传感器原理及应用-第9章

1、物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用 Principles and Applications of Sensors主讲：王殿生 教授物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第九章第九章作 业第二版教材第二版教材168168页：页： 练习题：练习题：9-19-1，9-39-3，9-49-4第三版教材第三版教材165165页：页： 练习题：练习题：9-19-1，9-39-3，9-49-4物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿

2、生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第九章 半导体传感器 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第九章 半导体传感器 9.1 气敏传感器气敏传感器9.2 湿敏传感湿敏传感9.3 色敏传感器色敏传感器9.4 半导体传感器应用半导体传感器应用物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用气敏传感器：气敏传感器：通过气通过气- -电转换来检测气体类别、电转换来检测气体类别、浓度和成分的传感器。浓度和成分的传感器。 按构成气

3、敏传感器材料可分为：按构成气敏传感器材料可分为：半导体和非半导体两大类。半导体和非半导体两大类。目前半导体气敏传感器实际使用目前半导体气敏传感器实际使用最多。最多。半导体气敏传感器半导体气敏传感器: :利用待测气体与半导体表面接触利用待测气体与半导体表面接触时产生的电导率等物理性质变化来检时产生的电导率等物理性质变化来检测气体。测气体。一、气敏传感器的定义和种类一、气敏传感器的定义和种类9.1 气敏传感器半导体气敏传感器分类半导体气敏传感器分类: :按半导体与气体相互作用时按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：深入到半导体内部可

4、分为：表面控制型和体控制型。表面控制型和体控制型。表面控制型：表面控制型：半导体表面吸半导体表面吸附气体与半导体间发生电子接受，附气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不质发生变化，但内部化学组成不变。变。体控制型：体控制型：半导体与气体的半导体与气体的反应，半导体内部组成发生变化，反应，半导体内部组成发生变化，导致电导率等参量变化。导致电导率等参量变化。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用半导体气敏传感器分类半导体气敏传感器分类: :按照半导体

5、变化的物理特性又按照半导体变化的物理特性又可分为：可分为：电阻型和非电阻型电阻型和非电阻型。一、气敏传感器的定义和种类一、气敏传感器的定义和种类9.1 气敏传感器电阻型：电阻型：通过半导体敏感材料通过半导体敏感材料接触气体时阻值变化来检测气体的接触气体时阻值变化来检测气体的成分或浓度。成分或浓度。非电阻型：非电阻型：通过半导体气敏元通过半导体气敏元件的其它参数变化来检测被测气体，件的其它参数变化来检测被测气体，如二极管伏安特性和场效应晶体管如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化。的阈值电压变化。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及

6、应用传感器原理及应用二、电阻型半导体气敏传感器二、电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器电阻型半导体气敏传感器利电阻型半导体气敏传感器利用气体在半导体表面的氧化和还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原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。制成的。当半导体器件被加热到稳定当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子先在表被吸附时，被吸附的分子先在表面物性自由扩散，失去运动能量，面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸残留分子产生热分解而固定在吸附

7、处（化学吸附）。附处（化学吸附）。1 1、工作机理、工作机理（1）氧化型气体：氧化型气体：半导体的功半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子从器件夺得电子而变成负离附分子从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。子吸附，半导体表面呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体氧气等具有负离子吸附倾向的气体称为称为氧化型或电子接收性气体氧化型或电子接收性气体。（2）还原型气体：还原型气体：半导体的功半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向器件释放出电子，而形成正分子向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾

8、向的离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有气体有H2、CO、碳氢化合物和醇、碳氢化合物和醇类，称为类，称为还原型气体或电子供给性还原型气体或电子供给性气体气体。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用二、电阻型半导体气敏传感器二、电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到N N型、型、还原型气体吸附到还原型气体吸附到P P型半导体上时，型半导体上时，半导体载流子减少，而使电阻值半导体载流子减少，而使电阻值增大。增大。当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到N N型、型、氧化型气体吸附到氧化型气

9、体吸附到P P型半导体上时，型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值则载流子增多，使半导体电阻值下降。下降。1 1、工作机理、工作机理 N型半导体吸附气体时器件阻值变化型半导体吸附气体时器件阻值变化 半导体气敏时间半导体气敏时间(响应时间响应时间)一一般不超过般不超过1min。N型材料有型材料有SnO2、ZnO、TiO等，等，P型材料有型材料有MoO2、CrO3等。等。气体浓度发生变化，阻值也气体浓度发生变化，阻值也变化。据此，可从阻值的变化得变化。据此，可从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。知吸附气体的种类和浓度。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXIT

10、EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（1 1）烧结型气敏器件）烧结型气敏器件氧化物半导体材料为基体，氧化物半导体材料为基体，铂电极和加热丝埋入材料中，用铂电极和加热丝埋入材料中，用加热、加压的制陶工艺烧结成形。加热、加压的制陶工艺烧结成形。因此，被称为因此，被称为半导体陶瓷半导体陶瓷， 简称简称半导瓷半导瓷。半导瓷内的晶粒直径为。半导瓷内的晶粒直径为1m1m左右，晶粒的大小对电阻有左右，晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气体检测灵敏度一定影响，但对气体检测灵敏度则无很大的影响。则无很大的影响。二、电阻型半导体气敏传感器二、电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器气敏器件有气敏器件有烧结型烧结

11、型、薄膜型薄膜型和和厚膜型厚膜型三种。三种。2 2、基本结构、基本结构烧结型器件制作方法简单，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，因此应用重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制受到一定限制 。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（2 2）薄膜型气敏器件）薄膜型气敏器件采用蒸发或溅射工艺，在石英基片采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成厚度约上形成厚度约100nm100nm氧化物半导体薄膜

12、，氧化物半导体薄膜，制作方法简单。制作方法简单。半导体薄膜的气敏特性最好，但半半导体薄膜的气敏特性最好，但半导体薄膜为物理性附着，器件间性能差导体薄膜为物理性附着，器件间性能差异较大。异较大。二、电阻型半导体气敏传感器二、电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器2 2、基本结构、基本结构这种元件机械强度高，这种元件机械强度高，离散度小，适合批量生产。离散度小，适合批量生产。（3 3）厚膜型气敏器件）厚膜型气敏器件氧化物半导体材料与硅凝胶混合制氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成可印刷的厚膜胶，厚膜胶再印刷到装成可印刷的厚膜胶，厚膜胶再印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成的。有电极的绝缘基片上，经

13、烧结制成的。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用二、电阻型半导体气敏传感器二、电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器电阻型半导体气敏器件全部电阻型半导体气敏器件全部附有加热器。附有加热器。加热器作用：加热器作用：烧掉附着在敏烧掉附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等，感元件表面上的尘埃、油雾等，加速气体的吸附，从而提高器件加速气体的吸附，从而提高器件的灵敏度和响应速度。加热器的的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在温度一般控制在200400左右。左右。2 2、基本结构、基本结构加热方式一般有直热式和旁加热方式一般有

14、直热式和旁热式两种，因而形成了热式两种，因而形成了直热式直热式和和旁热式旁热式气敏器件。气敏器件。（1 1）直热式气敏器件）直热式气敏器件加热丝、测量丝直接埋入氧加热丝、测量丝直接埋入氧化物半导体材料粉末中烧结而成。化物半导体材料粉末中烧结而成。工作时加热丝通电，测量丝用于工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。测量器件阻值。这类器件制造工艺简单、成这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可在高电压回路本低、功耗小，可在高电压回路下使用，但热容量小，易受环境下使用，但热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回气流的影响，测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。路间没有隔离而相互影响。物理科

15、学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（2 2）旁热式气敏器件）旁热式气敏器件加热丝放置在一个陶瓷管内，管外加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上氧化物半导体材料。上氧化物半导体材料。二、电阻型半导体气敏传感器二、电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器2 2、基本结构、基本结构旁热式结构的气敏传感器克服了直旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分热式结构的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材料接触，避离，而且加热丝不与气敏材料

16、接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，免了测量回路和加热回路的相互影响，器件热容量大，降低了环境温度对器件器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度的影响。加热温度的影响。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用气敏传感器暴露在各种成分的气敏传感器暴露在各种成分的气体中使用，会使其性能变差。气体中使用，会使其性能变差。原因：原因： 工作条件恶劣，检测现场温工作条件恶劣，检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等；粉尘和油雾等； 气体对传感元件的材料会产气体对传感元件的材料会产生

17、化学反应物，附着在元件表面。生化学反应物，附着在元件表面。要求气敏器件：要求气敏器件：长期稳定工作，长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质重复性好，响应速度快，共存物质产生的影响小等。产生的影响小等。二、电阻型半导体气敏传感器二、电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器3 3、特性参数、特性参数（2）气敏器件的灵敏度）气敏器件的灵敏度灵敏度：灵敏度：表征气敏元件对表征气敏元件对于被测气体的敏感程度的指标。于被测气体的敏感程度的指标。即气体敏感元件的电参量（电即气体敏感元件的电参量（电阻值）与被测气体浓度之间的阻值）与被测气体浓度之间的依从关系。依从关系。三种三种 表示方法：表示方法：（1

18、）气敏器件的电阻值）气敏器件的电阻值 固有电阻值：固有电阻值：电阻型气敏电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电元件在常温下洁净空气中的电阻值阻值Ra。一般固有电阻值在。一般固有电阻值在103105范围。范围。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（2）气敏器件的灵敏度）气敏器件的灵敏度 电阻比灵敏度电阻比灵敏度气敏器件在洁净空气中电阻值气敏器件在洁净空气中电阻值Ra，在规定浓度的被测气体中电阻，在规定浓度的被测气体中电阻值值Rg，则电阻比灵敏度为，则电阻比灵敏度为二、电阻型半导体气敏传感器二、电阻型半导体气敏传感器9.1

19、 气敏传感器3 3、特性参数、特性参数 输出电压比灵敏度输出电压比灵敏度气敏器件在洁净空气中工气敏器件在洁净空气中工作时负载电阻上的电压输出作时负载电阻上的电压输出Va；在规定浓度被测气体中工作时在规定浓度被测气体中工作时负载电阻的电压输出负载电阻的电压输出Vg，则输，则输出电压比灵敏度为出电压比灵敏度为气体分离度为气体分离度为 气体分离度气体分离度气敏器件在浓度为气敏器件在浓度为C1的被测气的被测气体中电阻值体中电阻值RC1，在浓度为，在浓度为C2的被测的被测气体中电阻值气体中电阻值R2，通常，通常C1C2。gaRRK21CCRRgaVVVK物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生

20、制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（3）气敏器件的分辨率）气敏器件的分辨率分辨率：分辨率：气敏器件对被测气气敏器件对被测气体的识别（选择）以及对干扰气体的识别（选择）以及对干扰气体的抑制能力。体的抑制能力。二、电阻型半导体气敏传感器二、电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器3 3、特性参数、特性参数（4）气敏器件的响应时间）气敏器件的响应时间表征在工作温度下气敏器件表征在工作温度下气敏器件对被测气体的响应速度。对被测气体的响应速度。一般从气敏器件与一定浓度一般从气敏器件与一定浓度的被测气体接触时开始计时，直的被测气体接触时开始计时，直到气敏元件的阻值达到在此浓度

21、到气敏元件的阻值达到在此浓度下的稳定电阻值的下的稳定电阻值的63时为止，时为止，所需时间称为气敏元件在此浓度所需时间称为气敏元件在此浓度下的被测气体中的响应时间，通下的被测气体中的响应时间，通常用符号常用符号tr表示。表示。 气敏器件在洁净空气中工作气敏器件在洁净空气中工作和在规定浓度被测气体中工作时，和在规定浓度被测气体中工作时，负载电阻上的输出电压负载电阻上的输出电压Va和和Vg；在在i种气体浓度为规定值中工作时种气体浓度为规定值中工作时负载电阻上的输出电压负载电阻上的输出电压Vgi。agiaggigVVVVVVS物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITE

22、XIT传感器原理及应用传感器原理及应用（5）气敏器件的加热电阻和）气敏器件的加热电阻和加热功率加热功率 气敏器件一般工作在气敏器件一般工作在200以以上高温。上高温。加热电阻加热电阻RH：为气敏器件提供为气敏器件提供必要工作温度的加热电路的电阻必要工作温度的加热电路的电阻（指加热器的电阻值）。（指加热器的电阻值）。直热式的加热电阻值一般小于直热式的加热电阻值一般小于5；旁热式的加热电阻大于；旁热式的加热电阻大于20。加热功率加热功率P：气敏器件正常工气敏器件正常工作所需的加热电路功率。一般在作所需的加热电路功率。一般在（0.52.0）W范围范围 。二、电阻型半导体气敏传感器二、电阻型半导体气敏

23、传感器9.1 气敏传感器3 3、特性参数、特性参数（6）气敏器件的恢复时间）气敏器件的恢复时间恢复时间：恢复时间：表示在工作温表示在工作温度下，被测气体由该元件上解度下，被测气体由该元件上解吸的速度。吸的速度。一般从气敏元件脱离被测一般从气敏元件脱离被测气体时开始计时，直到其阻值气体时开始计时，直到其阻值恢复到在洁净空气中阻值的恢复到在洁净空气中阻值的63时所需时间。时所需时间。纳米结构气敏器件纳米结构气敏器件 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（7）初期稳定时间）初期稳定时间 长期在非工作状态下存长期在非工作状态

24、下存放的气敏器件，因表面吸附空放的气敏器件，因表面吸附空气中的水分或者其他气体，导气中的水分或者其他气体，导致其表面状态的变化，在加上致其表面状态的变化，在加上电负荷后，随着元件温度的升电负荷后，随着元件温度的升高，发生解吸现象。高，发生解吸现象。因此，使气敏器件恢复正因此，使气敏器件恢复正常工作状态，需要一定的时间，常工作状态，需要一定的时间，称为气敏器件的初期稳定时间。称为气敏器件的初期稳定时间。二、电阻型半导体气敏传感器二、电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器3 3、特性参数、特性参数一般电阻型气敏元件，在刚一般电阻型气敏元件，在刚通电的瞬间电阻值下降，然后再上通电的瞬间电阻值下降，

25、然后再上升，最后达到稳定。由开始通电直升，最后达到稳定。由开始通电直到气敏器件阻值到达稳定所需时间，到气敏器件阻值到达稳定所需时间，称为初期稳定时间。称为初期稳定时间。初期稳定时间是敏感元件存初期稳定时间是敏感元件存放时间和环境状态的函数。存放时放时间和环境状态的函数。存放时间越长，初期稳定时间也越长。间越长，初期稳定时间也越长。在一般条件下，气敏元件存在一般条件下，气敏元件存放两周以后，初期稳定时间即可达放两周以后，初期稳定时间即可达最大值。最大值。 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用二、电阻型半导体气敏传感器二

26、、电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器4 4、基本电路、基本电路物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用非电阻型气敏器件也是半导非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。体气敏传感器之一。利用利用MOS二极管的电容二极管的电容电压特性的变化以及电压特性的变化以及MOS场效应场效应晶体管（晶体管（MOSFET）的阈值电压）的阈值电压的变化等物性而制成的。的变化等物性而制成的。这类器件的制造工艺成熟，这类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，性能稳定且价便于器件集成化，性能稳定且价格便宜。格便宜。利用特定材料还可使器件对利

27、用特定材料还可使器件对某些气体特别敏感。某些气体特别敏感。三、非电阻型半导体气敏传感器三、非电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器1、MOS二极管气敏器件二极管气敏器件 MOS二二极管气敏器件极管气敏器件结构：结构：在在P型型半导体硅片上半导体硅片上生成一层厚度生成一层厚度为为50100nm的的SiO2层，上层，上面再蒸镀一层面再蒸镀一层钯金属薄膜作钯金属薄膜作为栅电极。为栅电极。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用三、非电阻型半导体气敏传感器三、非电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器1、MOS二极管气敏器件二

28、极管气敏器件 MOS二极管二极管CU特性：特性：SiO2层电容层电容Ca固定不变，而固定不变，而Si和和SiO2界面电容界面电容Cs是外加电压的函数，是外加电压的函数，因此总电容因此总电容C也是栅偏压的函数。也是栅偏压的函数。函数关系称为该类函数关系称为该类MOS二极管的二极管的CU特性。特性。钯（钯（Pd）对）对H2特别敏感，特别敏感，当钯吸附了当钯吸附了H2以后，会使钯的功以后，会使钯的功函数降低，导致函数降低，导致MOS管的管的CU特特性向负偏压方向平移。根据这一性向负偏压方向平移。根据这一特性可测定特性可测定H2的浓度。的浓度。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作

29、EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用三、非电阻型半导体气敏传感器三、非电阻型半导体气敏传感器9.1 气敏传感器2、MOS场效应晶体管气敏器件场效应晶体管气敏器件 UT的大小与金属和半导体的大小与金属和半导体之间的功函数有关。当之间的功函数有关。当H2吸附吸附在在Pd栅极上时会引起栅极上时会引起Pd的功函的功函数降低。数降低。Pd-MOSFET气敏器件就气敏器件就利用这一特性来检测利用这一特性来检测H2浓度。浓度。MOSFET的伏的伏安特性：安特性：当钯当钯栅极（栅极（G）、源极（）、源极（S）之间加正向）之间加正向偏压偏压UGS，且，且UGSUT（阈值电压）（阈值电压）时，

30、栅极氧化层下面的硅从时，栅极氧化层下面的硅从P型变型变为为N型，形成导电通道，即为型，形成导电通道，即为N型沟型沟道。道。MOSFET进入工作状态。在源进入工作状态。在源漏极之间加电压漏极之间加电压UDS，则有电流，则有电流IDS流通。流通。IDS随随UDS和和UGS的大小变化规的大小变化规律即律即MOSFET的伏的伏安特性。安特性。当当UGSUT时，时，MOSFET的沟的沟道未形成，无漏源电流。道未形成，无漏源电流。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第九章 半导体传感器 9.1 气敏传感器气敏传感器9.2 湿敏

31、传感湿敏传感9.3 色敏传感器色敏传感器9.4 半导体传感器应用半导体传感器应用物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用The Nobel Prize in Physics 2011 Saul Perlmutter Brian P. Schmidt Adam G. Riess 1/2 of the prize 1/4 of the prize 1/4 of the prize“The Nobel Prize in Physics for 2011 with one half to Saul Perlmutter with

32、 the Supernova Cosmology Project in the United States and the other half jointly to Brian P. Schmidt with the High-z Supernova Search Team in Australia and Adam G. Riess from the United States for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae。

33、”物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用湿度：湿度：指大气中的水蒸气含指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。度两种表示方法。绝对湿度：绝对湿度：指在一定温度和指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位气体中所含水蒸气的质量，单位为为g/mg/m3 3，用符号，用符号AHAH表示。表示。相对湿度：相对湿度：指气体绝对湿度指气体绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，用符号对湿度之

34、比，用符号%RH%RH表示。表示。相对湿度给出大气的潮湿程相对湿度给出大气的潮湿程度，一个无量纲的量，在实际使度，一个无量纲的量，在实际使用中多使用这一概念。用中多使用这一概念。9.2 湿敏传感器湿敏传感器：湿敏传感器：感受外界湿度变化，感受外界湿度变化，并通过材料物理或化学性质变化将湿并通过材料物理或化学性质变化将湿度转化成相应信号的器件。度转化成相应信号的器件。依据使用材料分类：依据使用材料分类：电解质型：电解质型：以氯化锂为例，极易以氯化锂为例，极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。而电阻减小。陶瓷型：陶瓷型：金属氧化物多孔陶瓷的金属氧化物多孔陶

35、瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性。阻值对空气中水蒸气的敏感特性。高分子型：高分子型：有机高分子感湿膜。有机高分子感湿膜。单晶半导体型：单晶半导体型：二极管湿敏器件二极管湿敏器件和和MOSFET湿度敏感器件等。湿度敏感器件等。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用湿度量程：湿度量程：湿敏传感器工作性能的湿敏传感器工作性能的一项重要指标，指湿度传感器技术规范一项重要指标，指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围用相中所规定的感湿范围。全湿度范围用相对湿度对湿度(0100)RH表示。表示。一、湿敏传感器的特性参数一

36、、湿敏传感器的特性参数9.2 湿敏传感器1 1、湿度量程、湿度量程正特性湿敏电阻：正特性湿敏电阻：湿湿敏传感器的电阻值随湿度敏传感器的电阻值随湿度的增加而增大。的增加而增大。负特性湿敏电阻：负特性湿敏电阻：湿湿敏传感器的阻值随着湿度敏传感器的阻值随着湿度的增加而减小。的增加而减小。湿敏传感器的感湿特征量有电阻、湿敏传感器的感湿特征量有电阻、电容等，通常用电阻比较多。电容等，通常用电阻比较多。阻湿特性：阻湿特性：在规定的工作湿度范围在规定的工作湿度范围内，湿敏传感器的电阻值随环境湿度变内，湿敏传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线。化的关系特性曲线。2 2、感湿特征量、感湿特征量相对湿度特性

37、相对湿度特性湿敏电容湿敏电容湿敏电阻湿敏电阻物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用感湿灵敏度即湿度系数：感湿灵敏度即湿度系数：在某一相在某一相对湿度范围内，相对湿度改变对湿度范围内，相对湿度改变1RH时，时，湿敏传感器电参量的变化值或百分率。湿敏传感器电参量的变化值或百分率。一、湿敏传感器的特性参数一、湿敏传感器的特性参数9.2 湿敏传感器3 3、感湿灵敏度、感湿灵敏度环境温度每变化环境温度每变化1时，所引起的湿敏传感器时，所引起的湿敏传感器的湿度误差，称为的湿度误差，称为感湿温感湿温度系数度系数，反映湿敏传感器，反映

38、湿敏传感器温度特性的一个比较直观、温度特性的一个比较直观、实用的特性参数。实用的特性参数。4 4、感湿温度系数、感湿温度系数各种不同的湿敏传感器，对灵敏度各种不同的湿敏传感器，对灵敏度的要求各不相同。的要求各不相同。低湿型或高湿型传感器的量程较窄，低湿型或高湿型传感器的量程较窄，要求灵敏度要很高。要求灵敏度要很高。全湿型传感器，灵敏度的大小要适全湿型传感器，灵敏度的大小要适当，并非越大越好。否则，电阻值的动态当，并非越大越好。否则，电阻值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利。范围很宽，给配制二次仪表带来不利。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传

39、感器原理及应用传感器原理及应用在一定温度下，当相对湿度发生在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿敏传感器的电参量达到稳态跃变时，湿敏传感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。变化量的规定比例所需要的时间。一般规定从起始到终止一般规定从起始到终止63或或90的相对湿度变化所需要的时间作为的相对湿度变化所需要的时间作为响响应时间应时间，也称，也称时间常数时间常数；反映湿敏传感；反映湿敏传感器相对湿度发生变化时反应速度的快慢。器相对湿度发生变化时反应速度的快慢。响应时间又分为响应时间又分为吸湿响应时间吸湿响应时间和和脱湿响应时间脱湿响应时间。大多数传感器的脱湿响。大多数传感器的脱湿响应时间

40、大于吸湿响应时间，一般以脱湿应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿敏传感器的响应时间。响应时间作为湿敏传感器的响应时间。一、湿敏传感器的特性参数一、湿敏传感器的特性参数9.2 湿敏传感器5 5、响应时间、响应时间测量湿度时，湿敏传感器测量湿度时，湿敏传感器所加测试电压不能为直流电压，所加测试电压不能为直流电压，需用交流电压需用交流电压。因为加直流电压引起感湿因为加直流电压引起感湿体内水分子的电解，致使电导体内水分子的电解，致使电导率随时间的增加而下降。率随时间的增加而下降。传感器电阻与外加交流电传感器电阻与外加交流电压之间存在一定关系。压之间存在一定关系。电压大时，产生的焦耳热电压大

41、时，产生的焦耳热对传感器的阻湿特性影响大，对传感器的阻湿特性影响大，因而电压一般小于因而电压一般小于10V。6 6、电压特性、电压特性物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用湿敏传感器的阻值与外加测试电压湿敏传感器的阻值与外加测试电压的频率有关。在高湿时频率对阻值的影的频率有关。在高湿时频率对阻值的影响很小；当低湿高频时，随着频率的增响很小；当低湿高频时，随着频率的增加，阻值下降。加，阻值下降。湿敏传感器的使用频率上限一般由湿敏传感器的使用频率上限一般由实验确定。直流电压会引起水分子的电实验确定。直流电压会引起水分子的电

42、解，因此测试电压频率也不能太低。解，因此测试电压频率也不能太低。一、湿敏传感器的特性参数一、湿敏传感器的特性参数9.2 湿敏传感器7 7、频率特性、频率特性电阻频率特性电阻频率特性20 5V11% RH33% RH100% RHLg f / Hz0123456578475% RHLg R /这种湿敏传感器，在各种湿度下，这种湿敏传感器，在各种湿度下，当测试频率大于当测试频率大于103Hz时，阻值随电压时，阻值随电压频率明显变化，故该传感器使用频率的频率明显变化，故该传感器使用频率的上限为上限为103Hz。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原

43、理及应用传感器原理及应用（1）基本结构）基本结构氯化锂湿敏电阻，一种典型的电解质型氯化锂湿敏电阻，一种典型的电解质型湿敏器件；利用吸湿性盐类潮解、离子导电湿敏器件；利用吸湿性盐类潮解、离子导电率发生变化而制成的，由率发生变化而制成的，由引线、基片、感湿引线、基片、感湿层与电极层与电极组成。组成。二、氯化锂湿敏电阻二、氯化锂湿敏电阻9.2 湿敏传感器（2）工作原理）工作原理氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂（氯化锂（LiCl）溶液中，）溶液中，Li和和Cl以正负离子以正负离子形式存在，形式存在，Li对水分子的吸引力强，离子对水分子的吸引力强，离子水合程度高

44、，离子导电能力与浓度成正比。水合程度高，离子导电能力与浓度成正比。若环境相对湿度高，溶液吸收水分，浓度降若环境相对湿度高，溶液吸收水分，浓度降低，电阻率增高；环境相对湿度低，溶液浓低，电阻率增高；环境相对湿度低，溶液浓度升高，电阻率下降，实现对湿度的测量。度升高，电阻率下降，实现对湿度的测量。引线引线金电极金电极感湿层感湿层基片基片物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用工艺：工艺：两种以上的金属氧化物半导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。体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。材料：材料：ZnO-LiO2-V

45、2O5系、系、Si-Na2O-V2O5系、系、TiO2-MgO-Cr2O3系、系、Fe3O4等。等。负特性湿敏半导体陶瓷：负特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随电阻率随湿度增加而下降。湿度增加而下降。正特性湿敏半导体陶瓷：正特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随电阻率随湿度增加而增大。湿度增加而增大。三、半导体陶瓷湿敏电阻三、半导体陶瓷湿敏电阻9.2 湿敏传感器（1）负特性湿敏半导瓷的导电机理）负特性湿敏半导瓷的导电机理水分子中氢原子具有很强的正电场，水分子中氢原子具有很强的正电场，水在半导瓷表面吸附时可俘获电子，使半水在半导瓷表面吸附时可俘获电子，使半导瓷表面带负电。导瓷表面带负电。1 1、制作工艺与材料、制

46、作工艺与材料2 2、湿敏半导瓷的导电机理湿敏半导瓷的导电机理型半导体：型半导体：水分子吸附使表面水分子吸附使表面电势下降，吸引更多的电势下降，吸引更多的空穴到达表面，表面层空穴到达表面，表面层的电阻下降。的电阻下降。1：ZnO-LiO2-V2O5系系2：Si-Na2O-V2O5系系3：TiO2-MgO-Cr2O3系系物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用三、半导体陶瓷湿敏电阻三、半导体陶瓷湿敏电阻9.2 湿敏传感器（1）负特性湿敏半导瓷的导电机理）负特性湿敏半导瓷的导电机理型半导瓷：型半导瓷：水分子吸附使表面电势下降，

47、不仅水分子吸附使表面电势下降，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，可使到达表面层的空空穴达到表面层，可使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现表面反型层，穴浓度大于电子浓度，出现表面反型层，这些这些空穴称为反型载流子空穴称为反型载流子。2 2、湿敏半导瓷的导电机理湿敏半导瓷的导电机理1：ZnO-LiO2-V2O5系系2：Si-Na2O-V2O5系系3：TiO2-MgO-Cr2O3系系反型载流子（空穴）在表面迁移而反型载流子（空穴）在表面迁移而表现出电导特性，使表现出电导特性，使N型半导瓷材料的表型半导瓷材料的表面电阻下降。面电阻下降。 因此，

48、不论是型还是型半导瓷，因此，不论是型还是型半导瓷，电阻率都随湿度增加而下降。电阻率都随湿度增加而下降。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用三、半导体陶瓷湿敏电阻三、半导体陶瓷湿敏电阻9.2 湿敏传感器（2）正特性湿敏半导瓷的导电机理）正特性湿敏半导瓷的导电机理正特性湿敏半导瓷材料的结构、电正特性湿敏半导瓷材料的结构、电子能量状态与负特性的不同。子能量状态与负特性的不同。当水分子吸附半导瓷表面使电势变当水分子吸附半导瓷表面使电势变负时，导致表面层电子浓度下降，但不足负时，导致表面层电子浓度下降，但不足以使空穴浓度增加到

49、出现反型程度，仍以以使空穴浓度增加到出现反型程度，仍以电子导电为主。电子导电为主。电子浓度下降，表面电阻加大。电子浓度下降，表面电阻加大。2 2、湿敏半导瓷的导电机理湿敏半导瓷的导电机理因晶体内部存在低因晶体内部存在低阻支路，正特性半导瓷电阻支路，正特性半导瓷电阻值升高没有负特性的阻阻值升高没有负特性的阻值下降那么明显。值下降那么明显。Fe3O4半导瓷半导瓷正湿敏特性正湿敏特性 因此，这类半导瓷材料的表面电阻因此，这类半导瓷材料的表面电阻随湿度的增加而加大。随湿度的增加而加大。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（1

50、）MgCr2O4-TiO2湿敏器件湿敏器件MgCr2O4为型半导体，电阻为型半导体，电阻率低，阻值温度特性好。率低，阻值温度特性好。氧化镁复合氧化物氧化镁复合氧化物二氧化钛二氧化钛湿敏材料，制成多孔陶瓷型湿敏材料，制成多孔陶瓷型“湿湿电电”转换器件，为负特性半导瓷，转换器件，为负特性半导瓷，感湿体是一个多晶多相的混合物。感湿体是一个多晶多相的混合物。在在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极。面涂覆有多孔金电极。金电极与引出线烧结在一起。金电极与引出线烧结在一起。电极引线一般采用铂电极引线一般采用铂铱合金。铱合金。四、四、典型半导瓷湿敏典型半导瓷湿敏器件器件9.2 湿敏

51、传感器为了减少测量误差，在陶瓷为了减少测量误差，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，排除圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染。恶劣气氛对器件的污染。整个器件安在陶瓷基片上整个器件安在陶瓷基片上。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用（2）ZnO-Cr2O3湿敏器件湿敏器件多孔金电极烧结在多孔陶瓷多孔金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，圆片的两表面上，并焊上铂引线，敏感元件装入有网眼过滤的方形敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定塑料盒中

52、用树脂固定。 ZnO-Cr2O3湿敏传感器可连湿敏传感器可连续稳定地测量湿度，无须加热除续稳定地测量湿度，无须加热除污装置，功耗低于污装置，功耗低于0.5，体积小，体积小，成本低，常用测湿传感器。成本低，常用测湿传感器。四、四、典型半导瓷湿敏典型半导瓷湿敏器件器件9.2 湿敏传感器氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第九章 半导体传感器 9.1 气敏传感器气敏传感器9.2 湿敏传感湿敏传感9.3 色敏传感器色敏传感器9.4 半导体传感器应用半导体传感器应用物理科学与技术学院物理科学与技术

53、学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用半导体色敏半导体色敏器件相当于两器件相当于两只结构不同的光电二极管的组合，只结构不同的光电二极管的组合，浅结的浅结的PN结；深结的结；深结的PN结，结，又称又称光电双结二极管光电双结二极管。 一、一、半导体色敏半导体色敏器件基本结构器件基本结构9.3 色敏传感器半导体色敏半导体色敏器件器件物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用一、一、半导体色敏半导体色敏器件基本结构器件基本结构9.3 色敏传感器光在半导体中传播时的衰减是光在半导体中传播时

54、的衰减是由于价带电子吸收光子而从价带跃由于价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带的结果，这种吸收光子的迁到导带的结果，这种吸收光子的过程称为过程称为本征吸收本征吸收。本征吸收系数：本征吸收系数：半导体的本征吸收系数随入射半导体的本征吸收系数随入射光波长不同而变化。在红外部分吸光波长不同而变化。在红外部分吸收系数小，紫外部分吸收系数大。收系数小，紫外部分吸收系数大。因此，波长短的光子衰减快，因此，波长短的光子衰减快，穿透深度较浅；而波长长的光子则穿透深度较浅；而波长长的光子则能进入硅的较深区域。能进入硅的较深区域。1 1、本征吸收、本征吸收0.2 0.4 0.6 0.81.2 1.4 1.6 1.8

55、102101101102330 K77 K1061051041031021011波 长 / m穿 透 深 度 (1 / ) /m吸 收 系 数 / cm 1103SiG eG aAs0.2 0.4 0.6 0.81.2 1.4 1.6 1.8102101101102330 K77 K1061051041031021011波 长 / m穿 透 深 度 (1 / ) /m吸 收 系 数 / cm 1103SiGeGaAs吸收系数随波长的变化吸收系数随波长的变化 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用光电器件还常用量子效率来

56、表光电器件还常用量子效率来表征光生电子流与入射光子流的比值征光生电子流与入射光子流的比值大小。大小。一、一、半导体色敏半导体色敏器件基本结构器件基本结构9.3 色敏传感器半导体色敏器件正是利用半导体色敏器件正是利用了这一特性。了这一特性。2 2、量子效率、量子效率0.40.60.81.0 / m00.20.40.60.8量 子 效 率xj 2 mxj 1 mxj 0.5 mxj表示结深表示结深量子效率随波长的变化量子效率随波长的变化量子效率：量子效率：单位时间内每入射一个光子所单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。引起的流动电子数。半导体半导体P区在不同结深时量子区在不同结深时量子效率随

57、波长不同而变化效率随波长不同而变化。浅的浅的PN结有较好的蓝紫光灵敏结有较好的蓝紫光灵敏度，深的度，深的PN结则有利于红外灵敏度结则有利于红外灵敏度的提高。的提高。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用二、二、半导体色敏半导体色敏器件工作原理器件工作原理9.3 色敏传感器这一特性可用于颜色识别即这一特性可用于颜色识别即测量入射光的波长。测量入射光的波长。两只结深不同的光电二极管两只结深不同的光电二极管组合，就构成了可测定波长的半组合，就构成了可测定波长的半导体色敏传感器。导体色敏传感器。当有入射光照射时，当有入射光照射

58、时，P、N、P三个区域及其间的势垒区中都吸三个区域及其间的势垒区中都吸收光子，但效果不同。收光子，但效果不同。紫外光部分吸收系数大，经过紫外光部分吸收系数大，经过很短距离已基本吸收完。浅结的这很短距离已基本吸收完。浅结的这只光电二极管对紫外光灵敏度高。只光电二极管对紫外光灵敏度高。红外光部分吸收系数较小，这红外光部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸类波长的光子则主要在深结区被吸收。深结的那只光电二极管对红外收。深结的那只光电二极管对红外光灵敏度较高。光灵敏度较高。在半导体中不同的区域对不同在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度。的波长分别具有不同的灵敏度。物理科学与

59、技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用光谱特性光谱特性：色敏器件所能检测的色敏器件所能检测的波长范围。波长范围。 三、三、半导体色敏传感器基本特征半导体色敏传感器基本特征9.3 色敏传感器短路电流比短路电流比波长特性：波长特性：色敏器件对波长的识别能力，色敏器件对波长的识别能力，确定被测波长的基本特性。确定被测波长的基本特性。1 1、光谱特性、光谱特性020406080100VD1VD20.40.5 0.60.7 0.80.91.0 1.1 / m相对响应 / (%)2 2、短路电流比、短路电流比波长特性波长特性0.4 0.5

60、0.600.7 0.8 0.9 1.0 1.1 / m20406080100(a)00.11101000.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 / m(b)相对响应 / (%)1n(ISD2 / ISD1)物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用半导体色敏器件是测定两只光电二极半导体色敏器件是测定两只光电二极管短路电流之比，而这两只光电二极管做管短路电流之比，而这两只光电二极管做在同一块材料上，具有相同的温度系数。在同一块材料上，具有相同的温度系数。这种内部补偿作用使半导体色敏器件这种内部补偿作用使半导体色