第章半导体传感器 第9章半导体传感器 9,1气敏传感器 9,2湿敏传感器 93色敏传感器 9,4半导体式传感器应用 BACK
第9章 半导体传感器 第9章 半导体传感器 9.1 气敏传感器 9.2 湿敏传感器 9.3 色敏传感器 9.4 半导体式传感器应用
第章半导体传感器 91气敏传感器 911概述 用途:用来检测气体类别、浓度和成分 分类:按构成气敏传感器的材料分为两大类:半导体和 非半导体气敏传感器。使用最多的是半导体气敏传感器
第9章 半导体传感器 9.1 气 敏 传 感 器 9.1.1 概述 用途：用来检测气体类别、浓度和成分。 分类：按构成气敏传感器的材料分为两大类：半导体和 非半导体气敏传感器。使用最多的是半导体气敏传感器
盏第障章半导体传感器￡ 半导体气敏传感器 工作原理:利用待测气体与半导体表面接触时,产生的电导率 等物理性质变化来检测气体。 分类: 表面控制型和体控制型—按照半导体与气体相互作用时产生的变 化只限于半导体表面或深入到半导体内部,可分为 表面控制型一半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子 接受,结果使半导体的电导率等物理性质发生变化,但内部化学 组成不变; 体控制型--￥导体与气体的反应,使半导体内部组成发生 变化,历使电导率变化 电阻型和非电阻型—按照半导体变化的物理特性,又可分为~。 电阻型是利用敏感材料接触气体时,其阻值变化来检测气体 的成分或浓度; 非电阻型是利用其它参数,如二极管伏安特性和场效应晶体 管的阈值电压变化来检测被测气体的
第9章 半导体传感器 半导体气敏传感器 工作原理：利用待测气体与半导体表面接触时， 产生的电导率 等物理性质变化来检测气体。 分类： 表面控制型和体控制型—按照半导体与气体相互作用时产生的变 化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为～。 表面控制型----半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子 接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学 组成不变； 体控制型----半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生 变化，而使电导率变化。 电阻型和非电阻型—按照半导体变化的物理特性，又可分为～。 电阻型是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体 的成分或浓度； 非电阻型是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体 管的阈值电压变化来检测被测气体的
第章半导体传感器 表91半导体气敏元件的分类 主要物理特性类型 检测气体 气敏元件 表面控制型可燃性气体|SnO、ZnO等的烧结体、溥膜、厚膜 氧化镁,SnO2 电阻型 电阻 酒精 体控制型可燃性气体氧化钛(烧结体) 氧气 T-Fe2 O3 氢气 铂一硫化镉 二极管整流 一氧化碳 铂一氧化钛 非电阻型 特性 表面控制型酒精 金属—一半导体结型二极管) 晶体管特性 氢气、硫化氢铂栅、钯栅MOS场效应管
第9章 半导体传感器 表9-1 半导体气敏元件的分类
第章半导体传感器 气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的,由于检测现 场温度、湿度的变化很大,又存在大量粉尘和油雾等,所以其工 作条件较恶劣,而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物, 附着在元件表面,往往会使其性能变差 对气敏元件有下列要求:能长期稳定工作,重复性好 响应速度快,共存物质产生的影响小等 半导体气敏传感器的应用:主要用于工业上的天然气 煤气,石油化工等部门的易燃、易爆、有毒等有害气 体的监测、预报和自动控制
第9章 半导体传感器 气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现 场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工 作条件较恶劣， 而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物， 附着在元件表面，往往会使其性能变差 对气敏元件有下列要求：能长期稳定工作，重复性好， 响应速度快， 共存物质产生的影响小等。 半导体气敏传感器的应用：主要用于工业上的天然气、 煤气，石油化工等部门的易燃、 易爆、有毒等有害气 体的监测、预报和自动控制
第章半导体传感器 912半导体气敏传感器的机理 制作机理:利用气体在半导体表面的氧化和还原反应 导致敏感元件阻值变化而制成的。 当半导体器件被加热到稳定状态,在气体接触半导体表面而被 吸附时→被吸附的分子首先在表面物性自由扩散→失去运动能量, 部分分子被蒸发掉,另一部分残图分子产生热分解而固定在吸附处 (化学吸附)→ 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力气体的吸附和渗透特 性)时→吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附,半导体表面 呈现电荷层。例如氧气等具有负离子级附倾向的气体被称为 氧化型气体或电子接收性气体。 如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能,吸附分子将向器 件释放出电子,而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气 体有H2、CO、碳氢化合物和醇类,它们被称为还原型气 体或电子供给性气体
第9章 半导体传感器 9.1.2 半导体气敏传感器的机理 制作机理：利用气体在半导体表面的氧化和还原反应 导致敏感元件阻值变化而制成的。 当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被 吸附时→被吸附的分子首先在表面物性自由扩散→失去运动能量，一 部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处 （化学吸附）→ 当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特 性)时→吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体表面 呈现电荷层。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为 氧化型气体或电子接收性气体。 如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器 件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气 体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气 体或电子供给性气体
第章半导体传感器 当氧化型气体级附到N型半导体上,还原型气 体吸附珋型半导体时→将使半导体载流子减少 使电阻值增大。当还原型气体吸所到N型半导体上 氧化型气体吸所型半导体上的→则载流子增多 使半导体电阻值下降
第9章 半导体传感器 当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气 体吸附到P型半导体上时→将使半导体载流子减少→ 使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上， 氧化型气体吸附到P型半导体上时→则载流子增多， 使半导体电阻值下降
第章半导体传感器 图9-1表示了气体接触N型 半导体时所产生的器件阻值 变化情况。由于空气中的含 器件电阻⑨k 响应时间约1min以内 氧量大体上是恒定的,因 此氧的吸附量也是恒定的, 稳定状 氧化型 器件加热 太 器件阻值也相对固定。若气 体浓度发生变化,其阻值也 50 将变化。根据这一特性,可 以从阻值的变化得知吸附气 5 还原型 体的种类和浓度。半导体气 2 min 4 min 加热开 敏时间(响应时间)一般不超 吸气时 大气中 过1min。N型材料有SnO2 ZnO、TO等,P型材料有 图9-1N型半导体吸附气 MoO2、CrO3等。 体时器件阻值变化图
第9章 半导体传感器 图 9-1 N型半导体吸附气 体时器件阻值变化图 100 5 50 加 热 开 关 大 气 中 2 min 4 min 吸 气 时 还 原 型 稳 定 状 氧 化 型 器 件 加 热 态 响 应 时 间 约 1 min以 内 器 件 电 阻 / k 图9-1表示了气体接触N型 半导体时所产生的器件阻值 变化情况。由于空气中的含 氧量大体上是恒定的， 因 此氧的吸附量也是恒定的， 器件阻值也相对固定。若气 体浓度发生变化，其阻值也 将变化。根据这一特性，可 以从阻值的变化得知吸附气 体的种类和浓度。半导体气 敏时间(响应时间)一般不超 过1min。N型材料有SnO2、 ZnO、TiO等，P型材料有 MoO2、CrO3等
第章半导体传感器 913半导体气敏传感器类型及结构 1.电阻型半导体气敏传感器 组成:敏感元件、加热器、外壳。 分类:烧结型、薄膜型、厚膜型器件。 半导体 0.5mm电极 电极(铂丝) 氧化物半导体 0.6mm 绝缘基片 加热器 加热器电极 3 mm 玻璃(尺寸约1mm,也有 半导体的) (b) 图92气敏半导体传感器的器件结构 (a)烧结型气敏器件;(b)薄膜型器件;(c)厚膜型器件
第9章 半导体传感器 9.1.3 1. 电阻型半导体气敏传感器 组成：敏感元件、加热器、外壳。 分类：烧结型、薄膜型、厚膜型器件。 图9-2 (a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
第章半导体传感器 0.5 氧化物半导体 (单位:mm) Pt电极 22∠氧化铝基片 7 器件加热用的加热器(印制 厚膜电阻) C 图92气敏半导体传感器的器件结构 (a)烧结型气敏器件;(b)薄膜型器件;(c)厚膜型器件
第9章 半导体传感器 3 3 0.5 (单 位 : mm) 7 (c) 氧 化 铝 基 片 P t电 极 氧 化 物 半 导 体 器 件 加 热 用 的 加 热 器 (印 制 厚 膜 电 阻 ) 图9-2 (a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件