第6章 半導(dǎo)體傳感器

1、傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國 第六章 半導(dǎo)體傳感器 傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國 第六章第六章 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器 6.1 6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器6.2 6.2 濕敏傳感器濕敏傳感器6.3 6.3 色敏傳感器色敏傳感器6.4 6.4 半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程

2、教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國氣敏傳感器：氣敏傳感器：通過氣通過氣- -電轉(zhuǎn)換來檢測氣體類別、電轉(zhuǎn)換來檢測氣體類別、濃度和成分的傳感器。濃度和成分的傳感器。 按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為：按構(gòu)成氣敏傳感器材料可分為：半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。目前半導(dǎo)體氣敏傳感器實際使用目前半導(dǎo)體氣敏傳感器實際使用最多。最多。半導(dǎo)體氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器: :利用待測氣體與半導(dǎo)體表面接利用待測氣體與半導(dǎo)體表面接觸時產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來觸時產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來檢測氣體。檢測氣體。一、氣敏傳感器的定義和種類一、氣敏傳感器的定義和種類6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器

3、分類半導(dǎo)體氣敏傳感器分類: :按半導(dǎo)體與氣體相互作用時按半導(dǎo)體與氣體相互作用時產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體表面或產(chǎn)生的變化只限于半導(dǎo)體表面或深入到半導(dǎo)體內(nèi)部可分為：深入到半導(dǎo)體內(nèi)部可分為：表面控制型和體控制型。表面控制型和體控制型。表面控制型：表面控制型：半導(dǎo)體表面吸半導(dǎo)體表面吸附氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，附氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變。變。體控制型：體控制型：半導(dǎo)體與氣體的半導(dǎo)體與氣體的反應(yīng)，半導(dǎo)體內(nèi)部組成發(fā)生變化，反應(yīng)，半導(dǎo)體內(nèi)部組成發(fā)生變化，導(dǎo)致電導(dǎo)率等參量變化。導(dǎo)致電導(dǎo)率等參量

4、變化。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國半導(dǎo)體氣敏傳感器分類半導(dǎo)體氣敏傳感器分類: :按照半導(dǎo)體變化的物理特性又可按照半導(dǎo)體變化的物理特性又可分為：分為：電阻型和非電阻型電阻型和非電阻型。一、氣敏傳感器的定義和種類一、氣敏傳感器的定義和種類6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器電阻型：電阻型：通過半導(dǎo)體敏感材料接通過半導(dǎo)體敏感材料接觸氣體時阻值變化來檢測氣體的成分觸氣體時阻值變化來檢測氣體的成分或濃度?；驖舛?。非電阻型：非電阻型：通過半導(dǎo)體氣敏元件通過半導(dǎo)體氣敏元件的其它參數(shù)變化來檢測被測氣體，如的其它參數(shù)變化來檢測被測氣體，如二極管伏

5、安特性和場效應(yīng)晶體管的閾二極管伏安特性和場效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化。值電壓變化。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器利電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。制成的。當半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定當半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時，被吸附的分子先在表被吸附時，被吸附的分子先在表面

6、物性自由擴散，失去運動能量，面物性自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。附處（化學(xué)吸附）。1 1、工作機理、工作機理（1 1）氧化型氣體：氧化型氣體：半導(dǎo)體的功半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時，吸函數(shù)小于吸附分子的親和力時，吸附分子從器件奪得電子而變成負離附分子從器件奪得電子而變成負離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。氧氣等具有負離子吸附傾向的氣體氧氣等具有負離子吸附傾向的氣體稱為稱為氧化型或電子接收性氣體氧化型或電子接收性氣體。（2 2）還原型氣體

7、：還原型氣體：半導(dǎo)體的功半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子向器件釋放出電子，而形成正分子向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有氣體有H H2 2、COCO、碳氫化合物和醇類，、碳氫化合物和醇類，稱為稱為還原型氣體或電子供給性氣體還原型氣體或電子供給性氣體。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器當氧化型氣體吸附到當氧化型氣體吸附到N N型、還型、還原型氣體吸附到

8、原型氣體吸附到P P型半導(dǎo)體上時，型半導(dǎo)體上時，半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。大。當還原型氣體吸附到當還原型氣體吸附到N N型、氧型、氧化型氣體吸附到化型氣體吸附到P P型半導(dǎo)體上時，型半導(dǎo)體上時，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。降。1 1、工作機理、工作機理 N N型半導(dǎo)體吸附氣體時器件阻值變化型半導(dǎo)體吸附氣體時器件阻值變化 半導(dǎo)體氣敏時間半導(dǎo)體氣敏時間( (響應(yīng)時間響應(yīng)時間) )一一般不超過般不超過1min1min。N N型材料有型材料有SnOSnO2 2、ZnOZnO、TiOTiO等，等，P P型材料有型材料有MoOMoO

9、2 2、CrOCrO3 3等。等。氣體濃度發(fā)生變化，阻值也氣體濃度發(fā)生變化，阻值也變化。據(jù)此，可從阻值的變化得知變化。據(jù)此，可從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。吸附氣體的種類和濃度。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國（1 1）燒結(jié)型氣敏器件）燒結(jié)型氣敏器件氧化物半導(dǎo)體材料為基體，氧化物半導(dǎo)體材料為基體，鉑電極和加熱絲埋入材料中，用加鉑電極和加熱絲埋入材料中，用加熱、加壓的制陶工藝燒結(jié)成形。因熱、加壓的制陶工藝燒結(jié)成形。因此，被稱為此，被稱為半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷， 簡稱簡稱半半導(dǎo)瓷導(dǎo)瓷。半導(dǎo)瓷內(nèi)的晶粒直徑為。半導(dǎo)瓷內(nèi)的晶粒直

10、徑為1m1m左右，晶粒的大小對電阻有一定影左右，晶粒的大小對電阻有一定影響，但對氣體檢測靈敏度則無很大響，但對氣體檢測靈敏度則無很大的影響。的影響。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器氣敏器件有氣敏器件有燒結(jié)型燒結(jié)型、薄膜型薄膜型和和厚膜型厚膜型三種。三種。2 2、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)燒結(jié)型器件制作方法簡單，器燒結(jié)型器件制作方法簡單，器件壽命長；但由于燒結(jié)不充分，器件件壽命長；但由于燒結(jié)不充分，器件機械強度不高，電極材料較貴重，電機械強度不高，電極材料較貴重，電性能一致性較差，因此應(yīng)用受到一定性能一致性較差，因此應(yīng)用受到一定限制限制 。傳感器技術(shù)及應(yīng)用

11、傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國（2 2）薄膜型氣敏器件）薄膜型氣敏器件采用蒸發(fā)或濺射工藝，在石英基片采用蒸發(fā)或濺射工藝，在石英基片上形成厚度約上形成厚度約100nm100nm氧化物半導(dǎo)體薄膜，氧化物半導(dǎo)體薄膜，制作方法簡單。制作方法簡單。半導(dǎo)體薄膜的氣敏特性最好，但半半導(dǎo)體薄膜的氣敏特性最好，但半導(dǎo)體薄膜為物理性附著，器件間性能差導(dǎo)體薄膜為物理性附著，器件間性能差異較大。異較大。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器2 2、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)這種元件機械強度高，這種元件機械強度高，離散度小，適合批

12、量生產(chǎn)。離散度小，適合批量生產(chǎn)。（3 3）厚膜型氣敏器件）厚膜型氣敏器件氧化物半導(dǎo)體材料與硅凝膠混合制氧化物半導(dǎo)體材料與硅凝膠混合制成可印刷的厚膜膠，厚膜膠再印刷到裝成可印刷的厚膜膠，厚膜膠再印刷到裝有電極的絕緣基片上，經(jīng)燒結(jié)制成的。有電極的絕緣基片上，經(jīng)燒結(jié)制成的。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣敏器件全部電阻型半導(dǎo)體氣敏器件全部附有加熱器。附有加熱器。加熱器作用：加熱器作用：燒掉附著在敏燒掉附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等，感

13、元件表面上的塵埃、油霧等，加速氣體的吸附，從而提高器件加速氣體的吸附，從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的的靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在溫度一般控制在200400左右。左右。2 2、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)加熱方式一般有直熱式和旁加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了熱式兩種，因而形成了直熱式直熱式和和旁熱式旁熱式氣敏器件。氣敏器件。（1 1）直熱式氣敏器件）直熱式氣敏器件加熱絲、測量絲直接埋入氧加熱絲、測量絲直接埋入氧化物半導(dǎo)體材料粉末中燒結(jié)而成?；锇雽?dǎo)體材料粉末中燒結(jié)而成。工作時加熱絲通電，測量絲用于工作時加熱絲通電，測量絲用于測量器件阻值。測量器件阻值。這類器件制造工藝

14、簡單、成這類器件制造工藝簡單、成本低、功耗小，可在高電壓回路本低、功耗小，可在高電壓回路下使用，但熱容量小，易受環(huán)境下使用，但熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響，測量回路和加熱回氣流的影響，測量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。路間沒有隔離而相互影響。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國（2 2）旁熱式氣敏器件）旁熱式氣敏器件加熱絲放置在一個陶瓷管內(nèi)，管外加熱絲放置在一個陶瓷管內(nèi)，管外涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂涂梳狀金電極作測量極，在金電極外涂上氧化物半導(dǎo)體材料。上氧化物半導(dǎo)體材料。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器二、電阻型半導(dǎo)體

15、氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器2 2、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)旁熱式結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器克服了直旁熱式結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器克服了直熱式結(jié)構(gòu)的缺點，使測量極和加熱極分熱式結(jié)構(gòu)的缺點，使測量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測量回路和加熱回路的相互影響，免了測量回路和加熱回路的相互影響，器件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對器件器件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對器件加熱溫度的影響。加熱溫度的影響。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國氣敏傳感器暴露在各種成分的氣敏傳感器暴露在各種成分的氣體中使用，會使其

16、性能變差。氣體中使用，會使其性能變差。原因：原因： 工作條件惡劣，檢測現(xiàn)場溫工作條件惡劣，檢測現(xiàn)場溫度、濕度的變化很大，又存在大量度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等；粉塵和油霧等； 氣體對傳感元件的材料會產(chǎn)氣體對傳感元件的材料會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)物，附著在元件表面。生化學(xué)反應(yīng)物，附著在元件表面。要求氣敏器件：要求氣敏器件：長期穩(wěn)定工作，長期穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)產(chǎn)生的影響小等。產(chǎn)生的影響小等。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器3 3、特性參數(shù)、特性參數(shù)（2）氣敏器件的靈敏度）氣敏器件的靈敏度靈敏度：

17、靈敏度：表征氣敏元件對表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標。于被測氣體的敏感程度的指標。即氣體敏感元件的電參量（電即氣體敏感元件的電參量（電阻值）與被測氣體濃度之間的阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。依從關(guān)系。三種三種 表示方法：表示方法：（1）氣敏器件的電阻值）氣敏器件的電阻值 固有電阻值：固有電阻值：電阻型氣敏電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值阻值Ra。一般固有電阻值在。一般固有電阻值在103105范圍。范圍。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國（2）氣敏器件的靈敏度）氣敏器件的靈敏度

18、電阻比靈敏度電阻比靈敏度氣敏器件在潔凈空氣中電阻值氣敏器件在潔凈空氣中電阻值Ra，在規(guī)定濃度的被測氣體中電阻，在規(guī)定濃度的被測氣體中電阻值值Rg，則電阻比靈敏度為，則電阻比靈敏度為二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器3 3、特性參數(shù)、特性參數(shù) 輸出電壓比靈敏度輸出電壓比靈敏度氣敏器件在潔凈空氣中工氣敏器件在潔凈空氣中工作時負載電阻上的電壓輸出作時負載電阻上的電壓輸出Va；在規(guī)定濃度被測氣體中工作時在規(guī)定濃度被測氣體中工作時負載電阻的電壓輸出負載電阻的電壓輸出Vg，則輸，則輸出電壓比靈敏度為出電壓比靈敏度為氣體分離度為氣體分離度為 氣體分離度氣體分離度

19、氣敏器件在濃度為氣敏器件在濃度為C1的被測氣的被測氣體中電阻值體中電阻值RC1，在濃度為，在濃度為C2的被測的被測氣體中電阻值氣體中電阻值R2，通常，通常C1C2。gaRRK21CCRRgaVVVK傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國（3）氣敏器件的分辨率）氣敏器件的分辨率分辨率：分辨率：氣敏器件對被測氣氣敏器件對被測氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的識別（選擇）以及對干擾氣體的抑制能力。體的抑制能力。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器3 3、特性參數(shù)、特性參數(shù)（4）氣敏器件的響應(yīng)時

20、間）氣敏器件的響應(yīng)時間表征在工作溫度下氣敏器件表征在工作溫度下氣敏器件對被測氣體的響應(yīng)速度。對被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏器件與一定濃度一般從氣敏器件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的下的穩(wěn)定電阻值的63時為止，時為止，所需時間稱為氣敏元件在此濃度所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時間，通下的被測氣體中的響應(yīng)時間，通常用符號常用符號tr表示。表示。 氣敏器件在潔凈空氣中工作氣敏器件在潔凈空氣中工作和在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，和在規(guī)定濃度被測氣體中工作時，負載電阻上的輸出電壓

21、負載電阻上的輸出電壓Va和和Vg；在在i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時種氣體濃度為規(guī)定值中工作時負載電阻上的輸出電壓負載電阻上的輸出電壓Vgi。agiaggigVVVVVVS傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國（5）氣敏器件的加熱電阻和）氣敏器件的加熱電阻和加熱功率加熱功率 氣敏器件一般工作在氣敏器件一般工作在200以以上高溫。上高溫。加熱電阻加熱電阻RH：為氣敏器件提供為氣敏器件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻必要工作溫度的加熱電路的電阻（指加熱器的電阻值）。（指加熱器的電阻值）。直熱式的加熱電阻值一般小于直熱式的加熱電阻值一般小

22、于5；旁熱式的加熱電阻大于；旁熱式的加熱電阻大于20。加熱功率加熱功率P：氣敏器件正常工氣敏器件正常工作所需的加熱電路功率。一般在作所需的加熱電路功率。一般在（0.52.0）W范圍范圍 。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器3 3、特性參數(shù)、特性參數(shù)（6）氣敏器件的恢復(fù)時間）氣敏器件的恢復(fù)時間恢復(fù)時間：恢復(fù)時間：表示在工作溫表示在工作溫度下，被測氣體由該元件上解度下，被測氣體由該元件上解吸的速度。吸的速度。一般從氣敏元件脫離被測一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時，直到其阻值氣體時開始計時，直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的6

23、3時所需時間。時所需時間。納米結(jié)構(gòu)氣敏器件納米結(jié)構(gòu)氣敏器件 傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國（7）初期穩(wěn)定時間）初期穩(wěn)定時間 長期在非工作狀態(tài)下存長期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏器件，因表面吸附空放的氣敏器件，因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體，導(dǎo)氣中的水分或者其他氣體，導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負荷后，隨著元件溫度的升電負荷后，隨著元件溫度的升高，發(fā)生解吸現(xiàn)象。高，發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此，使氣敏器件恢復(fù)正因此，使氣敏器件恢復(fù)正常工作狀態(tài)，需要一定的時間，常工作狀態(tài)，需要一定的時間，稱為氣敏器件的初期穩(wěn)

24、定時間。稱為氣敏器件的初期穩(wěn)定時間。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器3 3、特性參數(shù)、特性參數(shù)一般電阻型氣敏元件，在剛一般電阻型氣敏元件，在剛通電的瞬間電阻值下降，然后再上通電的瞬間電阻值下降，然后再上升，最后達到穩(wěn)定。由開始通電直升，最后達到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏器件阻值到達穩(wěn)定所需時間，到氣敏器件阻值到達穩(wěn)定所需時間，稱為初期穩(wěn)定時間。稱為初期穩(wěn)定時間。初期穩(wěn)定時間是敏感元件存初期穩(wěn)定時間是敏感元件存放時間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時放時間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時間越長，初期穩(wěn)定時間也越長。間越長，初期穩(wěn)定時間也越長。在一般條件下，氣敏元件存在

25、一般條件下，氣敏元件存放兩周以后，初期穩(wěn)定時間即可達放兩周以后，初期穩(wěn)定時間即可達最大值。最大值。 傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器4 4、基本電路、基本電路傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣敏傳感器之一。體氣敏傳感器之一。利用利用MOS二極管的電容二極管的電容電壓特性的變化以及電壓特性的變化以及MOS場效應(yīng)場效應(yīng)晶體管（晶體管

26、（MOSFET）的閾值電壓）的閾值電壓的變化等物性而制成的。的變化等物性而制成的。這類器件的制造工藝成熟，這類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，性能穩(wěn)定且價便于器件集成化，性能穩(wěn)定且價格便宜。格便宜。利用特定材料還可使器件對利用特定材料還可使器件對某些氣體特別敏感。某些氣體特別敏感。三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器1、MOS二極管氣敏器件二極管氣敏器件 MOS二二極管氣敏器件極管氣敏器件結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：在在P型型半導(dǎo)體硅片上半導(dǎo)體硅片上生成一層厚度生成一層厚度為為50100nm的的SiO2層，上層，上面再蒸鍍一層面再蒸鍍一層鈀金屬薄膜作鈀金屬薄

27、膜作為柵電極。為柵電極。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器1、MOS二極管氣敏器件二極管氣敏器件 MOS二極管二極管CU特性：特性：SiO2層電容層電容Ca固定不變，而固定不變，而Si和和SiO2界面電容界面電容Cs是外加電壓的函數(shù)，是外加電壓的函數(shù)，因此總電容因此總電容C也是柵偏壓的函數(shù)。也是柵偏壓的函數(shù)。函數(shù)關(guān)系稱為該類函數(shù)關(guān)系稱為該類MOS二極管的二極管的CU特性。特性。鈀（鈀（Pd）對）對H2特別敏感，特別敏感，當鈀吸附了當鈀吸

28、附了H2以后，會使鈀的功以后，會使鈀的功函數(shù)降低，導(dǎo)致函數(shù)降低，導(dǎo)致MOS管的管的CU特特性向負偏壓方向平移。根據(jù)這一性向負偏壓方向平移。根據(jù)這一特性可測定特性可測定H2的濃度。的濃度。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器6.1 6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器2、MOS場效應(yīng)晶體管氣敏器件場效應(yīng)晶體管氣敏器件 UT的大小與金屬和半導(dǎo)體的大小與金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)有關(guān)。當之間的功函數(shù)有關(guān)。當H2吸附吸附在在Pd柵極上時會引起柵極上時會引起Pd的功函的功函數(shù)降低。數(shù)降低。Pd

29、-MOSFET氣敏器件就氣敏器件就利用這一特性來檢測利用這一特性來檢測H2濃度。濃度。MOSFET的伏的伏安特性：安特性：當鈀當鈀柵極（柵極（G）、源極（）、源極（S）之間加正向）之間加正向偏壓偏壓UGS，且，且UGSUT（閾值電壓）（閾值電壓）時，柵極氧化層下面的硅從時，柵極氧化層下面的硅從P型變型變?yōu)闉镹型，形成導(dǎo)電通道，即為型，形成導(dǎo)電通道，即為N型溝型溝道。道。MOSFET進入工作狀態(tài)。在源進入工作狀態(tài)。在源漏極之間加電壓漏極之間加電壓UDS，則有電流，則有電流IDS流通。流通。IDS隨隨UDS和和UGS的大小變化規(guī)的大小變化規(guī)律即律即MOSFET的伏的伏安特性。安特性。當當UGSUT

30、時，時，MOSFET的溝的溝道未形成，無漏源電流。道未形成，無漏源電流。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國 第六章第六章 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器 6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器6.2 濕敏傳感器濕敏傳感器6.3 色敏傳感器色敏傳感器6.4 半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國6.2 濕敏傳感器濕敏傳感器濕敏傳感器介紹：濕敏傳感器介紹： 1 1、定、定 義：義：感受外界濕度變化，并通過材料物理或化學(xué)性質(zhì)感受外界濕度變化，并通過材料物

31、理或化學(xué)性質(zhì)變化將濕度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)信號的器件。變化將濕度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)信號的器件。 2 2、依據(jù)使用材料分類：、依據(jù)使用材料分類： 電解質(zhì)型電解質(zhì)型以氯化鋰為例，極易潮解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，以氯化鋰為例，極易潮解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電阻減小。隨濕度升高而電阻減小。 陶瓷型陶瓷型金屬氧化物多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的金屬氧化物多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性。敏感特性。 高分子型高分子型有機高分子感濕膜。有機高分子感濕膜。 單晶半導(dǎo)體型單晶半導(dǎo)體型二極管濕敏器件和二極管濕敏器件和MOSFETMOSFET濕度敏感器件濕度敏感器件等。等。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通

32、信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國濕度：濕度：指大氣中的水蒸氣指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對濕度和相對含量，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。濕度兩種表示方法。絕對濕度：絕對濕度：指在一定溫度指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為位為g/mg/m3 3，用符號，用符號AHAH表示。表示。相對濕度：相對濕度：指氣體絕對濕指氣體絕對濕度與同一溫度下達到飽和狀態(tài)的度與同一溫度下達到飽和狀態(tài)的絕對濕度之比，用符號絕對濕度之比，用符號%RH%RH表示。表示。相對濕度給出大氣的潮濕相對濕度給

33、出大氣的潮濕程度，一個無量綱的量，在實際程度，一個無量綱的量，在實際使用中多使用這一概念。使用中多使用這一概念。6.2 濕敏傳感器濕敏傳感器：濕敏傳感器：感受外界濕度變化，感受外界濕度變化，并通過材料物理或化學(xué)性質(zhì)變化將濕度并通過材料物理或化學(xué)性質(zhì)變化將濕度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)信號的器件。轉(zhuǎn)化成相應(yīng)信號的器件。依據(jù)使用材料分類：依據(jù)使用材料分類：電解質(zhì)型：電解質(zhì)型：以氯化鋰為例，極易潮以氯化鋰為例，極易潮解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電解，并產(chǎn)生離子導(dǎo)電，隨濕度升高而電阻減小。阻減小。陶瓷型：陶瓷型：金屬氧化物多孔陶瓷的阻金屬氧化物多孔陶瓷的阻值對空氣中水蒸氣的敏感特性。值對空氣中水蒸氣的敏感特性。高

34、分子型：高分子型：有機高分子感濕膜。有機高分子感濕膜。單晶半導(dǎo)體型：單晶半導(dǎo)體型：二極管濕敏器件和二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。濕度敏感器件等。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國濕度量程：濕度量程：濕敏傳感器工作性能的一濕敏傳感器工作性能的一項重要指標，指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)項重要指標，指濕度傳感器技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的感濕范圍。全濕度范圍用相對濕度定的感濕范圍。全濕度范圍用相對濕度(0(0100)100)RHRH表示。表示。一、濕敏傳感器的特性參數(shù)一、濕敏傳感器的特性參數(shù)6.2 濕敏傳感器1 1、濕度量程、濕度

35、量程正特性濕敏電阻：正特性濕敏電阻：濕敏濕敏傳感器的電阻值隨濕度的增加傳感器的電阻值隨濕度的增加而增大。而增大。負特性濕敏電阻：負特性濕敏電阻：濕敏濕敏傳感器的阻值隨著濕度的增加傳感器的阻值隨著濕度的增加而減小。而減小。濕敏傳感器的感濕特征量有電阻、電濕敏傳感器的感濕特征量有電阻、電容等，通常用電阻比較多。容等，通常用電阻比較多。阻濕特性：阻濕特性：在規(guī)定的工作濕度范圍內(nèi)，在規(guī)定的工作濕度范圍內(nèi)，濕敏傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系濕敏傳感器的電阻值隨環(huán)境濕度變化的關(guān)系特性曲線。特性曲線。2 2、感濕特征量、感濕特征量相對濕度特性相對濕度特性濕敏電容濕敏電容濕敏電阻濕敏電阻傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳

36、感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國感濕靈敏度即濕度系數(shù)：感濕靈敏度即濕度系數(shù)：在某一相對在某一相對濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變1 1RHRH時，濕敏時，濕敏傳感器電參量的變化值或百分率。傳感器電參量的變化值或百分率。一、濕敏傳感器的特性參數(shù)一、濕敏傳感器的特性參數(shù)6.2 濕敏傳感器3 3、感濕靈敏度、感濕靈敏度環(huán)境溫度每變化環(huán)境溫度每變化11時，時，所引起的濕敏傳感器的濕度所引起的濕敏傳感器的濕度誤差，稱為誤差，稱為感濕溫度系數(shù)感濕溫度系數(shù)，反映濕敏傳感器溫度特性的反映濕敏傳感器溫度特性的一個比較直觀、實用的特性一個比較直觀

37、、實用的特性參數(shù)。參數(shù)。4 4、感濕溫度系數(shù)、感濕溫度系數(shù)各種不同的濕敏傳感器，對靈敏度的各種不同的濕敏傳感器，對靈敏度的要求各不相同。要求各不相同。低濕型或高濕型傳感器的量程較窄，低濕型或高濕型傳感器的量程較窄，要求靈敏度要很高。要求靈敏度要很高。全濕型傳感器，靈敏度的大小要適當，全濕型傳感器，靈敏度的大小要適當，并非越大越好。否則，電阻值的動態(tài)范圍并非越大越好。否則，電阻值的動態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來不利。很寬，給配制二次儀表帶來不利。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國在一定溫度下，當相對濕度發(fā)生躍在一定溫度下，當相

38、對濕度發(fā)生躍變時，濕敏傳感器的電參量達到穩(wěn)態(tài)變變時，濕敏傳感器的電參量達到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時間?；康囊?guī)定比例所需要的時間。一般規(guī)定從起始到終止一般規(guī)定從起始到終止6363或或9090的相對濕度變化所需要的時間作為的相對濕度變化所需要的時間作為響應(yīng)響應(yīng)時間時間，也稱，也稱時間常數(shù)時間常數(shù)；反映濕敏傳感器；反映濕敏傳感器相對濕度發(fā)生變化時反應(yīng)速度的快慢。相對濕度發(fā)生變化時反應(yīng)速度的快慢。響應(yīng)時間又分為響應(yīng)時間又分為吸濕響應(yīng)時間吸濕響應(yīng)時間和和脫脫濕響應(yīng)時間濕響應(yīng)時間。大多數(shù)傳感器的脫濕響應(yīng)。大多數(shù)傳感器的脫濕響應(yīng)時間大于吸濕響應(yīng)時間，一般以脫濕響時間大于吸濕響應(yīng)時間，一般以脫濕響應(yīng)時

39、間作為濕敏傳感器的響應(yīng)時間。應(yīng)時間作為濕敏傳感器的響應(yīng)時間。一、濕敏傳感器的特性參數(shù)一、濕敏傳感器的特性參數(shù)6.2 濕敏傳感器 5 5、響應(yīng)時間、響應(yīng)時間測量濕度時，濕敏傳感器測量濕度時，濕敏傳感器所加測試電壓不能為直流電壓，所加測試電壓不能為直流電壓，需用交流電壓需用交流電壓。因為加直流電壓引起感濕因為加直流電壓引起感濕體內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率體內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時間的增加而下降。隨時間的增加而下降。傳感器電阻與外加交流電傳感器電阻與外加交流電壓之間存在一定關(guān)系。壓之間存在一定關(guān)系。電壓大時，產(chǎn)生的焦耳熱電壓大時，產(chǎn)生的焦耳熱對傳感器的阻濕特性影響大，因?qū)鞲衅鞯淖铦裉匦杂绊懘?/p>

40、，因而電壓一般小于而電壓一般小于10V10V。6 6、電壓特性、電壓特性傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國濕敏傳感器的阻值與外加測試電壓濕敏傳感器的阻值與外加測試電壓的頻率有關(guān)。在高濕時頻率對阻值的影的頻率有關(guān)。在高濕時頻率對阻值的影響很?。划?shù)蜐窀哳l時，隨著頻率的增響很?。划?shù)蜐窀哳l時，隨著頻率的增加，阻值下降。加，阻值下降。濕敏傳感器的使用頻率上限一般由濕敏傳感器的使用頻率上限一般由實驗確定。直流電壓會引起水分子的電實驗確定。直流電壓會引起水分子的電解，因此測試電壓頻率也不能太低。解，因此測試電壓頻率也不能太低。 一、濕敏

41、傳感器的特性參數(shù)一、濕敏傳感器的特性參數(shù)6.2 濕敏傳感器 7 7、頻率特性、頻率特性電阻頻率特性電阻頻率特性20 5V11% RH33% RH100% RHL g f / Hz0123456578475% RHLg R /這種濕敏傳感器，在各種濕度下，這種濕敏傳感器，在各種濕度下，當測試頻率大于當測試頻率大于10103 3HzHz時，阻值隨電壓頻時，阻值隨電壓頻率明顯變化，故該傳感器使用頻率的上限率明顯變化，故該傳感器使用頻率的上限為為10103 3HzHz。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國（1 1）基本結(jié)構(gòu)）基本結(jié)構(gòu)氯化

42、鋰濕敏電阻，一種典型的電解質(zhì)氯化鋰濕敏電阻，一種典型的電解質(zhì)型濕敏器件；利用吸濕性鹽類潮解、離子型濕敏器件；利用吸濕性鹽類潮解、離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的，由導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的，由引線、基片、引線、基片、感濕層與電極感濕層與電極組成。組成。二、氯化鋰濕敏電阻二、氯化鋰濕敏電阻6.2 濕敏傳感器（2 2）工作原理）工作原理氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（在氯化鋰（LiClLiCl）溶液中，）溶液中，LiLi和和ClCl以正負以正負離子形式存在，離子形式存在，LiLi對水分子的吸引力強，對水分子的吸引力強，離子水合程度高，離子導(dǎo)電能力與濃度成離子水合程

43、度高，離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。正比。若環(huán)境相對濕度高，溶液吸收水分，若環(huán)境相對濕度高，溶液吸收水分，濃度降低，電阻率增高；環(huán)境相對濕度低，濃度降低，電阻率增高；環(huán)境相對濕度低，溶液濃度升高，電阻率下降，實現(xiàn)對濕度溶液濃度升高，電阻率下降，實現(xiàn)對濕度的測量。的測量。引線引線金電極金電極感濕層感濕層基片基片傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國工藝：工藝：兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷。材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷。材料：材料：ZnO-LiOZnO-LiO2 2-V-V2 2O O5 5

44、系、系、Si-NaSi-Na2 2O-VO-V2 2O O5 5系、系、TiOTiO2 2-MgO-Cr-MgO-Cr2 2O O3 3系、系、FeFe3 3O O4 4等。等。負特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：負特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻率隨濕電阻率隨濕度增加而下降。度增加而下降。正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻率隨濕電阻率隨濕度增加而增大。度增加而增大。三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻6.2 濕敏傳感器（1 1）負特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理）負特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理水分子中氫原子具有很強的正電場，水分子中氫原子具有很強的正電場，水在半導(dǎo)瓷表面吸附時可俘獲電子，使半水在半導(dǎo)瓷表

45、面吸附時可俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負電。導(dǎo)瓷表面帶負電。 1 1、制作工藝與材料、制作工藝與材料 2 2、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：水分子吸附使表面水分子吸附使表面電勢下降，吸引更多的空電勢下降，吸引更多的空穴到達表面，表面層的電穴到達表面，表面層的電阻下降。阻下降。1：ZnO-LiO2-V2O5系系2：Si-Na2O-V2O5系系3：TiO2-MgO-Cr2O3系系傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻6.2 濕敏傳感器（1 1）負特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)

46、電機理）負特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理型半導(dǎo)瓷：型半導(dǎo)瓷：水分子吸附使表面電勢下降，不僅水分子吸附使表面電勢下降，不僅使表面層的電子耗盡，同時吸引更多的空使表面層的電子耗盡，同時吸引更多的空穴達到表面層，可使到達表面層的空穴濃穴達到表面層，可使到達表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現(xiàn)表面反型層，這些度大于電子濃度，出現(xiàn)表面反型層，這些空穴稱為反型載流子空穴稱為反型載流子。2 2、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理1 1：ZnO-LiOZnO-LiO2 2-V-V2 2O O5 5系系2 2：Si-NaSi-Na2 2O-VO-V2 2O O5 5系系3 3：TiOTiO2 2-MgO-Cr-

47、MgO-Cr2 2O O3 3系系反型載流子（空穴）在表面遷移而反型載流子（空穴）在表面遷移而表現(xiàn)出電導(dǎo)特性，使表現(xiàn)出電導(dǎo)特性，使N N型半導(dǎo)瓷材料的表型半導(dǎo)瓷材料的表面電阻下降。面電阻下降。 因此，不論是型還是型半導(dǎo)瓷，因此，不論是型還是型半導(dǎo)瓷，電阻率都隨濕度增加而下降。電阻率都隨濕度增加而下降。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻6.2 濕敏傳感器（2 2）正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理）正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理正特性濕敏半導(dǎo)瓷材料的結(jié)構(gòu)、電子正特性濕敏半導(dǎo)瓷材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀

48、態(tài)與負特性的不同。能量狀態(tài)與負特性的不同。當水分子吸附半導(dǎo)瓷表面使電勢變負當水分子吸附半導(dǎo)瓷表面使電勢變負時，導(dǎo)致表面層電子濃度下降，但不足以時，導(dǎo)致表面層電子濃度下降，但不足以使空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，仍以電使空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，仍以電子導(dǎo)電為主。子導(dǎo)電為主。電子濃度下降，表面電阻加大。電子濃度下降，表面電阻加大。2 2、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理因晶體內(nèi)部存在低因晶體內(nèi)部存在低阻支路，正特性半導(dǎo)瓷電阻支路，正特性半導(dǎo)瓷電阻值升高沒有負特性的阻阻值升高沒有負特性的阻值下降那么明顯。值下降那么明顯。FeFe3 3O O4 4半導(dǎo)瓷半導(dǎo)瓷正濕敏特性正濕敏特性 因此，這

49、類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻隨因此，這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻隨濕度的增加而加大。濕度的增加而加大。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國（1 1）MgCrMgCr2 2O O4 4-TiO-TiO2 2濕敏器件濕敏器件MgCrMgCr2 2O O4 4為型半導(dǎo)體，電阻率為型半導(dǎo)體，電阻率低，阻值溫度特性好。低，阻值溫度特性好。氧化鎂復(fù)合氧化物氧化鎂復(fù)合氧化物二氧化鈦二氧化鈦濕敏材料，制成多孔陶瓷型濕敏材料，制成多孔陶瓷型“濕濕電電”轉(zhuǎn)換器件，為負特性半導(dǎo)瓷，轉(zhuǎn)換器件，為負特性半導(dǎo)瓷，感濕體是一個多晶多相的混合物。感濕體是一個多晶多相的混

50、合物。在在MgCrMgCr2 2O O4 4-TiO-TiO2 2陶瓷片的兩面陶瓷片的兩面涂覆有多孔金電極。涂覆有多孔金電極。金電極與引出線燒結(jié)在一起。金電極與引出線燒結(jié)在一起。電極引線一般采用鉑電極引線一般采用鉑銥合金。銥合金。四、典型半導(dǎo)瓷濕敏器件四、典型半導(dǎo)瓷濕敏器件6.2 濕敏傳感器為了減少測量誤差，在陶瓷為了減少測量誤差，在陶瓷片外設(shè)置由鎳鉻絲制成的加熱線片外設(shè)置由鎳鉻絲制成的加熱線圈，以便對器件加熱清洗，排除圈，以便對器件加熱清洗，排除惡劣氣氛對器件的污染。惡劣氣氛對器件的污染。整個器件安在陶瓷基片上整個器件安在陶瓷基片上。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程

51、系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國（2 2）ZnO-CrZnO-Cr2 2O O3 3濕敏器件濕敏器件多孔金電極燒結(jié)在多孔陶瓷多孔金電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方形塑敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中用樹脂固定。料盒中用樹脂固定。 ZnO-CrZnO-Cr2 2O O3 3濕敏傳感器可連續(xù)濕敏傳感器可連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度，無須加熱除污裝穩(wěn)定地測量濕度，無須加熱除污裝置，功耗低于置，功耗低于0.50.5，體積小，成，體積小，成本低，常用測濕傳感器。本低，常用測濕傳感器。四、典型半導(dǎo)瓷濕敏器件四、典型半導(dǎo)瓷濕敏器件

52、6.2 6.2 濕敏傳感器濕敏傳感器氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國 第六章 半導(dǎo)體傳感器 6.1 氣敏傳感器氣敏傳感器6.2 濕敏傳感濕敏傳感6.3 色敏傳感器色敏傳感器6.4 半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國半導(dǎo)體色敏器件相當于兩半導(dǎo)體色敏器件相當于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，淺結(jié)的淺結(jié)的PN結(jié)；深結(jié)的結(jié)；深結(jié)的PN結(jié)，結(jié)，又稱又稱光電雙結(jié)二極管光電雙結(jié)二極管

53、。 一、半導(dǎo)體色敏器件基本結(jié)構(gòu)一、半導(dǎo)體色敏器件基本結(jié)構(gòu)6.3 色敏傳感器半導(dǎo)體色敏器件半導(dǎo)體色敏器件傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國一、半導(dǎo)體色敏器件基本結(jié)構(gòu)一、半導(dǎo)體色敏器件基本結(jié)構(gòu)6.3 色敏傳感器光在半導(dǎo)體中傳播時的衰減是光在半導(dǎo)體中傳播時的衰減是由于價帶電子吸收光子而從價帶躍由于價帶電子吸收光子而從價帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果，這種吸收光子的遷到導(dǎo)帶的結(jié)果，這種吸收光子的過程稱為過程稱為本征吸收本征吸收。本征吸收系數(shù)：本征吸收系數(shù)：半導(dǎo)體的本征吸收系數(shù)隨入射半導(dǎo)體的本征吸收系數(shù)隨入射光波長不同而變化。在紅外部分吸光波長不同

54、而變化。在紅外部分吸收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。因此，波長短的光子衰減快，因此，波長短的光子衰減快，穿透深度較淺；而波長長的光子則穿透深度較淺；而波長長的光子則能進入硅的較深區(qū)域。能進入硅的較深區(qū)域。1 1、本征吸收、本征吸收0.2 0.4 0.6 0.81.2 1.4 1.6 1.8102101101102330 K77 K1061051041031021011波 長 / m穿 透 深 度 (1 / ) /m吸 收 系 數(shù) / cm 1103SiGeGaAs0.20.40.60.81.21.41.61.8102101101102330 K77 K1061051

55、041031021011波長 / m穿 透 深 度 (1 / ) /m吸 收 系 數(shù) / cm 1103SiGeGaAs吸收系數(shù)隨波長的變化吸收系數(shù)隨波長的變化 傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國光電器件還常用量子效率來表光電器件還常用量子效率來表征光生電子流與入射光子流的比值征光生電子流與入射光子流的比值大小。大小。一、半導(dǎo)體色敏器件基本結(jié)構(gòu)一、半導(dǎo)體色敏器件基本結(jié)構(gòu)6.3 色敏傳感器半導(dǎo)體色敏器件正是利用半導(dǎo)體色敏器件正是利用了這一特性。了這一特性。2 2、量子效率、量子效率0.40.60.81.0 / m00.20.40

56、.60.8量 子 效 率xj 2 mxj 1 mxj 0.5 mxj表示結(jié)深表示結(jié)深量子效率隨波長的變化量子效率隨波長的變化量子效率：量子效率：單位時間內(nèi)每入射一個光子所單位時間內(nèi)每入射一個光子所引起的流動電子數(shù)。引起的流動電子數(shù)。半導(dǎo)體半導(dǎo)體P區(qū)在不同結(jié)深時量子區(qū)在不同結(jié)深時量子效率隨波長不同而變化。效率隨波長不同而變化。淺的淺的PN結(jié)有較好的藍紫光靈敏結(jié)有較好的藍紫光靈敏度，深的度，深的PN結(jié)則有利于紅外靈敏度結(jié)則有利于紅外靈敏度的提高。的提高。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國二、半導(dǎo)體色敏器件工作原理二、半導(dǎo)體色敏器件

57、工作原理6.3 色敏傳感器這一特性可用于顏色識別即這一特性可用于顏色識別即測量入射光的波長。測量入射光的波長。兩只結(jié)深不同的光電二極管兩只結(jié)深不同的光電二極管組合，就構(gòu)成了可測定波長的半組合，就構(gòu)成了可測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。導(dǎo)體色敏傳感器。當有入射光照射時，當有入射光照射時，P、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都吸三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都吸收光子，但效果不同。收光子，但效果不同。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離已基本吸收完。淺結(jié)的這很短距離已基本吸收完。淺結(jié)的這只光電二極管對紫外光靈敏度高。只光電二極管對紫外光靈敏度高。紅外光部分吸收系數(shù)較小，這紅外光部分吸收

58、系數(shù)較小，這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。深結(jié)的那只光電二極管對紅外收。深結(jié)的那只光電二極管對紅外光靈敏度較高。光靈敏度較高。在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌诎雽?dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL分別具有不同的靈敏度。的波長分別具有不同的靈敏度。傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國光譜特性：光譜特性：色敏器件所能檢測的色敏器件所能檢測的波長范圍。波長范圍。 三、半導(dǎo)體色敏傳感器基本特征三、半導(dǎo)體色敏傳感器基本特征6.3 色敏傳感器短路電流比短路電流比波長特性：波長特性：色敏器件對波長的識別能力，色敏器件對波

59、長的識別能力，確定被測波長的基本特性。確定被測波長的基本特性。1 1、光譜特性、光譜特性020406080100VD1VD20.40.5 0.60.7 0.80.91.0 1.1 / m相對響應(yīng) / (%)2 2、短路電流比、短路電流比波長特性波長特性0.4 0.5 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 對 響 應(yīng) / (%)1n(ISD2 / ISD1)傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國

60、半導(dǎo)體色敏器件是測定兩只光電二極半導(dǎo)體色敏器件是測定兩只光電二極管短路電流之比，而這兩只光電二極管做管短路電流之比，而這兩只光電二極管做在同一塊材料上，具有相同的溫度系數(shù)。在同一塊材料上，具有相同的溫度系數(shù)。這種內(nèi)部補償作用使半導(dǎo)體色敏器件這種內(nèi)部補償作用使半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比對溫度不十分敏感，通?？傻亩搪冯娏鞅葘囟炔皇置舾校ǔ？刹豢紤]溫度的影響。不考慮溫度的影響。 三、半導(dǎo)體色敏傳感器基本特征三、半導(dǎo)體色敏傳感器基本特征6.3 色敏傳感器3 3、溫度特性、溫度特性傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用通信工程系電子信息通信工程系電子信息工程教研室工程教研室 周經(jīng)國周經(jīng)國 第六章 半導(dǎo)體