《傳感器技術(shù)》習(xí)題答案第10章

第十章氣敏和濕敏傳感器1.答：按照半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)，可分為電阻型和非電阻型兩種。電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用半導(dǎo)體接觸氣體時(shí)，其阻值的改變來檢測(cè)氣體的成分或濃度，是目前廣泛應(yīng)用的氣體傳感器之一，按結(jié)構(gòu)分：燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種，敏感體一般都需要在一定的溫度下才能正常工作，保證測(cè)量靈敏度和響應(yīng)速度，加熱器是不可缺少的。這類氣敏器件的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，使用方便；對(duì)氣體濃度變化響應(yīng)快；即使在低濃度（3000mg/kg）下，靈敏度也很高。其缺點(diǎn)在于：穩(wěn)定性差，老化較快，氣體識(shí)別能力不強(qiáng)；各器件之間的特性差異大等，在使用中受環(huán)境溫濕度影響較大，需要改進(jìn)。。非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件根據(jù)其對(duì)氣體的吸附反應(yīng)，使其某些有關(guān)特性發(fā)生變化，對(duì)氣體進(jìn)行直接或間接檢測(cè)。這類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩(wěn)定且價(jià)格便宜。利用特定材料還可以使器件對(duì)某些氣體特別敏感。2.答：導(dǎo)電機(jī)理可以用吸附效應(yīng)來解釋。在半導(dǎo)體表面原子性質(zhì)特別活躍，很容易吸附氣體分子。當(dāng)氣體分子的親和能（電勢(shì)能）大于半導(dǎo)體表面的電子逸出功時(shí)，吸附分子將從半導(dǎo)體表面奪取電子而變成負(fù)離子吸附，被稱為氧化型氣體，是電子接收性氣體，如氧氣、氧化氮等。當(dāng)N型半導(dǎo)體表面形成負(fù)離子吸附時(shí)，表面多數(shù)載流子（電子）濃度減少，電阻增加；對(duì)于P型半導(dǎo)體，則表面多數(shù)載流子（空穴）濃度增大，電阻減小。若氣體分子的電離能小于半導(dǎo)體表面的電子逸出功時(shí)，則氣體供給半導(dǎo)體表面電子，形成正離子吸附，被稱為還原型氣體，是電子供給性氣體，如H2、CO、C2H5OH（乙醇）及各種碳?xì)浠衔铩．?dāng)N型半導(dǎo)體表面形成正離子吸附時(shí)，多數(shù)載流子（電子）濃度增加，電阻減?。粚?duì)于P型半導(dǎo)體，則多數(shù)載流子（空穴）濃度減少，電阻增加。利用半導(dǎo)體表面電阻變化就可以檢測(cè)出氣體的種類和濃度。3.答：傳感器均由三部分組成：敏感體及其依附的基底、加熱器以及信號(hào)引出電級(jí)，按其結(jié)構(gòu)不同分為燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三種。燒結(jié)型氣敏傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性、氣體識(shí)別能力等不太令人滿意，且工作溫度較高會(huì)使敏感膜層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或物理變化。燒結(jié)型又分為內(nèi)熱式和旁熱式，旁熱式相比內(nèi)熱式穩(wěn)定性、可靠性好。薄膜型氣敏傳感器具有很高的靈敏度和響應(yīng)速度，敏感體的薄膜化有利于器件的低功耗、小型化，以及與集成電路制造技術(shù)兼容，同時(shí)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，而且具有互換性好、產(chǎn)量高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。厚膜型氣敏傳感器一致性較好，機(jī)械強(qiáng)度高，適于批量生產(chǎn)。4.答：氣敏器件的加熱器作用是加速氣體吸附，提高測(cè)量靈敏度和響應(yīng)速度；同時(shí)加熱器能燒掉附著在測(cè)控部分中的油霧、塵埃等。6.答：MOS二級(jí)管的結(jié)構(gòu)和等效電路如圖所示。在P型半導(dǎo)體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為（50～100）nm左右的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發(fā)一層鈀（Pd）的金屬薄膜，作為柵電極。由于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)，因此由等效電路可知，總電容C也是柵偏壓的函數(shù)。其函數(shù)關(guān)系稱為該類MOS二極管的C-V特性，如圖曲線a所示。由于鈀對(duì)氫氣（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-V特性向負(fù)偏壓方向平移，如曲線b所示。根據(jù)這一特性就可用于測(cè)定H2的濃度。7.答：氣敏半導(dǎo)體器件易受環(huán)境條件變化的影響。為了使器件處于最佳工作狀態(tài)，使用時(shí)需注意控制以下因素：1）氣敏半導(dǎo)體器件使用之前，必須經(jīng)過一定的電老化時(shí)間。器件從開始通電到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間與器件存放的條件和時(shí)間有關(guān)。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間存放的元件在標(biāo)定使用之前，一般需要1~2周的老化時(shí)間。連續(xù)測(cè)試時(shí)要注意保持前后測(cè)試條件一致。老化一般可以采用加熱及兩端加一定電壓的方式實(shí)現(xiàn)。2）在精度要求較高的檢測(cè)中要注意保持環(huán)境的溫濕度的一致性，因?yàn)槠骷砻嫖搅u基（-OH）的量與環(huán)境濕度關(guān)系極為密切，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡狀態(tài)。3）一般燒結(jié)型氣敏元件對(duì)某種氣體的檢測(cè)并不具有絕對(duì)的選擇性，不同種類、不同濃度的氣體傳感器有不同的電阻值，因此在使用時(shí)，一般可通過標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)氣體對(duì)傳感器靈敏度進(jìn)行調(diào)整和校正。同時(shí)在應(yīng)用中要注意環(huán)境氣氛的清潔。8.答：濕度是大氣中含水的量，表明了大氣的干濕程度。絕對(duì)濕度是指一定大小空間中水蒸氣的絕對(duì)含量，可用“kg/m3”表示，其定義式為：。相對(duì)濕度是待測(cè)空氣的水汽分壓與相同溫度下水的飽和水汽壓的比值的百分?jǐn)?shù)。這是一個(gè)無量綱的量，常表示為%RH。相對(duì)濕度。 9.答：對(duì)于負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷，如果該半導(dǎo)瓷是Ｐ型半導(dǎo)體（多數(shù)載流子是空穴），則由于水分子吸附使表面電勢(shì)下降，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面，于是，其表面層的電阻下降。若該半導(dǎo)瓷為Ｎ型（多數(shù)載流子是電子），則由于水分子的附著使表面電勢(shì)下降，如果表面電勢(shì)下降較多，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，有可能使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現(xiàn)所謂表面反型層，這些空穴稱為反型載流子。它們同樣可以在表面遷移而表現(xiàn)出電導(dǎo)特性。因此，由于水分子的吸附，使N型半導(dǎo)瓷材料的表面電阻下降。不論是Ｎ型還是Ｐ型半導(dǎo)瓷，其電阻率都隨濕度的增加而下降。正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理的解釋可以認(rèn)為這類材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性材料有所不同。當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢(shì)變負(fù)時(shí)，導(dǎo)致其表面層電子濃度下降，但這還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，此時(shí)仍以電子導(dǎo)電為主。于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。10.答：電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力，既與電解質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，又與電解質(zhì)溶液的濃度有關(guān)，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫度場(chǎng)中，若環(huán)境相對(duì)濕度高，溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?，因此，其溶液電阻率增高。反之，環(huán)境相對(duì)濕度變低時(shí)，則溶液濃度升高，其電阻