中科大传感器课件第12章 半导体物性传感器

12.1气敏传感器

12.2湿敏传感器

第12章半导体传感器

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第12章半导体传感器

它是利用某些材料的电特性的物性变化来实现信息的直接变换的。半导体材料导电能力的大小，是由半导体内载流子的数目决定的。以半导体为敏感材料，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，通过检测这些物理特性的变化，就可反映被测参数值。定义：是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。检测气体中的特定成分（CO、CO2、甲醛、酒精、氧气、氢气等），将其变换成电信号输出。应用场合：一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警。基本要求：1、对被测气体有高的灵敏度。2、气体选择性好。3、能够长期稳定工作。4、响应速度快。

第一节气敏 传感器一、气敏电阻的工作原理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、氧化镍等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度,合成材料有时还渗入了催化剂,如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。

金属氧化物在常温下是绝缘的,制成半导体后却显示气敏特性，其导电率随气体的吸附而发生改变。通常器件工作在空气中,空气中的氧和NO2

这样的电子兼容性大的气体,接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷,结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少,使表面电导减小,从而使器件处于高阻状态。一旦元件与被测还原性气体接触,就会与吸附的氧起反应,将被氧束缚的电子释放出来,敏感膜表面电导增加,使元件电阻减小。该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）,目的是为了加速上述的氧化还原反应。

例如,用氧化锡制成的气敏元件,在常温下吸附某种气体后,其电导率变化不大,若保持这种气体浓度不变,该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加,尤其在100~300℃范围内电导率变化很大。显然,半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。

氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图所示。气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。气敏元件输出电压与温度的关系因此,气敏元件结构上,有电阻丝加热,结构如图所示,1和2是加热电极,3和4是气敏电阻的一对电极。气敏元件的基本测量电路电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化,输出电压（信号电压）由电阻Ro上取出。因此,常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。

EH为加热电源,EC为测量电源二、电阻型气敏器件

气敏电阻元件种类很多,按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。

（1）烧结型将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中,经加热成型后低温烧结而成。目前最常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件,它的加热温度较低,一般在200~300℃,SnO2气敏半导体对许多可燃性气体,如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。内热式气敏器件结构旁热式气敏器件结构（2）薄膜型

在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜制成（厚度0.1μm以下）。上下为输出电极和加热电极，中间为加热器。（3）厚膜型

将金属氧化物粉末、添加剂粘合剂等混合配成浆料，将浆料印刷到基片上，制成数十微米的厚膜。灵敏度、工艺性、机械强度和一致性等方面，厚膜气敏元件较好。以上三种气敏器件都附有加热器,在实际应用时,加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉,同时加速气体氧化还原反应,从而提高器件的灵敏度和响应速度。烧结型厚膜型薄膜型输出极加热电极输出极加热器金属氧化物金属氧化物氧化铝基片半导体氧化物Pt电极加热器加热电极工作原理利用半导体材料与气体相接触时，材料电阻发生变化的效应来检测气体的成分或浓度。气敏元件多采用SnO2、ZnO等。SnO2、ZnO属于N型半导体，工作时加热。元件加热到稳定状态时，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元件表面自由扩散，一部分分子蒸发，一部分分子固定在吸附处。当吸附还原性气体时，半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子吸附。载流子数增加，半导体电阻率减少阻值降低。当吸附氧化性气体时，半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负离子吸附。半导体载流子数减少，电阻率增大，阻值增大。元件加热正常状态吸附还原气体吸附氧化气体吸附气体后空气中元件电阻100500元件阻值变化时间吸附分子与半导体相互争夺电子。工作温度在200~400℃范围内吸附效果较好，电导率变化较大。注1：加热器的作用（1）使附着在元件上的油污、尘埃烧掉。（2）加速气体的氧化、还原反应，提高器件的灵敏度及响应速度。注2：检测不同气体，加热温度及添加物质不同，目的是使传感器对不同气体有选择性。三、气敏传感器的应用1、

实用酒精测试仪

测试驾驶员醉酒的程度。气体传感器选用二氧化锡气敏元件。当气体传感器探测不到酒精时,加在A5脚的电平为低电平;当气体传感器探测到酒精时,其内阻变低,从而使A5脚电平变高。A为显示驱动器,它共有10个输出端,每个输出端可以驱动一个发光二极管,显示推动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数,酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上5个发光二极管为红色,表示超过安全水平。下5个发光二极管为绿色,代表安全水平,酒精含量不超过0.05%。

9.2湿敏传感器

一、湿度概念及其测量方式1、湿度概念空气中水蒸汽的含量。（1）绝对湿度单位体积空间内所含有水蒸汽的质量。（密度）

（2）相对湿度空气中实际所含水蒸汽的分压和同温度下饱和水蒸汽分压的百分比。（3）露点温度空气压力不变下，为使其所含水蒸气达到饱和状态，必须冷却到的温度称为露点温度。气温与露点温度差越小，表示空气越接近饱和。2、测量方式毛发湿度计、干湿球湿度计、露点计、半导体阻抗式湿度计。二、几种类型的湿度传感器1、氯化锂湿敏电阻

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。结构如图所示,由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂是离子晶体。高浓度氯化锂溶液，Li与CL以正负离子形式存在。溶液中离子导电能力与溶液浓度有关。溶液的电导率随着溶液浓度的增高而下降。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,其溶液电导率增高，阻值下降。反之,环境相对湿度变低时,则溶液浓度升高,其电导率下降,阻值升高。从而实现对湿度的测量。一般氯化锂湿敏电阻呈负阻特性。

氯化锂湿敏元件的优点是滞后小,不受测试环境风速影响,检测精度高达±５%,但其耐热性差,不能用于露点以下测量,器件性能的重复性不理想,使用寿命短。

2、高分子薄膜电容湿敏传感器高分子介质吸湿后，其介电常数发生变化，电容值变化（增加）。由于高分子薄膜做得很薄，能迅速吸附水分子（吸湿）和脱湿，响应性能优良，根据电容两的变化可测得相对湿度。3、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。分为负特性湿敏半导体陶瓷，正特性湿敏半导体陶瓷。（1）.负特性湿敏半导瓷的导电机理

当水在半导瓷表面吸附时,氢原子从半导瓷表面俘获电子,使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是Ｐ型半导体,则由于水分子吸附使表面电势下降。吸引更多的空穴到表面，表面层的电阻下降。不仅使表面层的电子耗尽,同时吸引更多的空穴达到表面层,有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度,出现所谓表面反型层,这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而对电导做出贡献,由此可见,不论是Ｎ型还是Ｐ型半导瓷,其电阻率都随湿度的增加而下降。图12-

11表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度之关系。

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认为这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时,导致其表面层电子浓度下降,但还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度,此时仍以电子导电为主。于是,表面电阻将由于电子浓度下降而加大,这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。如果对某一种半导瓷,它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多,那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。不过,通常湿敏半导瓷材料都是多孔的,表面电导占的比例很大,故表面层电阻的升高,必将引起总电阻值的明显升高;但是,由于晶体内部低阻支路仍然存在,正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降得那么明显。图9-6给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。

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9-7所示,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。

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9-8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）ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上,并焊上铂引线,然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定而做成的，其结构如图9-9所示。

ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度,而无需加热除污装置,因此功耗低于0.5Ｗ,体积小,成本低,是一种常用测湿传感器。

二、直读式湿度计

图9-17是直读式湿度计电路,其中RH为氯化锂湿度传感器。由VT1、VT2、T1等组成测湿电桥的电源,其振荡频率为250~1000Hz。电桥输出级变压器T2,C3耦合到VT3,经VT3放大后的信号,由VD1~VD4桥式整流后,输入给微安表,指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变,经标定并把湿度刻划在微安表盘上,就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。第四节色敏传感器

半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。但不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的都是在一定波长范围内光的强度,或者说光子的数目。而半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现的一种新型光敏器件。

一、半导体色敏传感器的基本原理

半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合,故又称光电双结二极管。其结构原理及等效电路如图所示。为了说明色敏传感器的工作原理,有必要了解光电二极管的工作机理。

1.光电二极管的工作原理

对于用半导体硅制造的光电二极管,在受光照射时,若入射光子的能量hυ大