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：

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半導(dǎo)體特性

被測非電量電量測量電路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，通過半導(dǎo)體材料電特性的物性變化將被測量變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器。半導(dǎo)體傳感器的感測量濃度、濕度、成分、波長等。半導(dǎo)體傳感器的種類根據(jù)檢測對象：氣敏、濕敏、色敏等傳感器。半導(dǎo)體被測非電量電量測量電路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：通過氣-電轉(zhuǎn)換來檢測氣體類別、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)體氣敏傳感器實際使用最多。半導(dǎo)體氣敏傳感器: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)變化來檢測氣體。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或濃度。非電阻型：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，如二極管伏安特性和場效應(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，被吸附的分子先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運動能量，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，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)氣敏元件與被測氣體接觸時會與吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，將束縛的電子釋放出來，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，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，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)體吸附氣體時器件阻值變化半導(dǎo)體氣敏時間(響應(yīng)時間)一般不超過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，晶粒的大小對電阻有一定影響，但對氣體檢測靈敏度則無很大的影響。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)型器件制作方法簡單，器件壽命長；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)或濺射工藝，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。工作時加熱絲通電，測量絲用于測量器件阻值。這類器件制造工藝簡單、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陶瓷管內(nèi)，管外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。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，使測量極和加熱極分離，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，會使其性能變差。原因：①工作條件惡劣，檢測現(xiàn)場溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等；②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。要求氣敏器件：長期穩(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：表征氣敏元件對于被測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負(fù)載電阻上的電壓輸出Va；在規(guī)定濃度被測氣體中工作時負(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的被測氣體中電阻值RC1，在濃度為C2的被測氣體中電阻值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：氣敏器件對被測氣體的識別（選擇）以及對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)時間表征在工作溫度下氣敏器件對被測氣體的響應(yīng)速度。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％時為止，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，通常用符號tr表示。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，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)時間恢復(fù)時間：表示在工作溫度下，被測氣體由該元件上解吸的速度。一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時，直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63％時所需時間。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)定時間長期在非工作狀態(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§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)定所需時間，稱為初期穩(wěn)定時間。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)。存放時間越長，初期穩(wěn)定時間也越長。在一般條件下，氣敏元件存放兩周以后，初期穩(wěn)定時間即可達(dá)最大值。（7）初期穩(wěn)定時間二、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)定且價格便宜。利用特定材料還可使器件對某些氣體特別敏感。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H2特別敏感，當(dāng)鈀吸附了H2以后，會使鈀的功函數(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柵極上時會引起Pd的功函數(shù)降低。Pd-MOSFET氣敏器件就利用這一特性來檢測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，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，MOSFET的溝道未形成，無漏源電流。三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器2、MOS場

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，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對濕度：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AH表示。相對濕度：指氣體絕對濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對濕度之比，用符號%RH表示。相對濕度給出大氣的潮濕程度，一個無量綱的量，在實際使用中多使用這一概念。§9.2濕敏傳感器濕敏傳感器：感受外界濕度變化，并通過材料物理或化學(xué)性質(zhì)變化將濕度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)信號的器件。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，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表濕度量程：濕敏傳感器工作性能的一項重要指標(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)：在某一相對濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變1％RH時，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，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比較直觀、實用的特性參數(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，電阻值的動態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來不利。感濕靈敏度即濕度系數(shù)：在某一相對濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變1％在一定溫度下，當(dāng)相對濕度發(fā)生躍變時，濕敏傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時間。一般規(guī)定從起始到終止63％或90％的相對濕度變化所需要的時間作為響應(yīng)時間，也稱時間常數(shù)；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。響應(yīng)時間又分為吸濕響應(yīng)時間和脫濕響應(yīng)時間。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)§9.2濕敏傳感器5、響應(yīng)時間測量濕度時，濕敏傳感器所加測試電壓不能為直流電壓，需用交流電壓。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)率隨時間的增加而下降。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，產(chǎn)生的焦耳熱對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)相對濕度發(fā)生躍變時，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試電壓的頻率有關(guān)。在高濕時頻率對阻值的影響很??；當(dāng)?shù)蜐窀哳l時，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。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)測試頻率大于103Hz時，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試電壓的頻率有關(guān)。在高濕時頻率對阻值（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)境相對濕度高，溶液吸收水分，濃度降低，電導(dǎo)率增高；環(huán)境相對濕度低，溶液濃度升高，電導(dǎo)率下降，實現(xiàn)對濕度的測量。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，水在半導(dǎo)瓷表面吸附時可俘獲電子，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下降，不僅使表面層的電子耗盡，同時吸引更多的空穴達(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)瓷表面使電勢變負(fù)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，以便對器件加熱清洗，排除惡劣氣氛對器件的污染。整個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)定地測量濕度，無須加熱除污裝置，功耗低于0.5Ｗ，體積小，成本低，常用測濕傳感器。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)體中傳播時的衰減是由于價帶電子吸收光子而從價帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果，這種吸收光子的過程稱為本征吸收。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，波長短的光子衰減快，穿透深度較淺；而波長長的光子則能進(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)深量子效率隨波長的變化量子效率：單位時間內(nèi)每入射一個光子所引起的流動電子數(shù)。半導(dǎo)體P區(qū)在不同結(jié)深時量子效率隨波長不同而變化。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別即測量入射光的波長。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導(dǎo)體色敏傳感器。NP11232P+3當(dāng)有入射光照射時，P＋、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都吸收光子，但效果不同。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光靈敏度較高。在半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌牟ㄩL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：色敏器件所能檢測的波長范圍。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—波長特性：色敏器件對波長的識別能力，確定被測波長的基本特性。1、光譜特性2、短路電流比—波長特性光譜特性：色敏器件所能檢測的波長范圍。三、半導(dǎo)體色敏傳感器半導(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)時間和恢復(fù)時間快、使用壽命長以及成本低等優(yōu)點，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、預(yù)報和自動控制。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，推動其工作而發(fā)出報警信號。

~220VBZ

氖管家用可燃性氣體報警器電路氣敏傳感器蜂鳴器BR按用途分類：氣體泄露報警、自動控制、自動測試等幾種類型?！?.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)時間和恢復(fù)時間快、使用壽命§9.4

半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用二、實用酒精測試儀§9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用二、實用酒精測試儀三、濕敏傳感器應(yīng)用——濕度檢測濕度的檢測方法可分為四類：毛發(fā)濕度計法干濕球濕度計法露點計法阻容式濕度計法§9.4

半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用干濕球濕度計與露點計的時效小，可用于高精度測量，但體積大，響應(yīng)速度慢，無電信號，不能用于遙測及濕度自動控制。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，但穩(wěn)定性差，不耐SO2的腐蝕。三、濕敏傳感器應(yīng)用——濕度檢測濕度的檢測方法可分為四類：§9四、各種直讀式濕度計§9.4

半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用四、各種直讀式濕度計§9.4半導(dǎo)體傳感器應(yīng)用檢測光波長（顏色）處理電路，由色敏半導(dǎo)體傳感器、兩路對數(shù)放大器電路及運算放大器構(gòu)成。五、彩色信號處理電路識別色彩必須獲得兩只光電二極管的短路電流比。故采用對數(shù)放大器電路，在電流較小時，二極管兩端加上的電壓和流過電流之間存在近似對數(shù)關(guān)系，運算放大器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的對數(shù)。經(jīng)A/D變換、處理后即可判斷出與電平相對應(yīng)的波長即顏色。檢測光波長（顏色）處理電路，由色敏半導(dǎo)體傳感器、兩路對數(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：

練習(xí)題：9-1，9-3，9-4

第三版教材165頁：

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

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：

練習(xí)題：9-1，9-3，9-4

第三版教材165頁：

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

半導(dǎo)體特性

被測非電量電量測量電路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，通過半導(dǎo)體材料電特性的物性變化將被測量變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器。半導(dǎo)體傳感器的感測量濃度、濕度、成分、波長等。半導(dǎo)體傳感器的種類根據(jù)檢測對象：氣敏、濕敏、色敏等傳感器。半導(dǎo)體被測非電量電量測量電路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：通過氣-電轉(zhuǎn)換來檢測氣體類別、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)體氣敏傳感器實際使用最多。半導(dǎo)體氣敏傳感器: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)變化來檢測氣體。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或濃度。非電阻型：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，如二極管伏安特性和場效應(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，被吸附的分子先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運動能量，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，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)氣敏元件與被測氣體接觸時會與吸附的氧發(fā)生反應(yīng)，將束縛的電子釋放出來，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，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，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)體吸附氣體時器件阻值變化半導(dǎo)體氣敏時間(響應(yīng)時間)一般不超過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，晶粒的大小對電阻有一定影響，但對氣體檢測靈敏度則無很大的影響。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)型器件制作方法簡單，器件壽命長；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)或濺射工藝，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。工作時加熱絲通電，測量絲用于測量器件阻值。這類器件制造工藝簡單、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陶瓷管內(nèi)，管外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。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，使測量極和加熱極分離，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，會使其性能變差。原因：①工作條件惡劣，檢測現(xiàn)場溫度、濕度的變化很大，又存在大量粉塵和油霧等；②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。要求氣敏器件：長期穩(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：表征氣敏元件對于被測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負(fù)載電阻上的電壓輸出Va；在規(guī)定濃度被測氣體中工作時負(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的被測氣體中電阻值RC1，在濃度為C2的被測氣體中電阻值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：氣敏器件對被測氣體的識別（選擇）以及對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)時間表征在工作溫度下氣敏器件對被測氣體的響應(yīng)速度。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％時為止，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，通常用符號tr表示。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，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)時間恢復(fù)時間：表示在工作溫度下，被測氣體由該元件上解吸的速度。一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時，直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的63％時所需時間。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)定時間長期在非工作狀態(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§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)定所需時間，稱為初期穩(wěn)定時間。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)。存放時間越長，初期穩(wěn)定時間也越長。在一般條件下，氣敏元件存放兩周以后，初期穩(wěn)定時間即可達(dá)最大值。（7）初期穩(wěn)定時間二、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)定且價格便宜。利用特定材料還可使器件對某些氣體特別敏感。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H2特別敏感，當(dāng)鈀吸附了H2以后，會使鈀的功函數(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柵極上時會引起Pd的功函數(shù)降低。Pd-MOSFET氣敏器件就利用這一特性來檢測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，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，MOSFET的溝道未形成，無漏源電流。三、非電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器§9.1氣敏傳感器2、MOS場

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，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對濕度：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AH表示。相對濕度：指氣體絕對濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對濕度之比，用符號%RH表示。相對濕度給出大氣的潮濕程度，一個無量綱的量，在實際使用中多使用這一概念。§9.2濕敏傳感器濕敏傳感器：感受外界濕度變化，并通過材料物理或化學(xué)性質(zhì)變化將濕度轉(zhuǎn)化成相應(yīng)信號的器件。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，通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表濕度量程：濕敏傳感器工作性能的一項重要指標(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)：在某一相對濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變1％RH時，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，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比較直觀、實用的特性參數(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，電阻值的動態(tài)范圍很寬，給配制二次儀表帶來不利。感濕靈敏度即濕度系數(shù)：在某一相對濕度范圍內(nèi)，相對濕度改變1％在一定溫度下，當(dāng)相對濕度發(fā)生躍變時，濕敏傳感器的電參量達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時間。一般規(guī)定從起始到終止63％或90％的相對濕度變化所需要的時間作為響應(yīng)時間，也稱時間常數(shù)；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。響應(yīng)時間又分為吸濕響應(yīng)時間和脫濕響應(yīng)時間。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)§9.2濕敏傳感器5、響應(yīng)時間測量濕度時，濕敏傳感器所加測試電壓不能為直流電壓，需用交流電壓。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)率隨時間的增加而下降。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，產(chǎn)生的焦耳熱對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)相對濕度發(fā)生躍變時，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試電壓的頻率有關(guān)。在高濕時頻率對阻值的影響很?。划?dāng)?shù)蜐窀哳l時，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。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)測試頻率大于103Hz時，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試電壓的頻率有關(guān)。在高濕時頻率對阻值（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)境相對濕度高，溶液吸收水分，濃度降低，電導(dǎo)率增高；環(huán)境相對濕度低，溶液濃度升高，電導(dǎo)率下降，實現(xiàn)對濕度的測量。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，水在半導(dǎo)瓷表面吸附時可俘獲電子，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下降，不僅使表面層的電子耗盡，同時吸引更多的空穴達(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)瓷表面使電勢變負(fù)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，以便對器件加熱清洗，排除惡劣氣氛對器件的污染。整個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)定地測量濕度，無須加熱除污裝置，功耗低于0.5Ｗ，體積小，成本低，常用測濕傳感器。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