第9章半导体传感器 9,1气敏传感器 92湿敏传感器 93色敏传感器 94半导体式传感器的应用 返回主目录
9.1 气敏传感器 9.2 湿敏传感器 9.3 色敏传感器 9.4 半导体式传感器的应用 第9章 半导体传感器 返回主目录
第9章半导体传感器 91气敏传感器 用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上天 然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气 体的监测、预报和自动控制,气敏元件是以化学物质的成分 为检测参数的化学敏感元件。 气敏电阻的工作原理 气敏电阻的材料是金属氧化物,在合成材料时,通过化学 计量比的偏离和杂质缺陷制成,金属氧化物半导体分N型半导 体,如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等P型半导体,如氧 化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元件 对某些气体成分的选择性和灵敏度,合成材料有时还渗入了 催化剂,如钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)等
第9 章 半导体传感器 9.1 气 敏 传 感 器 用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上天 然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气 体的监测、预报和自动控制, 气敏元件是以化学物质的成分 为检测参数的化学敏感元件。 一、 气敏电阻的材料是金属氧化物, 在合成材料时, 通过化学 计量比的偏离和杂质缺陷制成, 金属氧化物半导体分N型半导 体, 如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等,P型半导体, 如氧 化钴、 氧化铅、氧化铜、氧化镍等。为了提高某种气敏元件 对某些气体成分的选择性和灵敏度, 合成材料有时还渗入了 催化剂, 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等
金属氧化物在常温下是绝缘的,制成半导体后却显示气 敏特性。通常器件工作在空气中,空气中的氧和NO2这样的 电子兼容性大的气体,接受来自半导体材料的电子而吸附负 电荷,结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电 子减少,使表面电导减小,从而使器件处于高阻状态。一旦元 件与被测还原性气体接触,就会与吸附的氧起反应,将被氧束 缚的电子释放出来,敏感膜表面电导增加,使元件电阻减小。 该类气敏元件通常工作在高温状态(200-450℃),目的 是为了加速上述的氧化还原反应
金属氧化物在常温下是绝缘的, 制成半导体后却显示气 敏特性。通常器件工作在空气中, 空气中的氧和NO2 这样的 电子兼容性大的气体, 接受来自半导体材料的电子而吸附负 电荷, 结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电 子减少, 使表面电导减小, 从而使器件处于高阻状态。一旦元 件与被测还原性气体接触, 就会与吸附的氧起反应, 将被氧束 缚的电子释放出来, 敏感膜表面电导增加, 使元件电阻减小。 该类气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）, 目的 是为了加速上述的氧化还原反应
例如,用氧化锡制成的气敏元件,在常温下吸附某种气 体后,其电导率变化不大,若保持这种气体浓度不变,该器件 的电导率随器件本身温度的升高而增加,尤其在100~300℃ 范围内电导率变化很大。显然,半导体电导率的增加是由于 多数载流子浓度增加的结果 氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系 如图9-1(b)所示 由上述分析可以看出,气敏元件工作时需要本身的温度 比环境温度高很多。因此,气敏元件结构上,有电阻丝加热, 结构如图9-2所示,1和2是加热电极,3和4是气敏电阻的一对 电极
例如, 用氧化锡制成的气敏元件, 在常温下吸附某种气 体后, 其电导率变化不大, 若保持这种气体浓度不变, 该器件 的电导率随器件本身温度的升高而增加, 尤其在100~300℃ 范围内电导率变化很大。显然, 半导体电导率的增加是由于 多数载流子浓度增加的结果。 氧化锡、 氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系 如图9 - 1（b）所示。 由上述分析可以看出, 气敏元件工作时需要本身的温度 比环境温度高很多。因此, 气敏元件结构上, 有电阻丝加热, 结构如图9 - 2所示, 1和2是加热电极, 3和4是气敏电阻的一对 电极
600 Sno 400 Zno E 彐 辑 200 R U 100 300 500 700 温度/℃ (b) 图9-1输出电压与温度的关系
。2 4 图9-2气敏元件结构
气敏元件的基本测量电路,如图9-1(a)所示,图中EH 为加热电源,EC为测量电源,电阻中气敏电阻值的变化引起电 路中电流的变化,输出电压(信号电压)由电阻R。上取出。 特别在低浓度下灵敏度高,而高浓度下趋于稳定值。因此,常 用来检査可燃性气体泄漏并报警等 气敏传感器的应用 气敏电阻元件种类很多,按制造工艺上分烧结型、薄膜 型、厚膜型 (1)烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属 氧化物气敏材料中,经加热成型后低温烧结而成。目前最常 用的是氧化锡(SnO2)烧结型气敏元件,它的加热温度较低 般在200~300℃,SnO2气敏半导体对许多可燃性气体,如氢、 氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较髙的灵敏度
气敏元件的基本测量电路, 如图9 - 1（a）所示, 图中EH 为加热电源, EC为测量电源, 电阻中气敏电阻值的变化引起电 路中电流的变化, 输出电压（信号电压）由电阻Ro上取出。 特别在低浓度下灵敏度高, 而高浓度下趋于稳定值。 因此, 常 用来检查可燃性气体泄漏并报警等。 二、 气敏传感器的应用 气敏电阻元件种类很多, 按制造工艺上分烧结型、薄膜 型、厚膜型。 （1） 烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属 氧化物气敏材料中, 经加热成型后低温烧结而成。 目前最常 用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件, 它的加热温度较低, 一般在200~300℃, SnO2气敏半导体对许多可燃性气体, 如氢、 一氧化碳、 甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度
(2)薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法,在石英 或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜(厚度0.1um以下),构成 薄膜型气敏元件。 氧化锌(ZnO)薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为 绝缘基片,通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属,用铂或钯膜作 引出电极,最后将基片上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半 导体,当添加铂作催化剂时,对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体 有较高的灵敏度,而对H2、CO2等气体灵敏度很低。若用钯作 催化剂时,对H2、CO有较高的灵敏度,而对烷烃类气体灵敏 度低。因此这种元件有良好的选择性,工作温度在400~500℃C 的较高温度
（2） 薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法, 在石英 或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（厚度0.1 μm以下）, 构成 薄膜型气敏元件。 氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为 绝缘基片, 通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属, 用铂或钯膜作 引出电极, 最后将基片上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半 导体, 当添加铂作催化剂时, 对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体 有较高的灵敏度, 而对H2、CO2等气体灵敏度很低。若用钯作 催化剂时, 对H2 、CO有较高的灵敏度, 而对烷烃类气体灵敏 度低。因此,这种元件有良好的选择性, 工作温度在400~500℃ 的较高温度
(3)厚膜型气敏元件将气敏材料(如SnO2、ZnO)与 定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。把厚膜胶用丝网印 刷到事先安装有铂电极的氧化铝(A2O3)基片上,在 400~800℃的温度下烧结1~2小时便制成厚膜型气敏元件。用 厚膜工艺制成的器件一致性较好,机械强度高,适于批量生产。 以上三种气敏器件都附有加热器,在实际应用时,加热器能 使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉,同时加速气体氧化 还原反应,从而提高器件的灵敏度和响应速度
（3） 厚膜型气敏元件将气敏材料（如SnO2、ZnO）与一 定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶。把厚膜胶用丝网印 刷 到 事 先 安 装 有 铂 电 极 的 氧 化 铝 （ Al2O3 ） 基 片 上 , 在 400~800℃的温度下烧结1~2小时便制成厚膜型气敏元件。用 厚膜工艺制成的器件一致性较好, 机械强度高, 适于批量生产。 以上三种气敏器件都附有加热器, 在实际应用时, 加热器能 使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉, 同时加速气体氧化 还原反应, 从而提高器件的灵敏度和响应速度
92湿敏传感器 湿度是指大气中的水蒸气含量,通常采用绝对湿度和相对 湿度两种表示方法。绝对湿度是指单位空间中所含水蒸气的 绝对含量或者浓度或者密度,一般用符号AH表示。相对湿度 是指被测气体中蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压 的百分比,一般用符号RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程 度,它是一个无量纲的量,在实际使用中多使用相对湿度这 概念。 下面介绍一些至今发展比较成熟的几类湿敏传感器 氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解,离子导电率发生 变化而制成的测湿元件。该元件的结构如图9-3所示,由引线 基片、感湿层与电极组成
9.2 湿 敏 传 感 器 湿度是指大气中的水蒸气含量, 通常采用绝对湿度和相对 湿度两种表示方法。 绝对湿度是指单位空间中所含水蒸气的 绝对含量或者浓度或者密度, 一般用符号AH表示。相对湿度 是指被测气体中蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压 的百分比, 一般用符号RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程 度, 它是一个无量纲的量, 在实际使用中多使用相对湿度这一 概念。 下面介绍一些至今发展比较成熟的几类湿敏传感器。 一、 氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解, 离子导电率发生 变化而制成的测湿元件。该元件的结构如图9 - 3所示, 由引线、 基片、 感湿层与电极组成