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1、半导体传感器 半导体传感器是典型的物理型传感器，它是半导体传感器是典型的物理型传感器，它是 利用某些材料的电特征的变化实现被测量的直利用某些材料的电特征的变化实现被测量的直 接转换，如改变半导体内载流子的数目。接转换，如改变半导体内载流子的数目。 凡凡 是用半导体材料制作的传感器都属于半导体传是用半导体材料制作的传感器都属于半导体传 感器。感器。 其中包括：光敏电阻、光敏二极管、其中包括：光敏电阻、光敏二极管、 光敏晶体管、霍尔元件、磁敏元件、压阻元件光敏晶体管、霍尔元件、磁敏元件、压阻元件 、气敏、湿敏等等。、气敏、湿敏等等。1纸 品木材烘干 湿度传感器 芯片生产要求最高的湿度稳定性2气敏传
2、感器湿敏 传感器3气 敏 传 感 器 气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的传 感器；感器； 如：如： l l工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测；工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测； l l环境保护，有害、有毒气体监测；环境保护，有害、有毒气体监测； l l酒后驾车，乙醇浓度检测；酒后驾车，乙醇浓度检测； 气敏传感器灵敏度较高，达气敏传感器灵敏度较高，达1010-6-61010-3-3数量级数量级 ，可检测到，可检测到 1/10 1/10 爆炸下限的可燃气体；爆炸下限的可燃气体； 由于气体种类很多，性质各不相同，不可能用由于气体种类很多，性质各不相同，不
3、可能用 同一种气体传感器测量所有气体，按半导体的物同一种气体传感器测量所有气体，按半导体的物 理特性，可分为电阻型和非电阻型。理特性，可分为电阻型和非电阻型。4半导体气敏传感器工作原理半导体气敏传感器工作原理(1) (1) 电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器半导体气敏传感器是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的 。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，可分为表面控制型和 体控制型。前者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；后者半导体与气体的反
4、应，使半导体内部组成发 生变化，而使电导率变化。5 电阻型气敏传感器是利用气体在半导体表电阻型气敏传感器是利用气体在半导体表 面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值面的氧化和还原反应，导致敏感元件阻值 变化；变化； 如：如： l l氧气具有负离子吸附倾向的气体，被称为氧气具有负离子吸附倾向的气体，被称为 氧化型气体氧化型气体电子接收性气体；电子接收性气体； l l氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸附氢、碳氧化合物、醇类等具有正离子吸附 倾向的气体，被称为还原型气体倾向的气体，被称为还原型气体电子电子 供给性气体。供给性气体。6l l当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到N N型半导体上，型半导体上
5、， 半导体的载流子减少，电阻率上升；半导体的载流子减少，电阻率上升； l l当氧化型气体吸附到当氧化型气体吸附到P P型半导体上，型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降；半导体的载流子增多，电阻率下降； l l当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到N N型半导体上，型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降；半导体的载流子增多，电阻率下降； l l当还原型气体吸附到当还原型气体吸附到P P型半导体上，型半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升；半导体的载流子减少，电阻率上升；气体与半导体接触时情况气体与半导体接触时情况 N N型半导体多电子型半导体多电子 P P型半导体多空穴型半导体多
6、空穴7N型半导体吸附气体时器件阻值变化图 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。8 在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的，在常温下，电导率变化并不大，达不到检测目的， 因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器因此以上结构的气敏元件都有电阻丝加热器; ; 加热时间加热时间2 23 3分钟，加热电源一般为分钟，加热电源一般为5V; 5V; 加热方式分为直热式和旁热式。加热方式分为直热式和旁热式。直热
7、式旁热式9 组成：敏感元件、加热器、外壳；组成：敏感元件、加热器、外壳； 制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜 型。型。 气敏电阻的材料是金属氧化物，合气敏电阻的材料是金属氧化物，合 成时加敏感材料和催化剂烧结，这成时加敏感材料和催化剂烧结，这 些金属氧化物在常温下是绝缘的，些金属氧化物在常温下是绝缘的， 制成半导体后显示气敏特性。制成半导体后显示气敏特性。 金属氧化物有：金属氧化物有： N N型半导体，如：型半导体，如：SnOSnO2 2Fe Fe2 2O O3 3ZnOZnO TiOTiO P P型半导体，如：型半导体，如：CoOCoO2 2 PbOPbO MnO
8、MnO2 2CrO CrO3 3vv 电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述：电阻型半导体气敏传感器导电机理用一句话描述： 利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化利用半导体表面因吸附气体引起半导体元件电阻值变化 ，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种类和浓度 。敏感元件敏感元件10(2) (2) 非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器非电阻型半导体气敏传感器主要类型：非电阻型半导体气敏传感器主要类型： 利用利用MOSMOS二极管的电容二极管的电容电压特性变化；电压特性变化； 利用利用MOSMOS场效应管的阈值电压的变化；
9、场效应管的阈值电压的变化； 利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化利用肖特基金属半导体二极管的势垒变化进行气体检测。进行气体检测。111 1）MOSMOS二极管气敏元件二极管气敏元件（电容（电容电压）电压） 在在P P型硅氧化层上蒸发一层钯（型硅氧化层上蒸发一层钯（PdPd）金属膜作电极。氧化层（）金属膜作电极。氧化层（ SiO2SiO2）电容）电容CaCa是固定不变的。而硅片与氧化层电容是固定不变的。而硅片与氧化层电容CsCs是外加是外加 电压的功函数，总电容电压的功函数，总电容C C也是偏压的函数。也是偏压的函数。MOSMOS二极管的等效二极管的等效 电容电容C C随电压随电压U U变化。变
10、化。 金属钯（金属钯（PdPd）对氢气（）对氢气（H2H2）特别敏感。当）特别敏感。当PdPd吸附金属膜以后吸附金属膜以后 ，使，使PdPd的功函数下降，使的功函数下降，使MOSMOS管管CUCU特性向左平移，利用这一特性向左平移，利用这一 特性用于测定氢气的浓度。特性用于测定氢气的浓度。122）MOSFET气敏元件 Pd对H2吸附性很强，H2吸附在Pd栅上引起的Pd功函数降低 。当栅极（G）源极（S）间加正向偏压 UGSUT 阀值时，栅极 氧化层下的硅从P变为N型，N型区将S（源）和D（漏）连接起 来，形成导电通道（N型沟道）此时MOSFET进入工作状态。在SD间加电压UDS，SD间有电流I
11、DS流过，IDS随UDS、UGS变化 。当UGSUT时，沟道没形成，无漏源电流IDS=0。 UT（阀值）电压大小与金属与半导体间的功函数有关。 PdMOSFET器件就是利用H2在钯栅极吸附后改变功函数使UT下 降，检测H2浓度。133）肖特基二极管 金属和半导体接触的界面形成肖特 基势垒，构成金属半导体二极管。管 子加正偏压，半导体金属的电子流增 加，正向导通电阻极小UD0.2，加负 偏压时UD 很大，相当开路几乎无电流 。当金属与半导体界面有气体时，势 垒降低，电流变化（上升）。 金属与半导体界面吸附气体时，影 响半导体禁带宽度Eg，二极管正向偏 压条件下，气体浓度 电流 输出电 压UR 。
12、 非电阻型半导体气敏传感器主要用 于氢气浓度测量。14气敏电阻外形 酒精传感器其他可燃性 气体传感器15酒精测试仪呼气管16家庭用煤气报警器17家庭用液化气 报警器18一氧化碳传感器19其他气体传感器NH3传感器甲烷传感器20二氧化钛氧浓度传感器半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体， 对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的 氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧 化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大 。 图示是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传 感器结构图及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补 偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减 小时，RTiO2的
13、阻值减小，Uo增大。在图b中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt 起温 度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻 值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根据 分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。 21图 TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路a）结构 b）测量转换电路 1外壳（接地）2安装螺栓 3搭铁线 4保护管 5补偿电阻 6陶瓷片 7TiO2氧敏电阻 8进气口 9引脚 22氧浓度传感器外形 可用于汽车 尾气测量23汽车尾气分析24有毒气体传感器的使用25n酒精测试 仪 26防 酒 后 驾 车 汽 车 点 火 电 路 无酒精时，S闭合，气敏电阻高，Ua高Uo低，定时
14、器输出高，J2 释放，J1闭合，点火； 有酒精时，气敏电阻下降，Ua低Uo高，定时器输出低，J2吸合 ，J2-1断开，不启动； 若司机拔出气敏传感器，J1断电J1-1断开无法启动。J1-2气敏 元件加热回路。 继电器J1-1、J1-2常开接点， J2-1 常闭接点， J2-2常接VD1 （绿灯），VD2（红灯）。 27多种气体检测系统28红外吸收 (IR-process) 测量原理29湿敏传感器湿敏传感器 v 湿度是指空气中的水蒸气含量，干燥或潮湿对我 们的生活有很大影响，潮湿发霉，干燥不舒服。 湿度传感器主要应用于温湿度检测控制、军械仓库、 粮仓、水果保鲜等场合。 最早人们用头发随湿度变 化
15、而伸长或缩短现象做毛发湿度计，逐渐有了电阻湿 度计，半导体湿度计是近年来才出现的。30为什么要测量湿度？31湿度对电子元件的影响当环境的相对湿度增大时，物体表面就 会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅 降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短 路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引 起有机材料的霉烂。32露点 降低温度 会产生结露现 象。露点与农 作物的生长有 很大关系，结 露也严重影响 电子仪器的正 常工作，必须 予以注意。 测量露点的仪器 33v 湿度通常用绝对湿度和相对湿度表示： v 绝对湿度：单位空间所含水蒸汽的绝对 含量或浓度，用符号 AH 表示，单位（ g/m3）。 相对湿度，被测气体中蒸汽压和该气体 在相同温度下饱合水蒸气压的百分比， 一般用 %RH 表示，无量纲。 不同环境所需湿度不同，测量方法很多 ，但精度不高。目前世界上最高水平湿 度测量精度在0.01%左右； 34湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的 物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿度检测较之其它物理量的检测显得困难，这首先是因为 空气中水蒸气含量要比空气少得多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一 部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱， 使湿敏材料不同程度地受到
