半導(dǎo)體敏感元件(濕度)ppt課件

濕度傳感器,課程內(nèi)容,1濕度表示方法2濕敏傳感器分類3濕度傳感器的主要參數(shù)4幾種常用測量濕度方法5半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件6元素半導(dǎo)體濕敏元件7半導(dǎo)體結(jié)型和MOS型濕敏元件8.高分子濕度傳感器9濕敏傳感器的應(yīng)用10典型濕度傳感器,1濕度表示方法,在某一溫度下，其水蒸氣壓同其飽和蒸氣壓的百分比。,相對濕度,單位體積內(nèi),空氣里所含水蒸氣的質(zhì)量。,絕對濕度,當(dāng)空氣的溫度下降到某一特定溫度,空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠,相對濕度為100RH，簡稱露點(diǎn)。,如果露點(diǎn)溫度低于0時,水蒸氣將結(jié)霜,統(tǒng)稱為露點(diǎn)。,露點(diǎn)溫度,霜點(diǎn)溫度,濕度：,大氣中含有水蒸氣的多少,表明大氣的干濕程度。,常表示為%RH；,道爾頓部分壓力定律：在常溫常壓下，一定體積混合氣體的壓力，等于其各組成成分分別單獨(dú)在相同體積內(nèi)產(chǎn)生的部分壓力之和。,毛發(fā)式、干濕球式、陶瓷式、有機(jī)高分子式、半導(dǎo)體式和電解質(zhì)式等。,2濕敏傳感器分類,電阻式、電容式和頻率式等；,按探測功能,相對濕度、絕對濕度、結(jié)露和多功能式四種；,按材料,按濕敏元件輸出的電學(xué)量,干球溫度計(jì),濕球溫度計(jì),刻度盤,紗布,水槽,2濕敏傳感器分類,干濕球式濕度計(jì),2濕敏傳感器分類,干濕球式濕度計(jì),利用水蒸發(fā)要吸熱降溫，而蒸發(fā)的快慢（即降溫的多少）是和當(dāng)時空氣的相對濕度有關(guān)。,原理,3濕度傳感器的主要參數(shù),A濕度量程,B感濕特征量,C感濕靈敏度,D特征量溫度系數(shù),電容溫度系數(shù)(%/)=,電阻溫度系數(shù)(%/)=,T溫度25與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差；,E感濕溫度系數(shù),感濕溫度系數(shù)(%RH/)=,T溫度25與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差；,低濕型（0.5%RH-30%RH）,中濕型（30%RH-70%RH）,高濕型（70%RH-100%RH）,全濕型（0-100%RH）,例：R1%/R20%,F響應(yīng)時間,G濕滯回線和濕滯回差,I頻率特性,加直流電壓，會引起濕敏元件的感濕體內(nèi)水分子電解，致使其電導(dǎo)率隨時間的延長而下降。故采用交流電壓。,注：通常脫濕響應(yīng)時間大于吸濕相應(yīng)時間；,H電壓特性,高濕時，頻率影響較小；低濕高頻時，頻率增加，元件阻值下降，上限頻率通常由實(shí)驗(yàn)決定；為防止水解，頻率通常大于50Hz。,3濕度傳感器的主要參數(shù),4幾種常用測量濕度方法,用纖維素與約50微米厚金屬箔粘合在一起，卷成螺旋狀構(gòu)成；適用范圍:30%100%RH。,毛發(fā)濕度計(jì),電子式溫濕度計(jì),干濕球式溫濕度計(jì),5電解質(zhì)濕度傳感器,氯化鋰濕度電阻特性曲線,利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。,原理,水分子結(jié)構(gòu)示意圖,6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,材料,金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷,類型,燒結(jié)型、厚膜型和薄膜型,感濕機(jī)理,A電子導(dǎo)電理論,B質(zhì)子導(dǎo)電理論,C電子-質(zhì)子混合導(dǎo)電理論,陶瓷濕敏元件利用其表面多孔性吸濕導(dǎo)電。,特點(diǎn),測濕范圍寬，工作溫度高，響應(yīng)時間短、精度高；,水分子特點(diǎn),極性分子，電子云趨向于氧原子，氫原子附近有很強(qiáng)的正電場，水分子具有很強(qiáng)的電子親和力。,6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,感濕機(jī)理,A電子導(dǎo)電理論,實(shí)質(zhì)：用能帶理論來解釋多孔陶瓷的感濕機(jī)理。,表面能級,表面受主態(tài)能級,表面施主態(tài)能級,成對出現(xiàn),本征表面態(tài),P型金屬氧化物半導(dǎo)體,水分子在晶粒表面吸附，在價帶上方產(chǎn)生新的能級，相對濕度增大時，表面吸附的水增多，增加了表面受主密度。表面空穴的濃度隨相對濕度的增大而不斷增大，使表面電阻明顯下降，引起感濕陶瓷的電阻下降。,6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,感濕機(jī)理,A電子導(dǎo)電理論,N型金屬氧化物半導(dǎo)體,A過程：,正感濕過程。,B過程：,隨著相對濕度，界面積累的空穴濃度將超過導(dǎo)帶中原有電子濃度，出現(xiàn)反型層，界面電阻率下降，呈現(xiàn)負(fù)感濕特性。,B質(zhì)子導(dǎo)電理論,6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,感濕機(jī)理,C電子-質(zhì)子混合導(dǎo)電理論,化學(xué)吸附產(chǎn)生電場促進(jìn)物理吸附水的分解，其電荷輸運(yùn)是通過一個質(zhì)子附載在水分子上形成水合氫離子進(jìn)行的，表現(xiàn)為負(fù)感濕特性。,在任何濕度下，陶瓷濕敏元件同時存在有電子導(dǎo)電和質(zhì)子導(dǎo)電。低濕情況下，則以電子導(dǎo)電為主。高濕情況下，則以質(zhì)子導(dǎo)電為主。中等濕度情況，則是電子導(dǎo)電和質(zhì)子導(dǎo)電的過渡區(qū)域。,6.1MgCr2O4-TiO2陶瓷濕敏元件結(jié)構(gòu),6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,以不同的金屬氧化物為原料，通過典型的陶瓷工藝燒制而成。,6.2MgCr2O4-TiO2濕敏元件特性（國產(chǎn)SM-1型）,6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,阻-濕特性,響應(yīng)時間,吸濕和脫濕響應(yīng)時間約為10s；,加熱清洗特性,氣敏特性,MgCr2O4-TiO2半導(dǎo)體陶瓷材料為多孔性結(jié)構(gòu)，工作溫度低于150時，良好感濕特性；300-550時，喪失對水蒸汽敏感特性，對多種氣體敏感，例如乙醇。,6.2MgCr2O4-TiO2濕敏元件特性（國產(chǎn)SM-1型）,6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,日本松下公司MgCr2O4-TiO2系多功能傳感器典型特性,6.3MgCr2O4-TiO2濕敏元件工藝,6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,材料制備,配比：MgO:Cr2O3:TiO2=70:70:30(摩爾分?jǐn)?shù))。配好原料放入球磨罐中進(jìn)行球磨。干燥、過篩后，制成粒徑合適的粉料。,成型,在加工好的粉料中加入有機(jī)粘合劑，攪拌均勻后，裝入模具內(nèi)，經(jīng)壓力機(jī)加壓成型。,燒成,從室溫升到300左右，適當(dāng)保溫一段時間，把粘合劑從陶瓷胚體中排出，防止高溫?zé)Y(jié)時粘合劑燃燒出現(xiàn)裂紋。然后升溫，在1300下保溫2-4h。,電極制作,選用Ru（釕）O2，RuO2材料方塊電阻?。崤蛎浵禂?shù)相當(dāng)、附著力好，化學(xué)性能穩(wěn)定），RuO2電極具有多孔性，允許水分子通過電極到達(dá)陶瓷表面。,(5)安置加熱器,6.4ZrO2厚膜陶瓷濕敏元件,6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,厚膜陶瓷感濕機(jī)理,由于物理吸附的水，在濕敏感濕層的表面上進(jìn)行解離而產(chǎn)生質(zhì)子，實(shí)際是質(zhì)子導(dǎo)電。,元件的結(jié)構(gòu),工藝,ZrO2-Y2O3的固溶體簡稱YSZ,釔,ZrO2厚膜濕敏元件的特性,6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,濕度、溫度特性,在低濕度時，溫度對阻-濕特性影響較大。在相對濕度不變的情況下，隨溫度的上升，阻值減小，呈現(xiàn)出NTC熱敏電阻特性。,響應(yīng)特性,濕度從84%RH變化到53%RH時響應(yīng)速度要慢些，即脫濕過程慢。在室溫下吸濕時間為20s，脫濕時間約為1min。,6.5多孔Al2O3濕敏元件,片狀、棒狀、針狀,類型,6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,元件結(jié)構(gòu),元件核心：,具有感濕特性的多孔Al2O3膜；,工藝：,采用陽極氧化法制備；,感濕機(jī)理,6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,剖面圖,等效電路,等效電路阻抗：,可得：,多孔Al2O3濕敏元件的特性參數(shù),6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,(1)感濕特性,膜厚度對其感濕特性的影響。,總結(jié)：對以Cp為感濕特征量的元件，厚度越小，越好；,多孔Al2O3濕敏元件的特性參數(shù),6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,(1)感濕特性,膜厚度對其感濕特性的影響。,總結(jié)：對以Rp為感濕特征量的元件，厚度越大，有利于提高靈敏度；,測量絕對濕度的感濕特性曲線,Cp值越大，Cp隨露點(diǎn)溫度變化越明顯，元件靈敏度越高。,6半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,多孔Al2O3濕敏元件的特性參數(shù),函數(shù)關(guān)系：,響應(yīng)時間,環(huán)境溫度越高，通氣流速越大，響應(yīng)時間越短；,濕滯特性,陽極氧化時生成的多孔Al2O3有多個解理面，易于產(chǎn)生裂紋，以致在該處易于聚集水分而成緩慢的擴(kuò)散源。氣孔孔型不規(guī)則，分布不均勻，外電極上有機(jī)物的玷污，過厚的外電極金屬膜以及過大的感濕面積等，都是濕滯的原因。,7元素半導(dǎo)體濕敏元件,材料,原理,用Ge，Si或C等薄膜制成的；,當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，水分子的吸附將改變晶粒的表面態(tài)的占據(jù)情況，以及影響晶粒界面的勢壘高度，有效的改變薄膜的電阻。,硅（Si）燒結(jié)型濕敏元件,在Al2O3基片上，燒結(jié)一對金電極，涂覆一層Si濕敏材料。,結(jié)構(gòu),感濕特性曲線,濕敏二極管,8半導(dǎo)體結(jié)型和MOS型濕敏元件,結(jié)構(gòu),I-V曲線,表面態(tài)能級填充引起肖特基勢壘變化。,濕敏MOSFET,（MOSFET）的柵極上涂覆一層感濕薄膜，再在感濕薄膜上增設(shè)一個金屬電極構(gòu)成。,8半導(dǎo)體結(jié)型和MOS型濕敏元件,濕敏MOSFET是N溝道耗盡型，在柵壓為零時，有溝道存在，工作時，無需外加?xùn)艍骸?利用有機(jī)高分子材料吸濕性與脹縮性。某些高分子電介質(zhì)吸濕后，介電常數(shù)明顯改變，制成電容式濕度傳感器；某些高分子電解質(zhì)吸濕后，電阻明顯變化，制成電阻式濕度傳感器；利用脹縮性高分子（如樹脂）材料和導(dǎo)電粒子，在吸濕之后的開關(guān)特性，制成結(jié)露傳感器。,9.高分子濕度傳感器,原理,高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu),傳感器的電容量變化很大,線性度欠佳,可外接轉(zhuǎn)換電路,電容濕度特性趨于理想直線。,傳感器特性,（1）電容濕度特性,9.高分子濕度傳感器,（2）響應(yīng)特性,高分子薄膜可以做得極薄，吸濕響應(yīng)時間都很短，一般都小于5s，有的響應(yīng)時間僅為1s。,（3）電容一溫度特性,電容式高分子膜濕度傳感器的感濕特性受溫度影響非常小，在550范圍內(nèi),電容溫度系數(shù)約為0.06RH/。,電阻式高分子膜濕度傳感器,（1）聚苯乙烯磺酸鋰濕度傳感器,9.高分子濕度傳感器,（2）電阻濕度特性,聚苯乙烯磺酸鋰的電導(dǎo)率隨溫度的變化較為明顯，具有負(fù)溫度系數(shù)。在(055)時，溫度系數(shù)為(0.61.0)RH/。,（3）溫度特性,電阻式高分子膜濕度傳感器,9.高分子濕度傳感器,10濕敏傳感器的應(yīng)用,10.1濕敏元件的標(biāo)定,結(jié)構(gòu)簡單，費(fèi)用少，操作方便，精度較高，但濕度是不連續(xù)的。,飽和鹽溶液法（濕度固定點(diǎn)法）,特點(diǎn):,將飽和鹽水溶液置于封閉的容器中，在給定的溫度下，鹽溶液達(dá)到飽和時，其平衡蒸汽壓也將恒定。,特點(diǎn):,雙溫法,相對濕度:,10.1濕敏元件的標(biāo)定,10濕敏傳感器的應(yīng)用,氣體通過具有一定溫度的飽和槽，使其成為飽和氣體，飽和槽的飽和水蒸氣壓為et，再將氣體通入比飽和槽溫度高的試驗(yàn)槽，試驗(yàn)槽溫度對應(yīng)的飽和水蒸氣壓為ets。,裝置簡單，難于精確控制溫度，精度低。,將被壓縮的干燥氣體通入一定溫度下的飽和槽內(nèi)，使之變成飽和氣體，飽和槽的氣體壓力為Ps，再將這種飽和氣體膨脹到同一溫度下的試驗(yàn)槽中，由于壓縮氣體的膨脹，氣體變成了非飽和的氣體，若試驗(yàn)槽內(nèi)的氣體壓力為Pt。,因高、低濕時氣體膨脹情形不一樣，對調(diào)整壓力精度的技術(shù)要求高。,特點(diǎn):,雙壓法(壓縮膨脹法),相對濕度:,10.1濕敏元件的標(biāo)定,10濕敏傳感器的應(yīng)用,10.2濕敏元件的溫度補(bǔ)償,半導(dǎo)體陶瓷濕敏元件,（NTC）特性,電阻溫度系數(shù)（TCR）：,電阻濕度系數(shù)（HCR）：,對于負(fù)溫度系數(shù)濕敏元件，溫度補(bǔ)償方法在測試探頭回路中串聯(lián)正溫度系數(shù)元件。,設(shè)Rn=Rp，要使R不隨溫度變化，必須使,10濕敏傳感器的應(yīng)用,濕度溫度系數(shù),無源線性變化,10.3線