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1、第8章 半导体传感器第第11章章气体传感器及其应用气体传感器及其应用11.1热热导式气体传感器导式气体传感器11.2接触燃烧式气敏传感器接触燃烧式气敏传感器11.3半导体气体传感器半导体气体传感器11.4红外气敏传感器红外气敏传感器11.5光纤气敏传感器光纤气敏传感器11.6气敏传感器应用实例气敏传感器应用实例第8章 半导体传感器气气体体传传感感器器：气体传感器是一种把气体中的特定成分检测出来,并将它转换为电信号的器件,以便提供有关待测气体的存在及浓度大小的信息。气气体体传传感感器器是是气气体体检检测测系系统统的的核核心心，通通常常安安装装在在探探测测头头内内，探探测测头头通通过过气气体体传传
2、感感器器对对气气体体样样品品进进行行调调理理，包括滤除包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理等。杂质和干扰气体、干燥或制冷处理等。是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，检测特定气体成分或测量其浓度的传感器总称。化，检测特定气体成分或测量其浓度的传感器总称。第8章 半导体传感器离子感烟器工作原理：探测器上有一只发光二极管和为探测器现场的显示。如果探测器通电，处于正常监视状态，LED会每10秒闪亮一次。在报警状态，LED将锁定恒亮直至探测器复位。每一探测器内含一对常开触点（A型）用于联接到报警控制电路还一组常开/常闭辅助触点（C点）。对
3、探测器电源的监视是通过在探测器电源回路末端安装一电源监视终端断电器来完成。当电流加向并流过探测器时，终端电源监视模块被上电，其断电器触点闭合使控制器的报警回路形成闭合的串联电路。一旦断电或探测器回路断开，终端模块将失电，断电器触点脱开并向控制器触发故障信号。第8章 半导体传感器气敏传感器主要检测对象及其应用场所气敏传感器主要检测对象及其应用场所 分分类类检测对检测对象气体象气体应应用用场场合合易燃易爆气体易燃易爆气体液化石油气、焦炉煤气、液化石油气、焦炉煤气、发发生炉煤气、天然气生炉煤气、天然气甲甲烷烷氢氢气气家庭用家庭用煤煤矿矿冶金、冶金、试验试验室室有毒气体有毒气体一氧化碳（不完全燃一氧化
4、碳（不完全燃烧烧的煤气）的煤气）硫化硫化氢氢、含硫的有机化合物、含硫的有机化合物卤卤素，素，卤卤化物，氨气等化物，氨气等煤气灶等煤气灶等石油工石油工业业、制、制药药厂厂冶冶炼炼厂、化肥厂厂、化肥厂环环境气体境气体氧气（缺氧）氧气（缺氧）水蒸气（水蒸气（调节调节湿度，防止湿度，防止结结露）露）大气大气污污染（染（SOx,NOx,CL2等）等）地下工程、家庭地下工程、家庭电电子子设备设备、汽、汽车车、温室、温室工工业业区区工工业业气体气体燃燃烧过烧过程气体控制，程气体控制，调节调节燃燃/空比空比一氧化碳（防止不完全燃一氧化碳（防止不完全燃烧烧）水蒸气（食品加工）水蒸气（食品加工）内燃机，内燃机，锅
5、锅炉炉内燃机、冶内燃机、冶炼炼厂厂电电子灶子灶其它灾害其它灾害烟烟雾雾，司机呼出酒精，司机呼出酒精火灾火灾预报预报，事故，事故预报预报第8章 半导体传感器气体传感器的性能必须满足下列条件：气体传感器的性能必须满足下列条件：（1）能够检测并能及时给出报警、显示与控制信号；）能够检测并能及时给出报警、显示与控制信号；（2）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；）对被测气体以外的共存气体或物质不敏感；（3）性能稳定性、重复性好；）性能稳定性、重复性好；（4）动态特性好、响应迅速；）动态特性好、响应迅速；（5）使用、维护方便，价格便宜。）使用、维护方便，价格便宜。离子感烟器第8章 半导体传感器11.2
6、接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器第8章 半导体传感器1 1、检测原理、检测原理 可可燃燃性性气气体体(H2、CO、CH4等等)与与空空气气中中的的氧氧接接触触，发发生生氧氧化化反反应应，产产生生反反应应热热(无无焰焰接接触触燃燃烧烧热热)，使使得得作作为为敏敏感感材材料料的的铂丝温度升高，电阻值相应增大。铂丝温度升高，电阻值相应增大。一一般般，空空气气中中可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度都都不不太太高高(低低于于10)，可可燃燃性性气气体体可可以以完完全全燃燃烧烧，其其发发热热量量与与可可燃燃性性气气体体的的浓浓度度有有关关。可可燃燃性性气气体体浓浓度度愈愈大大，氧氧化化反反应应(燃燃
7、烧烧)产产生生的的热热量量(燃燃烧烧热热)愈愈多，铂丝的温度变化多，铂丝的温度变化(增高增高)愈大，其电阻值增加的就越多。愈大，其电阻值增加的就越多。因因此此，只只要要测测定定作作为为敏敏感感件件的的铂铂丝丝的的电电阻阻变变化化值值，就就可可检检测空气中可燃性气体的浓度。测空气中可燃性气体的浓度。但但是是，使使用用单单纯纯的的铂铂丝丝线线圈圈作作为为检检测测元元件件，寿寿命命较较短短，实实际际应应用用的的检检测测元元件件，都都是是在在铂铂丝丝圈圈外外面面涂涂覆覆一一层层氧氧化化物物触触媒媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响
8、应特性。第8章 半导体传感器 接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路如图。F1是是检检测测元元件件；F2是是补补偿偿元元件件，作作用用是是补补偿偿可可燃燃性性气气体体接接触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差触燃烧以外的环境温度、电源电压变化等因素所引起的偏差。工工作作时时，要要求求在在F1和和F2上上保保持持100200mA的的电电流流通通过过，供供可可燃燃性性气气体体在在检检测测元元件件F1上上发发生生氧氧化化反反应应(接接触触燃燃烧烧)所所需需的的热热量量。当当检检测测元元件件F1与与可可燃燃性性气气体体接接触触时时，由由于于剧剧烈烈的的氧氧
9、化化作作用用(燃燃烧烧)，释释放放出出热热量量，使使得得检检测测元元件件的的温温度度上上升升，电电阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在阻值相应增大，桥式电路不再平衡，在A、B间产生电位差间产生电位差E。AF2F1MR1R2CBDW2W1E0第8章 半导体传感器11.3半导体气体传感器半导体气体传感器利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生变化，以此检测特定气体的成分及浓度。变化，以此检测特定气体的成分及浓度。第8章 半导体传感器表11.2半导体气敏器件的分类从表中看出,目前研究和使用的半导体气敏器件大体上可分为电电阻阻式式和和非非电电阻阻式
10、式两大类。电电阻阻式式又又可可分分成成表表面面电电阻阻控控制制型型和和体体电电阻阻控控制制型型。非非电电阻阻式式又又可可分分为为利利用用表表面面电电位的、二极管整流特性的和晶体管特性的三种位的、二极管整流特性的和晶体管特性的三种。第8章 半导体传感器一、一、半导体电阻型气敏器件半导体电阻型气敏器件电电阻阻型型半半导导体体气气敏敏元元件件的的敏敏感感部部分分是是金金属属氧氧化化物物半半导导体体微微结结晶晶粒粒子子烧烧结结体体，是是由由金金属属氧氧化化物物为为基基体体材材料料，添添加加不不同同物物质质在在高高温温下下烧烧结结而而成成的的，在在烧烧结结体体的的内内部部还还装有测定电阻的电极。装有测定
11、电阻的电极。由由于于半半导导体体材材料料的的特特殊殊性性质质,气气体体在在半半导导体体材材料料颗颗粒粒表表面面的的吸吸附附可可导导致致材材料料载载流流子子浓浓度度发发生生相相应应的的变变化化,从从而而改变半导体元件的电导率改变半导体元件的电导率。由由氧氧化化物物半半导导体体粉粉末末制制成成的的气气敏敏元元件件,具具有有很很好好的的疏疏松性松性,有利于气体的吸附有利于气体的吸附,因此其响应速度和灵敏度都较好。因此其响应速度和灵敏度都较好。第8章 半导体传感器1表面电阻控制型气敏器件表面电阻控制型气敏器件它是利利用用半半导导体体表表面面因因吸吸附附气气体体引引起起半半导导体体元元件件电电阻值变化特
12、性制成的一类传感器。阻值变化特性制成的一类传感器。多数是以可燃性气体为检测对象,但如果吸附能力很强,即使是非可燃性气体也能作为检测对象。这种类型的传感器,具有气体检测灵敏度高、响应速度比一般传感器快、实用价值大等优点。表表面面电电阻阻控控制制型型半半导导体体气气敏敏器器件件主要是靠表面电导率变化的信息来检验被接触气体分子。因此,要求做这种器件的半导体材料的体内电导率一定要小,这样才能提高气敏器件的灵敏度。第8章 半导体传感器图11.4表面电阻控制型气体传感器的结构(a)烧结型；(b)薄膜型;(c)厚膜型;(d)多层结构型第8章 半导体传感器图11.4表面电阻控制型气体传感器的结构(a)烧结型；
13、(b)薄膜型;(c)厚膜型;(d)多层结构型第8章 半导体传感器气敏器件的阻值R与空气中被测气体的浓度C成对数关系变化:(11.22)式中：式中：n：与气体检测灵敏度有关与气体检测灵敏度有关,除了随传感器材料和气除了随传感器材料和气体种类不同而变化外体种类不同而变化外,还会由于测量温度和激活剂的不还会由于测量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化。同而发生大幅度的变化。m：是随气体浓度而变化的传感器灵敏度（也称为是随气体浓度而变化的传感器灵敏度（也称为气体分离度）气体分离度）,对于可燃性气体对于可燃性气体,1/3m1/2。第8章 半导体传感器图11.5氧化锡气敏传感器阻值与被测气体浓度的关系第8
14、章 半导体传感器2体电阻控制型气敏器件体电阻控制型气敏器件体电阻控制型半导体气敏器件与被检测气体接触时,引起器件体电阻改变的原因比较多。对对热热敏敏型型气气敏敏器器件件而而言言,在在600900下下,在在半半导导体体表表面面吸吸附附可可燃燃性性气气体体时时,由由于于这这类类器器件件的的工工作作温温度度比比较较高高,被被吸吸附附气气体体燃燃烧烧使使器器件件的的温温度度进进一一步步升升高高,因因此此,半半导导体体的的体体电阻发生变化。电阻发生变化。另另外外，由由于于添添加加物物和和吸吸附附气气体体分分子子在在半半导导体体能能带带中中形形成成新新能能级级的的同同时时，母母体体中中生生成成晶晶格格缺缺
15、陷陷，也也会会引引起起半半导导体体的体电阻发生变化。的体电阻发生变化。利用这些特性可以检测各种气体。第8章 半导体传感器目前常使用的-Fe2O3气敏器件,其结构如图11.6所示。(氧化物半导体,由于化学反应强而且容易还原的氧化物,在比较低的温度下与气体接触时晶体中的结构缺陷就发生变化,继之体电阻发生变化,因此,可以检测各种气体)图11.6-Fe2O3气敏器件结构第8章 半导体传感器当它与气体接触时,随着气体浓度增加形成Fe+2离子,而变成为Fe3O4,使器件的体电阻下降。也就是说,由-Fe2O3被还原成Fe3O4时形成Fe+2离子。它们之间的还原-氧化反应为:还原氧化（8.23）-Fe2O3和
16、Fe3O4都属于尖晶石结构的晶体,进行这种转变时,晶体结构并不发生变化。这种转变又是可逆的。当被测气体脱离后又氧化而恢复原状态。这就是-Fe2O3气敏器件的工作原理。第8章 半导体传感器Fe2O3类气敏传感器不用贵金属催化剂,但也要用加热措施,通常在元件外部由电热丝烘烤。接触还原性气体后电阻值下降。典型三氧化二铁气敏特性如图11.50所示。图中表明:它对异丁烷和丙烷很灵敏,适合探测液化石油气。图11.50Fe2O3气敏特性第8章 半导体传感器二、二、非电阻控制型半导体气敏器件非电阻控制型半导体气敏器件MOS二二极极管管气气敏敏器器件件：利用MOS二极管的电容-电压关系(C-V特性)来检测气体的
17、敏感器件。图表示这种气敏器件的结构。图11.53PdMOS二极管的C-V特性第8章 半导体传感器MOSFET气敏器件原理：气敏器件原理：MOSFET金属氧化物半导体场效应气敏器件具有产品一致性好、体积小、重量轻、可靠性高、气体识别能力强、便于大批量生产。第8章 半导体传感器三、半导体气敏传感器的气敏选择性选择性是检验化学传感器是否具有实用价值的重要尺度。欲从复杂的气体混合物中识别出某种气体欲从复杂的气体混合物中识别出某种气体,就就要求该传感器具有很好的选择性要求该传感器具有很好的选择性。氧化物半导体气敏传感器的敏感对象主要是还原性气体,如CO、H2、甲烷、甲醇、乙醇等。为有效将这些性质相似的还
18、原性气体彼此区分开,达到有选择地检测其中某单一气体的目的,必须通过改变传感器的外在必须通过改变传感器的外在使用条件和材料的物理及化学性质来实现。使用条件和材料的物理及化学性质来实现。第8章 半导体传感器由于各各种种还还原原性性气气体体的的最最佳佳氧氧化化温温度度不不同同,因因此此首首先先可可以以通通过过改改变变氧氧化化物物传传感感器器的的工工作作温温度度来来提提高高其其对对某某种种气气体体的的选选择择性性。例如,在某些催化剂如Pd的作用下,CO的氧化温度要比一般碳氢化合物低得多,因此,在低温条件下使用可提高对CO气体的选择性。第8章 半导体传感器通通过过使使用用某某种种物物理理的的或或化化学学
19、的的过过滤滤膜膜,使使单单一一气气体体能能通通过过该该膜膜到到达达氧氧化化物物半半导导体体表表面面,而而拒拒绝绝其其它它气气体体通通过过,从从而而达达到到选选择择性性检检测测气气体体的的目目的的。如石墨过滤膜,涂在厚膜氧化物传感器表面可以消除氧化性气体（如NOx）对传感器信号的影响。提高传感器气敏选择性的最最有有效效、最最常常用用的的手手段段是是利利用用某某些些催催化化剂剂能能有有选选择择性性地地对对被被测测气气体体进进行行催催化化氧氧化化的的原原理理来来实实现现。通过选择合适的催化添加剂,可使由同一种基本氧化物材料制成的气敏传感器具有检测多种不同气体的能力。第8章 半导体传感器四、纳米技术在
20、半导体陶瓷气体传感器中的应用纳米材料有两两大大效效应应,一是粒子尺寸降到小于电子平均自由程时,能级分裂显著,这就是量量子子尺尺寸寸效效应应。另一个显著效应是表表面面效效应应,颗粒细化到一定的程度（100nm以内）后,粒子表面上的原子所占的比例急剧增大,也即表面体积比增大,当这些表面原子数量增加到一定程度,材料的性能更多地由表面原子,而不是由材料内部晶格中的原子决定,使之氧化还原能力增强,自身的催化活性更加活泼。而且,粒子进一步细化,而使粒子内部发生位错和滑移,所以纳米材料的性能多由晶粒界面和位错等表面缺陷所控制,从而产生材料表面异常活性。第8章 半导体传感器五、五、半导体气体传感器的应用半导体
21、气体传感器的应用半导体气敏器件由于灵敏度高、响应时间和恢复时间短、使用寿命长、成本低,而得到了广泛的应用。目前,应用最广的是烧结型气敏器件,主要是SnO2、ZnO、Fe2O3等半导体气敏器件。近年来薄膜型和厚膜型气敏器件也逐渐开始实用化。上述气敏器件主要用于检测可燃性气体、易燃或可燃性液体蒸汽。1廉价家用气体报警器烧结型SnO2气敏器件基本测试电路如图8.55所示。第8章 半导体传感器图8.55气敏器件测试电路第8章 半导体传感器这是采用直流电压的测试方法。图中的010V直流电源为半导体气敏器件的加加热热器器电电源源,020V直流电源则提供测量回路电压Uc。RL为负载电阻兼作电压取样电阻。从测
22、量回路可得到回路电流Ic为（8.25）式中,Rs为气敏器件电阻为气敏器件电阻。另外,负载压降为（8.26）第8章 半导体传感器从(8.26)式可得气敏器件电阻Rs,即（8.27）这就是说,在空气中或者在某一气体浓度下,半导体气敏器件的电阻Rs可由(8.27)式计算。同时,由由于于半半导导体体气敏器件和某气体相互作用后器件的气敏器件和某气体相互作用后器件的Rs发生变化时发生变化时,也也相相应应地地发发生生变变化化,这这就就是是能能够够知知道道有有无无某某种种气气体体的的情情况况及数量的大小及数量的大小,也就是达到检测某种气体的目的。也就是达到检测某种气体的目的。第8章 半导体传感器图8.56表示
23、新型半导体气敏器件QMN6型半导体气敏器件的特征。图8.57是利用QMN6型半导体气敏器件设计的简单而且廉价的家用气体报警器电路图。第8章 半导体传感器图8.56QMN6灵敏度特性第8章 半导体传感器图8.57家用报警器电路图工作原理工作原理是: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。第8章 半导体传感器2家用煤气（CO）安全报警电路图8.58是家用煤气（CO）安全报警电路,该电路由两部分组成。一部分是煤煤气气报报警警器器,在煤气浓度达到危险界限前发出警报。另一部分是开开放放式式负负离离子子发
24、发生生器器,其作用是自动产生空气负离子,使煤气中主要有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧（O3）反应,生成对人体无害的二氧化碳。第8章 半导体传感器煤煤气气报报警警电电路路包括电源电路、气敏探测电路、电子开关电路和声光报警电路。开放式空空气气负负离离子子发发生生器器电路由R10R13、C5C7、V5V7、3CTS3及B2等组成。这种负离子发生器,由于元件少,结构简单,通常无须特别调试即能正常工作。减小R12的阻值,可使负离子浓度增加。第8章 半导体传感器8.2半导体湿度传感器半导体湿度传感器8.2.1湿度的定义湿度是指大气中的水蒸气含量.在物理学和气象学中,对大气（空气）湿度的表征通常使用绝对
25、湿度、相对湿度和露（霜）点湿度。在一定温度和压力条件下,单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量为绝对湿度:(g/m3)第8章 半导体传感器为了更好地描述一些与湿度有关的自然现象,目前,普遍用相对湿度（缩写为RH）来表示湿度。所谓相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度PS的百分比,即满足如下关系:（8.21）保持压力一定而降温,使混合气体中的水蒸气达到饱和而开始结露或结霜时的温度称为露点温度,单位为。第8章 半导体传感器8.2.2湿度传感器的主要参数1.湿度量程能保证一个湿敏器件正常工作的环境湿度的最大变化范围称为湿度量程。湿度范围用相对湿度（0100）%RH表示,量程是湿度
26、传感器工作性能的一项重要指标。第8章 半导体传感器2.感湿特征量感湿特征量-相对湿度特性曲线相对湿度特性曲线每种湿度传感器都有其感感湿湿特特征征量量,如电阻、电容、电压、频率等,在规定的工作温度范围内,湿度传感器的感湿特征量随环境相对湿度变化的关系曲线,称为相对湿度特性曲线,简称感感湿湿特特性性曲曲线线。通常希望特性曲线应当在全量程上是连续的且呈线性关系。有的湿度传感器的感湿特征量随湿度的增加而增大,这称为正正特特性性湿湿敏敏传传感感器器;有的感湿特征量随湿度的增加而减小,这称为负特性湿敏传感器负特性湿敏传感器。第8章 半导体传感器3.感湿灵敏度在某一相对湿度范围内,相相对对湿湿度度改改变变1
27、%RH时时,湿湿度度传传感感器器感感湿湿特特征征量量的的变变化化值值或或百百分分率率称称为为感感湿湿灵灵敏敏度度,简简称称灵灵敏敏度度,又又称称湿湿度度系系数数。感湿灵敏度表征湿度传感器对湿度变化的敏感程度。如果湿度传感器的特性曲线是线性的,则在整个使用范围内,灵敏度就是相同的;如果湿度传感器的特性曲线是非线性的,则灵敏度的大小就与其工作的相对湿度范围有关。第8章 半导体传感器4.温度系数温度系数是反反映映湿湿度度传传感感器器的的感感湿湿特特征征量量-相相对对湿湿度度特特性性曲曲线线随随环环境境温温度度而而变变化化的的特特征征。感湿特征量随环境温度的变化越小,环境温度变化所引起的相对湿度的误差
28、就越小。温度系数分为特特征征量量温温度度系系数数和和感感湿湿温度系数温度系数。在环境湿度保持恒定的情况下,湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比,称为特特征征量量温温度系数度系数。如感湿特征量是电阻,则电阻温度系数为电阻温度系数（%/C）第8章 半导体传感器感湿温度系数（%RH/C）式中,T为一个温度(25C)与另一规定环境温度之差;H1为温度为25C时湿度传感器的某一电阻值对应的相对湿度值;H2为另一规定环境温度下,湿度传感器的同一电阻值对应的另一相对湿度值。第8章 半导体传感器5.响应时间在一定的温度下,当相对湿度发生跃变时,湿度传感器的感感湿湿特特征征量量之之值值达达到到稳稳
29、态态变变化化量量的的规规定定比比例例所所需需要要的的时时间间称为响应时间,也称为时间常数。一般是以相应于起始和终止这一相对湿度变化区间63%的相对湿度变化所需要的时间,叫响应时间,单位是s,也有规定从始到终90%的相对湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间,一一般般以以脱脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。第8章 半导体传感器6.湿滞回线湿度传感器在升湿和降湿往返变化时的吸湿和脱湿特性曲线不重合,所构成的曲线叫湿滞回线。由于吸湿和脱湿特性曲线不重合,对应同一感湿特征量之值,相对湿度之
30、差称为湿滞量。湿滞量越小越好,以免给湿度测量带来难度和误差。第8章 半导体传感器7.电压特性用湿度传感器测量湿度时,由于加直流测试电压引起感湿体内水分子的电解,致使电导率随时间的增加而下降,故测试电压应采用交交流流电电压压。湿湿度度传传感感器器感感湿湿特特征征量量之之值值与与外外加加交交流流电电压压之之间间的的关关系系称称为为电电压压特特性性。当交流电压较大时,由于产生焦耳热,对湿度传感器的特性会带来较大影响。8.频率特性湿度传感器的阻值与外加测试电压频率有关。在各种湿度下,当测试频率小于一定值时,阻值不随测试频率而变化,该频率被确定为湿度传感器的使用频率上限。当然,为防止水分子的电解,测试电
31、压频率也不能太低。第8章 半导体传感器9.其它特性与参数精精度度是指湿度量程内,湿度传感器测量湿度的相对误差。工工作作温温度度范范围围表示湿度传感器能连续工作的环境温度范围,它应由极限温度来决定,即由在额定功率条件下,能够连续工作的最高环境温度和最低环境温度所决定。稳稳定定性性是指湿度传感器在各种使用环境中,能保持原有性能的能力。一般用相对湿度的年变化率表示,即%RH/年。寿寿命命是指湿度传感器能够保持原来的精度,能够连续工作的最长时间。第8章 半导体传感器8.2.3湿度传感器器件目前常用的湿度传感器种种类类有:机机械械式式湿湿度度传传感感器器,如利用脱脂处理后的毛发（现多改成竹膜、乌鱼皮膜、
32、尼龙带等材料）,在空气相对湿度增大时毛发伸长,带动指针转动构成的毛发式湿度计等;由两个完全相同的玻璃温度计,其中一个感温包直接与空气接触,指示干球温度,另一感温包外有纱布且纱布下端浸在水中经常保持湿润,指示的是湿球温度,由干球温度和湿球温度之差即可换算出相对湿度的干湿球湿度计。第8章 半导体传感器这些湿度计的主主要要缺缺点点是灵敏度和分辨率等都不够高,而且是非电信号的湿度测量,难以同电子电路和自动控制系统及仪器相联结。根据所使用的材料的不同,湿湿度度传传感感器器分分为为电电介介质质型型、陶陶瓷瓷型型、高高分分子子型型和和半半导导体体型型等等。这里只介绍半导体湿度传感器。从性能的总体来看,无论哪
33、一种材料制成的传感器,都有它各自的特点,既有长处,也有短处,它们分别能满足某些方面的要求。近几年来出现的半半导导体体陶陶瓷瓷感感湿湿元元件件、MOS型型感感湿湿元元件件和和结结型型湿湿敏敏器器件件已达到较好水平,具有工作范围宽,响应速度快,耐环境能力强等特点,是当前湿度传感器的发展方向。第8章 半导体传感器1.元素半导体湿敏器件元素半导体湿敏器件在电绝缘物表面上通过蒸发等工艺,制备一层具有吸湿性的元元素素半半导导体体薄薄膜膜,可形成湿敏电阻器。湿湿敏敏传传感感器器就就是是利利用用上上述述湿湿敏敏电电阻阻器器的的电电阻阻值值随随湿湿气气的的吸吸附附与与脱脱附附过过程程而而变变化化的的现现象象制制
34、成成的的。通常利用Ge和Se等元素半导体的蒸发膜制备湿敏器件,锗的蒸发膜厚度适用于高湿度的测量。锗的湿敏器件的特点是不受环境中灰尘等的影响,能够得到比较精确的测量结果。然而在制备器件时,锗的蒸发膜的老化需要较长时间,并且器件的重复性差重复性差。第8章 半导体传感器利用金金属属硒硒蒸发膜或无定型硒蒸发膜都可以做湿敏器件。一般来说,硒蒸发膜的湿敏器件的电阻值比锗蒸发膜的湿敏器件电阻值低,被测湿度范围较大,但它也有和锗膜湿敏器件同样的需要较长老化时间的缺点。第8章 半导体传感器图8.33为硒蒸发膜湿度传感器的结构,在绝缘瓷管表面上镀一层铂膜,然后以细螺距将铂膜刻成宽约0.1cm的螺旋状,以此作为两个
35、电极。在两个电极之间蒸发上硒,A为铂电极,B为硒蒸发膜层。图8.34为硒蒸发膜湿度传感器的电阻-湿度特性。由于这种传感器不使用吸湿性盐和固定剂,所以能够在高温下长期连续使用。图8.33硒蒸发膜湿度传感器的结构第8章 半导体传感器图8.34硒蒸发膜湿度传感器电阻-湿度关系第8章 半导体传感器2.金属氧化物半导体金属氧化物半导体陶瓷湿敏器件金属氧化物半导体陶瓷材料具有较好的热稳定性及其抗沾污的特点,逐渐被人们所重视,相继出现了各种半导体陶瓷湿敏器件。半导体陶瓷使用寿命长,可以在很恶劣的环境下使用几万小时,这是其它湿敏器件所无法比拟的。半导体陶瓷湿敏器件,在对湿度的测量方面,可以检测检测1%RH这样
36、的低这样的低湿状态湿状态,而且还具有响应快、精度高、使用温度范围宽、响应快、精度高、使用温度范围宽、湿滞现象小和可以加热清洗湿滞现象小和可以加热清洗等各种优点。所以,半导体陶瓷湿敏器件已在当前湿度敏感器件的生产和应用中占有很重要的地位。第8章 半导体传感器金属氧化物半导体陶瓷材料,按其制备方法的不同可分为两大类:一类就是把一些金属氧化物微粒经过粘结而堆积在一起的胶体,人们通常将这种未经烧结的微粒堆积体称为陶陶瓷瓷,用这种陶瓷材料制成的湿度敏感器件,一般称为涂涂覆覆膜膜型型湿湿度度敏敏感感器器件件。另一类陶瓷材料是经过研磨、成型和按一般制陶方法烧烧结结而成具有典型陶瓷结构的各种金属氧化物半导体陶
37、瓷材料。它们共同的特点是多多孔孔状状的的多多晶晶烧烧结结体体。因此,有时也将它们称为烧结型陶瓷材料烧结型陶瓷材料。第8章 半导体传感器1）涂覆膜型）涂覆膜型Fe3O4湿度敏感器件湿度敏感器件涂覆膜型湿度敏感器件有许多种类,其中比较典型且性能较好的是Fe3O4湿湿度度敏敏感感器器件件。一般来说,像Fe3O4这样的金属氧化物是很好的吸附水和脱水速干的材料。同时,Fe3O4比其它金属氧化物材料具有比较低的固有电阻,而且对基板附着性好,因此,使用Fe3O4做湿敏器件,不但工艺简单,而且价格低廉。第8章 半导体传感器把氯化铁和氯化亚铁按21的比例加水混合成溶液,然后加进NaOH,这时就沉淀出黑色Fe3O
38、4。用纯水洗去杂质,可做成质量很好的Fe3O4胶体。这类器件的特特点点是物理特性和化学特性比较稳定,结构、工艺简单,测湿量程宽,重复性和一致性较好,寿命长,成本低等。Fe3O4和和Al2O3湿湿度度敏敏感感器器件件材材料料就就属属于于涂涂覆覆膜膜型型湿湿度度敏敏感感器器件件材材料料。除此之外,作为涂覆膜型湿度敏感器件材料的还有Cr2O3、Ni2O3、Fe2O3、ZnO等。第8章 半导体传感器图8.35Fe3O4胶体膜传感器的电阻与湿度的关系第8章 半导体传感器2）多孔质烧结型陶瓷湿敏器件）多孔质烧结型陶瓷湿敏器件目前,从各国湿度传感器的产量中可以看出,约有50%以上是烧结型的,而厚膜和薄膜各占
39、15%到20%。以不同的金属氧化物为原料,通过典型的陶瓷工艺制成了品种繁多的烧结型陶瓷湿度传感器,其性能也各有优劣。第8章 半导体传感器多孔质烧结型陶瓷MgCrO4-TiO2湿敏器件的结构如图8.36所示。图8.36烧结型MgCrO4-TiO2湿敏传感器结构图中1、4是加热器引出线。电极材料选用RuO2,这是因为所制成的RuO2电极具有多孔性,允许水分子通过电极到达陶瓷表面,同时RuO2的热膨胀系数与陶瓷体相一致,附着力也比较好。另外,RuO2化学性能稳定。第8章 半导体传感器图8.37MgCrO4TiO2系陶瓷湿度传感器的特性(a)电阻-湿度特性;(b)电阻-温度特性;(c)响应时间特性第8
40、章 半导体传感器3）厚膜陶瓷湿度传感器）厚膜陶瓷湿度传感器厚膜湿度传感器主体部分结构如图8.38所示,是在氧化铝基片上印刷梳状电极,梳状电极相互交错排列并成平行线。图8.38厚膜湿度传感器主体部分结构图第8章 半导体传感器传感器的电阻值与温度、湿度的关系,在常温下,相对湿度大于30%RH时,电阻值小于1M,当湿度从30%RH变化到90%RH时,电阻值约变化三个数量级。温度对电阻-湿度特性有影响,低湿时影响较大,相对湿度不变的情况下,随着温度升高,电阻值变小。第8章 半导体传感器4）薄膜湿度传感器）薄膜湿度传感器薄膜湿度传感器的结构一般有两种形式,一种是在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上沉积一层氧化物薄膜
41、,然后在薄膜上再蒸发一对梳状电极;另一种是先在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上,用真空蒸发方法制作下金电极,再用喷镀法或溅射法生成一层多孔质的氧化物薄膜,然后再在此薄膜上蒸发上金电极,为了让水蒸气顺利通过,金的厚度在70nm左右。薄膜湿度传感器的结构如图8.39所示。第8章 半导体传感器图8.39薄膜湿度传感器的结构第8章 半导体传感器图8.40Ta2O5薄膜湿度传感器的电容-湿度特性第8章 半导体传感器制作薄膜湿度传感器的主要薄膜材料是Ta2O5和Al2O3。它们都具有很高的热稳定性和化学稳定性,因此用它们制成的湿度传感器能在很高的环境温度下工作。感湿膜很薄,响应时间很快（约13s）,特别适宜在高速湿
42、度响应场合下使用。薄膜湿度传感器的感湿特征量往往都采用电容量,由于纯水的介电常数比较大,当环境相对湿度增加时,薄膜湿度传感器所吸附的水分子增多,因而使电容量增大。图8.40是Ta2O5薄膜湿度传感器的电容湿度特性。它具有正电容湿度系数。第8章 半导体传感器3多功能半导体陶瓷湿度传感器多功能半导体陶瓷湿度传感器随着微机的普及,产业和家庭电器方面的自动控制技术发展迅速,这就要求研究和生产更方便的各种传感器,其中对能能够够同同时时检检测测湿湿度度、温温度度和和气气体体的的多多功功能能传传感感器器的呼声尤其高,比如,冷暖空调机的温度和湿度的控制,干燥机的温度控制和水分的检测,电子灶的温度、湿度和各种气
43、体的检测方面越来越多地要求使用这种多功能传感器。第8章 半导体传感器MgCr2O4-TiO2系多功能半导体陶瓷材料的导电性一般是空穴导电,在300550C温度范围内对各种气体都较敏感。比如,在以氧气为首的氧化性气氛中这种陶瓷材料的电阻减少,而随着硫化氢、酒精、氢等还原性气体浓度的增加其电阻率增加。MgCr2O4-TiO2系陶瓷高温气敏特性如图8.41所示。第8章 半导体传感器图8.41MgCr2O4-TiO2系陶瓷高温气敏特性第8章 半导体传感器金属氧化物半导体陶瓷材料BaTiO3-SrTiO3的介电常数与温度的依赖性是极其明显的,因此也就成为热敏器件的理想材料,通过掺入少量的MgCr2O4以
44、及利用陶瓷体本身所具有的多孔结构,就可制得多功能的湿湿度度-温温度度传传感感器器。这就是巧妙利用了半导体陶瓷材料的体单晶性质和表面性质而做的复合功能传感器。其等效电路如图8.42所示。第8章 半导体传感器图8.42湿度-温度传感器的等效电路第8章 半导体传感器4MOSFET湿敏器件湿敏器件用半导体工艺制成的MOS型场效应管湿敏器件,由于是全固态湿敏传感器,有利于传感器的集成化和微型化,因此是一种很有前途和价值的湿度传感器。图8.43表示MOS型场效应管湿敏器件的典型结构。从图中看出,这种湿敏器件是在MOS型场效应管的栅极上涂覆一层感湿薄膜,在感湿薄膜上增加另一电极而构成的新型湿敏器件。第8章
45、半导体传感器图8.43MOSFET湿敏器件结构第8章 半导体传感器5结型湿敏器件结型湿敏器件利用肖特基结或PN结二极管的反向电流或者反向击穿电压随环境相对湿度的变化,可以制成一种结型湿度敏感器件。在结型湿度敏感器件中,二氧化锡湿敏二极管是比较有代表性的。这种二极管是采用电阻率为5cm的N型硅单晶材料制作的。制作过程为：将硅片置于通氧和水汽的、温度达520左右的石英管道炉中,使其生成一层SiO2,再在SiO2上淀积一层透明而又导电的SnO2薄膜,最后在硅片的背面和SnO2层上用真空镀膜方法制作金属Al电极。第8章 半导体传感器电极膜的厚度不宜太厚,以便SnO2表面和空气中的水蒸气相接触,理想的厚
46、度为100左右。SnO2具有很好的导电性,因而这种结构的二极管可看作是一个肖特基结或异质结,具有整流特性。上述二极管的结区直接暴露于环境气氛之中,结果发现,在二极管处于反向偏压状态时,在雪崩击穿区附近,其反向电流直接与环境的相对湿度有关,或者说,其反向击穿电压随环境相对湿度而改变,即使二极管具有了感湿特性。图8.44表示二氧化锡湿敏二极管的结构。图8.45为SnO2湿敏二极管雪崩电流与相对湿度的关系。从图中看出,随着相对湿度增加,反向电流减少。第8章 半导体传感器图8.44SnO2湿敏二极管的结构第8章 半导体传感器图8.45SnO2湿敏二极管雪崩电流与相对湿度关系第8章 半导体传感器8.2.
47、4半导体陶瓷湿度传感器的检测精度大部分半导体陶瓷湿度传感器是利用电阻值变化检测湿度的。这样在实际应用时可在很大程度上简化检测电路,在空调机、加湿器、除湿器等民用家电产品中应用陶瓷湿度传感器时,应当考虑其成本。因此,在研究传感器特性时,应当考虑检测电路的结构和精度,图8.46表示陶瓷湿度传感器在广泛湿度范围检测湿度时使用的电路。第8章 半导体传感器图8.46放大电路第8章 半导体传感器8.4半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器是指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器,常用的磁敏传感器有霍尔传感器和磁敏霍尔传感器和磁敏电阻传感器电阻传感器。除此之外还有磁敏二极管、磁敏晶体管磁敏二极管、
48、磁敏晶体管等。磁敏器件是利用磁场工作的,因此可以通过非接触方式检验。非接触方式可以保证寿命长、可靠性高。第8章 半导体传感器8.4.1磁敏器件的工作原理磁敏器件的工作原理当我们制备各种磁敏器件时,首先要了解和研究与磁学量有关的各种现象。磁现象和电现象不同,它的特点之一是磁荷（MagneticCharge）不单独存在,必须是NS成对存在（电荷则不然,正电荷和负电荷可以单独存在）,并且在闭区间表面全部磁束（磁力线）的进出总和必等于零,也就是divB=0。磁感应强度、电场强度、力三者的关系可由如下公式表示:（8.28）第8章 半导体传感器这个公式表示运动电荷e从电场E受到的力和磁场（磁感应强度B）存
49、在时电流ev（v为电荷速度）所受到的力,其中第二项称为劳伦兹力。与这个劳伦兹力相抗衡而产生的相反方向的电动势就是霍尔电压。由电感L和电流I产生的磁束之间有如下关系:(8.29)当磁束有变化时,在与其相交的电路中将产生电动势(8.30)第8章 半导体传感器8.4.2半导体磁敏器件半导体磁敏器件1霍尔器件及其特性1)霍尔器件霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。图8.59为霍尔效应原理图。如图所示,在厚度为d的半导体长方形薄片上形成四个电极,宽度为w的控制电极和之间通直流电流Ic,而在垂直于半导体薄片表面的方向加磁感应强度B时,则在长度为l的电极和之间根据式(8.28)的
50、原理产生霍尔电压。第8章 半导体传感器图8.59霍尔效应的原理图第8章 半导体传感器图8.60霍尔电压形成的定性说明(a)磁场为0时电子在半导体中的流动;(b)电子在劳伦兹力作用下发生偏转;(c)电荷积累达到平衡时,电子在流动第8章 半导体传感器假设霍尔元件使用的材料是N型型半半导导体体,导电的载流子是电子。外加电场从电极到方向,大小为E。电子在这一电场作用下将从电极到方向作漂移运动。第8章 半导体传感器因为电子带的电荷为-e,在磁场作用下,由（8.28）式得劳伦兹力为(8.32)因此,劳伦兹力FL的方向是从电极到,它的数值就是evB。这个力使电子在电极上积累,积累电荷在半导体中形成从电极到方