、 光通信等领域有广泛应用，例如在自 动控制系统中用于检测物体位置和运 动速度等。
热电偶传感器
热电偶传感器利用热电效应，将温度差转换为电信号。热电偶传感器具有测量精 度高、稳定性好、响应速度快等优点。
热电偶传感器广泛应用于温度测量和控制系统，如工业炉温控制、发动机温度监 测等。
、噪声等环境参数。
在医疗健康领域，传感器 用于监测生理参数，如血
压、血糖、心电等。
02
半导体式传感器原理
半导体材料特性
半导体材料具有导电 性，介于金属和非金 属之间。
半导体材料中载流子 的种类和浓度对传感 器的性能有重要影响。
半导体材料的电阻率 随温度、光照、磁场 等外部条件的变化而 变化。
半导体式传感器工作原理
传感器分类
根据不同的分类标准，传感器可以分 为多种类型，如按工作原理可分为机 械式、光学式、半导体式等；按输出 信号可分为模拟式和数字式等。
传感器的工作原理
转换原理
传感器的工作原理是将输入的非电信号转换为电信号。不同的传感器采用不同 的转换原理，如电阻式传感器利用电阻随压力变化的原理，电容式传感器利用 电容量随位移变化的原理等。
未来发展方向
未来半导体式传感器的发展方向包 括高精度、高稳定性、微型化、集 成化、智能化和网络化等，同时将 不断拓展新的应用领域。
半导体传感器
1．霍尔效应
长为L、宽为b、厚为d的导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度
为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制 电流 I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制电流 I 和磁感应强度 B 乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。这 一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件。
2．输入电阻Ri和输出电阻R0 Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值， R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻， 单位为Ω。可以在无磁场即B＝0时，用欧姆表等测量。 3．不平衡电势U0 在额定控制电流 I 之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍 尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mV。不平衡电势和额定控 制电流 I 之比为不平衡电阻r0。 4．霍尔电势温度系数α 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔 电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数α，单位为1／℃。 4
的输入电阻随温
度的增加值为
ΔRi = Rit0βt。用
稳压源供电时， 控制电流和输出 电势的减小量为
IRIR t0iR t0i(t10tt)
UHUH0R R i0 tR it(0 t1 (1 t)t)
全 补 偿 条 件 ： U H U HR()R it0(1t)
在霍尔元件的β、α为已知的条件下，即可求得R与Rt0的关系。但是，R 仍然是温度t的函数。实际的补偿电路如上图 (c)所示。调节电位器W1可 以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上 并联热敏电阻Rt。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使补 偿温度电基桥本的无输关出。电压UH相应变化，只要仔细调节，即可使其输出电压12UH与
长为L、宽为b、厚为d的导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度
为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制 电流 I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制电流 I 和磁感应强度 B 乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。这 一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件。
2．输入电阻Ri和输出电阻R0 Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值， R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻， 单位为Ω。可以在无磁场即B＝0时，用欧姆表等测量。 3．不平衡电势U0 在额定控制电流 I 之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍 尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mV。不平衡电势和额定控 制电流 I 之比为不平衡电阻r0。 4．霍尔电势温度系数α 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔 电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数α，单位为1／℃。 4
的输入电阻随温
度的增加值为
ΔRi = Rit0βt。用
稳压源供电时， 控制电流和输出 电势的减小量为
IRIR t0iR t0i(t10tt)
UHUH0R R i0 tR it(0 t1 (1 t)t)
全 补 偿 条 件 ： U H U HR()R it0(1t)
在霍尔元件的β、α为已知的条件下，即可求得R与Rt0的关系。但是，R 仍然是温度t的函数。实际的补偿电路如上图 (c)所示。调节电位器W1可 以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上 并联热敏电阻Rt。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使补 偿温度电基桥本的无输关出。电压UH相应变化，只要仔细调节，即可使其输出电压12UH与
第九章-半导体式传感器可编辑全文
湿体的周围设置一个加热器。加热温度为450℃,加
热时间为1分钟。为保证传感器的测量精度,需要对湿 度传感器定时进行加热清洗。
负湿度系数
按指数规律下降
(a)电阻-湿度特性
(b)电阻-温度特性
图9.6 MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性
注意：
烧结型Fe3O4湿敏元件的阻值会随湿度的
增加而加大，具有正特性。
正湿度系数
高分子湿敏元件
❖ 能做成湿敏元件的高分子材料有醋酸纤维素、聚胺 树脂、聚乙烯醇、羟乙基纤维等。高分子湿敏元件 有电容式、电阻式、石英振动式等。
❖ 电容式湿敏元件所用到的高分子材料是醋酸纤维素， 高分子吸湿后电容变大，它的性能稳定，重复性好， 响应快，但环境温度不能超过80oC。
❖ 石英振动式是将聚胺树脂高分子涂在石英晶体表面， 形成吸湿膜，当湿度变化时，吸湿膜的重量发生变 化，从而使石英晶体振荡频率发生变化。这种湿敏 元件在测量范围0~100%RH，误差±5%RH。
❖ 半导体磁敏电阻 ❖ 磁敏二极管 ❖ 磁敏三极管
半导体磁敏电阻
❖ 利用半导体的磁阻效应制成的。 ❖ 磁阻效应：某些材料的电阻值受磁场的影响
而改变的现象。 ❖ 利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻，利
用磁敏电阻可以制成磁场探测仪、位移和角 度检测器、安培计及磁敏交流放大器等。 ❖ 磁敏电阻根据其制作材料的不同，可分为半 导体磁敏电阻和强磁性金属薄膜磁敏电阻。
❖ 优点：制作工艺简单、成本低、功耗小、可 以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃 气体泄漏报警器。
❖ 缺点：热容量小，易受环境气流的影响；测 量回路与加热回路间没有隔离，互相影响； 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩， 易造成接触不良。
旁热式
热时间为1分钟。为保证传感器的测量精度,需要对湿 度传感器定时进行加热清洗。
负湿度系数
按指数规律下降
(a)电阻-湿度特性
(b)电阻-温度特性
图9.6 MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性
注意：
烧结型Fe3O4湿敏元件的阻值会随湿度的
增加而加大，具有正特性。
正湿度系数
高分子湿敏元件
❖ 能做成湿敏元件的高分子材料有醋酸纤维素、聚胺 树脂、聚乙烯醇、羟乙基纤维等。高分子湿敏元件 有电容式、电阻式、石英振动式等。
❖ 电容式湿敏元件所用到的高分子材料是醋酸纤维素， 高分子吸湿后电容变大，它的性能稳定，重复性好， 响应快，但环境温度不能超过80oC。
❖ 石英振动式是将聚胺树脂高分子涂在石英晶体表面， 形成吸湿膜，当湿度变化时，吸湿膜的重量发生变 化，从而使石英晶体振荡频率发生变化。这种湿敏 元件在测量范围0~100%RH，误差±5%RH。
❖ 半导体磁敏电阻 ❖ 磁敏二极管 ❖ 磁敏三极管
半导体磁敏电阻
❖ 利用半导体的磁阻效应制成的。 ❖ 磁阻效应：某些材料的电阻值受磁场的影响
而改变的现象。 ❖ 利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻，利
用磁敏电阻可以制成磁场探测仪、位移和角 度检测器、安培计及磁敏交流放大器等。 ❖ 磁敏电阻根据其制作材料的不同，可分为半 导体磁敏电阻和强磁性金属薄膜磁敏电阻。
❖ 优点：制作工艺简单、成本低、功耗小、可 以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃 气体泄漏报警器。
❖ 缺点：热容量小，易受环境气流的影响；测 量回路与加热回路间没有隔离，互相影响； 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩， 易造成接触不良。
旁热式
半导体传感器的原理与应用
半导体传感器的原理与应用一、什么是半导体传感器半导体传感器是一种利用半导体材料特性进行物理、化学量测量的传感器。
半导体材料是指在温度较高时，导电性大致介于导体和绝缘体之间的物质。
半导体传感器广泛应用于环境监测、工业自动化、医疗仪器等领域。
二、半导体传感器的工作原理半导体传感器的工作原理基于半导体材料的特性，主要包括以下步骤：1.材料选择：选择合适的半导体材料，如硅、锗等。
材料的选择取决于传感器要测量的物理或化学量的特性。
2.材料加工：对半导体材料进行加工，通常包括晶体生长、切割、抛光等工艺，以获得符合要求的传感器元件。
3.接触电极制备：通过沉积金属薄膜或其他电导材料，制备出用于与被测物接触的电极或反应层。
接触电极的材料和形状也是根据要测量的物理或化学量的不同而选择的。
4.电流或电压测量：将电流或电压施加到半导体传感器中，根据传感器的特性，通过测量电阻、电导率、电容等参数，计算出被测量物理或化学量的值。
三、半导体传感器的应用领域半导体传感器由于其高灵敏度、快速响应和可靠性等优势，广泛应用于以下领域：1.环境监测：半导体传感器可以用于检测温度、湿度、气体浓度等环境参数。
在空气质量监测、室内空调控制和农业温室管理等方面发挥重要作用。
2.工业自动化：在工业自动化领域，半导体传感器被用于测量压力、流量、位移等物理量。
通过实时监测和控制，提高生产效率和产品质量。
3.医疗仪器：半导体传感器可以测量血氧浓度、体温等生命体征参数，用于医疗仪器中，如血氧仪、体温计等。
在医疗诊断和治疗中起到重要作用。
4.汽车电子：半导体传感器在汽车电子中广泛应用，如气囊传感器、氧气传感器等。
提高汽车安全性能和燃油效率。
四、半导体传感器的发展趋势随着科技的不断发展，半导体传感器也在不断创新和进步。
未来的发展趋势主要包括：1.小型化和集成化：半导体传感器的体积将越来越小，以适应微型化设备和系统的需求。
同时，将更多的传感器集成在一个芯片上，提高系统的集成度和简化制造工艺。
半导体传感器
2 湿敏传感器
2.2 半导体陶瓷湿敏电阻 ◆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。这些材料有ZnO-LiOV2O5系、 Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等， 前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿 敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增大而增大，故 称为正特性湿敏半导体陶瓷（为叙述方便，有时将半导体 陶瓷简称为半导瓷）。
2 湿敏传感器
2 湿敏传感器
图10-6 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器结构
ห้องสมุดไป่ตู้
2 湿敏传感器
图10-7 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器相对湿度与电阻的关系
● 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10-7所示。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。
2 湿敏传感器 ◆水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水
蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下水的饱 和蒸气压差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中 的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气 中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100％ RH。该温度称为空气的露点温度，简称露点。如果这一温 度低于0℃时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。两者统称 为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表 示空气中的湿度。
2 湿敏传感器
图10-5 Fe3O4半导瓷湿敏电阻特性
3. 典型半导瓷湿敏元件 (1) MgCr2O4-TiO2湿敏元件 ●氧化镁复合氧化物——二氧化钛湿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Ｐ 型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好，结构如图10-6 所示。
《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
8-半导体传感器可修改全文
0.5 33
(单 位 : mm )
氧 化 物半 导 体 Pt电 极 氧 化 铝基 片
7
器 件 加热 用 的 加 热 器(印 制 厚 膜 电阻 )
(c)
图8-1
(c) 厚膜型器件
图8-1(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2半导体材 料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加 压、温度为700~900℃的制陶工艺烧结成形。因此，被称为 半导体陶瓷，简称半导瓷。半导瓷内的晶粒直径为1μm左右， 晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气体检测灵敏度则无很 大的影响。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；但由于 烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能 一致性较差，因此应用受到一定限制。
这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感元件 表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，从而提高器件 的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200~400℃ 左右。
加热方式：直热式 旁热式
直热式器件是将加热丝、 测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中 烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路下 使用， 但热容量小， 易受环境气流的影响，测量回路和加热回 路间没有隔离而相互影响。
3. 典型半导瓷湿敏元件
（1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件 氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿 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Ｐ型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好， 在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。 金电极与引 出线烧结在一起，为了减少测量误差，在陶瓷片外设置由镍铬 丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗， 排除恶劣气氛对器 件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上， 电极引线一般采用铂— 铱合金。
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气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和
测量氧气浓度的两大类。
表二给出了半导体气敏传感器的应用举例。
23
1.气 敏 传 感 器
表二 半导体气敏传感器的各种检测对象气体
24
1.气 敏 传 感 器
一、还原性气体传感器
所谓还原性气体就是在化学反应中能给出 电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属 于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲 烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
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
半导体分为：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 化铜等。为提高选择性和灵敏度，还会渗入催化剂， 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
4
1.气 敏 传 感 器
（1）体电阻控制型气敏传感器 利用体电阻的变化来检测气体，主要对象有液化 石油气（主要是丙烷）、煤气（主要是氢气、CO）、 天然气（主要是甲烷）。
12
1.气 敏 传 感 器
图1表示了气体接触 N型半导体时所产生的 器件阻值变化情况。空 气中气体含量恒定，器 件阻值也相对固定。若 气体浓度发生变化，其 阻值也将变化。根据这 一特性，可以从阻值的 变化得知吸附气体的种 类和浓度。N型材料有 SnO2、ZnO、TiO2等，P 型材料有MoO2、Cr2O3等。
7
1.气 敏 传 感 器
表一 半导体气敏元件的分类
8
1.气 敏 传 感 器
二、半导体气敏传感器 的机理 半导体气敏传感器 是利用气体在半导体表 面的氧化和还原反应导
致敏感元件阻值变化而
制成的。
9
1.气 敏 传 感 器
当半导体材料的分子相对于吸附分子来说 易于失去电子，吸附分子将从器件夺得电子而变
测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、 ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、 激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的 半导体器件。
25
1.气 敏 传 感 器
气敏电阻外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
26
1.气 敏 传 感 器
家庭用煤气报警器
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1.气 敏 传 感 器
其他气体传感器
成负离子吸附，半导体表面呈现正电荷层。例如
氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型
气体或电子接收性气体。如果半导体材料的分子
相对于吸附分子来说易于得到电子，吸附分子将 向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正 离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇 类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。 10
36
2.湿 敏 传 感 器
二、氯化锂湿敏电阻 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。 由引线、基片、感湿层 与电极组成，如图6所示。 氯化锂通常与聚乙烯醇 组 成 混 合 体， 在 氯 化 锂 溶 液 中 ， Li 和 Cl均 以 正 负 离 子 的 形 式 存 在， 而 Li＋对水分子的吸引力强， 其溶液中的离子导电能 力与浓度成正比。
图2 (c) 厚 膜型器件
18
1.气 敏 传 感 器
加热方式一般有直热式和旁热式两种，直热式气敏 器件的结构及符号如图3所示，它是将加热丝、测量丝 直接埋入SnO2 或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热 丝通电，测量丝用于测量器件阻值。制造工艺简单、成 本低、功耗小，但热容量小，易受环境气流的影响，测 量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。
31
休息一下
班主任张老师怒气冲冲的走进教室厉声说：你 们叫我语文张，我忍了。但新来的政治老师范 老师，你们为什么叫她政治犯呢？
32
2.湿 敏 传 感 器
一、湿度 二、氯化锂湿敏电阻 三、半导体陶瓷湿敏电阻 四、湿敏电阻传感器的应用
33
2.湿 敏 传 感 器
一、湿度 在四五月份，人们经常会感到闷热不适，地 面返潮，这种现象的本质是空气中的相对湿度太 大造成的。 湿度的检测与控制在现代科研、生产、生活 中的地位越来越重要。例如：许多储物仓库在湿 度超过一定程度时，物品易发生变质或者霉变现 象；居家的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的 湿度保持在60%-70%RH；在农业生产中的温室育 苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行 34 检测和控制。
2.湿 敏 传 感 器
三、半导体陶瓷湿敏电阻 通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料 混合烧结而成为多孔陶瓷。如ZnO-LiO2-V2O5系、 Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。 1.负特性湿敏半导瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场， 当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表 面俘获电子，如果该半导瓷是Ｐ型半导体，则水 分子吸附将吸引更多的空穴到达其表面（电子和 空穴分离，电子被吸附），于是，其表面层的电 39 阻下降。
料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一
定限制。
16
1.气 敏 传 感 器
图2(b)为薄膜型器件。 它采用蒸发或溅射工艺， 在石英基片上形成氧化物 半导体薄膜（其厚度约在 100nm 以 下 ） ， 制 作 方 法 简单。实验证明，SnO2 半 导体薄膜的气敏特性最好， 但这种半导体薄膜为物理 性附着，因此器件间性能 图2 气敏半导体传感器的器件结构 (b) 薄膜型器件 差异较大。
甲烷传感器
NH3传感器
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1.气 敏 传 感 器
二、氧浓度传感器 氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
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1.气 敏 传 感 器
汽车尾气分析
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1.气 敏 传 感 器
三、自动空气净化装置 当室内空气污浊，烟雾或者其他污染气体使气 敏元件阻值下降，电路导通，接通风扇，排放污浊 气体，或者使用燃烧装置烧掉，换进新鲜空气。 当室内污 浊气体浓度下降 到希望的数值时， 气敏元件阻值上 升，电路断开， 加热器和风扇停 止工作。
1.气 敏 传 感 器
当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型 气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子 减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N 型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时， 则载流子增多，使半导体电阻值下降。
N型半 导体
P型半 导体
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1.气 敏 传 感 器
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用 的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存 在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣， 而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物， 附着在元件表面，往往会使其性能变差。
35
2.湿 敏 传 感 器
一定温度和压力下，一定数量的空气只能容纳 一定限度的水蒸气。当一定数量的空气在该温度和 压力下最大限度容纳水蒸气，这样的空气称饱和空 气；未能最大限度容纳水蒸气，这样的空气称未饱 和空气。 在一定大气压力下，温度和大气中水汽含量的 最大值之间的关系是确定的，可以查表得到。例如， 同样是17g/m3的绝对湿度，如果是在炎热的夏天中 午，由于离当时的饱和状态尚远，人就感到干燥； 如果是在初夏的傍晚，虽然水汽密度仍为17g/m3， 但气温比中午下降很多，使大气水汽密度接近饱和 状态，人们就会感到汗水不易挥发，因此觉得闷热。
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1.气 敏 传 感 器
厚膜型器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能 印刷的厚膜胶，再印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制 成。这种工艺制成的元件机械强度高，离散度小，适合大批 量生产。这些器件全部附有加热器，作用是将附着在敏感元 件表面的尘埃、油雾等烧掉，加速气体吸附和反应，从而提 高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在 200~400℃左右。
C SiO 2 Ca P—Si Cs O (a) (b) (c)
22
a b
图5 MOS二极管结构 和等效电路 (a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
V
1.气 敏 传 感 器
四、气敏传感器应用
半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响
应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低
等优点，得到了广泛的应用。按其用途可分为 以下几种类型：气体泄露报警、自动控制、自 动测试等。
第八章 半导体式传感器
1. 气敏传感器 2. 湿敏传感器 3.色敏传感器
1
1.气 敏 传 感 器
一、概述
二、半导体气敏传感器的机理
三、半导体气敏传感器类型及结构
四、气敏传感器应用
可燃气体报警器
2
1.气 敏 传 感 器
一、概述
气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和
成分的传感器。由于气体种类繁多, 性质各不
图1 N型半导体吸附 气体时器件阻值变化图 13
1.气 敏 传 感 器
三、半导体气敏传感器类型及结构
1.电阻型半导体气敏传感器
按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚膜 型三种。
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1.气 敏 传 感 器
图2 气敏半导体传感器的器件结构 (a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
图6 湿敏电阻结构示意图
37
2.湿 敏 传 感 器
当溶液置于一定温湿 场中，若环境相对湿度高， 溶液将吸收水分，使浓度 降低，因此，溶液电阻率 增高。反之，环境相对湿 度变低时，溶液浓度升高， 其电阻率下降，从而实现 对湿度的测量。氯化锂湿 敏元件的电阻—湿度特性 曲线如图7所示。
图7 氯化锂湿度—电阻特性 曲线 38
15
1.气 敏 传 感 器
图2(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2
半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2
材料中，用加热、加压、温度为700~900℃的制陶 工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称 但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材
半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；
测量氧气浓度的两大类。
表二给出了半导体气敏传感器的应用举例。
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1.气 敏 传 感 器
表二 半导体气敏传感器的各种检测对象气体
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1.气 敏 传 感 器
一、还原性气体传感器
所谓还原性气体就是在化学反应中能给出 电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属 于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲 烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
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
半导体分为：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 化铜等。为提高选择性和灵敏度，还会渗入催化剂， 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
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1.气 敏 传 感 器
（1）体电阻控制型气敏传感器 利用体电阻的变化来检测气体，主要对象有液化 石油气（主要是丙烷）、煤气（主要是氢气、CO）、 天然气（主要是甲烷）。
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1.气 敏 传 感 器
图1表示了气体接触 N型半导体时所产生的 器件阻值变化情况。空 气中气体含量恒定，器 件阻值也相对固定。若 气体浓度发生变化，其 阻值也将变化。根据这 一特性，可以从阻值的 变化得知吸附气体的种 类和浓度。N型材料有 SnO2、ZnO、TiO2等，P 型材料有MoO2、Cr2O3等。
7
1.气 敏 传 感 器
表一 半导体气敏元件的分类
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1.气 敏 传 感 器
二、半导体气敏传感器 的机理 半导体气敏传感器 是利用气体在半导体表 面的氧化和还原反应导
致敏感元件阻值变化而
制成的。
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1.气 敏 传 感 器
当半导体材料的分子相对于吸附分子来说 易于失去电子，吸附分子将从器件夺得电子而变
测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、 ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、 激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的 半导体器件。
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1.气 敏 传 感 器
气敏电阻外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
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1.气 敏 传 感 器
家庭用煤气报警器
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1.气 敏 传 感 器
其他气体传感器
成负离子吸附，半导体表面呈现正电荷层。例如
氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型
气体或电子接收性气体。如果半导体材料的分子
相对于吸附分子来说易于得到电子，吸附分子将 向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正 离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇 类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。 10
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2.湿 敏 传 感 器
二、氯化锂湿敏电阻 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。 由引线、基片、感湿层 与电极组成，如图6所示。 氯化锂通常与聚乙烯醇 组 成 混 合 体， 在 氯 化 锂 溶 液 中 ， Li 和 Cl均 以 正 负 离 子 的 形 式 存 在， 而 Li＋对水分子的吸引力强， 其溶液中的离子导电能 力与浓度成正比。
图2 (c) 厚 膜型器件
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1.气 敏 传 感 器
加热方式一般有直热式和旁热式两种，直热式气敏 器件的结构及符号如图3所示，它是将加热丝、测量丝 直接埋入SnO2 或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热 丝通电，测量丝用于测量器件阻值。制造工艺简单、成 本低、功耗小，但热容量小，易受环境气流的影响，测 量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。
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休息一下
班主任张老师怒气冲冲的走进教室厉声说：你 们叫我语文张，我忍了。但新来的政治老师范 老师，你们为什么叫她政治犯呢？
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2.湿 敏 传 感 器
一、湿度 二、氯化锂湿敏电阻 三、半导体陶瓷湿敏电阻 四、湿敏电阻传感器的应用
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2.湿 敏 传 感 器
一、湿度 在四五月份，人们经常会感到闷热不适，地 面返潮，这种现象的本质是空气中的相对湿度太 大造成的。 湿度的检测与控制在现代科研、生产、生活 中的地位越来越重要。例如：许多储物仓库在湿 度超过一定程度时，物品易发生变质或者霉变现 象；居家的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的 湿度保持在60%-70%RH；在农业生产中的温室育 苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行 34 检测和控制。
2.湿 敏 传 感 器
三、半导体陶瓷湿敏电阻 通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料 混合烧结而成为多孔陶瓷。如ZnO-LiO2-V2O5系、 Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。 1.负特性湿敏半导瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场， 当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表 面俘获电子，如果该半导瓷是Ｐ型半导体，则水 分子吸附将吸引更多的空穴到达其表面（电子和 空穴分离，电子被吸附），于是，其表面层的电 39 阻下降。
料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一
定限制。
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1.气 敏 传 感 器
图2(b)为薄膜型器件。 它采用蒸发或溅射工艺， 在石英基片上形成氧化物 半导体薄膜（其厚度约在 100nm 以 下 ） ， 制 作 方 法 简单。实验证明，SnO2 半 导体薄膜的气敏特性最好， 但这种半导体薄膜为物理 性附着，因此器件间性能 图2 气敏半导体传感器的器件结构 (b) 薄膜型器件 差异较大。
甲烷传感器
NH3传感器
28
1.气 敏 传 感 器
二、氧浓度传感器 氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
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1.气 敏 传 感 器
汽车尾气分析
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1.气 敏 传 感 器
三、自动空气净化装置 当室内空气污浊，烟雾或者其他污染气体使气 敏元件阻值下降，电路导通，接通风扇，排放污浊 气体，或者使用燃烧装置烧掉，换进新鲜空气。 当室内污 浊气体浓度下降 到希望的数值时， 气敏元件阻值上 升，电路断开， 加热器和风扇停 止工作。
1.气 敏 传 感 器
当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型 气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子 减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N 型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时， 则载流子增多，使半导体电阻值下降。
N型半 导体
P型半 导体
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1.气 敏 传 感 器
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用 的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存 在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣， 而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物， 附着在元件表面，往往会使其性能变差。
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2.湿 敏 传 感 器
一定温度和压力下，一定数量的空气只能容纳 一定限度的水蒸气。当一定数量的空气在该温度和 压力下最大限度容纳水蒸气，这样的空气称饱和空 气；未能最大限度容纳水蒸气，这样的空气称未饱 和空气。 在一定大气压力下，温度和大气中水汽含量的 最大值之间的关系是确定的，可以查表得到。例如， 同样是17g/m3的绝对湿度，如果是在炎热的夏天中 午，由于离当时的饱和状态尚远，人就感到干燥； 如果是在初夏的傍晚，虽然水汽密度仍为17g/m3， 但气温比中午下降很多，使大气水汽密度接近饱和 状态，人们就会感到汗水不易挥发，因此觉得闷热。
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1.气 敏 传 感 器
厚膜型器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能 印刷的厚膜胶，再印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制 成。这种工艺制成的元件机械强度高，离散度小，适合大批 量生产。这些器件全部附有加热器，作用是将附着在敏感元 件表面的尘埃、油雾等烧掉，加速气体吸附和反应，从而提 高器件的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在 200~400℃左右。
C SiO 2 Ca P—Si Cs O (a) (b) (c)
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a b
图5 MOS二极管结构 和等效电路 (a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
V
1.气 敏 传 感 器
四、气敏传感器应用
半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响
应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低
等优点，得到了广泛的应用。按其用途可分为 以下几种类型：气体泄露报警、自动控制、自 动测试等。
第八章 半导体式传感器
1. 气敏传感器 2. 湿敏传感器 3.色敏传感器
1
1.气 敏 传 感 器
一、概述
二、半导体气敏传感器的机理
三、半导体气敏传感器类型及结构
四、气敏传感器应用
可燃气体报警器
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1.气 敏 传 感 器
一、概述
气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和
成分的传感器。由于气体种类繁多, 性质各不
图1 N型半导体吸附 气体时器件阻值变化图 13
1.气 敏 传 感 器
三、半导体气敏传感器类型及结构
1.电阻型半导体气敏传感器
按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚膜 型三种。
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1.气 敏 传 感 器
图2 气敏半导体传感器的器件结构 (a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
图6 湿敏电阻结构示意图
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2.湿 敏 传 感 器
当溶液置于一定温湿 场中，若环境相对湿度高， 溶液将吸收水分，使浓度 降低，因此，溶液电阻率 增高。反之，环境相对湿 度变低时，溶液浓度升高， 其电阻率下降，从而实现 对湿度的测量。氯化锂湿 敏元件的电阻—湿度特性 曲线如图7所示。
图7 氯化锂湿度—电阻特性 曲线 38
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1.气 敏 传 感 器
图2(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2
半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2
材料中，用加热、加压、温度为700~900℃的制陶 工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称 但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材
半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；