第9章半導(dǎo)體傳感器

第9章半導(dǎo)體傳感器9.1

氣敏傳感器

9.2

濕敏傳感器

9.3

色敏傳感器

一、氣敏傳感器氣敏傳感器可以識別氣體的類別，測定氣體的濃度和成分，多用于檢測氣體中所含某種特定氣體的成分，將其變成電信號。

氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機(jī)理來進(jìn)行檢測的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)。1、半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作機(jī)理：2

氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。氣敏傳感器氣敏元件的工作原理十分復(fù)雜，有不同的解釋模型。目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型。3半導(dǎo)體氣敏傳感器的類型可分電阻型和非電阻型兩大類。電阻型有表面電阻型如氧化錫（SnO2）、氧化鋅（ZnO）等和體電阻型（Fe2O3）系列；非電阻型有MOS場效應(yīng)管型、二極管型（表面電流型——?dú)涿魝鞲衅鳎┖凸腆w電解質(zhì)型。

2、半導(dǎo)體氣敏傳感器分類：按制造工藝上分燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。薄膜型氣敏元件采用真空鍍膜或?yàn)R射方法,在石英或陶瓷基片上制成金屬氧化物薄膜（厚度0.1μm以下）,構(gòu)成薄膜型氣敏元件。4厚膜型氣敏元件將氣敏材料（如SnO2、ZnO）與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠。

工藝最成熟的是燒結(jié)型。燒結(jié)型氣敏元件將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中,經(jīng)加熱成型后低溫?zé)Y(jié)而成。目前最常用的是氧化錫（SnO2）燒結(jié)型氣敏元件,它的加熱溫度較低,一般在200～300℃,SnO2氣敏半導(dǎo)體對許多可燃性氣體,如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有較高的靈敏度。5半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。一組為工作電極，另一組為加熱電極兼工作電極。6

半導(dǎo)體氣敏傳感器是利用氣體在半導(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，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)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）。7

當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力(氣體的吸附和滲透特性)時，吸附分子將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。例如氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱悾鼈儽环Q為還原型氣體或電子供給性氣體。

8

當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，將使半導(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型半導(dǎo)體上，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。9下圖表示了氣體接觸N型半導(dǎo)體時所產(chǎn)生的器件阻值變化情況。圖N型半導(dǎo)體吸附氣體時器件阻值變化圖10

由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對固定。若氣體濃度發(fā)生變化，其阻值也將變化。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度。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、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。11氣敏元件工作時必須加熱，其目的是：加速被測氣體的吸附、脫出過程；燒去氣敏元件的油垢或污垢物，起清洗作用；控制不同的加熱溫度能對不同的被測氣體具有選擇作用。加熱溫度與元件輸出的靈敏度有關(guān)。如右圖所示。12

氣敏元件一般工作在200～400℃的高溫。為氣敏元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)稱為加熱電阻，用RH表示。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。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用ＰＨ表示。一般在(0.5～2.0)W范圍。13燒結(jié)型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)與符號燒結(jié)型氣體傳感器的加熱方式分為直熱式和間熱式兩種,其結(jié)構(gòu)與符號如圖所示。圖直熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號1234SnO2燒結(jié)體加熱極兼電極(a)結(jié)構(gòu)4321(b)符號1、2、3、4為熱子兼電極

直熱式的加熱絲兼作電極。其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗?。坏珶崛萘啃?，易受環(huán)境氣流影響；因加熱絲熱脹冷縮，易使之與材料接觸不良；在測量電路中，信號電路和加熱電路相互干擾。14圖間熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號1、2，3、4—直熱式熱子兼電極2、5—間熱式熱子1、3，4、6—間熱式電極7—SnO2燒結(jié)體8—絕緣瓷管

間熱式的加熱絲與電極分立，加熱絲插入陶瓷管內(nèi)，管外壁上涂制梳狀金電極，最外層則為SnO2燒結(jié)體。它克服了直熱式的缺點(diǎn)，有較好的穩(wěn)定性。15燒結(jié)型氣體傳感器的工作特性在檢測前，材料表面原已吸著氧，所以對可燃性氣體更敏感。最佳工作溫度一般多在200～500℃范圍內(nèi)。為使傳感器能在這樣高的溫度范圍穩(wěn)定工作，具有高溫穩(wěn)定性的半導(dǎo)體材料只有金屬氧化物，常見的是SnO2和ZnO。遇H2、CO、碳?xì)浠衔锏?還原性即可燃性)氣體，材料表面層電阻率減??；遇O2等氧化性氣體時，材料表面層電阻率增大。1)氣敏特性162)溫濕度特性

SnO2傳感器的阻值隨溫度、濕度上升而有規(guī)律地減小。因此除盡量保持恒溫、恒濕外，其有效措施是選用溫濕度特性好的氣敏元件及在電路中進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償。3)初期恢復(fù)特性及初期穩(wěn)定特性經(jīng)短期存放再通電時，傳感器電阻值有短暫的急劇變化（減?。@一特性稱為初期恢復(fù)特性，它與元件種類、存放時間及存放環(huán)境有關(guān)。存放時間愈長，初期恢復(fù)時間亦愈長，存放7天到15天后的初期恢復(fù)時間一般約在2～5min之內(nèi)。當(dāng)長期存放后再通電時，在一段時間內(nèi)傳感器阻值一般高出正常值20％左右，而以后慢慢恢復(fù)至正常穩(wěn)定值，這一特性亦稱作初期穩(wěn)定特性。17體電阻控制型氣敏傳感器1)Fe2O3系列

Fe2O3系列現(xiàn)有α-Fe2O3和γ-Fe2O3。主要檢測液化石油氣、煤氣和天然氣。α-Fe2O3對水蒸氣和乙醇不靈敏，特別適合做家庭可燃?xì)鈭缶鳌?)氧氣傳感器

Nb2O5對氧氣敏感。用其制成氧傳感器檢測汽車發(fā)動機(jī)和鍋爐等所排廢氣中的氧氣分壓強(qiáng)，以控制其最佳燃燒狀態(tài)，以達(dá)節(jié)能目的。18氣敏元件外形

酒精傳感器

其他可燃性氣體傳感器19酒精傳感器的選擇性20一氧化碳傳感器21NH3傳感器甲烷傳感器223、氣敏傳感器的應(yīng)用圖防止酒后開車控制器原理圖23圖中QM-J1為酒敏元件。若司機(jī)沒喝酒，在駕駛室內(nèi)合上開關(guān)S，此時氣敏器件的阻值很高，Ua為高電平，U1為低電平，U3為高電平，繼電器K2線圈失電，其常閉觸點(diǎn)K2-2閉合，發(fā)光二極管VD1通，發(fā)綠光，能點(diǎn)火起動發(fā)動機(jī)。

若司機(jī)酗酒，氣敏器件的阻值急劇下降，使Ua為低電平，U1為高電平，U3為為低電平，繼電器K2線圈通電，K2-2常開觸頭閉合，發(fā)光二極管VD2通，發(fā)紅光，以示警告，同時常閉觸點(diǎn)K2-1斷開，無法起動發(fā)動機(jī)。

若司機(jī)拔出氣敏器件，繼電器K1線圈失電，其常開觸電K1-1斷開，仍然無法起動發(fā)動機(jī)。常閉觸電K1-2的作用是長期加熱氣敏器件，保證此控制器處于準(zhǔn)備工作的狀態(tài)。24家用有毒氣體探測報警器

一氧化碳、液化氣、甲烷、丙烷都是有毒可燃?xì)怏w，當(dāng)空氣中達(dá)到一定濃度時，將危及人的健康與安全。本電路線路簡單，但具有很高的靈敏度，對探測上述有毒氣體是行之有效的。圖有毒氣體探測報警電路25當(dāng)空氣中有毒氣體濃度下降至使A、K兩點(diǎn)間恢復(fù)高阻時，K點(diǎn)電位低于1.4V，U850截止，報警解除。上圖所示電路為探測報警電路。用QM--N10氣敏傳感器作為探測頭，它是一種新型的低功耗、高靈敏度的氣敏元件。和其他氣敏傳感器一樣，QM--N10也有一個加熱絲和一對探測電極，它是用半導(dǎo)體N型材料制成的。當(dāng)空氣不含有毒氣體時，A、K兩點(diǎn)間的電阻很大，流過RP的電流很小，K點(diǎn)為低電位，達(dá)林頓管U850不導(dǎo)通；當(dāng)空氣中含有還原性氣體時(如上述有毒氣體)，A、K兩點(diǎn)間的電阻迅速下降，通過RP的電流增大，K點(diǎn)電位升高，向C2充電直至達(dá)到U850導(dǎo)通電位(約1.4V)時，U850導(dǎo)通，驅(qū)動發(fā)聲集成片KD9561發(fā)聲。26二、濕敏傳感器絕對濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大氣中所含水汽的質(zhì)量(克數(shù))。

相對濕度：是大氣中實(shí)有水汽壓與當(dāng)時溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。當(dāng)相對濕度達(dá)100%時，稱飽和狀態(tài)。1、濕度的相關(guān)概念27陶瓷濕敏傳感器金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷為多孔結(jié)構(gòu)材料，吸附水蒸氣能力強(qiáng)且靈敏度高；物理化學(xué)性能穩(wěn)定；響應(yīng)速度快；可加熱清洗，有利于在惡劣環(huán)境下工作；工作范圍寬且兼有熱敏和氣敏特性，可制成多功能敏感元件；生產(chǎn)工藝簡單，成本低，是制作濕度傳感器的理想材料。主要缺點(diǎn)是：材料固有電阻大，高溫性能不夠穩(wěn)定，難以集成化等。一般金屬半導(dǎo)體氧化物陶瓷，如MgCr2O4-TiO2等，具有感濕負(fù)特性，濕度增大，電阻減小。過渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷，如Fe3O4等，具有感濕正特性。

28幾種濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)及特性圖

MgCr2O4-TiO2濕敏傳感器結(jié)構(gòu)1—康塔爾加熱絲2—底座3—杜美絲引線4—引線環(huán)電極5—濕敏陶瓷6—RuO2電極用P型半導(dǎo)體MgCr２O4及N型半導(dǎo)體TiO２粉粒為原料,配比混合，燒結(jié)成復(fù)合型半導(dǎo)體陶瓷。當(dāng)水分子吸附在表面時，其表面電阻明顯下降。29在片狀多孔陶瓷的兩表面燒結(jié)多孔金屬電極模，焊接鉑銠引線，封裝于帶篩網(wǎng)孔的方形塑料外殼內(nèi)。這種傳感器不須用加熱器，只需0.5mW的微小功率即可使用。已廣泛應(yīng)用于輕紡、食品加工、倉庫管理、環(huán)境保護(hù)、家用電器等許多領(lǐng)域。圖

ZnO-ZnCr2O4陶瓷濕度傳感器結(jié)構(gòu)1為網(wǎng)眼過濾器，2為塑料外殼，3為陶瓷元件，4為多孔電極，5為元件支架，6為電極引線，7為玻璃固定部分，8為密封，9為樹脂密封，10為端子。30MgCr2O4－TiO2系陶瓷濕度傳感器主要特性與性能（1）電阻一濕度特性

MgCr2O4－TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻一濕度特性，隨著相對濕度的增加，電阻值急驟下降，基本按指數(shù)規(guī)律下降。在單對數(shù)的坐標(biāo)中，電阻—濕度特性近似呈線性關(guān)系。當(dāng)相對濕度由0變?yōu)?00％RH時，阻值從107Ω下降到104Ω，即變化了三個數(shù)量級。20406080100103104105106107108相對濕度/%RHR/Ω31

（2）電阻—溫度特性是在不同的溫度環(huán)境下，測量陶瓷濕度傳感器的電阻—濕度特性。從圖可見，從20℃到80℃各條曲線的變化規(guī)律基本一致，具有負(fù)溫度系數(shù)，其感濕負(fù)溫度系數(shù)為–0.38％RH／℃。如果要求精確的濕度測量，需要對濕度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

20406080100103104105106107108相對濕度/%RH20℃40℃60℃80℃R/ΩMgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的電阻—溫度特性32MgCr2O4-TiO2系濕度傳感器的時間響應(yīng)特性20406080100010203094%RH50%RH1%RH50%RH

t/s%RH

（3）響應(yīng)時間

響應(yīng)時間特性如圖。根據(jù)響應(yīng)時間的規(guī)定，從圖中可知，響應(yīng)時間小于10s。33制成的MgCr2O4-TiO2系陶瓷類濕度傳感器，需要實(shí)驗(yàn)：高溫負(fù)荷實(shí)驗(yàn)(大氣中，溫度150℃，交流電壓5V，時間104h)；高溫高濕負(fù)荷試驗(yàn)(濕度大于95％RH，溫度60℃，交流電壓5V，時間104h)；常溫常濕試驗(yàn)[濕度(10～90)％RH，溫度(–10℃～＋40℃)]；油氣循環(huán)試驗(yàn)(油蒸氣?加熱清洗循環(huán)25萬次，交流電壓5V)。經(jīng)過以上各種試驗(yàn)，大多數(shù)陶瓷濕度傳感器仍能可靠地工作，說明穩(wěn)定性比較好。

（4）穩(wěn)定性34色敏傳感器

半導(dǎo)體色敏傳感器的基本原理

半導(dǎo)體色敏傳感器相當(dāng)于兩只結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，故又稱光電雙結(jié)二極管，其結(jié)構(gòu)原理及等效電路如下圖所示。為了說明色敏傳感器的工作原理，有必要了解光電二極管的工作機(jī)理。35圖半導(dǎo)體色敏傳感器結(jié)構(gòu)和等效電路圖36

1.光電二極管的工作原理對于用半導(dǎo)體硅制造的光電二極管，在受光照射時，若入射光子的能量hυ大于硅的禁帶寬度Eg，則光子就激發(fā)價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生一對電子-空穴。這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子-空穴統(tǒng)稱為光生載流子。光電二極管的基本部分是一個ＰＮ結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子只要能擴(kuò)散到勢壘區(qū)的邊界，其中少數(shù)載流子（專指P區(qū)中的電子和N區(qū)的空穴）就受勢壘區(qū)強(qiáng)電場的吸引而被拉向?qū)γ鎱^(qū)域，這部分少數(shù)載流子對電流作出貢獻(xiàn)。多數(shù)載流子（P區(qū)中的空穴或N區(qū)中的電子）則受勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘區(qū)的邊緣。在勢壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴，則分別被電場掃向N區(qū)和P區(qū)，它們對電流也有貢獻(xiàn)。37用能帶圖來表示上述過程，如下圖（a）所示。圖中Ec表示導(dǎo)帶底能量；Ev表示價帶頂能量?！??！北硎編д姾傻目昭ǎ弧啊ぁ北硎倦娮?。IL表示光電流，它由勢壘區(qū)兩邊能運(yùn)動到勢壘邊緣的少數(shù)載流子和勢壘區(qū)中產(chǎn)生的電子-空穴對構(gòu)成，其方向是由N區(qū)流向P區(qū)，即與無光照射PN結(jié)的反向飽和電流方向相同。

38圖

光照下的PN結(jié)（a）光生電子和空穴的運(yùn)動，光電流產(chǎn)生；（b）外電路開路，光生電壓出現(xiàn)

39

當(dāng)PN結(jié)外電路短路時，這個光電流將全部流過短接回路，即從P區(qū)和勢壘區(qū)流入N區(qū)的光生電子將通過外短接回路全部流到P區(qū)電極處，與P區(qū)流出的光生空穴復(fù)合。因此，短接時外回路中的電流是IL，其方向由P端經(jīng)外接回路流向N端。這時，PN結(jié)中的載流子濃度保持平衡值，勢壘高度（圖（a））中的q(UD-U)亦無變化。40當(dāng)PN結(jié)開路或接有負(fù)載時，勢壘區(qū)電場收集的光生載流子便要在勢壘區(qū)兩邊積累，從而使P區(qū)電位升高，N區(qū)電位降低，造成一個光生電動勢，如上圖（b）所示。該電動勢使原PN結(jié)的勢壘高度下降為q(UD-U)。其中U即光生電動勢，它相當(dāng)于在PN結(jié)上加了正向偏壓。只不過這是由光照形成，而不是電源饋送的，這稱為光生電壓，這種現(xiàn)象就是光生伏特效應(yīng)。41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。硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長變化的曲線如下圖所示。由圖可見，在紅外部分吸收系數(shù)小，紫外部分吸收系數(shù)大。這就表明，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。

42圖

吸收系數(shù)隨波長的變化43圖

量子效率隨波長的變化44

對于光電器件而言，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。其物理意義是指單位時間內(nèi)每入射一個光子所引起的流動電子數(shù)。根據(jù)理論計(jì)算可以得到，P區(qū)在不同結(jié)深時量子效率隨波長變化的曲線如上圖所示。圖中xj即表示結(jié)深。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，半導(dǎo)體色敏器件正是利用了這一特性。45

2.半導(dǎo)體色敏傳感器工作原理在半導(dǎo)體色敏傳感器結(jié)構(gòu)和等效電路圖中所表示的P＋-N-P不是晶體管，而是結(jié)深不同的兩個PN結(jié)二極管，淺結(jié)的二極管是P＋N結(jié)；深結(jié)的二極管是PN結(jié)。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)中都有光子吸收，但效果不同。如上所述，紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離已基本吸收完畢。在此，淺結(jié)的即是光電二極管對紫外光的靈敏度高，而紅外部分吸收系數(shù)較小，這類波長的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收。因此，深結(jié)的那只光電二極管對紅