传感器原理及工程应用(第三版)第9章半导体传感器

1、第9章半导体传感器、9.1气体传感器、9.2湿度传感器、9.3颜色传感器、9.4半导体传感器的应用、9.1气体传感器、9.1.1概述气体传感器用于检测气体种类、浓度和成分。因为气体种类很多，它们的性质也不同，所以不可能用一个传感器检测所有种类的气体。因此，有多种传感器可以实现气电转换。根据气体传感器材料的组成，它们可以分为半导体和非半导体。目前，半导体气体传感器在实践中应用最多。半导体气体传感器的工作原理和类型当待测气体与半导体表面接触时，半导体气体传感器通过利用诸如电导率的物理性质的变化来检测气体。半导体气体传感器可分为表面控制型和体控制型。表面控制的：半导体表面上吸附的气体与半导体之间发生

2、电子接受，导致半导体电导率等物理性质的变化，但内部化学成分保持不变；体积控制型：半导体和气体之间的反应改变了半导体的内部组成和导电性。根据半导体的物理特性变化，可分为电阻型和非电阻型。电阻型半导体气体传感器利用敏感材料与气体接触时的电阻变化来检测气体的成分或浓度。非阻性半导体气体传感器使用其他参数，例如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化，来检测被测气体。表9-1是半导体气体传感器的分类。表9-1半导体气体传感器的分类。当暴露于含有各种成分的气体时，使用气体传感器。由于检测现场的温度和湿度变化很大，并且存在大量的灰尘和油雾，因此它们的工作条件很恶劣，并且气体会在传感器元件的材料上产生化学

3、反应剂，这些化学反应剂会粘附在元件的表面上，并且通常会使它们的性能变差。该气体传感器具有以下要求：能长时间稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质影响小。由半导体气体传感器组成的气体传感器主要用于工业天然气、燃气、石化等部门易燃、易爆、有毒等有害气体的监测、预测和自动控制。9.1.2半导体气体传感器的机理半导体气体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电阻值的变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态时，当气体接触半导体表面并被吸附时，被吸附的分子首先在表面物理性质上自由扩散，失去动能，一些分子被蒸发，而其他残余分子被热分解并固定在吸附位置(化学吸附)。当半导体的功函数小于被

4、吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时，被吸附的分子将从器件中捕获电子并变成负离子进行吸附，半导体表面呈现电荷层。例如，具有负离子吸附倾向的气体，如氧气，被称为氧化气体或电子接收气体。如果半导体的功函数大于被吸附分子的离解能，被吸附的分子将向器件释放电子并形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体包括H2、一氧化碳、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原气体或电子供给气体。当氧化气体被吸附在N型半导体上并且还原气体被吸附在P型半导体上时，半导体载流子将被减少并且半导体电阻将增加。当还原气体被吸附在N型半导体上并且氧化气体被吸附在P型半导体上时，载流子增加并且半导体的电阻值降低。该图显示了当气体接触

5、N型半导体时器件电阻的变化。N型半导体吸附气体时器件的电阻变化图。气体吸附在N型半导体上，气体吸附在N型半导体上。因为空气中的氧含量通常是恒定的，所以氧的吸附量也是恒定的，并且devic的电阻值n型材料包括二氧化锡、氧化锌和二氧化钛，p型材料包括二氧化钼和三氧化铬。9.1.3半导体气体传感器1的类型和结构。电阻半导体气体传感器，图9-2气体传感器的器件结构半导体传感器(a)烧结气体传感器；薄膜器件；(c)厚膜装置，图9-2(a)是烧结气体传感器。这种器件是基于二氧化锡半导体材料，铂电极和电热丝嵌在二氧化锡材料中，在700900下加热加压烧结而成。因此，简称为半导体陶瓷。半导体陶瓷的粒径约为1m

6、，粒径对电阻有一定影响，但对气体检测灵敏度影响不大。烧结器件的制造方法简单，器件使用寿命长。然而，由于烧结不充分、机械强度低、电极材料昂贵和电性能一致性差，应用受到限制。图9-2(b)是一个薄膜器件。它采用蒸发或溅射工艺在应时衬底上形成氧化物半导体薄膜(厚度小于100纳米)，制作方法也非常简单。实验表明二氧化锡半导体薄膜具有最好的气敏特性，但这种半导体薄膜是物理附着的，因此器件的性能有很大的不同。图9-2(c)是一个厚膜装置。该装置是通过将氧化物半导体材料和硅胶混合制成可印刷的厚膜粘合剂，然后将厚膜粘合剂印刷在具有电极的绝缘基板上，并烧结而制成的。通过该工艺制造的部件具有高机械强度和小分散性，

7、适于大规模生产。辅助加热器的功能：其功能是烧掉附着在敏感元件表面的灰尘和油雾，加速气体的吸附，从而提高设备的灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200400左右。通常，有两种加热模式：直接加热和侧加热，从而形成直接加热和侧加热气体传感器。直热式气体传感器的结构和符号如图9-3所示。图9-3直热式气体传感器的结构和符号(a)结构；(b)符号，直接加热装置是通过将加热丝和测量丝直接嵌入二氧化锡或氧化锌粉末中并烧结而制成的。工作时，加热丝通电，测量丝用于测量设备的电阻。这种器件具有制造工艺简单、成本低、功耗低的优点，可用于高压电路，但热容量小，易受环境气流的影响。测量电路和加热电路没有隔离，相互

8、影响。图9-4侧加热气体传感器的结构和符号(a)侧加热结构；符号。侧热式气体传感器的结构和符号如图9-4所示。其特征是将电热丝置于陶瓷管中，管上涂有梳状金电极作为测量电极，金电极上涂有二氧化锡等材料。侧加热结构的气体传感器克服了直接加热结构将测量电极和加热电极分开的缺点，电热丝不与气敏材料接触，避免了测量电路和加热电路之间的相互影响。该装置的热容量大，减少了环境温度对装置加热温度的影响。因此，这种结构装置的稳定性和可靠性优于直接加热装置。非阻性半导体气体传感器非阻性气体传感器也是半导体气体传感器之一。它是由金属氧化物半导体二极管电容电压特性的变化和金属氧化物半导体场效应晶体管阈值电压的变化等物

9、理特性组成的气体传感器。无电阻气体传感器制造工艺成熟，便于器件集成，性能稳定，价格低廉。特殊材料的使用也会使该装置对某些气体特别敏感。(1)如图9-5(a)所示，通过热氧化在p型半导体硅晶片上形成厚度为50-100纳米的二氧化硅(二氧化硅)层，然后在其上蒸发钯(钯)金属膜作为栅电极，来制造金属氧化物半导体气体传感器。图9-5金属氧化物半导体二极管结构及等效电路如图9-5(c)的曲线a所示，这种功能关系被称为这种类型的金属氧化物半导体二极管的C-U特性。钯对氢特别敏感(H2)，当钯吸附H2时，钯的功函数将降低，这将导致金属氧化物半导体管的碳-铀特性向负偏置方向移动，如图9-5(c)的曲线B所示。

10、根据这一特性，可以用它来确定H2的浓度。钯金属氧化物半导体场效应晶体管的结构见图9-6，(2)钯金属氧化物半导体场效应晶体管的结构。9.1.4气体传感器的应用半导体气体传感器因其灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长和成本低而得到广泛应用。根据其应用，可分为以下几类：气体泄漏报警、自动控制、自动测试等。表9-2给出了半导体气体传感器的应用实例。表9-2半导体气体传感器各种检测气体和家用气体的安全报警电路。一部分是气体报警器，在气体浓度达到危险极限之前发出警报；另一部分是开放式负离子发生器，其功能是自动产生空气负离子，使煤气中的主要有害成分一氧化碳与空气负离子中的臭氧(O3)反应，产生对人体

11、无害的二氧化碳。，IC2，BG3，220伏，K，J1，R10，R12，R11，R1，R2，R3，R4，BG1，BG2，C1，C2，C3，C4，R5，R6，R7，R8，R13，R9，D1，D2，D3，D4，D5，Dw，W1，W2，C7，C5，C6下图是带串联蜂鸣器的应用电路。随着环境中可燃气体浓度的增加，气体传感器的电阻值下降到一定值后，流入蜂鸣器的电流足以驱动其工作并发出报警信号。220伏、BZ、氖管、家用可燃气体报警电路、气体传感器、蜂鸣器、B、R、有害气体识别、报警和控制。一方面，它可以识别实验中是否产生有害气体和液体是否挥发，另一方面，它可以自动控制。TWH8778是一种大电流驱动开关集

12、成电路。气体浓度增加，传感器电阻减小，检测可燃气体浓度，用于监测和报警气体、一氧化碳、液化石油气等的泄漏。U257B为发光二极管驱动器，根据输入端子7的大小驱动不同的发光二极管开关，8为电源端子，1为接地端子，气体浓度增加，传感器电阻减小，矿灯气体报警、烟雾报警、酒精检测报警和自动空气清新剂可在室内空气污浊或有害气体达到一定浓度时自动产生负氧离子，保持空气清新。电路工作原理如图2.4.2所示。自动空气清新剂电路原理图，9.2湿度传感器，湿度是指大气中的水蒸气含量，通常用绝对湿度(用AH表示)和相对湿度(用%RH表示)来表示。绝对湿度是指在一定的温度和压力条件下，每单位体积混合气体中所含的水蒸气

13、质量，单位为g/m3。相对湿度是指气体的绝对湿度与在相同温度下达到饱和的绝对湿度之比。相对湿度给出了大气的湿度，它是一个无量纲的量。相对湿度的概念在实际应用中经常被用到。湿度传感器是一种能够感知外部湿度变化并通过设备材料的物理或化学性质的变化将湿度转换成有用信号的设备。与其他物理量相比，湿度检测更加困难。首先，直接测量湿度是不可能的，只有与湿度相关的次要参数才能用物理和化学定律来测量。湿度信息的传输必须通过水和湿度敏感装置之间的直接接触来完成，因此湿度敏感装置只能直接暴露在待测环境中，不能密封。湿度传感器具有在各种气体环境中稳定性好、响应时间短、使用寿命长、互换性好、耐污染、受温度影响小等要求

14、。小型化、集成化和低价格是湿度传感器的发展方向。9.2.1氯化锂湿敏电阻器是一种湿度测量元件，由吸湿盐的潮解和离子电导率的变化制成。如图9-7所示，它由导线、基板、湿敏层和电极组成。图9-7是防潮结构的示意图，图9-8是氯化锂的防潮特性曲线。氯化锂和聚乙烯醇通常形成混合物。在氯化锂溶液中，锂和氯都以正负离子的形式存在，而锂对水分子有很强的吸引力，离子水合程度高，其在溶液中的离子电导率与其浓度成正比。当溶液置于一定的温度和湿度场中时，如果环境的相对湿度较高，溶液会吸收水分并降低其浓度，因此其溶液电阻率会增加。相反，当环境相对湿度降低时，溶液浓度增加，电阻率降低，从而实现湿度测量。氯化锂湿度传感器

15、的电阻湿度特性曲线如图9-8所示。从图中可以看出，在相对湿度为50%的范围内，电阻与湿度呈线性关系。为了扩大湿度测量的线性范围，可以组合几种不同氯化锂含量的设备。例如，测量范围为(10 %)相对湿度、(20%)相对湿度、(40%)相对湿度、(70%)相对湿度和(80%)相对湿度的五个设备可以一起使用，并且可以自动转换整个湿度范围内的湿度测量。氯化锂湿度传感器的优点是滞后小，在测试环境中不受风速影响，检测精度高达%，但耐热性差，不能用于露点以下的测量，性能重复性不理想，使用寿命短。9.2.2半导体陶瓷湿敏电阻器多孔陶瓷：由两种以上金属氧化物半导体材料混合烧结而成。有氧化锌-二氧化硅-五氧化二钒体系、硅-氧化钠-五氧化二钒体系、二氧化钛-氧化镁-三氧化二铬体系等。负特性湿敏半导体陶瓷的电阻率随着湿度的增加而降低。正湿敏半导体陶瓷材料为Fe3O4，其电阻率随湿度的增加而增加。1.负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理由于水分子中的氢原子具有强正电场，当水吸附在半导体陶瓷表面时，有可能从半导体陶瓷表面捕获电子，使半导体陶瓷表面带负电。如果半导体陶瓷是一种半导体类型，由于水分子的吸附，表面电位将下降，这将吸引更多的空穴到其表面，因此其表面层的电阻将下降。如果半导体陶瓷是类型，由于水分子的粘附，表面电位将下降。如果表面电位