大連理工傳感器原理及應(yīng)用第9章51資料課件

傳感器原理及應(yīng)用

PrinciplesandApplicationsofSensors主講：李曉干傳感器原理及應(yīng)用

PrinciplesandAppli第九章作業(yè)第二版教材168頁(yè)：

練習(xí)題：9-1，9-3，9-4

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半導(dǎo)體特性

被測(cè)非電量電量測(cè)量電路U、I

第九章半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器的定義以半導(dǎo)體材料為敏感元件，通過(guò)半導(dǎo)體材料電特性的物性變化將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器。半導(dǎo)體傳感器的感測(cè)量濃度、濕度、成分、波長(zhǎng)等。半導(dǎo)體傳感器的種類根據(jù)檢測(cè)對(duì)象：氣敏、濕敏、色敏等傳感器。半導(dǎo)體被測(cè)非電量電量測(cè)量電路U、I第九章半導(dǎo)體傳感器

第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器9.2濕敏傳感9.3色敏傳感器9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器氣敏傳感器：通過(guò)氣-電轉(zhuǎn)換來(lái)檢測(cè)氣體類別、濃度和成分的傳感器。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。目前半導(dǎo)體氣敏傳感器實(shí)際使用最多。半導(dǎo)體氣敏傳感器:利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來(lái)檢測(cè)氣體。一、氣敏傳感器的定義和種類§9.1氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器分類:按半導(dǎo)體與氣體相互作用時(shí)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：表面控制型和體控制型。表面控制型：半導(dǎo)體表面吸附氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變。體控制型：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，導(dǎo)致電導(dǎo)率等參量變化。氣敏傳感器：半導(dǎo)體氣敏傳感器:一、氣敏傳感器的定義和種類§9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分為：電阻型和非電阻型。一、氣敏傳感器的定義和種類§9.1氣敏傳感器電阻型：通過(guò)半導(dǎo)體敏感材料接觸氣體時(shí)阻值變化來(lái)檢測(cè)氣體的成分或濃度。非電阻型：通過(guò)半導(dǎo)體氣敏元件的其它參數(shù)變化來(lái)檢測(cè)被測(cè)氣體，如二極管伏安特性和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化。半導(dǎo)體氣敏傳感器分類:一、氣敏傳感器的定義和種類§9.1氣二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，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附處（化學(xué)吸附）。1、工作機(jī)理（1）氧化型氣體：半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時(shí)，吸附分子從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體稱為氧化型或電子接收性氣體。（2）還原型氣體：通常器件工作在空氣中，由于氧化的作用，空氣中的氧被半導(dǎo)體材料的電子吸附負(fù)電荷，半導(dǎo)體材料的電子減少，電阻增加，使器件處于高阻狀態(tài)；當(dāng)氣敏元件與被測(cè)氣體接觸時(shí)會(huì)與吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，將束縛的電子釋放出來(lái)，敏感膜表面電導(dǎo)增加，使元件電阻減小。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器當(dāng)氧化型氣體吸附到N型、還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型、氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。1、工作機(jī)理N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化半導(dǎo)體氣敏時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間)一般不超過(guò)1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO2等，P型有CuO、Cr2O3等。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吸附氣體的種類和濃度。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器當(dāng)氧化型氣體吸（1）燒結(jié)型氣敏器件氧化物半導(dǎo)體材料為基體，鉑電極和加熱絲埋入材料中，用加熱、加壓的制陶工藝燒結(jié)成形。因此，被稱為半導(dǎo)體陶瓷，簡(jiǎn)稱半導(dǎo)瓷。半導(dǎo)瓷內(nèi)的晶粒直徑為1μm左右，晶粒的大小對(duì)電阻有一定影響，但對(duì)氣體檢測(cè)靈敏度則無(wú)很大的影響。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器氣敏器件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。2、基本結(jié)構(gòu)燒結(jié)型器件制作方法簡(jiǎn)單，器件壽命長(zhǎng)；但由于燒結(jié)不充分，器件機(jī)械強(qiáng)度不高，電極材料較貴重，電性能一致性較差，因此應(yīng)用受到一定限制。（1）燒結(jié)型氣敏器件二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏（2）薄膜型氣敏器件采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，在石英基片上形成厚度約100nm氧化物半導(dǎo)體薄膜，制作方法簡(jiǎn)單。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，器件間性能差異較大。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器2、基本結(jié)構(gòu)這種元件機(jī)械強(qiáng)度高，離散度小，適合批量生產(chǎn)。（3）厚膜型氣敏器件氧化物半導(dǎo)體材料與硅凝膠混合制成可印刷的厚膜膠，厚膜膠再印刷到裝有電極的絕緣基片上，經(jīng)燒結(jié)制成的。（2）薄膜型氣敏器件二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣敏器件全部附有加熱器。加熱器作用：燒掉附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等，加速氣體的吸附，從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在200~400℃左右。2、基本結(jié)構(gòu)加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏器件。（1）直熱式氣敏器件加熱絲、測(cè)量絲直接埋入氧化物半導(dǎo)體材料粉末中燒結(jié)而成。工作時(shí)加熱絲通電，測(cè)量絲用于測(cè)量器件阻值。這類器件制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、功耗小，可在高電壓回路下使用，但熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響，測(cè)量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣（2）旁熱式氣敏器件加熱絲放置在一個(gè)陶瓷管內(nèi)，管外涂梳狀金電極作測(cè)量極，在金電極外涂上氧化物半導(dǎo)體材料。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器2、基本結(jié)構(gòu)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(diǎn)，使測(cè)量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測(cè)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(duì)器件加熱溫度的影響。（2）旁熱式氣敏器件二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏氣敏傳感器暴露在各種成分的氣體中使用，會(huì)使其性能變差。原因：①工作條件惡劣，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等；②氣體對(duì)傳感元件的材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)物，附著在元件表面。要求氣敏器件：長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)產(chǎn)生的影響小等。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器3、特性參數(shù)（2）氣敏器件的靈敏度靈敏度：表征氣敏元件對(duì)于被測(cè)氣體的敏感程度的指標(biāo)。即氣體敏感元件的電參量（電阻值）與被測(cè)氣體濃度之間的依從關(guān)系。三種表示方法：（1）氣敏器件的電阻值

固有電阻值：電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值Ra。一般固有電阻值在103～105Ω范圍。氣敏傳感器暴露在各種成分的氣體中使用，會(huì)使其性能變差。二、電（2）氣敏器件的靈敏度①電阻比靈敏度氣敏器件在潔凈空氣中電阻值Ra，在規(guī)定濃度的被測(cè)氣體中電阻值Rg，則電阻比靈敏度為二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器3、特性參數(shù)③

輸出電壓比靈敏度氣敏器件在潔凈空氣中工作時(shí)負(fù)載電阻上的電壓輸出Va；在規(guī)定濃度被測(cè)氣體中工作時(shí)負(fù)載電阻的電壓輸出Vg，則輸出電壓比靈敏度為氣體分離度為②

氣體分離度氣敏器件在濃度為C1的被測(cè)氣體中電阻值RC1，在濃度為C2的被測(cè)氣體中電阻值RＣ2，通常C1＞C2。（2）氣敏器件的靈敏度二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣（3）氣敏器件的分辨率分辨率：氣敏器件對(duì)被測(cè)氣體的識(shí)別（選擇）以及對(duì)干擾氣體的抑制能力。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器3、特性參數(shù)（4）氣敏器件的響應(yīng)時(shí)間表征在工作溫度下氣敏器件對(duì)被測(cè)氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏器件與一定濃度的被測(cè)氣體接觸時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63％時(shí)為止，所需時(shí)間稱為氣敏元件在此濃度下的被測(cè)氣體中的響應(yīng)時(shí)間，通常用符號(hào)tr表示。氣敏器件在潔凈空氣中工作和在規(guī)定濃度被測(cè)氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的輸出電壓Va和Vg；在i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時(shí)負(fù)載電阻上的輸出電壓Vgi。（3）氣敏器件的分辨率二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣（5）氣敏器件的加熱電阻和加熱功率氣敏器件一般工作在200℃以上高溫。加熱電阻RH：為氣敏器件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻（指加熱器的電阻值）。直熱式的加熱電阻值一般小于5Ω；旁熱式的加熱電阻大于20Ω。加熱功率PＨ：氣敏器件正常工作所需的加熱電路功率。一般在（0.5～2.0）W范圍。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器3、特性參數(shù)（6）氣敏器件的恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間：表示在工作溫度下，被測(cè)氣體由該元件上解吸的速度。一般從氣敏元件脫離被測(cè)氣體時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63％時(shí)所需時(shí)間。納米結(jié)構(gòu)氣敏器件（5）氣敏器件的加熱電阻和加熱功率二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器（7）初期穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏器件，因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體，導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負(fù)荷后，隨著元件溫度的升高，發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此，使氣敏器件恢復(fù)正常工作狀態(tài)，需要一定的時(shí)間，稱為氣敏器件的初期穩(wěn)定時(shí)間。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器3、特性參數(shù)一般電阻型氣敏元件，在剛通電的瞬間電阻值下降，然后再上升，最后達(dá)到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏器件阻值到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間，稱為初期穩(wěn)定時(shí)間。初期穩(wěn)定時(shí)間是敏感元件存放時(shí)間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時(shí)間越長(zhǎng)，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)。在一般條件下，氣敏元件存放兩周以后，初期穩(wěn)定時(shí)間即可達(dá)最大值。（7）初期穩(wěn)定時(shí)間二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器4、基本電路二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器4、基本電路非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣敏傳感器之一。利用MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的閾值電壓的變化等物性而制成的。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(jià)格便宜。利用特定材料還可使器件對(duì)某些氣體特別敏感。三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器1、MOS二極管氣敏器件MOS二極管氣敏器件結(jié)構(gòu)：在P型半導(dǎo)體硅片上生成一層厚度為50~100nm的SiO2層，上面再蒸鍍一層鈀金屬薄膜作為柵電極。非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣敏傳感器之一。三、非電阻型半導(dǎo)體三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器1、MOS二極管氣敏器件MOS二極管C~U特性：SiO2層電容Ca固定不變，而Si和SiO2界面電容Cs是外加電壓的函數(shù)，因此總電容C也是柵偏壓的函數(shù)。函數(shù)關(guān)系稱為該類MOS二極管的C~U特性。鈀（Pd）對(duì)H2特別敏感，當(dāng)鈀吸附了H2以后，會(huì)使鈀的功函數(shù)降低，導(dǎo)致MOS管的C~U特性向負(fù)偏壓方向平移。根據(jù)這一特性可測(cè)定H2的濃度。三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器1、MOS二三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器2、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣敏器件UT的大小與金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)有關(guān)。當(dāng)H2吸附在Pd柵極上時(shí)會(huì)引起Pd的功函數(shù)降低。Pd-MOSFET氣敏器件就利用這一特性來(lái)檢測(cè)H2濃度。MOSFET的伏~安特性：當(dāng)鈀柵極（G）、源極（S）之間加正向偏壓UGS，且UGS>UT（閾值電壓）時(shí)，柵極氧化層下面的硅從P型變?yōu)镹型，形成導(dǎo)電通道，即為N型溝道。MOSFET進(jìn)入工作狀態(tài)。在源漏極之間加電壓UDS，則有電流IDS流通。IDS隨UDS和UGS的大小變化規(guī)律即MOSFET的伏~安特性。當(dāng)UGS<UT時(shí)，MOSFET的溝道未形成，無(wú)漏源電流。三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器2、MOS場(chǎng)

第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器9.2濕敏傳感9.3色敏傳感器9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器濕度：指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表示方法。絕對(duì)濕度：指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3，用符號(hào)AH表示。相對(duì)濕度：指氣體絕對(duì)濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度之比，用符號(hào)%RH表示。相對(duì)濕度給出大氣的潮濕程度，一個(gè)無(wú)量綱的量，在實(shí)際使用中多使用這一概念?！?.2濕敏傳感器濕敏傳感器：感受外界濕度變化，并通過(guò)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(hào)的器件。依據(jù)使用材料分類：電解質(zhì)型：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。陶瓷型：金屬氧化物多孔陶瓷的阻值對(duì)空氣中水蒸氣的敏感特性。高分子型：有機(jī)高分子感濕膜。單晶半導(dǎo)體型：二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。濕度：指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表濕度量程：濕敏傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，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(duì)濕度(0～100)％RH表示。一、濕敏傳感器的特性參數(shù)§9.2濕敏傳感器1、濕度量程正特性濕敏電阻：濕敏傳感器的電阻值隨濕度的增加而增大。負(fù)特性濕敏電阻：濕敏傳感器的阻值隨著濕度的增加而減小。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。阻濕特性：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)系特性曲線。2、感濕特征量—相對(duì)濕度特性濕敏電容濕敏電阻濕度量程：濕敏傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，指濕度傳感器技術(shù)感濕靈敏度即濕度系數(shù)：在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1％RH時(shí)，濕敏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)§9.2濕敏傳感器3、感濕靈敏度環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，所引起的濕敏傳感器的濕度誤差，稱為感濕溫度系數(shù)，反映濕敏傳感器溫度特性的一個(gè)比較直觀、實(shí)用的特性參數(shù)。4、感濕溫度系數(shù)各種不同的濕敏傳感器，對(duì)靈敏度的要求各不相同。低濕型或高濕型傳感器的量程較窄，要求靈敏度要很高。全濕型傳感器，靈敏度的大小要適當(dāng)，并非越大越好。否則，電阻值的動(dòng)態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來(lái)不利。感濕靈敏度即濕度系數(shù)：在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1％在一定溫度下，當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕敏傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時(shí)間。一般規(guī)定從起始到終止63％或90％的相對(duì)濕度變化所需要的時(shí)間作為響應(yīng)時(shí)間，也稱時(shí)間常數(shù)；反映濕敏傳感器相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)反應(yīng)速度的快慢。響應(yīng)時(shí)間又分為吸濕響應(yīng)時(shí)間和脫濕響應(yīng)時(shí)間。大多數(shù)傳感器的脫濕響應(yīng)時(shí)間大于吸濕響應(yīng)時(shí)間，一般以脫濕響應(yīng)時(shí)間作為濕敏傳感器的響應(yīng)時(shí)間。一、濕敏傳感器的特性參數(shù)§9.2濕敏傳感器5、響應(yīng)時(shí)間測(cè)量濕度時(shí)，濕敏傳感器所加測(cè)試電壓不能為直流電壓，需用交流電壓。因?yàn)榧又绷麟妷阂鸶袧耋w內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時(shí)間的增加而下降。傳感器電阻與外加交流電壓之間存在一定關(guān)系。電壓大時(shí)，產(chǎn)生的焦耳熱對(duì)傳感器的阻濕特性影響大，因而電壓一般小于10V。6、電壓特性在一定溫度下，當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕敏傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)濕敏傳感器的阻值與外加測(cè)試電壓的頻率有關(guān)。在高濕時(shí)頻率對(duì)阻值的影響很??；當(dāng)?shù)蜐窀哳l時(shí)，隨著頻率的增加，阻值下降。濕敏傳感器的使用頻率上限一般由實(shí)驗(yàn)確定。直流電壓會(huì)引起水分子的電解，因此測(cè)試電壓頻率也不能太低。一、濕敏傳感器的特性參數(shù)§9.2濕敏傳感器7、頻率特性電阻－頻率特性20℃5V11%RH33%RH100%RHLgf/Hz0123456578475%RHLgR/Ω這種濕敏傳感器，在各種濕度下，當(dāng)測(cè)試頻率大于103Hz時(shí)，阻值隨電壓頻率明顯變化，故該傳感器使用頻率的上限為103Hz。濕敏傳感器的阻值與外加測(cè)試電壓的頻率有關(guān)。在高濕時(shí)頻率對(duì)阻值（1）基本結(jié)構(gòu)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、離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的，由引線、基片、感濕層與電極組成。二、氯化鋰濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（2）工作原理氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl以正負(fù)離子形式存在，Li＋對(duì)水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。若環(huán)境相對(duì)濕度高，溶液吸收水分，濃度降低，電導(dǎo)率增高；環(huán)境相對(duì)濕度低，溶液濃度升高，電導(dǎo)率下降，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。引線金電極感濕層基片（1）基本結(jié)構(gòu)二、氯化鋰濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（2）工工藝：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：ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻率隨濕度增加而下降。正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻率隨濕度增加而增大。三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（1）負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理水分子中氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng)，水在半導(dǎo)瓷表面吸附時(shí)可俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。1、制作工藝與材料2、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理Ｐ型半導(dǎo)體：水分子吸附使表面電勢(shì)下降，吸引更多的空穴到達(dá)表面，表面層的電阻下降。1：ZnO-LiO2-V2O5系2：Si-Na2O-V2O5系3：TiO2-MgO-Cr2O3系工藝：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。三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（1）負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理Ｎ型半導(dǎo)瓷：水分子吸附使表面電勢(shì)下降，不僅使表面層的電子耗盡，同時(shí)吸引更多的空穴達(dá)到表面層，可使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現(xiàn)表面反型層，這些空穴稱為反型載流子。2、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理1：ZnO-LiO2-V2O5系2：Si-Na2O-V2O5系3：TiO2-MgO-Cr2O3系反型載流子（空穴）在表面遷移而表現(xiàn)出電導(dǎo)特性，使N型半導(dǎo)瓷材料的表面電阻下降。因此，不論是Ｎ型還是Ｐ型半導(dǎo)瓷，電阻率都隨濕度增加而下降。三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（1）負(fù)特性濕敏半三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（2）正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理正特性濕敏半導(dǎo)瓷材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性的不同。當(dāng)水分子吸附半導(dǎo)瓷表面使電勢(shì)變負(fù)時(shí)，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，仍以電子導(dǎo)電為主。電子濃度下降，表面電阻加大。2、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理因晶體內(nèi)部存在低阻支路，正特性半導(dǎo)瓷電阻值升高沒有負(fù)特性的阻值下降那么明顯。Fe3O4半導(dǎo)瓷正濕敏特性因此，這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻隨濕度的增加而加大。三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（2）正特性濕敏半（1）MgCr2O4-TiO2濕敏器件MgCr2O4為Ｐ型半導(dǎo)體，電阻率低，阻值溫度特性好。氧化鎂復(fù)合氧化物—二氧化鈦濕敏材料，制成多孔陶瓷型“濕—電”轉(zhuǎn)換器件，為負(fù)特性半導(dǎo)瓷，感濕體是一個(gè)多晶多相的混合物。在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的兩面涂覆有多孔金電極。金電極與引出線燒結(jié)在一起。電極引線一般采用鉑—銥合金。四、典型半導(dǎo)瓷濕敏器件§9.2濕敏傳感器為了減少測(cè)量誤差，在陶瓷片外設(shè)置由鎳鉻絲制成的加熱線圈，以便對(duì)器件加熱清洗，排除惡劣氣氛對(duì)器件的污染。整個(gè)器件安在陶瓷基片上。（1）MgCr2O4-TiO2濕敏器件四、典型半導(dǎo)瓷濕敏器件（2）ZnO-Cr2O3濕敏器件多孔金電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，敏感元件裝入有網(wǎng)眼過(guò)濾的方形塑料盒中用樹脂固定。ZnO-Cr2O3濕敏傳感器可連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量濕度，無(wú)須加熱除污裝置，功耗低于0.5Ｗ，體積小，成本低，常用測(cè)濕傳感器。四、典型半導(dǎo)瓷濕敏器件§9.2濕敏傳感器氯化鋰濕敏電阻（2）ZnO-Cr2O3濕敏器件四、典型半導(dǎo)瓷濕敏器件§9.

第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器9.2濕敏傳感9.3色敏傳感器9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器半導(dǎo)體色敏器件相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，淺結(jié)的P＋N結(jié)；深結(jié)的PN結(jié)，又稱光電雙結(jié)二極管。一、半導(dǎo)體色敏器件基本結(jié)構(gòu)§9.3色敏傳感器NP11232P+3半導(dǎo)體色敏器件半導(dǎo)體色敏器件相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，淺結(jié)的P一、半導(dǎo)體色敏器件基本結(jié)構(gòu)§9.3色敏傳感器光在半導(dǎo)體中傳播時(shí)的衰減是由于價(jià)帶電子吸收光子而從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果，這種吸收光子的過(guò)程稱為本征吸收。本征吸收系數(shù)：半導(dǎo)體的本征吸收系數(shù)隨入射光波長(zhǎng)不同而變化。在紅外部分吸收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。因此，波長(zhǎng)短的光子衰減快，穿透深度較淺；而波長(zhǎng)長(zhǎng)的光子則能進(jìn)入硅的較深區(qū)域。1、本征吸收吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化一、半導(dǎo)體色敏器件基本結(jié)構(gòu)§9.3色敏傳感器光在半導(dǎo)體中傳光電器件還常用量子效率來(lái)表征光生電子流與入射光子流的比值大小。一、半導(dǎo)體色敏器件基本結(jié)構(gòu)§9.3色敏傳感器半導(dǎo)體色敏器件正是利用了這一特性。2、量子效率xj表示結(jié)深量子效率隨波長(zhǎng)的變化量子效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)每入射一個(gè)光子所引起的流動(dòng)電子數(shù)。半導(dǎo)體P區(qū)在不同結(jié)深時(shí)量子效率隨波長(zhǎng)不同而變化。淺的PN結(jié)有較好的藍(lán)紫光靈敏度，深的PN結(jié)則有利于紅外靈敏度的提高。光電器件還常用量子效率來(lái)表征光生電子流與入射光子流的比值大小二、半導(dǎo)體色敏器件工作原理§9.3色敏傳感器這一特性可用于顏色識(shí)別即測(cè)量入射光的波長(zhǎng)。兩只結(jié)深不同的光電二極管組合，就構(gòu)成了可測(cè)定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體色敏傳感器。NP11232P+3當(dāng)有入射光照射時(shí)，P＋、N、P三個(gè)區(qū)域及其間的勢(shì)壘區(qū)中都吸收光子，但效果不同。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過(guò)很短距離已基本吸收完。淺結(jié)的這只光電二極管對(duì)紫外光靈敏度高。紅外光部分吸收系數(shù)較小，這類波長(zhǎng)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(duì)紅外光靈敏度較高。在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL(zhǎng)分別具有不同的靈敏度。二、半導(dǎo)體色敏器件工作原理§9.3色敏傳感器這一特性可用于光譜特性：色敏器件所能檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍。三、半導(dǎo)體色敏傳感器基本特征§9.3色敏傳感器短路電流比—波長(zhǎng)特性：色敏器件對(duì)波長(zhǎng)的識(shí)別能力，確定被測(cè)波長(zhǎng)的基本特性。1、光譜特性2、短路電流比—波長(zhǎng)特性光譜特性：色敏器件所能檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍。三、半導(dǎo)體色敏傳感器半導(dǎo)體色敏器件是測(cè)定兩只光電二極管短路電流之比，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)。這種內(nèi)部補(bǔ)償作用使半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比對(duì)溫度不十分敏感，通?？刹豢紤]溫度的影響。

三、半導(dǎo)體色敏傳感器基本特征§9.3色敏傳感器3、溫度特性半導(dǎo)體色敏器件是測(cè)定兩只光電二極管短路電流之比，而這兩只光電

第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器9.2濕敏傳感9.3色敏傳感器9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快、使用壽命長(zhǎng)以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，從而應(yīng)用廣泛。主要用于工業(yè)上的天然氣、煤氣，石油化工等部門的易燃、易爆、有毒等有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制。一、氣敏傳感器應(yīng)用隨著環(huán)境中可燃性氣體濃度的增加，氣敏元件的阻值下降到一定值后，流入蜂鳴器的電流，推動(dòng)其工作而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

~220VBZ

氖管家用可燃性氣體報(bào)警器電路氣敏傳感器蜂鳴器BR按用途分類：氣體泄露報(bào)警、自動(dòng)控制、自動(dòng)測(cè)試等幾種類型?！?.4

半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用半導(dǎo)體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快、使用壽命§9.4

半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用二、實(shí)用酒精測(cè)試儀§9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用二、實(shí)用酒精測(cè)試儀三、濕敏傳感器應(yīng)用——濕度檢測(cè)濕度的檢測(cè)方法可分為四類：毛發(fā)濕度計(jì)法干濕球濕度計(jì)法露點(diǎn)計(jì)法阻容式濕度計(jì)法§9.4

半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用干濕球濕度計(jì)與露點(diǎn)計(jì)的時(shí)效小，可用于高精度測(cè)量，但體積大，響應(yīng)速度慢，無(wú)電信號(hào)，不能用于遙測(cè)及濕度自動(dòng)控制。阻容式濕度傳感器體積小，響應(yīng)速度快，濕度便于轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，但穩(wěn)定性差，不耐SO2的腐蝕。三、濕敏傳感器應(yīng)用——濕度檢測(cè)濕度的檢測(cè)方法可分為四類：§9四、各種直讀式濕度計(jì)§9.4

半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用四、各種直讀式濕度計(jì)§9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用檢測(cè)光波長(zhǎng)（顏色）處理電路，由色敏半導(dǎo)體傳感器、兩路對(duì)數(shù)放大器電路及運(yùn)算放大器構(gòu)成。五、彩色信號(hào)處理電路識(shí)別色彩必須獲得兩只光電二極管的短路電流比。故采用對(duì)數(shù)放大器電路，在電流較小時(shí)，二極管兩端加上的電壓和流過(guò)電流之間存在近似對(duì)數(shù)關(guān)系，運(yùn)算放大器A3輸出電壓為§9.4

半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用電路輸出電壓正比于短路電流比ISD2/ISD1的對(duì)數(shù)。經(jīng)A/D變換、處理后即可判斷出與電平相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即顏色。檢測(cè)光波長(zhǎng)（顏色）處理電路，由色敏半導(dǎo)體傳感器、兩路對(duì)數(shù)放大六、家庭安全手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)§9.4

半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用六、家庭安全手機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)§9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用

第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器9.2濕敏傳感9.3色敏傳感器9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器第九章作業(yè)第二版教材168頁(yè)：

練習(xí)題：9-1，9-3，9-4

第三版教材165頁(yè)：

練習(xí)題：9-1，9-3，9-4第九章作業(yè)第二版教材168頁(yè)：

第九章結(jié)束謝謝合作！第九章結(jié)束謝謝合作！傳感器原理及應(yīng)用

PrinciplesandApplicationsofSensors主講：李曉干傳感器原理及應(yīng)用

PrinciplesandAppli第九章作業(yè)第二版教材168頁(yè)：

練習(xí)題：9-1，9-3，9-4

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練習(xí)題：9-1，9-3，9-4第九章作業(yè)第二版教材168頁(yè)：

半導(dǎo)體特性

被測(cè)非電量電量測(cè)量電路U、I

第九章半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器的定義以半導(dǎo)體材料為敏感元件，通過(guò)半導(dǎo)體材料電特性的物性變化將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器。半導(dǎo)體傳感器的感測(cè)量濃度、濕度、成分、波長(zhǎng)等。半導(dǎo)體傳感器的種類根據(jù)檢測(cè)對(duì)象：氣敏、濕敏、色敏等傳感器。半導(dǎo)體被測(cè)非電量電量測(cè)量電路U、I第九章半導(dǎo)體傳感器

第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器9.2濕敏傳感9.3色敏傳感器9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器氣敏傳感器：通過(guò)氣-電轉(zhuǎn)換來(lái)檢測(cè)氣體類別、濃度和成分的傳感器。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。目前半導(dǎo)體氣敏傳感器實(shí)際使用最多。半導(dǎo)體氣敏傳感器:利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)產(chǎn)生的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)變化來(lái)檢測(cè)氣體。一、氣敏傳感器的定義和種類§9.1氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器分類:按半導(dǎo)體與氣體相互作用時(shí)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：表面控制型和體控制型。表面控制型：半導(dǎo)體表面吸附氣體與半導(dǎo)體間發(fā)生電子接受，結(jié)果使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化，但內(nèi)部化學(xué)組成不變。體控制型：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，導(dǎo)致電導(dǎo)率等參量變化。氣敏傳感器：半導(dǎo)體氣敏傳感器:一、氣敏傳感器的定義和種類§9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分為：電阻型和非電阻型。一、氣敏傳感器的定義和種類§9.1氣敏傳感器電阻型：通過(guò)半導(dǎo)體敏感材料接觸氣體時(shí)阻值變化來(lái)檢測(cè)氣體的成分或濃度。非電阻型：通過(guò)半導(dǎo)體氣敏元件的其它參數(shù)變化來(lái)檢測(cè)被測(cè)氣體，如二極管伏安特性和場(chǎng)效應(yīng)晶體管的閾值電壓變化。半導(dǎo)體氣敏傳感器分類:一、氣敏傳感器的定義和種類§9.1氣二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化和還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時(shí)，被吸附的分子先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，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附處（化學(xué)吸附）。1、工作機(jī)理（1）氧化型氣體：半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時(shí)，吸附分子從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體稱為氧化型或電子接收性氣體。（2）還原型氣體：通常器件工作在空氣中，由于氧化的作用，空氣中的氧被半導(dǎo)體材料的電子吸附負(fù)電荷，半導(dǎo)體材料的電子減少，電阻增加，使器件處于高阻狀態(tài)；當(dāng)氣敏元件與被測(cè)氣體接觸時(shí)會(huì)與吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，將束縛的電子釋放出來(lái)，敏感膜表面電導(dǎo)增加，使元件電阻減小。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器當(dāng)氧化型氣體吸附到N型、還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型、氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。1、工作機(jī)理N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化半導(dǎo)體氣敏時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間)一般不超過(guò)1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO2等，P型有CuO、Cr2O3等。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吸附氣體的種類和濃度。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器當(dāng)氧化型氣體吸（1）燒結(jié)型氣敏器件氧化物半導(dǎo)體材料為基體，鉑電極和加熱絲埋入材料中，用加熱、加壓的制陶工藝燒結(jié)成形。因此，被稱為半導(dǎo)體陶瓷，簡(jiǎn)稱半導(dǎo)瓷。半導(dǎo)瓷內(nèi)的晶粒直徑為1μm左右，晶粒的大小對(duì)電阻有一定影響，但對(duì)氣體檢測(cè)靈敏度則無(wú)很大的影響。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器氣敏器件有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。2、基本結(jié)構(gòu)燒結(jié)型器件制作方法簡(jiǎn)單，器件壽命長(zhǎng)；但由于燒結(jié)不充分，器件機(jī)械強(qiáng)度不高，電極材料較貴重，電性能一致性較差，因此應(yīng)用受到一定限制。（1）燒結(jié)型氣敏器件二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏（2）薄膜型氣敏器件采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，在石英基片上形成厚度約100nm氧化物半導(dǎo)體薄膜，制作方法簡(jiǎn)單。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，器件間性能差異較大。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器2、基本結(jié)構(gòu)這種元件機(jī)械強(qiáng)度高，離散度小，適合批量生產(chǎn)。（3）厚膜型氣敏器件氧化物半導(dǎo)體材料與硅凝膠混合制成可印刷的厚膜膠，厚膜膠再印刷到裝有電極的絕緣基片上，經(jīng)燒結(jié)制成的。（2）薄膜型氣敏器件二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣敏器件全部附有加熱器。加熱器作用：燒掉附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等，加速氣體的吸附，從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在200~400℃左右。2、基本結(jié)構(gòu)加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏器件。（1）直熱式氣敏器件加熱絲、測(cè)量絲直接埋入氧化物半導(dǎo)體材料粉末中燒結(jié)而成。工作時(shí)加熱絲通電，測(cè)量絲用于測(cè)量器件阻值。這類器件制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、功耗小，可在高電壓回路下使用，但熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響，測(cè)量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器電阻型半導(dǎo)體氣（2）旁熱式氣敏器件加熱絲放置在一個(gè)陶瓷管內(nèi)，管外涂梳狀金電極作測(cè)量極，在金電極外涂上氧化物半導(dǎo)體材料。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器2、基本結(jié)構(gòu)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(diǎn)，使測(cè)量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測(cè)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(duì)器件加熱溫度的影響。（2）旁熱式氣敏器件二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏氣敏傳感器暴露在各種成分的氣體中使用，會(huì)使其性能變差。原因：①工作條件惡劣，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等；②氣體對(duì)傳感元件的材料會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)物，附著在元件表面。要求氣敏器件：長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)產(chǎn)生的影響小等。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器3、特性參數(shù)（2）氣敏器件的靈敏度靈敏度：表征氣敏元件對(duì)于被測(cè)氣體的敏感程度的指標(biāo)。即氣體敏感元件的電參量（電阻值）與被測(cè)氣體濃度之間的依從關(guān)系。三種表示方法：（1）氣敏器件的電阻值

固有電阻值：電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值Ra。一般固有電阻值在103～105Ω范圍。氣敏傳感器暴露在各種成分的氣體中使用，會(huì)使其性能變差。二、電（2）氣敏器件的靈敏度①電阻比靈敏度氣敏器件在潔凈空氣中電阻值Ra，在規(guī)定濃度的被測(cè)氣體中電阻值Rg，則電阻比靈敏度為二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器3、特性參數(shù)③

輸出電壓比靈敏度氣敏器件在潔凈空氣中工作時(shí)負(fù)載電阻上的電壓輸出Va；在規(guī)定濃度被測(cè)氣體中工作時(shí)負(fù)載電阻的電壓輸出Vg，則輸出電壓比靈敏度為氣體分離度為②

氣體分離度氣敏器件在濃度為C1的被測(cè)氣體中電阻值RC1，在濃度為C2的被測(cè)氣體中電阻值RＣ2，通常C1＞C2。（2）氣敏器件的靈敏度二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣（3）氣敏器件的分辨率分辨率：氣敏器件對(duì)被測(cè)氣體的識(shí)別（選擇）以及對(duì)干擾氣體的抑制能力。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器3、特性參數(shù)（4）氣敏器件的響應(yīng)時(shí)間表征在工作溫度下氣敏器件對(duì)被測(cè)氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏器件與一定濃度的被測(cè)氣體接觸時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63％時(shí)為止，所需時(shí)間稱為氣敏元件在此濃度下的被測(cè)氣體中的響應(yīng)時(shí)間，通常用符號(hào)tr表示。氣敏器件在潔凈空氣中工作和在規(guī)定濃度被測(cè)氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻上的輸出電壓Va和Vg；在i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時(shí)負(fù)載電阻上的輸出電壓Vgi。（3）氣敏器件的分辨率二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣（5）氣敏器件的加熱電阻和加熱功率氣敏器件一般工作在200℃以上高溫。加熱電阻RH：為氣敏器件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻（指加熱器的電阻值）。直熱式的加熱電阻值一般小于5Ω；旁熱式的加熱電阻大于20Ω。加熱功率PＨ：氣敏器件正常工作所需的加熱電路功率。一般在（0.5～2.0）W范圍。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器3、特性參數(shù)（6）氣敏器件的恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間：表示在工作溫度下，被測(cè)氣體由該元件上解吸的速度。一般從氣敏元件脫離被測(cè)氣體時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63％時(shí)所需時(shí)間。納米結(jié)構(gòu)氣敏器件（5）氣敏器件的加熱電阻和加熱功率二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器（7）初期穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)期在非工作狀態(tài)下存放的氣敏器件，因表面吸附空氣中的水分或者其他氣體，導(dǎo)致其表面狀態(tài)的變化，在加上電負(fù)荷后，隨著元件溫度的升高，發(fā)生解吸現(xiàn)象。因此，使氣敏器件恢復(fù)正常工作狀態(tài)，需要一定的時(shí)間，稱為氣敏器件的初期穩(wěn)定時(shí)間。二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器3、特性參數(shù)一般電阻型氣敏元件，在剛通電的瞬間電阻值下降，然后再上升，最后達(dá)到穩(wěn)定。由開始通電直到氣敏器件阻值到達(dá)穩(wěn)定所需時(shí)間，稱為初期穩(wěn)定時(shí)間。初期穩(wěn)定時(shí)間是敏感元件存放時(shí)間和環(huán)境狀態(tài)的函數(shù)。存放時(shí)間越長(zhǎng)，初期穩(wěn)定時(shí)間也越長(zhǎng)。在一般條件下，氣敏元件存放兩周以后，初期穩(wěn)定時(shí)間即可達(dá)最大值。（7）初期穩(wěn)定時(shí)間二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器4、基本電路二、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器4、基本電路非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣敏傳感器之一。利用MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的閾值電壓的變化等物性而制成的。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(jià)格便宜。利用特定材料還可使器件對(duì)某些氣體特別敏感。三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器1、MOS二極管氣敏器件MOS二極管氣敏器件結(jié)構(gòu)：在P型半導(dǎo)體硅片上生成一層厚度為50~100nm的SiO2層，上面再蒸鍍一層鈀金屬薄膜作為柵電極。非電阻型氣敏器件也是半導(dǎo)體氣敏傳感器之一。三、非電阻型半導(dǎo)體三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器1、MOS二極管氣敏器件MOS二極管C~U特性：SiO2層電容Ca固定不變，而Si和SiO2界面電容Cs是外加電壓的函數(shù)，因此總電容C也是柵偏壓的函數(shù)。函數(shù)關(guān)系稱為該類MOS二極管的C~U特性。鈀（Pd）對(duì)H2特別敏感，當(dāng)鈀吸附了H2以后，會(huì)使鈀的功函數(shù)降低，導(dǎo)致MOS管的C~U特性向負(fù)偏壓方向平移。根據(jù)這一特性可測(cè)定H2的濃度。三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器1、MOS二三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器2、MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣敏器件UT的大小與金屬和半導(dǎo)體之間的功函數(shù)有關(guān)。當(dāng)H2吸附在Pd柵極上時(shí)會(huì)引起Pd的功函數(shù)降低。Pd-MOSFET氣敏器件就利用這一特性來(lái)檢測(cè)H2濃度。MOSFET的伏~安特性：當(dāng)鈀柵極（G）、源極（S）之間加正向偏壓UGS，且UGS>UT（閾值電壓）時(shí)，柵極氧化層下面的硅從P型變?yōu)镹型，形成導(dǎo)電通道，即為N型溝道。MOSFET進(jìn)入工作狀態(tài)。在源漏極之間加電壓UDS，則有電流IDS流通。IDS隨UDS和UGS的大小變化規(guī)律即MOSFET的伏~安特性。當(dāng)UGS<UT時(shí)，MOSFET的溝道未形成，無(wú)漏源電流。三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器2、MOS場(chǎng)

第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器9.2濕敏傳感9.3色敏傳感器9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器濕度：指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表示方法。絕對(duì)濕度：指在一定溫度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3，用符號(hào)AH表示。相對(duì)濕度：指氣體絕對(duì)濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度之比，用符號(hào)%RH表示。相對(duì)濕度給出大氣的潮濕程度，一個(gè)無(wú)量綱的量，在實(shí)際使用中多使用這一概念?！?.2濕敏傳感器濕敏傳感器：感受外界濕度變化，并通過(guò)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(hào)的器件。依據(jù)使用材料分類：電解質(zhì)型：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。陶瓷型：金屬氧化物多孔陶瓷的阻值對(duì)空氣中水蒸氣的敏感特性。高分子型：有機(jī)高分子感濕膜。單晶半導(dǎo)體型：二極管濕敏器件和MOSFET濕度敏感器件等。濕度：指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表濕度量程：濕敏傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，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(duì)濕度(0～100)％RH表示。一、濕敏傳感器的特性參數(shù)§9.2濕敏傳感器1、濕度量程正特性濕敏電阻：濕敏傳感器的電阻值隨濕度的增加而增大。負(fù)特性濕敏電阻：濕敏傳感器的阻值隨著濕度的增加而減小。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。阻濕特性：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)系特性曲線。2、感濕特征量—相對(duì)濕度特性濕敏電容濕敏電阻濕度量程：濕敏傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，指濕度傳感器技術(shù)感濕靈敏度即濕度系數(shù)：在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1％RH時(shí)，濕敏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)§9.2濕敏傳感器3、感濕靈敏度環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，所引起的濕敏傳感器的濕度誤差，稱為感濕溫度系數(shù)，反映濕敏傳感器溫度特性的一個(gè)比較直觀、實(shí)用的特性參數(shù)。4、感濕溫度系數(shù)各種不同的濕敏傳感器，對(duì)靈敏度的要求各不相同。低濕型或高濕型傳感器的量程較窄，要求靈敏度要很高。全濕型傳感器，靈敏度的大小要適當(dāng)，并非越大越好。否則，電阻值的動(dòng)態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來(lái)不利。感濕靈敏度即濕度系數(shù)：在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1％在一定溫度下，當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕敏傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時(shí)間。一般規(guī)定從起始到終止63％或90％的相對(duì)濕度變化所需要的時(shí)間作為響應(yīng)時(shí)間，也稱時(shí)間常數(shù)；反映濕敏傳感器相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)反應(yīng)速度的快慢。響應(yīng)時(shí)間又分為吸濕響應(yīng)時(shí)間和脫濕響應(yīng)時(shí)間。大多數(shù)傳感器的脫濕響應(yīng)時(shí)間大于吸濕響應(yīng)時(shí)間，一般以脫濕響應(yīng)時(shí)間作為濕敏傳感器的響應(yīng)時(shí)間。一、濕敏傳感器的特性參數(shù)§9.2濕敏傳感器5、響應(yīng)時(shí)間測(cè)量濕度時(shí)，濕敏傳感器所加測(cè)試電壓不能為直流電壓，需用交流電壓。因?yàn)榧又绷麟妷阂鸶袧耋w內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時(shí)間的增加而下降。傳感器電阻與外加交流電壓之間存在一定關(guān)系。電壓大時(shí)，產(chǎn)生的焦耳熱對(duì)傳感器的阻濕特性影響大，因而電壓一般小于10V。6、電壓特性在一定溫度下，當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕敏傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)濕敏傳感器的阻值與外加測(cè)試電壓的頻率有關(guān)。在高濕時(shí)頻率對(duì)阻值的影響很小；當(dāng)?shù)蜐窀哳l時(shí)，隨著頻率的增加，阻值下降。濕敏傳感器的使用頻率上限一般由實(shí)驗(yàn)確定。直流電壓會(huì)引起水分子的電解，因此測(cè)試電壓頻率也不能太低。一、濕敏傳感器的特性參數(shù)§9.2濕敏傳感器7、頻率特性電阻－頻率特性20℃5V11%RH33%RH100%RHLgf/Hz0123456578475%RHLgR/Ω這種濕敏傳感器，在各種濕度下，當(dāng)測(cè)試頻率大于103Hz時(shí)，阻值隨電壓頻率明顯變化，故該傳感器使用頻率的上限為103Hz。濕敏傳感器的阻值與外加測(cè)試電壓的頻率有關(guān)。在高濕時(shí)頻率對(duì)阻值（1）基本結(jié)構(gòu)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、離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的，由引線、基片、感濕層與電極組成。二、氯化鋰濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（2）工作原理氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl以正負(fù)離子形式存在，Li＋對(duì)水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。若環(huán)境相對(duì)濕度高，溶液吸收水分，濃度降低，電導(dǎo)率增高；環(huán)境相對(duì)濕度低，溶液濃度升高，電導(dǎo)率下降，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。引線金電極感濕層基片（1）基本結(jié)構(gòu)二、氯化鋰濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（2）工工藝：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：ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻率隨濕度增加而下降。正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷：電阻率隨濕度增加而增大。三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（1）負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理水分子中氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng)，水在半導(dǎo)瓷表面吸附時(shí)可俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。1、制作工藝與材料2、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理Ｐ型半導(dǎo)體：水分子吸附使表面電勢(shì)下降，吸引更多的空穴到達(dá)表面，表面層的電阻下降。1：ZnO-LiO2-V2O5系2：Si-Na2O-V2O5系3：TiO2-MgO-Cr2O3系工藝：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。三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（1）負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理Ｎ型半導(dǎo)瓷：水分子吸附使表面電勢(shì)下降，不僅使表面層的電子耗盡，同時(shí)吸引更多的空穴達(dá)到表面層，可使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現(xiàn)表面反型層，這些空穴稱為反型載流子。2、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理1：ZnO-LiO2-V2O5系2：Si-Na2O-V2O5系3：TiO2-MgO-Cr2O3系反型載流子（空穴）在表面遷移而表現(xiàn)出電導(dǎo)特性，使N型半導(dǎo)瓷材料的表面電阻下降。因此，不論是Ｎ型還是Ｐ型半導(dǎo)瓷，電阻率都隨濕度增加而下降。三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（1）負(fù)特性濕敏半三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（2）正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理正特性濕敏半導(dǎo)瓷材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性的不同。當(dāng)水分子吸附半導(dǎo)瓷表面使電勢(shì)變負(fù)時(shí)，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，仍以電子導(dǎo)電為主。電子濃度下降，表面電阻加大。2、濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理因晶體內(nèi)部存在低阻支路，正特性半導(dǎo)瓷電阻值升高沒有負(fù)特性的阻值下降那么明顯。Fe3O4半導(dǎo)瓷正濕敏特性因此，這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻隨濕度的增加而加大。三、半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻§9.2濕敏傳感器（2）正特性濕敏半（1）MgCr2O4-TiO2濕敏器件MgCr2O4為Ｐ型半導(dǎo)體，電阻率低，阻值溫度特性好。氧化鎂復(fù)合氧化物—二氧化鈦濕敏材料，制成多孔陶瓷型“濕—電”轉(zhuǎn)換器件，為負(fù)特性半導(dǎo)瓷，感濕體是一個(gè)多晶多相的混合物。在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的兩面涂覆有多孔金電極。金電極與引出線燒結(jié)在一起。電極引線一般采用鉑—銥合金。四、典型半導(dǎo)瓷濕敏器件§9.2濕敏傳感器為了減少測(cè)量誤差，在陶瓷片外設(shè)置由鎳鉻絲制成的加熱線圈，以便對(duì)器件加熱清洗，排除惡劣氣氛對(duì)器件的污染。整個(gè)器件安在陶瓷基片上。（1）MgCr2O4-TiO2濕敏器件四、典型半導(dǎo)瓷濕敏器件（2）ZnO-Cr2O3濕敏器件多孔金電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，敏感元件裝入有網(wǎng)眼過(guò)濾的方形塑料盒中用樹脂固定。ZnO-Cr2O3濕敏傳感器可連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量濕度，無(wú)須加熱除污裝置，功耗低于0.5Ｗ，體積小，成本低，常用測(cè)濕傳感器。四、典型半導(dǎo)瓷濕敏器件§9.2濕敏傳感器氯化鋰濕敏電阻（2）ZnO-Cr2O3濕敏器件四、典型半導(dǎo)瓷濕敏器件§9.

第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器9.2濕敏傳感9.3色敏傳感器9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用第九章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器半導(dǎo)體色敏器件相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，淺結(jié)的P＋N結(jié)；深結(jié)的PN結(jié)，又稱光電雙結(jié)二極管。一、半導(dǎo)體色敏器件基本結(jié)構(gòu)§9.3色敏傳感器NP112