《測(cè)試技術(shù)與傳感器》課件第11章

11.1氣敏傳感器

11.2濕敏傳感器

11.3色敏傳感器

思考題與習(xí)題

11.1氣敏傳感器11.1.1氣敏傳感器概述氣敏傳感器是一種把氣體中的特定成分和濃度檢測(cè)出來(lái)，并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件。氣敏傳感器最早用于可燃?xì)怏w及瓦斯泄漏報(bào)警器，用于防災(zāi)，保證生產(chǎn)安全，以后逐步推廣應(yīng)用，用于有毒氣體的檢測(cè)、容器或管道的檢漏、環(huán)境監(jiān)測(cè)(防止公害)、鍋爐及汽車的燃燒監(jiān)測(cè)與控制、工業(yè)過(guò)程的檢測(cè)與自動(dòng)控制熱水器等方面。目前，工廠和家庭中最常用的幾種氣敏傳感器主要是半導(dǎo)體式和接觸燃燒式氣敏傳感器。半導(dǎo)體式氣敏傳感器的品種也是很多的，其中用金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成的數(shù)量最多，其特性和用途也各不相同。金屬氧化物半導(dǎo)體材料主要有SnO2

系列、ZnO系列及Fe2O3系列，由于它們的添加物質(zhì)各不相同，所以能檢測(cè)的氣體也不同。半導(dǎo)體氣敏傳感器適用于檢測(cè)低濃度的可燃性氣體及毒性氣體，如CO、H2S、NOx及C2H5OH、CH4、C4H10等碳?xì)錃怏w。其測(cè)量范圍為百萬(wàn)分之幾到百萬(wàn)分之幾千。接觸燃燒式氣敏傳感器主要用于可燃性氣體的檢測(cè)，其測(cè)量范圍為數(shù)百萬(wàn)分之幾到爆炸下限濃度(LEL)。半導(dǎo)體氣敏傳感器的基本工作電路如圖11-1所示。負(fù)載電阻RL串聯(lián)在傳感器中，其兩端加工作電壓，加熱絲f兩端加上加熱電壓Uf。在潔凈空氣中，傳感器的電阻較大，在負(fù)載電阻上的輸出電壓較?。划?dāng)遇到待測(cè)氣體時(shí)，傳感器的電阻變得較小(N型半導(dǎo)體型氣敏傳感器檢測(cè)還原性氣體)，則RL上的輸出電壓變大。氣敏傳感器主要用于報(bào)警器，當(dāng)某氣體超過(guò)規(guī)定濃度時(shí)，報(bào)警器會(huì)發(fā)出警報(bào)。圖11-1半導(dǎo)體氣敏傳感器的基本工作電路11.1.2常用氣敏元件簡(jiǎn)介對(duì)于某些危害健康，引起窒息、中毒或容易燃燒爆炸的氣體，應(yīng)注意其含量為何值時(shí)達(dá)到危險(xiǎn)程度，有的時(shí)候并不一定要求測(cè)出其含量的具體數(shù)值。在這種情況下，就需要一種氣敏元件，它可以及時(shí)提供報(bào)警。一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體氣敏元件對(duì)氣體的選擇性比較差，并不適合精確地測(cè)定氣體成分，這種元件一般只能夠檢查某種氣體存在與否，卻不一定能夠精確地分辨出是哪一種氣體。盡管如此，這類元件在環(huán)境保護(hù)和安全監(jiān)督中仍然有極其重要的作用。為了說(shuō)明其用途，下面代表性地介紹幾種半導(dǎo)體氣敏元件。

1.氧化鋅元件氧化鋅元件是比較常用的一種氣敏元件。根據(jù)所用的催化劑的不同，可以推測(cè)環(huán)境空氣中大體含有哪些氣體。如N型半導(dǎo)體氧化鋅與少量的三氧化二鉻混合后，當(dāng)有催化劑鉑存在時(shí)，其元件的阻值與環(huán)境氣體中的乙烷、丙烷、異丁烷的含量有關(guān)，含量越高，阻值越??；如果把催化劑換成鈀，則對(duì)氫、一氧化碳、甲烷很敏感，也就是說(shuō)這些氣體的含量越高，阻值越小；如果這種元件的阻值不變，則表明空氣純凈。若將元件在純凈空氣中的阻值用R0

表示，則在有上述氣體的環(huán)境中的阻值用Rg表示，以氣體的濃度為橫坐標(biāo)，以阻值比Rg/R0為縱坐標(biāo)，氣體濃度與元件阻值比之間的關(guān)系曲線如圖11-2所示。圖11-2氣體濃度與氧化鋅元件阻值比之間的關(guān)系曲線

2.以三氧化二鐵為主的元件三氧化二鐵也是N型半導(dǎo)體材料，它又分為兩種，即α三氧化二鐵和γ三氧化二鐵。前者用來(lái)檢測(cè)液化石油氣；后者用來(lái)檢測(cè)乙烷、丙烷、丁烷、氫氣和以甲烷為主的天然氣，還可以檢測(cè)乙醇?xì)怏w。以三氧化二鐵為主要材料制做的敏感元件其阻值也是隨著氣體中被測(cè)氣體量的提高而減小。以氣體濃度為橫坐標(biāo)，以元件阻值為縱坐標(biāo)，可繪出特性曲線，如圖11-3所示。在實(shí)際中也可以使用氧化錫-氧化釷氣敏元件。在氧化錫中加入少量的氧化釷可制成對(duì)一氧化碳特別敏感的元件，這種元件在200℃左右時(shí)對(duì)一氧化碳最敏感。它的一個(gè)特點(diǎn)是對(duì)一氧化碳的靈敏度幾乎不受其它氣體的影響，也就是說(shuō)，對(duì)一氧化碳有獨(dú)特的選擇性。但是使用時(shí)，必須將元件加熱，而且必須維持在200℃左右。其它的氣敏元件通常也要加熱，但是并不像這種元件那樣嚴(yán)格。另外，該元件遇到一氧化碳就會(huì)使輸出振蕩電路振蕩起來(lái)，氣體的濃度越高，振蕩的頻率越低，幾乎成反比。其振幅隨著濃度的增大而增大。圖11-3以三氧化二鐵為主的元件阻值與氣體濃度之間的關(guān)系曲線另外，五氧化二釩元件在加入少量的銀之后對(duì)于一氧化氮很敏感，而對(duì)其它的氣體幾乎沒(méi)有反應(yīng)。同時(shí)，這種元件也需要加熱，溫度需要維持在300℃。11.1.3氣敏傳感器的應(yīng)用半導(dǎo)體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、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)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。按用途可將其分為氣體泄露報(bào)警、自動(dòng)控制、自動(dòng)測(cè)試等幾種類型。表11-1列出了半導(dǎo)體氣敏傳感器的檢測(cè)對(duì)象及應(yīng)用場(chǎng)合。11.2濕敏傳感器11.2.1濕敏傳感器概述濕度是指大氣中水蒸氣的含量，通常采用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表示方法。絕對(duì)濕度是指在一定的溫度和壓力下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量，單位為g/m3，一般用符號(hào)AH表示。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)濕度之比，一般用符號(hào)%RH表示。相對(duì)濕度給出大氣的潮濕程度，它是一個(gè)無(wú)量綱的量，在實(shí)際使用中多使用相對(duì)濕度這一概念。濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過(guò)器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號(hào)的器件。濕度檢測(cè)較之其它物理量的檢測(cè)顯得困難，這首先是因?yàn)榭諝庵兴魵獾暮恳瓤諝馍俚枚啵涣硗?，液態(tài)水會(huì)使一些高分子材料和電解質(zhì)材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質(zhì)結(jié)合成酸或堿，使?jié)衩舨牧鲜艿讲煌潭鹊母g和老化，從而喪失其原有的性質(zhì)；再者，濕信息的傳遞必須靠水與濕敏元件直接接觸來(lái)完成，因此濕敏元件只能直接暴露于待測(cè)環(huán)境中，不能密封。通常，對(duì)濕敏元件有下列要求:在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好，響應(yīng)時(shí)間短，壽命長(zhǎng)，有互換性，耐污染和受溫度影響小等。微型化、集成化及廉價(jià)是濕敏元件的發(fā)展方向。濕度的檢測(cè)已廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域，濕度不僅與工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)，而且是環(huán)境條件的重要指標(biāo)。11.2.2濕敏元件的分類濕敏元件是指對(duì)環(huán)境濕度具有響應(yīng)或能將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)可測(cè)信號(hào)的元件。濕敏傳感器是由濕敏元件及轉(zhuǎn)換電路組成的，具有把環(huán)境濕度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的能力。濕敏傳感器種類很多。按輸出量可分為電阻型、電容型和頻率型等；按探測(cè)功能可分為絕對(duì)濕度型、相對(duì)濕度型和結(jié)露型等；按材料可分為電解質(zhì)式、陶瓷式、有機(jī)高分子式和半導(dǎo)體式等。

1.氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測(cè)濕元件。它由引線、基片、感濕層及電極組成，如圖11-4所示。圖11-4濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖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均以正負(fù)離子的形式存在，而Li+對(duì)水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，其溶液中離子的導(dǎo)電能力與溶液濃度及離子數(shù)目成正比。當(dāng)溶液置于一定的溫濕場(chǎng)中時(shí)，若環(huán)境相對(duì)濕度高，溶液將吸收水分，使溶液中導(dǎo)電的離子數(shù)目增加，因此，其溶液電阻率降低。反之，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度變低時(shí)，則溶液中導(dǎo)電的離子數(shù)減少，其電阻率增加，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。氯化鋰濕敏元件的相對(duì)濕度-電阻特性曲線如圖11-5所示。圖11-5氯化鋰濕敏元件的相對(duì)濕度-電阻特性曲線由圖可知，在50%~80%的相對(duì)濕度范圍內(nèi)，電阻與濕度的變化呈線性關(guān)系。為了擴(kuò)大濕度測(cè)量的線性范圍，可以將多個(gè)氯化鋰(LiCl)含量不同的器件組合使用，如將測(cè)量范圍分別為(10%~20%)RH、(20%~40%)RH、(40%~70%)RH、(70%~90%)RH和(80%~99%)RH的五種器件配合使用，就可自動(dòng)地轉(zhuǎn)換，完成整個(gè)濕度范圍的濕度測(cè)量。氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點(diǎn)是滯后小，不受測(cè)試環(huán)境風(fēng)速的影響，檢測(cè)精度高達(dá)±5%，但其耐熱性差，不能用于露點(diǎn)以下的測(cè)量，器件性能重復(fù)性不理想，使用壽命短。

2.半導(dǎo)體陶瓷濕敏傳感器陶瓷濕敏傳感器的感濕機(jī)理目前尚無(wú)定論。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要提出了質(zhì)子型和電子型兩類導(dǎo)電機(jī)理，但這兩種機(jī)理有時(shí)并不能獨(dú)立地解釋一些傳感器的感濕特性，在此不再深入探究。只要知道這類傳感器是利用其表面多孔性吸濕進(jìn)行導(dǎo)電，從而改變?cè)淖柚稻托辛?。這種濕敏元件的阻值隨著外界濕度的變化而變化的特性便是用來(lái)制造濕敏傳感器的依據(jù)。陶瓷濕敏傳感器較成熟的產(chǎn)品有MgCr2O4-TiO2、ZnO-Cr2O3、ZrO2厚膜型、Al2O3薄膜型、TiO2-V2O2

薄膜型等。現(xiàn)以MgCr2O4-TiO2為例，說(shuō)明其結(jié)構(gòu)和工作原理。

MgCr2O4-TiO2濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕-電”轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特性半導(dǎo)瓷，其結(jié)構(gòu)如圖11-6所示，在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的兩面涂覆有多孔金屬電極。金屬電極與引出線燒結(jié)在一起，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，排除惡劣環(huán)境對(duì)器件的污染。整個(gè)器件安裝在陶瓷基片上，電極引線一般采用鉑-銥合金。

MgCr2O4-TiO2為P型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好。圖11-6MgCr2O4-TiO2陶瓷濕敏傳感器的結(jié)構(gòu)

MgCr2O4-TiO2陶瓷濕敏傳感器的相對(duì)濕度與電阻值之間的關(guān)系如圖11-7所示。傳感器的電阻值既隨所處環(huán)境的相對(duì)濕度的增加而減小，又隨周圍環(huán)境溫度的變化而有所變化。圖11-7MgCr2O4-TiO2陶瓷濕敏傳感器相對(duì)濕度與電阻值之間的關(guān)系曲線

3.有機(jī)高分子濕敏傳感器有機(jī)高分子濕敏傳感器常見的有高分子電阻式濕敏傳感器、高分子電容式濕敏傳感器和結(jié)露傳感器等。

1)高分子電阻式濕敏傳感器高分子電阻式濕敏傳感器的工件原理是水可以吸附在有極性基的高分子膜上，在低濕的環(huán)境下，因吸附量少，不能產(chǎn)生電離子，所以電阻值較高，當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí)，吸附量也增加，大量的吸附水就成為導(dǎo)電通道，高分子電解質(zhì)的正負(fù)離子主要起到載流子的作用，從而使高分子濕敏傳感器的電阻值下降。利用這種原理制成的傳感器稱為高分子電阻式濕敏傳感器。

2)高分子電容式濕敏傳感器高分子電容式濕敏傳感器是在絕緣襯底上制作一對(duì)平板金屬電極，然后在上面涂敷一層均勻的高分子感濕膜做電介質(zhì)，在表層以鍍膜的方法制作多孔浮置電極形成串聯(lián)電容。這種傳感器的原理是高分子材料吸水后，元件的介電常數(shù)隨環(huán)境的相對(duì)濕度的改變而變化，引起電容的變化，元件的介電常數(shù)是水與高分子材料的兩種介電常數(shù)的總和。當(dāng)水以水分子形式被吸附在高分子介質(zhì)膜中時(shí)，由于高分子介質(zhì)的介電常數(shù)遠(yuǎn)小于水的介電常數(shù)，因此介質(zhì)中水的成分對(duì)總介電常數(shù)的影響比較大，使元件對(duì)濕度有較好的敏感性能。

3)結(jié)露傳感器結(jié)露傳感器利用了摻入碳粉的有機(jī)高分子材料吸濕后的膨脹現(xiàn)象。在高濕條件下，高分子材料的膨脹使其中所含碳粉的間距發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電阻突變。利用這種現(xiàn)象可制成具有開關(guān)特性的濕敏傳感器。11.3色敏傳感器半導(dǎo)體色敏傳感器是半導(dǎo)體光敏器件的一種。它是基于半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器件。但是不管是光電導(dǎo)器件還是光生伏特效應(yīng)器件，它們檢測(cè)的都是一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的強(qiáng)度，或者說(shuō)光子的數(shù)目，而半導(dǎo)體色敏器件則可直接用來(lái)測(cè)量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長(zhǎng)。11.3.1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，故又稱為雙結(jié)光電二極管，其結(jié)構(gòu)原理及等效電路如圖11-8所示。為了說(shuō)明色敏傳感器的工作原理，有必要對(duì)光電二極管的工作原理做一回顧。圖11-8半導(dǎo)體色敏傳感器的結(jié)構(gòu)原理和等效電路

1.光電二極管的工作原理對(duì)于用半導(dǎo)體硅制造的光電二極管，當(dāng)受光照射時(shí)，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(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)。這些由光子激發(fā)而產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)統(tǒng)稱為光生載流子。光電二極管的基本部分是一個(gè)PN結(jié)。產(chǎn)生的光生載流子只要能擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)的邊界，其中少數(shù)載流子(P區(qū)中的電子或N區(qū)中的空穴)就受勢(shì)壘區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的吸引而被拉向背面區(qū)域，這部分少數(shù)載流子將對(duì)電流做出貢獻(xiàn)。多數(shù)載流子(N區(qū)中的電子或P區(qū)中的空穴)則受勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的排斥而留在勢(shì)壘的邊緣。在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生電子和光生空穴則分別被電場(chǎng)掃向N區(qū)和P區(qū)，它們對(duì)電流也有貢獻(xiàn)。用能帶圖來(lái)表示上述過(guò)程如圖11-9(a)所示。圖中Ec表示導(dǎo)帶底能量；Ev

表示價(jià)帶頂能量?！??！北硎編д姾傻目昭?；“·”表示電子。IL表示光電流，它由勢(shì)壘區(qū)兩邊能運(yùn)動(dòng)到勢(shì)壘邊緣的少數(shù)載流子和勢(shì)壘區(qū)中產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)構(gòu)成，其方向是由N區(qū)流向P區(qū)，即與無(wú)光照時(shí)PN結(jié)的反向飽和電流方向相同。圖11-9光照下的PN結(jié)當(dāng)PN結(jié)開路或接有負(fù)載時(shí)，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)收集的光生載流子便要在勢(shì)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(gè)光生電動(dòng)勢(shì)，如圖11-9(b)所示。該電動(dòng)勢(shì)使原PN結(jié)的勢(shì)壘高度下降為q(UD-U)。其中，U即光生電動(dòng)勢(shì)。它相當(dāng)于在PN結(jié)上加了正向偏壓，只不過(guò)這是光照形成的，而不是用電源饋送的。這個(gè)電壓稱為光生電壓，這種效應(yīng)就是光生伏特效應(yīng)。我們知道，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)帶躍遷到了導(dǎo)帶。這種吸收光子的過(guò)程稱為本征吸收，硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長(zhǎng)變化的曲線如圖11-10所示。圖中實(shí)線和虛線分別表示不同開爾文溫度下的響應(yīng)曲線。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(zhǎng)短的光子衰減較快，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。圖11-10硅的本征吸收系數(shù)隨入射光波長(zhǎng)變化的曲線圖11-11量子效率隨波長(zhǎng)變化的曲線對(duì)于光電器件而言，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。其物理意義是單位時(shí)間內(nèi)每入射一個(gè)光子所引起的流動(dòng)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(shí)量子效率隨波長(zhǎng)變化的曲線，如圖11-11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。

2.半導(dǎo)體色敏傳感器的工作原理圖11-8中所示的P+NP是結(jié)深不同的兩個(gè)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NP結(jié)。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)很短距離已基本吸收完畢。因此，淺結(jié)的那只光電二極管對(duì)紫外光的靈敏度高。而紅外部分吸收系數(shù)較小，這類波長(zhǎng)的光子則主要在深結(jié)區(qū)被吸收，因此深結(jié)的那只光電二極管對(duì)紅外光的靈敏度高。這就是說(shuō)，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。這一特性給我們提供了將這種器件用于顏色識(shí)別的可能性，即可以用來(lái)測(cè)量入射光的波長(zhǎng)。將兩只結(jié)深不同的光電二極管組合，就構(gòu)成了可以測(cè)定波長(zhǎng)的半導(dǎo)體色敏傳感器。在具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)先對(duì)該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定，即測(cè)定在不同波長(zhǎng)的光照射下，該器件中兩只光電二極管短路電流的比值ISD2/ISD1。ISD1是淺結(jié)二極管的短路電流，它在短波區(qū)較大。ISD2是深結(jié)二極管的短路電流，它在長(zhǎng)波區(qū)較大。因而兩者的比值與入射單色光波長(zhǎng)的關(guān)系就可以確定。圖11-12示出了不同結(jié)深二極管的光譜響應(yīng)曲線。圖中VD1代表淺結(jié)二極管，VD2代表深結(jié)二極管。

圖11-12硅色敏管中VD1和VD2的光譜響應(yīng)曲線11.3.2半導(dǎo)體色敏傳感器的基本特性

1.光譜特性光譜特性表示半導(dǎo)體色敏器件所能檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍。圖11-13(a)給出了國(guó)產(chǎn)CS-1型半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性，其波長(zhǎng)范圍是400