傳感器及其應(yīng)用（第三版）半導(dǎo)體傳感器

半導(dǎo)體傳感器8.1半導(dǎo)體溫度傳感器8.2半導(dǎo)體濕度傳感器8.3半導(dǎo)體氣體傳感器8.4半導(dǎo)體磁敏傳感器8.5半導(dǎo)體射線傳感器

8.1半導(dǎo)體溫度傳感器

8.1.1接觸型半導(dǎo)體傳感器

1.半導(dǎo)體熱敏電阻

1)半導(dǎo)體熱敏電阻的主要參數(shù)及其特性

熱敏電阻是一種對(duì)熱敏感的電阻元件，一般用半導(dǎo)體材料做成，屬體型元件。它的主要特點(diǎn)如下：

(1)靈敏度高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測(cè)出10－6℃溫度變化。

(2)小型，元件尺寸可做到直徑為0.2mm，能夠測(cè)出一般溫度計(jì)無(wú)法測(cè)量的空隙、腔體、內(nèi)孔、生物體血管等處的溫度。

(3)使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ之間任意選擇。

半導(dǎo)體熱敏電阻的工作原理一般用量子躍遷觀點(diǎn)進(jìn)行分析。由于熱運(yùn)動(dòng)(譬如溫度升高)，越來(lái)越多載流子克服禁帶寬度(或電離能)引起導(dǎo)電，這種熱躍遷使半導(dǎo)體載流子濃度和遷移率發(fā)生變化，根據(jù)電阻率公式可知元件電阻值發(fā)生變化。

熱敏電阻的主要參數(shù)有：

①標(biāo)稱(chēng)阻值RH

在環(huán)境溫度為(25±0.2)℃時(shí)測(cè)得的阻值，也稱(chēng)冷電阻，單位為Ω。

②電阻溫度系數(shù)αt

熱敏電阻的溫度每變化1℃時(shí)，阻值的相對(duì)變化率，單位為%/℃。如不作特別說(shuō)明，是指20℃時(shí)的溫度系數(shù)。

式中，R為溫度為T(mén)(K)時(shí)的阻值。

③時(shí)間常數(shù)τ

它是指熱敏電阻從溫度為T(mén)0的介質(zhì)中突然移入溫度為T(mén)的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度升高ΔT=0.63(T－T0)所需的時(shí)間，單位為s。它表征熱敏電阻加熱或冷卻的速度。(8.1)

④散熱系數(shù)H

它是指熱敏電阻自身發(fā)熱使其溫度比環(huán)境溫度高出1℃所需的功率，單位為W/℃或mW/℃。它取決于熱敏電阻的形狀、封裝形式以及周?chē)橘|(zhì)的種類(lèi)。

⑤最高工作溫度Tm

它是指熱敏電阻長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的最高溫度，在該溫度下，熱敏電阻性能參數(shù)的變化應(yīng)符合技術(shù)條件的規(guī)定。

熱敏電阻主要有三種類(lèi)型，即正溫度系數(shù)型(PositiveTemperatureCoefficient)(簡(jiǎn)稱(chēng)PTC型)、負(fù)溫度系數(shù)型(Negati-veTemperatureCoefficient)(簡(jiǎn)稱(chēng)NTC型)和臨界溫度系數(shù)型(CriticalTemperatureResistor)(簡(jiǎn)稱(chēng)CTR型)。它們的電阻特性如圖8.1所示。圖8.1半導(dǎo)體熱敏電阻的溫度特性正溫度系數(shù)(PTC)型熱敏電阻是由在BaTiO3和SrTiO3為主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3構(gòu)成的燒結(jié)體。其特性曲線是隨溫度升高而阻值增大，其色標(biāo)標(biāo)記為紅色。開(kāi)關(guān)型正溫度系數(shù)熱敏電阻在居里點(diǎn)附近阻值發(fā)生突變，有斜率最大的區(qū)段，通過(guò)成分配比和添加劑的改變，可使其斜率最大的區(qū)段處在不同的溫度范圍里，例如加入適量鉛其居里溫度升高；若將鉛換成鍶，其居里溫度下降。

如果用V、Ge、W、P等的氧化物在弱還原氣氛中形成半玻璃狀燒結(jié)體，還可以制成臨界型(CTR)熱敏電阻，它是負(fù)溫度系數(shù)型，但在某個(gè)溫度范圍里阻值急劇下降，曲線斜率在此區(qū)段特別陡峭，靈敏度極高，其色標(biāo)標(biāo)記為白色。此特性可用于自動(dòng)控溫和報(bào)警電路中。負(fù)溫度系數(shù)(NTC)型半導(dǎo)體熱敏電阻研究最早，生產(chǎn)最成熟，是應(yīng)用最廣泛的熱敏電阻之一，通常是一種氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，特別適合于－100℃～300℃之間的溫度測(cè)量，其色標(biāo)標(biāo)記為綠色。其阻值與溫度的關(guān)系為

式中，R為溫度T時(shí)的阻值，單位為Ω；T為溫度，單位是K；A，B為取決于材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的常數(shù)，其中A的量綱為Ω，B的量綱為K。(8.2)由上面的關(guān)系式不難得到下式

式中，R為任意溫度T時(shí)熱敏電阻的阻值，T為任意溫度［K］，R0為標(biāo)準(zhǔn)溫度T0［K］時(shí)的阻值，B稱(chēng)為負(fù)溫度材料系數(shù)也稱(chēng)為B常數(shù)。

式(8.3)是經(jīng)驗(yàn)公式，實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)論是用氧化物還是用單晶做成的熱敏電阻，在不太寬的溫度范圍內(nèi)(小于400℃)都能用上式描述。(8.3)這里應(yīng)該指出，B常數(shù)不是固定值，是溫度T的函數(shù)，即B=f(T)，不同廠家生產(chǎn)的熱敏電阻B值都不一樣，從公式(8.3)可求出B常數(shù)

如果被測(cè)溫度比較低，而且不需要很高的精度時(shí)，一般把B看成一個(gè)常數(shù)，求出溫度或熱敏電阻的阻值。這時(shí)計(jì)算溫度的公式為(8.4)(8.5)根據(jù)式(8.2)，我們可以求出熱敏電阻的溫度系數(shù)為

圖8.2表示熱敏電阻B常數(shù)的溫度特性。

熱敏電阻的溫度系數(shù)隨溫度減小而增大，所以低溫時(shí)熱敏電阻溫度系數(shù)大，所以靈敏度高，故熱敏電阻常用于低溫－100℃～300℃測(cè)量。

在穩(wěn)態(tài)情況下，熱敏電阻上的電壓和通過(guò)的電流之間的關(guān)系，稱(chēng)為伏安特性。熱敏電阻的典型伏安特性如圖8.3所示。(8.6)圖8.2

B常數(shù)的溫度特性圖8.3熱敏電阻的伏安特性流過(guò)熱敏電阻的電流與時(shí)間的關(guān)系，稱(chēng)為安時(shí)特性，如圖8.4所示。它表示熱敏電阻在不同電壓下，電流達(dá)到穩(wěn)定最大值所需要的時(shí)間。對(duì)于一般結(jié)構(gòu)的熱敏電阻，其值均在

0.5～1s之間。圖8.4熱敏電阻的安時(shí)特性

2)熱敏電阻溫度傳感器

(1)熱敏電阻測(cè)溫的基本電路。

為了取得熱敏電阻的阻值和溫度成比例的電信號(hào)，需要考慮它的直線性和自身加熱問(wèn)題。圖8.5表示熱敏電阻的基本聯(lián)接電路。對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC型)當(dāng)溫度上

升時(shí)，熱敏電阻的阻值變小，輸出電壓Uout上升。在0～100℃溫度范圍內(nèi)有如下關(guān)系：(8.7)圖8.5熱敏電阻的基本聯(lián)接法從式(8.3)可知，溫度和熱敏電阻的阻值之間有非線性特性。為了改善它的直線性，適當(dāng)調(diào)整Rs值，使得特性曲線通過(guò)0℃、50℃、100℃三個(gè)溫度點(diǎn)。從Uout(50)×2=Uout(0)+Uout(100)的關(guān)系，利用各點(diǎn)熱敏電阻的阻值可求出Rs值，

如果熱敏電阻的三個(gè)溫度點(diǎn)的阻值各為

RTh0=30.0kΩ；RTh50=4.356kΩ；RTh100=1.017kΩ代入公式(8.8)后得到Rs=3.322kΩ。

圖8.6為圖8.5所示電路的溫度和輸出功率特性。其中特性百分比表示不同溫度下，電源輸出功率與100℃時(shí)輸出功率的百分比。(8.8)圖8.6溫度和輸出功率特性另外，考慮到自身加熱問(wèn)題，由于加在熱敏電阻上的電功率和阻值變化的關(guān)系為

對(duì)式(8.9)進(jìn)行微分，根據(jù)極大值條件可求出如圖8.7所示的溫度和自身加熱電功率關(guān)系。也就是當(dāng)RTh=Rs時(shí)，輸出的電功率最大。為此，根據(jù)測(cè)量所要求的精度，決定自身加熱量之后，從P的公式?jīng)Q定橋式電路電壓。如果P=0.15mW，則U≈1.4V。(8.9)圖8.7溫度與自身加熱電功率的特性由于熱敏電阻的阻值與溫度之間成非線性關(guān)系，所以溫度精確測(cè)量時(shí)，設(shè)計(jì)靈敏度高且有非線性校正的測(cè)量電路顯得十分重要。

通過(guò)熱敏電阻把溫度的變化轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)的方法，其原理如圖8.8所示，其中，RT為熱敏電阻，整個(gè)傳感器線路用運(yùn)算放大器接成多諧振蕩回路，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，得到熱敏電阻的阻值與振蕩器振蕩頻率的關(guān)系曲線(也可看成溫度與振蕩器振蕩頻率的關(guān)系曲線)，我們希望溫度與頻率的特性曲線是線性的，因此，在電路中必須合理地確定R1、R2和C1的值。圖8.8振蕩回路設(shè)R0為RT與R1串聯(lián)后與R2并聯(lián)的值，即

可以證明振蕩頻率

設(shè)

則

如在溫度為T(mén)1、T2、T3時(shí)與熱敏電阻RT-T曲線在被測(cè)溫度內(nèi)有三點(diǎn)相交，如圖8.9中的A、B、C三點(diǎn)，根據(jù)式(8.10)，在三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)上滿(mǎn)足方程：(8.10)(8.11)圖8.9校準(zhǔn)曲線若T2恰好是測(cè)溫范圍中點(diǎn)，而R1、R2的選擇又使得

f3－f2=f2－f1

解方程組(8.11)可求出滿(mǎn)足上述條件的電路參數(shù)(8.12)(8.13)(8.14)

(2)利用兩個(gè)熱敏電阻，求出其溫度差的電路。

測(cè)量溫度差的電路是充分利用熱敏電阻高靈敏度的一個(gè)例子。在溫度測(cè)量中，測(cè)量溫度的絕對(duì)值一般能測(cè)量到0.1℃左右的精度，要測(cè)到0.01℃的高精度是很困難的。但是,如果在具有兩個(gè)熱敏電阻的橋式電路中，在同一溫度下，調(diào)整電橋平衡，當(dāng)兩個(gè)熱敏電阻所處環(huán)境溫度不同，測(cè)量溫度差時(shí)，精度可以大大提高。

圖8.10示出這種求溫度差的電路圖。圖(a)電路的測(cè)溫范圍較小，而且兩個(gè)熱敏電阻的B常數(shù)應(yīng)該一致，但靈敏度高;圖(b)電路的測(cè)溫范圍較大，而且對(duì)B常數(shù)一致性的要求也不

嚴(yán)格，因?yàn)樗鼈兛梢杂肦s來(lái)適當(dāng)調(diào)整。圖8.10求溫度差的橋式電路

2.PN結(jié)型熱敏器件

1)晶體二極管PN結(jié)熱敏器件

根據(jù)半導(dǎo)體器件原理，流經(jīng)晶體二極管PN結(jié)的正向電流ID與PN結(jié)上的正向壓降UD有如下關(guān)系

式中，q為電子電荷量，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，Is為反向飽和電流。它可寫(xiě)為(8.15)(8.16)式中，qUg0為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度；B和η為兩個(gè)常數(shù)，其數(shù)值與器件的結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)。將式(8.15)取對(duì)數(shù)并考慮到式(8.16)，得

對(duì)上式兩邊取導(dǎo)數(shù)，得到PN結(jié)正向壓降對(duì)溫度的變化率為

從以上二式得到溫度靈敏度為(8.17)式中，k=8.63×10－5eV/K，對(duì)硅半導(dǎo)體材料Ug0=1.172V，如設(shè)UD=0.65V，T=300K和η=3.5，則得

在此條件下，溫度每升高1℃，PN結(jié)正向電壓下降2mV。應(yīng)用晶體管的這一特性就可測(cè)溫。低溫可測(cè)至接近絕對(duì)零度。

硅二極管正向電壓的溫度特性如圖8.11所示。顯而易見(jiàn)，在40K～300K之間有良好的線性。當(dāng)正向電流一定時(shí)，二極管的種類(lèi)不同，其溫度特性也不同，正向電流變化時(shí)，溫度特性也隨之變化。二極管測(cè)溫電路如圖8.12所示。圖8.11硅二極管正向電壓的溫度特性圖8.12二極管測(cè)溫電路

2)晶體三極管溫度傳感器

根據(jù)晶體管原理，處于正向工作狀態(tài)的晶體三極管，其發(fā)射極電流和發(fā)射結(jié)電壓能很好地符合下面關(guān)系

式中，IE為發(fā)射極電流，UBE為發(fā)射結(jié)壓降，Ise為發(fā)射結(jié)的反向飽和電流。

因?yàn)樵谑覝貢r(shí)，kT/q=36mV左右，因此，在一般發(fā)射結(jié)正向偏置的條件下，都能滿(mǎn)足UBE

kT/q的條件，這時(shí)上式可以近似為(8.18)對(duì)上式取對(duì)數(shù)，得

令 ，則

UBE=aT(8.20)

由上式可知，溫度T與發(fā)射結(jié)壓降UBE有對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們可根據(jù)這一關(guān)系通過(guò)測(cè)量UBE來(lái)測(cè)量溫度T值，且在溫度不太高的情況下，兩者近似成線性關(guān)系，其靈敏度為(8.19)圖8.13為硅半導(dǎo)體晶體管的基極—發(fā)射極間電壓UBE和集電極電流IC關(guān)系的溫度特性。從圖中可看出UBE具有大約－2.3mV/℃的溫度系數(shù)。利用這種現(xiàn)象可以制成高精度、超小型的溫度傳感器。測(cè)溫范圍在－50℃～200℃左右。

圖8.14為晶體管溫度傳感器用作電子體溫計(jì)的原理圖及其輸出特性。在0℃～50℃的范圍內(nèi)，輸出電壓變化為0～－1V，測(cè)溫精度不低于0.05℃。圖8.13

UBE與IC的溫度特性圖8.14晶體管體溫計(jì)原理圖及測(cè)溫輸出特性

3)可控硅熱敏開(kāi)關(guān)

結(jié)型熱敏器件另一種類(lèi)型是利用可控硅元件的熱開(kāi)關(guān)特性制成的可控硅熱敏開(kāi)關(guān)，是一種無(wú)觸點(diǎn)熱開(kāi)關(guān)元件。當(dāng)元件處于關(guān)態(tài)時(shí)，流過(guò)陽(yáng)極與陰極之間的電流ID為

式中，IG為流過(guò)陽(yáng)極與柵極電阻的旁路選通電流；a1為空穴電流增長(zhǎng)率，a2為電子電流增長(zhǎng)率，IC0為集電極截止電流。

當(dāng)截止電壓一定時(shí)，隨溫度的上升，熱激電子空穴對(duì)成指數(shù)增加，使IC0增大，a1和a2也增大。當(dāng)溫度達(dá)到一定值，使a1+a2=1時(shí)，元件即由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)。圖8.15為可控硅熱敏開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)電壓與開(kāi)關(guān)溫度之間的關(guān)系特性。圖8.15可控硅熱敏開(kāi)關(guān)元件的溫度特性

圖8.16為可控硅熱敏開(kāi)關(guān)元件(T·Thy)用于控溫的原理圖。在設(shè)定溫度下處于關(guān)閉狀態(tài)，設(shè)定溫度由VR調(diào)整。由于RC電路的相移作用，流經(jīng)C1、R1、R2的電流相位較電源電壓超前，故可控硅管(SCR)V從電源的零相位開(kāi)始導(dǎo)通，并向負(fù)載提供半波電功率。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，可控硅熱敏開(kāi)關(guān)(T·Thy)導(dǎo)通致使可控硅管(SCR)V截止，從而達(dá)到控溫作用。圖8.16可控硅熱敏開(kāi)關(guān)元件用于控溫的原理圖圖8.17為全波式溫度控制電路，不僅在交流電的正半周使可控硅處于開(kāi)態(tài)，而且在負(fù)半周也使可控硅處于開(kāi)態(tài)。當(dāng)被檢測(cè)部位溫度比T·Thy開(kāi)關(guān)設(shè)定溫度TSW(由電阻RGA來(lái)設(shè)定)低時(shí)，由于觸發(fā)電路SCR1在電源電壓為0V時(shí)被觸發(fā)，使三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)器件BCR處于開(kāi)態(tài)，另外，當(dāng)SCR1處于開(kāi)態(tài)時(shí)，由于C4充電像圖中所示，電流電壓由正向負(fù)反轉(zhuǎn)的一瞬間C4的充電電荷通過(guò)SCR2而放電，使BCR仍處于開(kāi)態(tài)。這樣即使當(dāng)溫度比TSW低時(shí)，BCR也能被觸發(fā)而向負(fù)載提供電流。當(dāng)被檢測(cè)部位溫度升高到比TSW高時(shí)，T·Thy處于開(kāi)態(tài)，而SCR1則變成關(guān)態(tài)。C4不再充電，雖然在負(fù)半周期中SCR2的控制極上有附加信號(hào)也不能觸發(fā)BCR。這樣,不論正負(fù)半周期，BCR始終處于關(guān)態(tài)而不向負(fù)載供給電力。重復(fù)上述的過(guò)程可達(dá)到保持一定溫度的目的。圖8.17全波式溫控電路目前已商品化的元件特性為：工作電壓50V，導(dǎo)通平均電流100mA，接通溫度有低溫－30℃～30℃、室溫10℃～70℃、高溫70℃～120℃三種規(guī)格，時(shí)間常數(shù)為20s。表

8.1列出了可控硅熱敏開(kāi)關(guān)的應(yīng)用范圍。表8.1可控硅熱敏開(kāi)關(guān)的應(yīng)用范圍

3.集成(IC)溫度傳感器

集成電路(IC)溫度傳感器是近期開(kāi)發(fā)的，把溫度傳感器與后續(xù)的放大器等用集成化技術(shù)制作在同一基片上而成的，集傳感與放大為一體的功能器件。這種傳感器，輸出特性的

線性關(guān)系好，測(cè)量精度也比較高，使用起來(lái)方便，越來(lái)越受到人們的重視。它的缺點(diǎn)是靈敏度較低。

IC傳感器的基本特性如下：

(1)可測(cè)得線性輸出電流(1μA/℃)。

(2)檢測(cè)溫度范圍廣－55℃～150℃。

(3)測(cè)量精度為±1℃。

(4)無(wú)調(diào)整時(shí)也可使用。

(5)直線性很好，滿(mǎn)量程非線性偏離：±0.5℃。

(6)使用電源范圍廣(+4～+30V)。

IC溫度傳感器的設(shè)計(jì)原理是，對(duì)于集電極電流比一定的兩個(gè)晶體管，其UBE之差ΔUBE與溫度有關(guān)。

由式(8.19)知，發(fā)射結(jié)壓降與發(fā)射極電流IE及反向飽和電流Ise有關(guān)，兩個(gè)晶體管的發(fā)射結(jié)正向壓降分別為

則兩個(gè)晶體管發(fā)射結(jié)壓降差(8.21)式(8.21)表明ΔUBE與絕對(duì)溫度T成正比。選擇特性相同的兩個(gè)晶體管，則Ise1=Ise2，兩個(gè)晶體管的電流放大系數(shù)也應(yīng)相同，當(dāng)兩個(gè)晶體管的集電極電流分別為IC1、IC2時(shí)，

ΔUBE經(jīng)后級(jí)放大器放大后，可使傳感器的輸出隨溫度產(chǎn)生10mV/℃的變化量。

IC溫度傳感器按輸出方式可分為電壓輸出型和電流輸出型。圖8.18為電壓輸出型IC溫度傳感器原理圖。圖中V1、V2為集電極電流分別為I1、I2的兩個(gè)性能相同的晶體管。圖8.19為放大器的原理框圖。(8.22)圖8.18電壓輸出型IC溫度傳感器原理圖圖8.19電壓輸出型IC溫度傳感器放大器的原理框圖電流輸出型IC溫度傳感器原理圖如圖8.20所示。從圖中不難看出：

UBE1=UBE2；IC3=IC4

IC設(shè)計(jì)時(shí)，取V3發(fā)射極面積為V4發(fā)射極面積的8倍，于是根據(jù)式(8.22)得電阻R上的電壓輸出為

圖中集電極電流由UT/R決定，電路中流過(guò)的電流為流過(guò)R的電流的2倍。取R=358Ω，則可獲得靈敏度為1μA/K的溫度傳感器。圖8.20電流輸出型IC溫度傳感器原理圖

IC溫度傳感器的一大特點(diǎn)是應(yīng)用起來(lái)很方便。圖8.21表示最簡(jiǎn)單的絕對(duì)溫度計(jì)(開(kāi)耳芬溫度計(jì))。如果把它的刻度換算成攝氏、華氏溫度刻度時(shí)就可以做成各種溫度計(jì)了。圖8.22表示用串聯(lián)電路時(shí)測(cè)量低溫度的電路圖。圖8.23表示用并聯(lián)電路時(shí)測(cè)量平均溫度值的電路圖。圖8.21開(kāi)耳芬溫度計(jì)圖8.22低溫測(cè)量溫度計(jì)圖8.23測(cè)量平均溫度的電路圖

4.半導(dǎo)體光纖溫度傳感器

光纖的特征是對(duì)電、磁及其他輻射的抗干擾性好，而且細(xì)、輕、能量損失少。因此，利用光纖做的傳感器，在惡劣的環(huán)境下也能正常工作。

圖8.24表示各種半導(dǎo)體禁帶寬度的溫度特性，從圖中可看出，半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg隨溫度T增加近似線性地減小。因此，半導(dǎo)體吸收邊波長(zhǎng)λg(λg=ch/Eg，式中，c為光速，h為普朗克常數(shù))隨溫度增加而向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向位移，如圖8.25所示。利用半導(dǎo)體材料的光吸收與溫度的關(guān)系，可以構(gòu)成透射式光纖溫度傳感器。圖8.24各種半導(dǎo)體禁帶寬度的溫度特性圖8.25半導(dǎo)體材料的吸收特性圖8.26(a)為測(cè)量原理圖。在輸入光纖和輸出光纖之間夾一片厚度約零點(diǎn)幾毫米的半導(dǎo)體材料，并用不銹鋼管加以固定，如圖8.26(b)所示。圖8.26半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器的測(cè)溫原理圖為了進(jìn)一步提高傳感器的穩(wěn)定性及抗干擾能力，并提高測(cè)量精度，可采用以下兩種方法。

1)雙光纖參考基準(zhǔn)通道法

其結(jié)構(gòu)框圖如圖8.27所示。光源采用GaAlAs-LED，半導(dǎo)體吸收材料CdTe或GaAs作為測(cè)量元件。探測(cè)器選用Si-PIN發(fā)光二極管。從圖中可看出，此方案與前一方案的區(qū)別在于增加了一條參考光纖及相應(yīng)的探測(cè)器。由于采用了參考光纖和除法器，消除了干擾，提高了測(cè)量精度。這種溫度計(jì)測(cè)溫范圍為－40℃～120℃，精度為±1℃。圖8.27雙光纖參考基準(zhǔn)通道法原理框圖

2)雙光源參考基準(zhǔn)通道法

圖8.28為測(cè)溫示意圖。發(fā)光二極管LED(AlGaAs，λ1=0.88μm；InGaAsP，λ2=1.27μm)交替地發(fā)出光脈沖，經(jīng)耦合器送入光纖探頭，每個(gè)光脈沖的寬度為10ms。半導(dǎo)體GdTe(或GaAs)對(duì)一只LED發(fā)射波長(zhǎng)為λ1的光的吸收與溫度有關(guān)，而對(duì)另一只LED發(fā)出的波長(zhǎng)為λ2的光幾乎不吸收，這樣可以作為參考光，經(jīng)Ge-APD光電探測(cè)器送入采樣保持電路，得到正比于脈沖幅值的直流信號(hào)，最后采用除法器獲得溫度信號(hào)。該溫度計(jì)測(cè)溫范圍為－10℃～300℃，精度為±1℃。圖8.28雙光源參考基準(zhǔn)通道法原理框圖8.1.2非接觸型半導(dǎo)體溫度傳感器

溫度為T(mén)的物體對(duì)外輻射的能量E與波長(zhǎng)λ的關(guān)系，可用普朗克定律描述，即

式中，εT為物體在溫度T之下的發(fā)射率(也稱(chēng)為“黑度系數(shù)”,當(dāng)εT=1時(shí)物體為絕對(duì)黑體)；C1

為第一輻射常數(shù)(第一普朗克常數(shù))，C1=3.7418×10－16W·m2；C2為第二輻射常數(shù)(第二普朗克常數(shù))，C2=1.4388×10－2m·K。

根據(jù)斯特藩-玻耳茲曼定律，將上式在波長(zhǎng)自0到無(wú)窮大進(jìn)行積分，當(dāng)εT=1時(shí)可得物體的輻射能(8.23)

此處，σb是黑體的斯特藩-玻耳茲曼常數(shù)，σb=5.7×10－8W·m－2·K－4；Tb是黑體的溫度。

一般物體都不是“黑體”，其發(fā)射率εT不可能等于1，而且普通物體的發(fā)射率不僅和溫度有關(guān)且和波長(zhǎng)有關(guān)，即εT=εT(λ·T)，其值很難求得。雖然如此，輻射測(cè)溫方法可避免與高溫被測(cè)體接觸，測(cè)溫不破壞溫度場(chǎng)，測(cè)溫范圍寬，精度高，反應(yīng)速度快，即可測(cè)近距離小目標(biāo)的溫度，又可測(cè)遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。輻射能與溫度的關(guān)系通常用實(shí)驗(yàn)確定。(8.24)黑體的輻射規(guī)律之中，還有維恩位移定律，即輻射能量的最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λm隨溫度的升高向短波方向移動(dòng)，用公式表達(dá)為

利用以上各項(xiàng)特性構(gòu)成的傳感器，必須由透鏡或反射鏡將物體的輻射能會(huì)聚起來(lái)，再由熱敏元件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常用的熱敏元件有熱電堆、熱敏或光敏電阻、光電池或熱釋電元件。(8.25)透鏡對(duì)輻射光譜有一定的選擇性，例如光學(xué)玻璃只能透過(guò)0.3～2.7μm的波長(zhǎng)，石英玻璃只能透過(guò)0.3～4.5μm的

波長(zhǎng)。熱敏元件，尤其是光敏元件也對(duì)光譜有選擇性。這樣就使得接收到的能量不可能是物體的全部輻射能，而只是部分輻射能。真正的全輻射溫度傳感器是不存在的。

圖8.29為熱輻射溫度計(jì)的原理框圖。由光學(xué)系統(tǒng)接收來(lái)的被測(cè)物體的輻射能，經(jīng)光調(diào)制盤(pán)進(jìn)行調(diào)制后進(jìn)入傳感器，然后經(jīng)同步整流取出信號(hào)，再經(jīng)放大后輸出。為了能夠正確測(cè)量，還應(yīng)對(duì)被測(cè)對(duì)象的發(fā)射率進(jìn)行修正。

用熱輻射傳感器制成的溫度計(jì)測(cè)溫范圍為(－50～+3500)℃，測(cè)量靈敏度為(0.01～1)K，精度為±(0.5～2)%。圖8.29熱輻射溫度計(jì)的原理框圖紅外熱輻射傳感器，從原理上又可分為熱電型和光量子型。熱電型是指由于輻射熱引起元件溫度的微小變化，導(dǎo)致電阻一類(lèi)的物理量的變化，而達(dá)到測(cè)溫的目的。這類(lèi)傳感器一般與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。光量子型是利用光電效應(yīng)制成的，因而與波長(zhǎng)有關(guān)。

熱電型紅外傳感器的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，可直接在室溫下使用，光譜特性平坦，靈敏度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢，靈敏度低。常用的此類(lèi)傳感器有熱電堆、熱釋電元件等。熱釋電元件和壓電陶瓷一樣，都是鐵電體，如鈮酸鍶鋇、鈦酸鉛、鈮酸鉭等，除具有壓電效應(yīng)外，在輻射能量照射下也會(huì)放射出電荷。經(jīng)高輸入阻抗的放大電路放大之后，可得到足夠大的電信號(hào)。但是在連續(xù)不斷的照射下，它并不能產(chǎn)生恒定的電動(dòng)勢(shì)，必須對(duì)輻射進(jìn)行調(diào)制，使成為斷續(xù)輻射，才能得到交變電動(dòng)勢(shì)。因此，應(yīng)該用交流放大電路。熱釋電元件的響應(yīng)時(shí)間短，通常把它和場(chǎng)效應(yīng)管封裝在同一外殼里，輻射經(jīng)鍺或硅窗口射入，由場(chǎng)效應(yīng)管阻抗變換后與放大電路配合。其結(jié)構(gòu)和電路如圖8.30所示。圖8.30熱釋電輻射傳感器光量子型傳感器可以分為光導(dǎo)(PC)型、光電(PV)型、光電磁(PEM)型、肖特基(ST)型。PC型結(jié)構(gòu)是電阻體光照后引起阻值變化；PV型為一PN結(jié)二極管，其耗盡層上由于光照

射生成電子空穴對(duì)，檢測(cè)由此產(chǎn)生的光電流；PEM型是利用PEM效應(yīng)，即在加上電場(chǎng)及磁場(chǎng)的同時(shí)，由于光照而產(chǎn)生與光強(qiáng)成比例的感應(yīng)電荷；而肖特基型是根據(jù)金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢(shì)壘隨光照而變化的原理制備的。圖8.31為它們的結(jié)構(gòu)示意圖。常用的紅外傳感材料有Ge、Si、PbS、HgCdTe、InSb等。圖8.32給出了它們相應(yīng)的光譜特性。這類(lèi)傳感器因與波長(zhǎng)有關(guān)，故測(cè)量溫度存在下限，例如PbS為100℃以上，Si為400℃以上。圖8.31光量子型紅外傳感器示意圖(a)PC型；(b)PV型；(c)PEM型；(d)ST型 8.2半導(dǎo)體濕度傳感器

8.2.1濕度的定義

大氣中含有水分的多少直接影響大氣的干、濕程度。在物理學(xué)和氣象學(xué)中，對(duì)大氣(空氣)濕度的表征通常使用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度和露(霜)點(diǎn)濕度。

在一定溫度和壓力條件下，單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量為絕對(duì)濕度，

式中，mV為待測(cè)混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量；V為待測(cè)混合氣體的總體積；PV為待測(cè)混合氣體的絕對(duì)濕度，其單位為g/m3，以AH表示。為了更好地描述一些與濕度有關(guān)的自然現(xiàn)象，目前，普遍用相對(duì)濕度(縮寫(xiě)為RH)來(lái)表示濕度。所謂相對(duì)濕度是指氣體的絕對(duì)濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度PS的百分比，即滿(mǎn)足如下關(guān)系：

保持壓力一定而降溫，使混合氣體中的水蒸氣達(dá)到飽和而開(kāi)始結(jié)露或結(jié)霜時(shí)的溫度稱(chēng)為露點(diǎn)溫度，單位為℃?？諝獾南鄬?duì)濕度越高越容易結(jié)霜，而混合氣體中的水蒸氣壓就是在該混合氣體中露點(diǎn)溫度下的飽和水蒸氣壓，所以通過(guò)測(cè)定空氣露點(diǎn)的溫度，就可以解決測(cè)定空氣的水蒸氣壓的問(wèn)題。(8.26)8.2.2濕度傳感器的主要參數(shù)

1.濕度量程

能保證一個(gè)濕敏器件正常工作的環(huán)境濕度的最大變化范圍稱(chēng)為濕度量程。濕度范圍用相對(duì)濕度(0～100)%RH表示，量程是濕度傳感器工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

2.感濕特征量-相對(duì)濕度特性曲線

每種濕度傳感器都有其感濕特征量，如電阻、電容、電壓、頻率等，在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，濕度傳感器的感濕特征量隨環(huán)境相對(duì)濕度變化的關(guān)系曲線，稱(chēng)為相對(duì)濕度特性曲線，簡(jiǎn)稱(chēng)感濕特性曲線。通常希望特性曲線應(yīng)當(dāng)在全量程上是連續(xù)的且呈線性關(guān)系。有的濕度傳感器的感濕特征量隨濕度的增加而增大，這稱(chēng)為正特性濕敏傳感器；有的感濕特征量隨濕度的增加而減小，這稱(chēng)為負(fù)特性濕敏傳感器。

3.感濕靈敏度

在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi)，相對(duì)濕度改變1%RH時(shí)，濕度傳感器感濕特征量的變化值或百分率稱(chēng)為感濕靈敏度，簡(jiǎn)稱(chēng)靈敏度，又稱(chēng)濕度系數(shù)。感濕靈敏度表征濕度傳感器對(duì)濕度變化的敏感程度。如果濕度傳感器的特性曲線是線性的，則在整個(gè)使用范圍內(nèi)，靈敏度就是相同的；如果濕度傳感器的特性曲線是非線性的，則靈敏度的大小就與其工作的相對(duì)濕度范圍有關(guān)。

目前，采用較為普遍的一種表示方法是，以不同環(huán)境濕度下，感濕特征量之比來(lái)表示感濕靈敏度。如感濕特征量為電阻時(shí)，以R1%，R20%，R40%，R60%，R80%，R100%分別表示相相對(duì)濕度為1%，20%，40%，60%，80%，100%時(shí)濕敏元件的電阻值，濕敏元件的靈敏度可表示為一組電阻比，即R1%/R20%，R1%/R40%，R1%/R60%，R1%/R80%及R1%/R100%。

4.溫度系數(shù)

溫度系數(shù)是反映濕度傳感器的感濕特征量-相對(duì)濕度特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特征。感濕特征量隨環(huán)境溫度的變化越小，環(huán)境溫度變化所引起的相對(duì)濕度的誤差就越小。溫度系數(shù)分為特征量溫度系數(shù)和感濕溫度系數(shù)。

在環(huán)境濕度保持恒定的情況下，濕度傳感器特征量的相對(duì)變化量與對(duì)應(yīng)的溫度變化量之比，稱(chēng)為特征量溫度系數(shù)。如感濕特征量是電阻，則電阻溫度系數(shù)為

式中，ΔT為一個(gè)規(guī)定溫度(25℃)與另一規(guī)定環(huán)境溫度之差；R1(C1)為溫度為25℃時(shí)濕度傳感器的電阻值；R2(C2)為另一規(guī)定環(huán)境溫度時(shí)濕度傳感器的電阻值。

濕度傳感器的感濕特征量(例如電阻)恒定的條件下，在兩個(gè)規(guī)定溫度下(通常一個(gè)規(guī)定溫度為25℃)，其對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度之差與兩個(gè)規(guī)定的溫度變化量之比，稱(chēng)為感濕溫度系數(shù)，也即環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，所引起的濕度傳感器的濕度誤差。

5.響應(yīng)時(shí)間

在一定的溫度下，當(dāng)相對(duì)濕度發(fā)生躍變時(shí)，濕度傳感器的感濕特征量之值達(dá)到穩(wěn)態(tài)變化量的規(guī)定比例所需要的時(shí)間稱(chēng)為響應(yīng)時(shí)間，也稱(chēng)為時(shí)間常數(shù)。它反映了濕度傳感器對(duì)于相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)，其反應(yīng)速度的快慢。一般是以相應(yīng)于起始和終止這一相對(duì)濕度變化區(qū)間63%的相對(duì)濕度變化所需要的時(shí)間，叫響應(yīng)時(shí)間，單位是s，也有規(guī)定從始到終90%的相對(duì)濕度變化作為響應(yīng)時(shí)間的。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)濕度傳感器都是脫濕響應(yīng)時(shí)間大于吸濕響應(yīng)時(shí)間，一般以脫濕響應(yīng)時(shí)間作為濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間。

6.濕滯回線

濕度傳感器在升濕和降濕往返變化時(shí)的吸濕和脫濕特性曲線不重合，所構(gòu)成的曲線叫濕滯回線。由于吸濕和脫濕特性曲線不重合，對(duì)應(yīng)同一感濕特征量之值，相對(duì)濕度之差稱(chēng)為濕滯量。濕滯量越小越好，以免給濕度測(cè)量帶來(lái)難度和誤差。

7.電壓特性

用濕度傳感器測(cè)量濕度時(shí)，由于加直流測(cè)試電壓引起感濕體內(nèi)水分子的電解，致使電導(dǎo)率隨時(shí)間的增加而下降，故測(cè)試電壓應(yīng)采用交流電壓。濕度傳感器感濕特征量之值與外加交流電壓之間的關(guān)系稱(chēng)為電壓特性。當(dāng)交流電壓較大時(shí)，由于產(chǎn)生焦耳熱，對(duì)濕度傳感器的特性會(huì)帶來(lái)較大影響。

8.頻率特性

濕度傳感器的阻值與外加測(cè)試電壓頻率有關(guān)。在各種濕度下，當(dāng)測(cè)試頻率小于一定值時(shí)，阻值不隨測(cè)試頻率而變化，該頻率被確定為濕度傳感器的使用頻率上限。當(dāng)然，為防止水分子的電解，測(cè)試電壓頻率也不能太低。

9.其它特性與參數(shù)

精度是指濕度量程內(nèi)，濕度傳感器測(cè)量濕度的相對(duì)誤差。工作溫度范圍表示濕度傳感器能連續(xù)工作的環(huán)境溫度范圍，它應(yīng)由極限溫度來(lái)決定，即由在額定功率條件下，能夠連續(xù)工作的最高環(huán)境溫度和最低環(huán)境溫度所決定。

穩(wěn)定性是指濕度傳感器在各種使用環(huán)境中，能保持原有性能的能力。一般用相對(duì)濕度的年變化率表示，即±%RH/年。

壽命是指濕度傳感器能夠保持原來(lái)的精度，能夠連續(xù)工作的最長(zhǎng)時(shí)間。8.2.3濕度傳感器器件

1.元素半導(dǎo)體濕敏器件

在電絕緣物表面上通過(guò)蒸發(fā)等工藝，制備一層具有吸濕性的元素半導(dǎo)體薄膜，可形成濕敏電阻器。濕敏傳感器就是利用上述濕敏電阻器的電阻值隨濕氣的吸附與脫附過(guò)程而變化的現(xiàn)象制成的。通常利用Ge和Se等元素半導(dǎo)體的蒸發(fā)膜制備濕敏器件，鍺的蒸發(fā)膜厚度約為100nm。鍺的濕敏器件的電阻值很高。在相對(duì)濕度為50%RH時(shí)，約等于108Ω。它比較適用于高濕度的測(cè)量。鍺的濕敏器件的特點(diǎn)是不受環(huán)境中灰塵等的影響，能夠得到比較精確的測(cè)量結(jié)果。然而在制備器件時(shí)，鍺的蒸發(fā)膜的老化需要較長(zhǎng)時(shí)間，并且器件的重復(fù)性差。利用金屬硒蒸發(fā)膜或無(wú)定型硒蒸發(fā)膜都可以做濕敏器件。就濕度特性來(lái)說(shuō)，無(wú)定型硒蒸發(fā)膜濕敏器件比金屬硒蒸發(fā)膜濕敏器件要好些，但就穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，卻不如金屬硒蒸發(fā)膜濕敏器件好。一般來(lái)說(shuō)，硒蒸發(fā)膜的濕敏器件的電阻值比鍺蒸發(fā)膜的濕敏器件電阻值低，被測(cè)濕度范圍較大，但它也有和鍺膜濕敏器件同樣的需要較長(zhǎng)老化時(shí)間的缺點(diǎn)。

利用硒、鍺及硅燒結(jié)膜等制作的濕敏器件，要求膜要做得相當(dāng)薄，而且還應(yīng)具有多晶型結(jié)構(gòu)。目的在于使其晶粒界面電導(dǎo)及表面電導(dǎo)對(duì)整個(gè)薄膜的電導(dǎo)起著支配作用。水分子的吸收將改變其表面態(tài)的占有情況以及影響晶粒界面的勢(shì)壘高度。這樣就能有效地控制膜的電導(dǎo)率，即當(dāng)大氣中濕度發(fā)生變化時(shí)，將改變薄膜表面及其晶界面處所吸附的水分子數(shù)。因而改變薄膜的電導(dǎo)率，使器件電阻值發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)器件電阻的測(cè)量，便可以得知大氣中濕度的大小。

因此，這類(lèi)器件的膜要做得足夠薄，否則體內(nèi)電導(dǎo)將成為電流通過(guò)的主要成分，使?jié)穸扔绊懕砻婕敖缑骐妼?dǎo)的變化不能起支配作用，這樣一來(lái)，給器件制作工藝中膜厚度的控制及調(diào)整帶來(lái)一系列問(wèn)題，并在使用過(guò)程中常因損傷、腐蝕和揮發(fā)等影響器件的精度、穩(wěn)定性和壽命。所以這些器件未能得以廣泛應(yīng)用。圖8.33為硒蒸發(fā)膜濕度傳感器的結(jié)構(gòu)，在絕緣瓷管表面上鍍一層鉑膜，然后以細(xì)螺距將鉑膜刻成寬約0.1cm的螺旋狀，以此作為兩個(gè)電極。在兩個(gè)電極之間蒸發(fā)上硒，A為鉑電極，B為硒蒸發(fā)膜層。圖8.34為硒蒸發(fā)膜濕度傳感器的電阻-濕度特性。由于這種傳感器不使用吸濕性鹽和固定劑，所以能夠在高溫下長(zhǎng)期連續(xù)使用。圖8.33硒蒸發(fā)膜濕度傳感器的結(jié)構(gòu)圖8.34硒蒸發(fā)膜濕度傳感器電阻-濕度關(guān)系

2.金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件

在濕敏器件的發(fā)展過(guò)程中，由于金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料具有較好的熱穩(wěn)定性及其抗沾污的特點(diǎn)，而逐漸被人們所重視。因此，相繼出現(xiàn)了各種半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件。半導(dǎo)體陶瓷使用壽命長(zhǎng)，可以在很惡劣的環(huán)境下使用幾萬(wàn)小時(shí)，這是其它濕敏器件所無(wú)法比擬的。半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件，在對(duì)濕度的測(cè)量方面，可以檢測(cè)1%RH這樣的低濕狀態(tài)，而且還具有響應(yīng)快、精度高、使用溫度范圍寬、濕滯現(xiàn)象小和可以加熱清洗等各種優(yōu)點(diǎn)。所以，半導(dǎo)體陶瓷濕敏器件已在當(dāng)前濕度敏感器件的生產(chǎn)和應(yīng)用中占有很重要的地位。金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料，按其制備方法的不同可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)就是把一些金屬氧化物微粒經(jīng)過(guò)粘結(jié)而堆積在一起的膠體，人們通常將這種未經(jīng)燒結(jié)的微粒堆積體稱(chēng)為陶瓷，用這種陶瓷材料制成的濕度敏感器件，一般稱(chēng)為涂覆膜型濕度敏感器件。另一類(lèi)陶瓷材料是經(jīng)過(guò)研磨、成型和按一般制陶方法燒結(jié)而成具有典型陶瓷結(jié)構(gòu)的各種金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料。它們共同的特點(diǎn)是多孔狀的多晶燒結(jié)體。因此，有時(shí)也將它們稱(chēng)為燒結(jié)型陶瓷材料。

1)涂覆膜型Fe3O4濕度敏感器件

涂覆膜型濕度敏感器件有許多種類(lèi)，其中比較典型且性能較好的是Fe3O4濕度敏感器件。一般來(lái)說(shuō)，像Fe3O4這樣的金屬氧化物是很好的吸附水和脫水速干的材料。同時(shí),Fe3O4比其它金屬氧化物材料具有比較低的固有電阻，而且對(duì)基板附著性好，因此，使用Fe3O4做濕敏器件，不但工藝簡(jiǎn)單，而且價(jià)格低廉。

把氯化鐵和氯化亞鐵按2∶1的比例加水混合成溶液，然后加進(jìn)NaOH，這時(shí)就沉淀出黑色Fe3O4。用純水洗去雜質(zhì)，可做成質(zhì)量很好的Fe3O4膠體。這類(lèi)器件的特點(diǎn)是物理特性和化學(xué)特性比較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)、工藝簡(jiǎn)單，測(cè)濕量程寬，重復(fù)性和一致性較好，壽命長(zhǎng)，成本低等。Fe3O4和Al2O3濕度敏感器件材料就屬于涂覆膜型濕度敏感器件材料。除此之外，作為涂覆膜型濕度敏感器件材料的還有Cr2O3、Ni2O3、Fe2O3、ZnO等。

在滑石瓷或氧化鋁基片上用絲網(wǎng)印刷工藝制成一對(duì)梳狀金電極，然后采用噴涂法在電極上涂覆約30mm厚的預(yù)先調(diào)好的純凈的Fe3O4膠液，經(jīng)低溫烘干后，通過(guò)老化處理即可制成濕度傳感器。Fe3O4微粒之間，依靠分子力和磁力的作用，構(gòu)成接觸型結(jié)合。雖然Fe3O4微粒本身的體電阻較小,但微粒間的接觸電阻卻很大，這就導(dǎo)致Fe3O4感濕膜的整體電阻很高。當(dāng)水分子透過(guò)松散結(jié)構(gòu)的感濕膜而吸附在微粒表面上時(shí)，將擴(kuò)大微粒間的面接觸，導(dǎo)致接觸電阻的減小，因而這種器件具有負(fù)感濕特性(燒結(jié)型濕敏器件具有正感濕特性)。由于Fe3O4膠體膜對(duì)滑石瓷和氧化鋁基片的密封性極好，因此，不需要粘合劑等固著劑，從而不必考慮粘合劑的龜裂等造成的不良影響。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：因?yàn)檠趸锏奶匦圆灰赘淖?，在常溫、常濕下性能比較穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗結(jié)露能力；在全濕范圍內(nèi)有相當(dāng)一致的濕敏特性；可以獲得長(zhǎng)壽命產(chǎn)品，制備容易，價(jià)格便宜，可做成各種形狀的器件。其缺點(diǎn)是：當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，水分子要在數(shù)十μm厚的感濕膜體內(nèi)充分?jǐn)U散，才能與環(huán)境濕度達(dá)到新的平衡。這一擴(kuò)散和平衡過(guò)程需時(shí)較長(zhǎng)，使器件響應(yīng)緩慢，吸濕和脫濕過(guò)程響應(yīng)速度差別較大，因而器件有較明顯的濕滯效應(yīng)。圖8.35示出了傳感器的電阻與濕度的關(guān)系。圖8.35

Fe3O4膠體膜傳感器的電阻與濕度的關(guān)系

2)多孔質(zhì)燒結(jié)型陶瓷濕敏器件

目前，從各國(guó)濕度傳感器的產(chǎn)量中可以看出，約有50%以上是燒結(jié)型的，而厚膜和薄膜各占15%到20%。以不同的金屬氧化物為原料，通過(guò)典型的陶瓷工藝制成了品種繁多的燒結(jié)型陶瓷濕度傳感器，其性能也各有優(yōu)劣。

作為半導(dǎo)體濕敏材料的多孔質(zhì)燒結(jié)型陶瓷主要有：MgCrO4-TiO2系陶瓷、MgCrO4系陶瓷、ZnO-Cr2O3系陶瓷、TiO2-V2O5系陶瓷等。以MgCrO4-TiO2系燒結(jié)型陶瓷為例，由其制成的濕度傳感器是由日本松下電器公司新田恒治等人在1978年研制成功的。它具有感濕范圍寬、溫度系數(shù)小和響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)。MgCrO4-TiO2系燒結(jié)型多孔陶瓷的氣孔大部分為粒間氣孔，氣孔率在20%～35%之間，粒間氣孔與顆粒大小有關(guān)，平均粒徑在1μm左右，氣孔直徑隨TiO2添加量的增多而增大，平均氣孔直徑在100～300nm范圍內(nèi)，可看做相當(dāng)于一種開(kāi)口毛細(xì)管，容易吸附水分。

多孔質(zhì)燒結(jié)型陶瓷的氣孔率是控制器件電阻的主要因子，同時(shí)，考慮到互換性，氣孔徑在某種程度上要細(xì)而均勻。這就要求顆粒要細(xì)且具有一定形狀。另外，為了長(zhǎng)期穩(wěn)定性，陶瓷顆粒表面對(duì)大氣濕度要穩(wěn)定。在多孔陶瓷制備工藝中，粉料的制備是制造性能優(yōu)良的陶瓷濕度傳感器的關(guān)鍵之一。選擇質(zhì)地優(yōu)良的原料，嚴(yán)格的原料配比，球磨后粉料粒徑的大小，粒子的形狀，粒徑的分布決定著陶瓷感濕體的氣孔率和孔徑，進(jìn)而決定著傳感器的性能。在多孔陶瓷感濕體的制造過(guò)程中，燒成的作用也特別重要。1300℃溫度下把干壓(或其它)成型的陶體坯體制成多孔陶瓷。

燒成過(guò)程對(duì)晶粒的半導(dǎo)化，晶粒的大小，晶粒的形狀，晶界狀態(tài)，孔徑大小，孔徑分布以及陶瓷感濕體的機(jī)械強(qiáng)度，表面形狀，阻值大小等有著直接的影響。其它的燒結(jié)型半導(dǎo)體陶瓷濕敏材料，比如TiO2-V2O5系陶瓷濕敏材料等的制備過(guò)程與MgCrO4-TiO2系陶瓷濕敏材料大體上一致，晶粒直徑大約為1μm，燒結(jié)體細(xì)孔徑分布為0.2～0.5μm，氣孔率大約為45%，測(cè)量濕度范圍為15%～100%RH，工作溫度為0℃～150℃，使用范圍較寬。

多孔質(zhì)燒結(jié)型陶瓷MgCrO4-TiO2濕敏器件的結(jié)構(gòu)如圖8.36所示。圖8.36燒結(jié)型MgCrO4-TiO2濕敏傳感器結(jié)構(gòu)

MgCrO4-TiO2系陶瓷濕度傳感器的電阻-濕度特性、電阻-溫度特性及響應(yīng)時(shí)間特性如圖8.37所示。圖8.37

MgCrO4-TiO2系陶瓷濕度傳感器的特性(a)電阻-濕度特性；(b)電阻-溫度特性；(c)響應(yīng)時(shí)間特性

3)厚膜陶瓷濕度傳感器

以ZrO2系濕敏材料為例，厚膜濕度傳感器主體部分結(jié)構(gòu)如圖8.38所示，是在氧化鋁基片上印刷梳狀電極，梳狀電極相互交錯(cuò)排列并成平行線。圖8.38厚膜濕度傳感器主體部分結(jié)構(gòu)圖

4)薄膜濕度傳感器

薄膜濕度傳感器的結(jié)構(gòu)一般有兩種形式，一種是在硼硅玻璃或藍(lán)寶石襯底上沉積一層氧化物薄膜，然后在薄膜上再蒸發(fā)一對(duì)梳狀電極；另一種是先在硼硅玻璃或藍(lán)寶石襯底上，用真空蒸發(fā)方法制作下金電極，再用噴鍍法或?yàn)R射法生成一層多孔質(zhì)的氧化物薄膜，然后再在此薄膜上蒸發(fā)上金電極，為了讓水蒸氣順利通過(guò)，金的厚度在70nm左右。薄膜濕度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖8.39所示。圖8.39薄膜濕度傳感器的結(jié)構(gòu)制作薄膜濕度傳感器的主要薄膜材料是Ta2O5和Al2O3。由于它們都具有很高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，因此用它們制成的濕度傳感器能在很高的環(huán)境溫度下工作。由于感濕膜很薄，響應(yīng)時(shí)間很快(約1～3s)，特別適宜在高速濕度響應(yīng)場(chǎng)合下使用。

薄膜濕度傳感器的感濕特征量往往都采用電容量，由于純水的介電常數(shù)比較大，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度增加時(shí)，薄膜濕度傳感器所吸附的水分子增多，因而使電容量增大。圖8.40是Ta2O5薄膜濕度傳感器的電容—濕度特性。它具有正電容濕度系數(shù)。圖8.40

Ta2O5薄膜濕度傳感器的電容-濕度特性

3．多功能半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器

隨著微機(jī)的普及，產(chǎn)業(yè)和家庭電器方面的自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展迅速，這就要求研究和生產(chǎn)更方便的各種傳感器，其中對(duì)能夠同時(shí)檢測(cè)濕度、溫度和氣體的多功能傳感器的呼聲尤其高，比如，冷暖空調(diào)機(jī)的溫度和濕度的控制，干燥機(jī)的溫度控制和水分的檢測(cè)，電子灶的溫度、濕度和各種氣體的檢測(cè)方面越來(lái)越多地要求使用這種多功能傳感器。

目前，多功能傳感器大部分是應(yīng)用多個(gè)單一功能敏感器件的組合來(lái)檢測(cè)所要求的每個(gè)物理量的。為了取代這種復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，目前正積極進(jìn)行一個(gè)器件具有多功能的敏感器件的研究，其中之一就是同時(shí)能夠檢測(cè)濕度和氣體的MgCr2O4-TiO2系多功能敏感器件和同時(shí)檢測(cè)溫度和濕度的BaTiO3-SrTiO3系多功能敏感器件。

MgCr2O4-TiO2系陶瓷傳感器，如前所述，當(dāng)工作溫度低于150℃時(shí)，具有良好的感濕特性，隨著溫度的增加，電阻值顯著地下降，但在此溫度之下，不易吸附各種有機(jī)氣體，即對(duì)氣體不敏感。當(dāng)溫度比較高(處于300～550℃的高溫)時(shí)，傳感器喪失了對(duì)水蒸氣的敏感特性，但在陶瓷晶粒

表面對(duì)某些氧化還原氣體產(chǎn)生化學(xué)吸附，改變了半導(dǎo)體陶瓷的表面態(tài)，從而引起陶瓷表面電導(dǎo)能力的改變。利用MgCr2O4-TiO2半導(dǎo)體陶瓷的這種性質(zhì)研制成功了能夠同時(shí)檢測(cè)濕度和某些還原性氣體的多功能濕度-氣體半導(dǎo)體敏感器件。

MgCr2O4-TiO2系多功能半導(dǎo)體陶瓷材料的導(dǎo)電性一般是空穴導(dǎo)電，在300℃～550℃溫度范圍內(nèi)對(duì)各種氣體都較敏感。比如，在以氧氣為首的氧化性氣氛中這種陶瓷材料的電阻減少，而隨著硫化氫、酒精、氫等還原性氣體濃度的增加其電阻率增加。MgCr2O4-TiO2系陶瓷高溫氣敏特性如圖

8.41所示。圖8.41

MgCr2O4-TiO2系陶瓷高溫氣敏特性金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料BaTiO3-SrTiO3的介電常數(shù)與溫度的依賴(lài)性是極其明顯的，因此也就成為熱敏器件的理想材料，通過(guò)摻入少量的MgCr2O4以及利用陶瓷體本身所具有的多孔結(jié)構(gòu)，就可制得多功能的濕度-溫度傳感器。這就是巧妙利用了半導(dǎo)體陶瓷材料的體單晶性質(zhì)和表面性質(zhì)而做的復(fù)合功能傳感器。其等效電路如圖8.42所示。圖8.42濕度-溫度傳感器的等效電路

4．MOSFET濕敏器件

用半導(dǎo)體工藝制成的MOS型場(chǎng)效應(yīng)管濕敏器件，由于是全固態(tài)濕敏傳感器，有利于傳感器的集成化和微型化，因此是一種很有前途和價(jià)值的濕度傳感器。

圖8.43表示MOS型場(chǎng)效應(yīng)管濕敏器件的典型結(jié)構(gòu)。圖8.43

MOSFET濕敏器件結(jié)構(gòu)

5．結(jié)型濕敏器件

利用肖特基結(jié)或PN結(jié)二極管的反向電流或者反向擊穿電壓隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化，可以制成一種結(jié)型濕度敏感器件。在結(jié)型濕度敏感器件中，二氧化錫濕敏二極管是比較有代表性的。

這種二極管是采用電阻率為5Ω·cm的N型硅單晶材料制作的。制作過(guò)程為：將硅片置于通氧和水汽的、溫度達(dá)520℃左右的石英管道爐中，使其生成一層SiO2，再在SiO2上淀積一層透明而又導(dǎo)電的SnO2薄膜，最后在硅片的背面和SnO2層上用真空鍍膜方法制作金屬Al電極。電極膜的厚度不宜太厚，以便SnO2表面和空氣中的水蒸氣相接觸，理想的厚度為100左右。SnO2具有很好的導(dǎo)電性，因而這種結(jié)構(gòu)的二極管可看做是一個(gè)肖特基結(jié)或異質(zhì)結(jié)，具有整流特性。上述二極管的結(jié)區(qū)直接暴露于環(huán)境氣氛之中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在二極管處于反向偏壓狀態(tài)時(shí)，在雪崩擊穿區(qū)附近，其反向電流直接與環(huán)境的相對(duì)濕度有關(guān)，或者說(shuō)，其反向擊穿電壓隨環(huán)境相對(duì)濕度而改變，即使二極管具有了感濕特性。圖8.44表示二氧化錫濕敏二極管的結(jié)構(gòu)。圖8.45為SnO2濕敏二極管雪崩電流與相對(duì)濕度的關(guān)系。從圖中看出，隨著相對(duì)濕度增加，反向電流減少。這是由于當(dāng)二極管置于待測(cè)濕度的環(huán)境中時(shí)，二極管的勢(shì)壘部分處就會(huì)有水分吸附，耗盡層即向硅襯底擴(kuò)展，從而提高了二極管的雪崩擊穿電壓。如果保持反向擊穿電壓不變，那么當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度增加時(shí)，雪崩電流就減小，利用這種特性可測(cè)出相對(duì)濕度。圖8.44

SnO2濕敏二極管的結(jié)構(gòu)圖8.45

SnO2濕敏二極管雪崩電流與相對(duì)濕度關(guān)系8.2.4半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器的檢測(cè)精度

大部分半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器是利用電阻值變化檢測(cè)濕度的。這樣在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可在很大程度上簡(jiǎn)化檢測(cè)電路，在空調(diào)機(jī)、加濕器、除濕器等民用家電產(chǎn)品中應(yīng)用陶瓷濕度傳感器時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮其成本。因此，在研究傳感器特性時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)和精度，圖8.46表示陶瓷濕度傳感器在廣泛濕度范圍檢測(cè)濕度時(shí)使用的電路。圖8.46放大電路 8.3半導(dǎo)體氣體傳感器

所謂半導(dǎo)體氣體傳感器，是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來(lái)檢測(cè)特定氣體的成分和濃度的傳感器。它是19世紀(jì)60年代才開(kāi)始迅速發(fā)展起來(lái)的新型功能器件。

目前已有幾種半導(dǎo)體氣敏器件得到應(yīng)用，但氣敏器件在重復(fù)性、選擇性、穩(wěn)定性及互換性等方面還存在不少急待解決的問(wèn)題。

表8.2給出了半導(dǎo)體氣敏器件的分類(lèi)。從表中看出，目前研究和使用的半導(dǎo)體氣敏器件大體上可分為電阻式和非電阻式兩大類(lèi)。電阻式又可分成表面電阻控制型和體電阻控制型。非電阻式又可分為利用表面電位的、二極管整流特性的和晶體管特性的三種。表8.2半導(dǎo)體氣敏器件的分類(lèi)8.3.1半導(dǎo)體電阻型氣敏器件

1．表面電阻控制型氣敏器件

它是利用半導(dǎo)體表面因吸附氣體引起半導(dǎo)體元件電阻值變化特性制成的一類(lèi)傳感器。多數(shù)是以可燃性氣體為檢測(cè)對(duì)象，但如果吸附能力很強(qiáng)，即使是非可燃性氣體也能作為檢測(cè)對(duì)象。這種類(lèi)型的傳感器，具有氣體檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度比一般傳感器快、實(shí)用價(jià)值大等優(yōu)點(diǎn)。

表面電阻控制型半導(dǎo)體氣敏器件的工作原理，主要是靠表面電導(dǎo)率變化的信息來(lái)檢驗(yàn)被接觸氣體分子。因此，要求做這種器件的半導(dǎo)體材料的體內(nèi)電導(dǎo)率一定要小，這樣才能提高氣敏器件的靈敏度?；谶@個(gè)原因，一般用禁帶寬度比較大的半導(dǎo)體材料來(lái)制備氣敏器件。由于金屬和氧分子之間的電負(fù)性相差很大，所以一般金屬氧化物半導(dǎo)體材料的禁帶寬度較大(如SnO2、N型3.5eV；ZnO、N型3.2eV)，因此它們的本征載流子濃度很小。

從目前制造的表面電阻控制型氣敏器件的結(jié)構(gòu)來(lái)看，大體有燒結(jié)型、薄膜型(包括多層薄膜型)和利用燒結(jié)體材料做出的厚膜型(包括混合厚膜型)結(jié)構(gòu)。由于薄膜型氣敏器件的表面積很大，表面電導(dǎo)率的變化對(duì)整個(gè)器件電導(dǎo)率的變化貢獻(xiàn)很大，所以它的靈敏度較高。薄膜型氣敏元件還具有一致性好、穩(wěn)定性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適于批量生產(chǎn)，且成本低，是一種很有發(fā)展前景的氣敏元件。對(duì)于燒結(jié)型氣敏器件來(lái)說(shuō)，常常是多孔質(zhì)的結(jié)構(gòu)，因此，不僅表面部分吸附氣體分子，多孔質(zhì)內(nèi)部也吸附氣體分子，所以響應(yīng)速度比較慢。燒結(jié)型氣敏器件因組分和燒結(jié)條件不同，傳感器性能也各異。一般說(shuō)來(lái)，空隙率越大的敏感器件，其響應(yīng)速度越快。薄膜型氣敏元件的制作通常是以石英或陶瓷為絕緣基片，在基片的一面印上加熱元件，如RuO2厚膜。在基片的另一面鍍上測(cè)量電極及氧化物半導(dǎo)體薄膜。在絕緣基片上制作薄膜的方法很多，包括真空濺射、先蒸鍍后氧化、化學(xué)氣相沉積、噴霧熱解等。

燒結(jié)型氣敏元件的制作是以多孔質(zhì)SnO2、ZnO等氧化物為基體材料，添加不同物質(zhì)，采用傳統(tǒng)制陶方法進(jìn)行燒結(jié)，形成晶粒集合體。根據(jù)加熱元件位置可分為直熱式和旁熱式兩種，直熱式傳感器是將加熱元件與測(cè)量電極一同燒結(jié)在氧化物材料及催化添加劑的混合體內(nèi)，加熱元件直接對(duì)氧化物敏感元件加熱。旁熱式傳感器是采用陶瓷管作為基底，將加熱元件裝入陶瓷管內(nèi)，而測(cè)量電極、氧化物材料及催化添加劑則燒結(jié)在陶瓷管的外壁。加熱元件經(jīng)陶瓷管壁均勻地對(duì)氧化物敏感元件加熱。厚膜型氣敏元件是將SnO2、ZnO等氧化物材料與3%～15%(重量)的硅凝膠混合，并加入適量的催化劑制成糊狀物,然后將該糊狀混合物印刷到事先安裝有鉑電極和加熱元件的Al2O3基片上，待自然干燥后置于400℃～800℃中燒結(jié)制成。其不僅機(jī)械強(qiáng)度高，各傳感器間的重復(fù)性好，適合于大批量生產(chǎn)，而且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低。

以上三類(lèi)氣敏器件都附有加熱器。它能使附著在探測(cè)部分的油污、塵埃等燒掉，同時(shí)加速氣體的吸附，從而提高了器件的靈敏度和響應(yīng)速度。一般加熱到200℃～400℃，具體溫度視所摻雜質(zhì)不同而異。用金屬氧化物半導(dǎo)體SnO2、ZnO等材料制作的氣敏器件對(duì)H2、碳?xì)浠衔锏葰怏w很靈敏。為了提高識(shí)別不同氣體分子的能力，摻入適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)作為催化劑來(lái)制備不同用途的氣敏器件。例如，在SnO2系中添加ThO2，在ZnO中摻入Pd時(shí)，這些氣敏器件對(duì)CO、H2的靈敏度很高，但對(duì)碳?xì)浠衔锏撵`敏度很低。如果在ZnO中摻入Pt，則只能對(duì)碳?xì)浠衔锞哂泻芨叩撵`敏度。這是由于在不摻催化劑時(shí)，吸附的氧與被檢測(cè)氣體直接進(jìn)行反應(yīng)，而摻入催化劑時(shí)，由于催化作用而促進(jìn)表面反應(yīng)，因此，適當(dāng)?shù)拇呋瘎┰诒砻婧途Я＝Y(jié)合部分的存在對(duì)燒結(jié)型氣敏器件是非常重要的。用金屬氧化物半導(dǎo)體SnO2、ZnO等材料制作的表面電阻控制型氣體傳感器，為了加快氣體分子在表面上的吸附作用，將器件加熱到150℃以上的溫度下工作。

圖8.47給出了幾種表面電阻控制型氣體傳感器的結(jié)構(gòu),圖8.48給出了氧化錫氣敏傳感器阻值與被測(cè)氣體濃度的關(guān)系。

氣敏器件的阻值R與空氣中被測(cè)氣體的濃度C成對(duì)數(shù)關(guān)系變化：

lgR=mlgC+n(8.27)圖8.47表面電阻控制型氣體傳感器的結(jié)構(gòu)(a)燒結(jié)型；(b)薄膜型；(c)厚膜型；(d)多層結(jié)構(gòu)型圖8.48氧化錫氣敏傳感器阻值與被測(cè)氣體濃度的關(guān)系

2．體電阻控制型氣敏器件

除了表面電阻控制型半導(dǎo)體氣敏器件之外，目前還有體電阻控制型半導(dǎo)體氣敏器件。

體電阻控制型半導(dǎo)體氣敏器件與被檢測(cè)氣體接觸時(shí)，引起器件體電阻改變的原因比較多。對(duì)熱敏型氣敏器件而言，在600℃～900℃下，在半導(dǎo)體表面吸附可燃性氣體時(shí)，由于這類(lèi)器件的工作溫度比較高，被吸附氣體燃燒使器件的溫度進(jìn)一步升高，因此，半導(dǎo)體的體電阻發(fā)生變化。

還有一種原因是，由于添加物和吸附氣體分子在半導(dǎo)體能帶中形成新能級(jí)的同時(shí)，母體中生成晶格缺陷，結(jié)果引起半導(dǎo)體的體電阻發(fā)生變化。另外，很多氧化物半導(dǎo)體，由于化學(xué)計(jì)量比的偏離，尤其是化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)而且容易還原的氧化物，在比較低的溫度下與氣體接觸時(shí)晶體中的結(jié)構(gòu)缺陷就發(fā)生變化，繼之體電阻發(fā)生變化，因此，可以檢測(cè)各種氣體。比如，目前常使用的γ-Fe2O3

氣敏器件，其結(jié)構(gòu)如圖8.49所示。它是將研磨好的Fe3O4粉末壓制成圓柱形管芯，直徑和長(zhǎng)度均為2mm，在700℃～800℃燒結(jié)成燒結(jié)體，內(nèi)部裝有測(cè)定電阻用的金或鉑制作的電極，外圍設(shè)有螺旋狀加熱器，再在350℃～400℃下氧化成γ-Fe2O3，并焊接在基座上，經(jīng)初測(cè)后，封裝上不銹鋼防暴罩即成。當(dāng)它與氣體接觸時(shí)，隨著氣體濃度增加形成Fe+2離子，而變成為Fe3O4，使器件的體電阻下降。也就是說(shuō)，由γ-Fe2O3被還原成Fe3O4時(shí)形成Fe+2離子。它們之間的還原-氧化反應(yīng)為：圖8.49

γ-Fe2O3氣敏器件結(jié)構(gòu)

γ-Fe2O3和Fe3O4都屬于尖晶石結(jié)構(gòu)的晶體，進(jìn)行這種轉(zhuǎn)變時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)并不發(fā)生變化。這種轉(zhuǎn)變又是可逆的。當(dāng)被測(cè)氣體脫離后又氧化而恢復(fù)原狀態(tài)。這就是γ-Fe2O3氣敏器件的工作原理。

當(dāng)溫度過(guò)高(400℃～420℃)時(shí)，γ-Fe2O3向α-Fe2O3(剛玉)轉(zhuǎn)化失去敏感性，這是γ-Fe2O3氣體傳感器的失效機(jī)理。把α-Fe2O3的晶粒微細(xì)化(粒度為0.1μm，比表面面積為130m2/g)和提高空隙率，可提高這種傳感器的氣體檢測(cè)靈敏度。(8.28)

γ-Fe2O3對(duì)丙烷等很靈敏，但對(duì)甲烷不靈敏，而α-Fe2O3對(duì)甲烷和異丁烷都非常靈敏，對(duì)水蒸氣及乙醇都不靈敏，因此做家庭用報(bào)警器特別合適。

Fe2O3類(lèi)氣敏傳感器不用貴金屬催化劑，但也要用加熱措施，通常在元件外部由電熱絲烘烤。接觸還原性氣體后電阻值下降。典型三氧化二鐵氣敏特性如圖8.50所示。圖8.50

Fe2O3氣敏特性8.3.2非電阻控制型半導(dǎo)體氣敏器件

1.肖特基二極管氣敏器件

當(dāng)金屬和半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢(shì)壘時(shí)構(gòu)成金屬半導(dǎo)體二極管。在這種金屬半導(dǎo)體二極管中附加正偏壓時(shí)，從半導(dǎo)體流向金屬的電子流將增加；如果附加負(fù)偏壓時(shí)，從金屬流向半導(dǎo)體的電子流幾乎沒(méi)有變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為二極管的整流作用。

當(dāng)在金屬和半導(dǎo)體界面處附近有氣體時(shí)，這些氣體對(duì)半導(dǎo)體的能帶或者金屬的功函數(shù)都將產(chǎn)生影響，其整流特性將發(fā)生變化。根據(jù)這個(gè)原理可以制作氣敏器件。在摻In的CdS片上蒸發(fā)一層Pd薄膜(厚為80nm)而做成Pd-CdS的二極管氣敏器件能檢測(cè)H2。后來(lái)陸續(xù)做出了Pd-TiO2、PdZnO、Pt-TiO2等二極管氣敏器件，用它們來(lái)檢測(cè)H2。圖8.51表示Pd-TiO2二極管氣敏器件的整流特性與H2濃度的關(guān)系。圖8.51

Pd-TiO2二極管的V-I特性(25℃)

2.MOS二極管氣敏器件

最近，正在研究用MOS二極管的電容-電壓關(guān)系(C-V特性)來(lái)檢測(cè)氣體的敏感器件。圖8.52表示這種氣敏器件的結(jié)構(gòu)。柵電極用Pd或Pt薄膜(厚為30～200nm)形成，SiO2層厚度為50～100nm左右。圖8.53表示這種氣敏器件C-V特性的測(cè)試?yán)?。在氫氣中的C-V特性比在空氣中的向左移動(dòng)。這是因?yàn)闊o(wú)偏置的情況下，由于H2在Pd-SiO2界面的吸附，使Pd的功函數(shù)下降的緣故。由于H2濃度不同，C-V特性向左移動(dòng)的程度不同，利用這種關(guān)系檢測(cè)氫的濃度。這種Pd-MOS二極管氣敏器件除了H2以外，還對(duì)CO及丁烷也具有靈敏性。圖8.52

Pd-MOS二極管圖8.53

Pd-MOS二極管的C-V特性

3.MOSFET氣敏器件原理

MOSFET金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)氣敏器件具有產(chǎn)品一致性好、體積小、重量輕、可靠性高、氣體識(shí)別能力強(qiáng)、便于大批量生產(chǎn)、與半導(dǎo)體集成電路有較好的工藝相容性等許多優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們的重視。

MOSFET金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)氣敏器件是利用半導(dǎo)體表面效應(yīng)制成的一種電壓控制型元件，可分為N溝道和P溝道兩種，N溝道MOSFET金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)氣敏器件的結(jié)構(gòu)如圖8.54所示。圖8.54

Pd-MOSFET器件結(jié)構(gòu)在MOSFET中漏電流Id由柵偏壓控制。柵電極與漏電極短路，并在源極和漏極之間加電壓U時(shí)，漏電流Id為

Id=β(U－UT)2

(8.29)

其中，β為常數(shù)，UT為閾值電壓(能產(chǎn)生Id電流的最小偏壓)。Pd-MOSFET氣敏器件中，UT隨著空氣中H2濃度的增加而下降，利用這種關(guān)系可檢測(cè)H2濃度。UT的下降原因認(rèn)為是在Pd上H2解離產(chǎn)生的氫原子通過(guò)Pd金屬到達(dá)Pd和SiO2界面處,并在這里極化而降低Pd的功函數(shù)。Pd-MOSFET氣敏器件不僅用于H2，也可用于NH3等容易分解H2的氣體檢測(cè)方面。為了加快響應(yīng)速度，器件的工作溫度為120～150℃左右。對(duì)于利用硅材料的MOSFET來(lái)說(shuō)，這個(gè)溫度對(duì)它的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和壽命有影響。這是一個(gè)值得研究解決的問(wèn)題。8.3.3半導(dǎo)體氣敏傳感器的氣敏選擇性

選擇性是檢驗(yàn)化學(xué)傳感器是否具有實(shí)用價(jià)值的重要尺度。欲從復(fù)雜的氣體混合物中識(shí)別出某種氣體，就要求該傳感器具有很好的選擇性。由前述可知，氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器的敏感對(duì)象主要是還原性氣體，如CO、H2、甲烷、甲醇、乙醇等。為了能有效地將這些性質(zhì)相似的還原性氣體彼此區(qū)分開(kāi)，達(dá)到有選擇地檢測(cè)其中某單一氣體的目的，必須通過(guò)改變傳感器的外在使用條件和材料的物理及化學(xué)性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由于各種還原性氣體的最佳氧化溫度不同，因此首先可以通過(guò)改變氧化物傳感器的工作溫度來(lái)提高其對(duì)某種氣體的選擇性。上述SnO2傳感器在低溫條件下不但對(duì)乙醇很敏感，對(duì)CO和H2也很敏感，因此，僅通過(guò)改變傳感器工作溫度所能達(dá)到的氣敏選擇性是有限的。必須消除混合氣體中欲單獨(dú)檢測(cè)氣體以外氣體的干擾。其中一個(gè)很有效的措施是通過(guò)使用某種物理的或化學(xué)的過(guò)濾膜，使單一氣體能通過(guò)該膜到達(dá)氧化物半導(dǎo)體表面，而拒絕其它氣體通過(guò)，從而達(dá)到選擇性檢測(cè)氣體的目的。如石墨過(guò)濾膜，涂在厚膜氧化物傳感器表面可以消除氧化性氣體(如NOx)對(duì)傳感器信號(hào)的影響。

提高傳感器氣敏選擇性的最有效、最常用的手段是利用某些催化劑能有選擇性地對(duì)被測(cè)氣體進(jìn)行催化氧化的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)選擇合適的催化添加劑，可使由同一種基本氧化物材料制成的氣敏傳感器具有檢測(cè)多種不同氣體的能力。在MOS元件的金屬柵表面添加某種氣敏膜，也可以提高M(jìn)OSFET傳感器對(duì)特定氣體的靈敏度。

8.3.4納米技術(shù)在半導(dǎo)體陶瓷氣體傳感器中的應(yīng)用

納米技術(shù)是一門(mén)在納米空間(0.1～100nm)內(nèi)研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特性，通過(guò)操作單原子、分子和原子團(tuán)、分子團(tuán)，以制造具有特定功能的材料或器件為最終目的的一門(mén)技術(shù)。半導(dǎo)體陶瓷氣體傳感器具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速發(fā)展，有相當(dāng)數(shù)量的產(chǎn)品，至今已成為一大體系。但這類(lèi)傳感器存在著選擇性差、精度低和穩(wěn)定性不高等問(wèn)題，妨礙了它的應(yīng)用。過(guò)去通過(guò)摻雜催化劑、控制工作溫度、利用過(guò)濾分子篩等手段，取得了相當(dāng)大的成功，但終究沒(méi)有徹底解決這些問(wèn)題。納米技術(shù)在半導(dǎo)體陶瓷氣體傳感器中的應(yīng)用，給這類(lèi)傳感器帶來(lái)了希望，并取得了極大的進(jìn)步。納米材料有兩大效應(yīng)，一是粒子尺寸降到小于電子平均自由程時(shí)，能級(jí)分裂顯著，這就是量子尺寸效應(yīng)。另一個(gè)顯著效應(yīng)是表面效應(yīng)，顆粒細(xì)化到一定的程度(100nm以?xún)?nèi))

后，粒子表面上的原子所占的比例急劇增大，也即表面體積比增大，當(dāng)這些表面原子數(shù)量增加到一定程度，材料的性能更多地由表面原子，而不是由材料內(nèi)部晶格中的原子決定，使之氧化還原能力增強(qiáng)，自身的催化活性更加活潑。大量存在晶粒界面缺陷，對(duì)材料性質(zhì)有決定性作用。而且，粒子進(jìn)一步細(xì)化，而使粒子內(nèi)部發(fā)生位錯(cuò)和滑移，所以納米材料的性能多由晶粒界面和位錯(cuò)等表面缺陷所控制，從而產(chǎn)生材料表面異常活性。前述表面電阻控制型氣敏器件它的機(jī)理是器件中的敏感體表面在正常大氣環(huán)境中，吸附大氣中的活性氣體氧氣(O2),以O(shè)－2、O2－2等吸附氧形式塞積在晶粒間的晶界處，造成高勢(shì)壘狀態(tài)，阻擋載流子運(yùn)動(dòng)，使半導(dǎo)體器件處于高電阻狀態(tài)。當(dāng)遇到還原性氣體如H2、CO、烷類(lèi)可燃性氣體時(shí)，與吸附氧發(fā)生微氧化－還原反應(yīng)，降低了吸附氧的體積分?jǐn)?shù)，降低了勢(shì)壘高度，從而推動(dòng)載流子運(yùn)動(dòng)，使半導(dǎo)體器件的電阻減少，達(dá)到檢測(cè)氣體的目的。器件的表面活性越高，這種微反應(yīng)也就越激烈，器件的靈敏度、選擇性也越好，這與納米技術(shù)具有高活性的表面效應(yīng)是相對(duì)應(yīng)的。體電阻控制型氣敏器件的機(jī)理為材料的內(nèi)部原子也參與被檢測(cè)氣體的電子交換反應(yīng)，而使之價(jià)態(tài)發(fā)生可逆的變化，所以粒子的尺寸越小，參參與這種反應(yīng)的數(shù)量和能量也越大，產(chǎn)生的氣敏特性也就越顯著，這種機(jī)理與納米技術(shù)具有量子尺寸效應(yīng)也是相適應(yīng)的。

納米粉體可采用先進(jìn)的固相法、液相法、氣相法以及涉及三種方法的復(fù)合相制法，制備出10～100nm的納米氣敏材料。器件的制作工藝過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制工藝條件和工藝方法，才能保證材料一直處于納米量級(jí)，納米材料的優(yōu)異特性才能在器件中發(fā)揮出來(lái)，特別是成型和燒結(jié)等關(guān)鍵工藝。如在粉體成型中，用于造粒和調(diào)制成糊的粘合劑決不能使用SiO2、Al2O3等無(wú)機(jī)粘合劑，避免非納米顆粒及雜質(zhì)的引入,影響純度，最好采用松油醇、聚乙烯醇等有機(jī)粘和劑，不僅粘度大，固液混合均勻，保證器件的一致性，而且，在燒結(jié)中易揮發(fā)，不參與器件組成，避免了雜質(zhì)的引入。8.3.5半導(dǎo)體氣體傳感器的應(yīng)用

半導(dǎo)體氣敏器件由于靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、成本低，而得到了廣泛的應(yīng)用。目前，應(yīng)用最廣的是燒結(jié)型氣敏器件，主要是SnO2、ZnO、ν-Fe2O3等半導(dǎo)體氣敏器件。近年來(lái)薄膜型和厚膜型氣敏器件也逐漸開(kāi)始實(shí)用化。上述氣敏器件主要用于檢測(cè)可燃性氣體、易燃或可燃性液體蒸汽。金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管型氣敏器件在選擇性檢測(cè)氣體方面也得到了應(yīng)用，如鈀柵MOSFET管作為檢測(cè)氫氣氣敏器件也逐漸走向?qū)嵱没Ｒ恍┨厥獾臍饷羝骷?，比如ZrO2系半導(dǎo)體氣敏器件作為氧敏器件廣泛應(yīng)用于汽發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中氧含量的檢測(cè)方面及煉鋼爐鐵水中氧含量的檢測(cè)方面。

1．廉價(jià)家用氣體報(bào)警器

燒結(jié)型SnO2氣敏器件基本測(cè)試電路如圖8.55所示。圖8.55氣敏器件測(cè)試電路