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1、传感器第十章 半导体传感器(气湿)传感器原理及应用传感器原理及应用 1 气敏传感器 2 湿敏传感器 3 色敏传感器第第1010章章 半导体传感器半导体传感器主要内容：传感器原理及应用传感器原理及应用第第1010章章 半导体传感器半导体传感器 气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的器件，气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的器件，气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的器件，气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的器件，由于气体种类很多，性质各不相同，不可能由于气体种类很多，性质各不相同，不可能由于气体种类很多，性质各不相同，不可能由于气体种类很多，性质各不相同，不可能 用同用同用同用同一种气体传感器测量所
2、有气体，如：一种气体传感器测量所有气体，如：一种气体传感器测量所有气体，如：一种气体传感器测量所有气体，如：l l 工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；l l 环境保护，有害、有毒气体监测；环境保护，有害、有毒气体监测；环境保护，有害、有毒气体监测；环境保护，有害、有毒气体监测；l l 酒后驾车，乙醇浓度检测。酒后驾车，乙醇浓度检测。酒后驾车，乙醇浓度检测。酒后驾车，乙醇浓度检测。10.1 10.1 气敏传感器气敏传感器气敏传感器气敏传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第
3、10101010章章章章半导体半导体半导体半导体式传感器式传感器式传感器式传感器 10.1 10.1 气敏传感器气敏传感器气敏传感器气敏传感器 10.1.1 10.1.1 10.1.1 10.1.1 半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原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，如：反应，导致敏感元件阻值变化，如：反应，导致敏感元件阻值变化，如：反应，导致敏感元件阻值变化，如：
4、l l氧气、氧气、氧气、氧气、NONONONO2 2 2 2等具有负离子吸附倾向的气体，被称为等具有负离子吸附倾向的气体，被称为等具有负离子吸附倾向的气体，被称为等具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧化型气体氧化型气体氧化型气体氧化型气体电子接收性气体；电子接收性气体；电子接收性气体；电子接收性气体；l lH H H H2 2 2 2、COCOCOCO、碳氢化合物（烃）、醇类等具有正离子吸、碳氢化合物（烃）、醇类等具有正离子吸、碳氢化合物（烃）、醇类等具有正离子吸、碳氢化合物（烃）、醇类等具有正离子吸附倾向的气体，被称为附倾向的气体，被称为附倾向的气体，被称为附倾向的气体，被称为还原型气体还原型
5、气体还原型气体还原型气体电子供给性电子供给性电子供给性电子供给性气体。气体。气体。气体。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第10101010章章章章半导体半导体半导体半导体式传感器式传感器式传感器式传感器l l当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到N N N N型半导体上，型半导体上，型半导体上，型半导体上，半导体的载流子减少，电阻值上升；半导体的载流子减少，电阻值上升；半导体的载流子减少，电阻值上升；半导体的载流子减少，电阻值上升；l l当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到P P P P型半导体上，型半导体上，型半导体
6、上，型半导体上，半导体的载流子增多，电阻值半导体的载流子增多，电阻值半导体的载流子增多，电阻值半导体的载流子增多，电阻值下降下降下降下降；l l当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到N N N N型半导体上，型半导体上，型半导体上，型半导体上，半导体的载流子增多，电阻值半导体的载流子增多，电阻值半导体的载流子增多，电阻值半导体的载流子增多，电阻值下降下降下降下降；l l当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到P P P P型半导体上，型半导体上，型半导体上，型半导体上，半导体的载流子减少，电阻值上升半导体的载流子减少，电阻值上升
7、半导体的载流子减少，电阻值上升半导体的载流子减少，电阻值上升；N N型半导体与气体接触型半导体与气体接触时的氧化还原反映时的氧化还原反映 10.1 10.1 气敏传感器气敏传感器气敏传感器气敏传感器 10.1.1 10.1.1 10.1.1 10.1.1 半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第10101010章章章章半导体半导体半导体半导体式传感器式传感器式传感器式传感器10.1 10.1 气敏传感器气敏传感器气敏传感器气敏传感器10.1.1 10.1.1 10.1.1 10.1.1 半导体气敏传
8、感器工作原理半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理组成：敏感元件、加热器、外壳；组成：敏感元件、加热器、外壳；组成：敏感元件、加热器、外壳；组成：敏感元件、加热器、外壳；制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜型。制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜型。制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜型。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，合成时加敏感材气敏电阻的材料是金属氧化物，合成时加敏感材气敏电阻的材料是金属氧化物，合成时加敏感材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料和催化剂烧结，这些金属氧化物在常温下是绝缘料和
9、催化剂烧结，这些金属氧化物在常温下是绝缘料和催化剂烧结，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。的，制成半导体后显示气敏特性。的，制成半导体后显示气敏特性。的，制成半导体后显示气敏特性。金属氧化物有：金属氧化物有：金属氧化物有：金属氧化物有：N N N N型半导体，如：型半导体，如：型半导体，如：型半导体，如：SnO2 Fe2O3 SnO2 Fe2O3 SnO2 Fe2O3 SnO2 Fe2O3 ZnOZnOZnOZnO TiOTiOTiOTiOP P P P型半导体，如：型半导体，如：型半导体，如：型半导体，如：CoO2 CoO2 CoO2 CoO2 PbOPbOPbOPb
10、O MoO2 CrO3 MoO2 CrO3 MoO2 CrO3 MoO2 CrO3 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第10101010章章章章半导体半导体半导体半导体式传感器式传感器式传感器式传感器10.1 10.1 气敏传感器气敏传感器气敏传感器气敏传感器10.1.2 10.1.2 10.1.2 10.1.2 半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构(1)(1)(1)(1)电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述：电阻型半导体气敏传感
11、器导电机理用一句话描述：电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述：电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述：利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种变化，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种变化，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种变化，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度。类和浓度。类和浓度。类和浓度。由于空气中的含氧量大体上是恒定的，由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧的吸附因此氧的吸附量也
12、是恒定的，气敏器件阻值也相对固定。若气体浓量也是恒定的，气敏器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，器件表面将产生吸附作用，其阻值也将度发生变化，器件表面将产生吸附作用，其阻值也将随气体浓度变化而变化。根据这一特性，可以从阻值随气体浓度变化而变化。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。的变化得知吸附气体的种类和浓度。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第10101010章章章章半导体半导体半导体半导体式传感器式传感器式传感器式传感器10.1 10.1 气敏传感器气敏传感器气敏传感器气敏传感器10.1.2 10.1.2 10.1.2 10.1.2 半导体气敏传感器类型及结构半
13、导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构(1)(1)(1)(1)电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器SnO2系列气敏元件有系列气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型烧结型、薄膜型和厚膜型三种。三种。(a)烧结型气敏器件烧结型气敏器件 烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（Pt、Pb等）用水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳就构成器件。该类器件分为两种结构：直
14、热式和旁热式。直热式器件管芯体积很小，将加热丝、测量丝直接埋在金属氧化物半导体粉末材料内烧结而成。加热丝兼做一个测量电极，工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量器件的阻值。缺点：热容量小，易受环境气流的影响；测量电路与加热电路之间没有隔离而相互干扰，影响其测量参数；加热丝在加热与不加热两种情况下产生的膨胀与冷缩，容易造成器件接触不良。国产国产QM-N5型和日本费加罗型和日本费加罗TGS812、813型等气敏传感型等气敏传感器都采用这种结构。器都采用这种结构。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第10101010章章章章半导体半导体半导体半导体式传感器式传感器式传感器式传感器10.1 10.1
15、气敏传感器气敏传感器气敏传感器气敏传感器10.1.2 10.1.2 10.1.2 10.1.2 半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构(1)(1)(1)(1)电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器v电阻型气敏元件通常工电阻型气敏元件通常工电阻型气敏元件通常工电阻型气敏元件通常工作在高温状态，气敏元作在高温状态，气敏元作在高温状态，气敏元作在高温状态，气敏元件的加热作用：件的加热作用：件的加热作用：件的加热作用：为加速气体吸附和上述为加速气体吸附和上述为加速气体吸附和上述为加速气体
16、吸附和上述的氧化还原反应，提高的氧化还原反应，提高的氧化还原反应，提高的氧化还原反应，提高灵敏度和响应速度；灵敏度和响应速度；灵敏度和响应速度；灵敏度和响应速度；另外使附着在壳面上的另外使附着在壳面上的另外使附着在壳面上的另外使附着在壳面上的油雾、尘埃烧掉。油雾、尘埃烧掉。油雾、尘埃烧掉。油雾、尘埃烧掉。厚膜型气敏器件厚膜型气敏器件 将将SnO2和和ZnO等材料与等材料与315重量的硅凝胶混合制重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在的氧化铝基片上，在400800高温下烧结高温下烧结12小时小时制成。制
17、成。优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产。优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第10101010章章章章半导体半导体半导体半导体式传感器式传感器式传感器式传感器10.1 10.1 气敏传感器气敏传感器气敏传感器气敏传感器10.1.2 10.1.2 10.1.2 10.1.2 半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构半导体气敏传感器类型及结构(2)(2)(2)(2)非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器非电阻型气半导体敏传感器主要类型：非电阻型气半导体敏
18、传感器主要类型：非电阻型气半导体敏传感器主要类型：非电阻型气半导体敏传感器主要类型：利用利用利用利用MOSMOSMOSMOS二极管的电容二极管的电容二极管的电容二极管的电容电压特性变化；电压特性变化；电压特性变化；电压特性变化；利用利用利用利用MOSMOSMOSMOS场效应管的阈值电压的变化；场效应管的阈值电压的变化；场效应管的阈值电压的变化；场效应管的阈值电压的变化；利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测。气体检测。气体检测。气体检测。传感器原理及应用传感器原理及
19、应用第第1010章章 半导体传感器半导体传感器10.1 10.1 气敏传感器气敏传感器气敏传感器气敏传感器10.1.3 10.1.3 10.1.3 10.1.3 半导体气敏传感器应用半导体气敏传感器应用半导体气敏传感器应用半导体气敏传感器应用 气体浓度检测气体浓度检测传感器原理及应用传感器原理及应用第第1010章章 半导体传感器半导体传感器10.1 10.1 气敏传感器气敏传感器气敏传感器气敏传感器10.1.3 10.1.3 10.1.3 10.1.3 半导体气敏传感器应用半导体气敏传感器应用半导体气敏传感器应用半导体气敏传感器应用n酒精测试仪传感器原理及应用传感器原理及应用第第1010章章
20、半导体传感器半导体传感器10.1 10.1 气敏传感器气敏传感器气敏传感器气敏传感器10.1.3 10.1.3 10.1.3 10.1.3 半导体气敏传感器应用半导体气敏传感器应用半导体气敏传感器应用半导体气敏传感器应用防酒后驾车汽车点火电路防酒后驾车汽车点火电路传感器原理及应用传感器原理及应用第第1010章章 半导体传感器半导体传感器10.1 10.1 气敏传感器气敏传感器气敏传感器气敏传感器10.1.3 10.1.3 10.1.3 10.1.3 半导体气敏传感器应用半导体气敏传感器应用半导体气敏传感器应用半导体气敏传感器应用 红外红外多种气体检测系统多种气体检测系统动画演示动画演示 烟气分
21、析仪烟气分析仪传感器原理及应用传感器原理及应用第第1010章章 半导体传感器半导体传感器10.2 10.2 湿敏传感器湿敏传感器湿敏传感器湿敏传感器v湿度是指空气中的水蒸气含量，通常用绝对湿湿度是指空气中的水蒸气含量，通常用绝对湿度和相对湿度表示：度和相对湿度表示：绝对湿度，单位空间所含水蒸汽的绝对含量或绝对湿度，单位空间所含水蒸汽的绝对含量或浓度，用符号浓度，用符号AHAH表示，单位（表示，单位（g/m3g/m3）。）。相对湿度，被测气体中的水蒸汽压和该气体在相对湿度，被测气体中的水蒸汽压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比，一般用相同温度下饱和水蒸气压的百分比，一般用%RH%RH表示，
22、无量纲。一般使用湿度，量程表示，无量纲。一般使用湿度，量程0 0100%RH100%RH。不同环境所需湿度不同，测量方法很多，但精不同环境所需湿度不同，测量方法很多，但精度不高。目前世界上最高水平湿度测量精度在度不高。目前世界上最高水平湿度测量精度在0.01%0.01%左右，理想测湿量程应是左右，理想测湿量程应是0 0100%RH100%RH，量程越大实用价值越大。量程越大实用价值越大。为什么要测量湿度为什么要测量湿度?温温湿度变送器湿度变送器h,Tx室室 内内 空空 气气 质质 量量 100%rH贮贮 存存 /催催 熟熟生生 产产 空空 气气 质质 量量烘烘 干干 过过 程程-耗费最低的能量
23、耗费最低的能量-达到达到/保持成品的最佳品质保持成品的最佳品质-让设备高效率地进行生产让设备高效率地进行生产-更舒适更舒适-更高的工作效率更高的工作效率-使产品或原材料达到最佳品质使产品或原材料达到最佳品质传感器原理及应用传感器原理及应用第第1010章章 半导体传感器半导体传感器10.2 10.2 湿敏传感器湿敏传感器湿敏传感器湿敏传感器10.2.1 10.2.1 10.2.1 10.2.1 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻即电解质湿敏电阻，利用物质吸氯化锂湿敏电阻即电解质湿敏电阻，利用物质吸收水分子而导电率发生变化检测湿度。收水分子而导电率发生变化检测湿
24、度。氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导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。它由引线、基电率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。片、感湿层与电极组成。氯化锂通常与聚乙烯醇组成氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（混合体，在氯化锂（LiCl）溶液中，溶液中，Li和和Cl均以正负离均以正负离子的形式存在，而子的形式存在，而Li对水对水分子的吸引力强，离子水合分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。电能力与浓度成正比。当溶当溶液置于一定温湿场中，若环液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。从而实现对湿度的测量。