5半导体传感器(精)

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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腐蚀和老化，从而丧失其原有的性 质；
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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 27 （绿灯），VD2（红灯）。
当溶液置于一定湿度场中，若环境 RH 上升，溶液吸收水分子使浓度 下降 电阻率ρ 上升，反之RH下降， 溶液浓度上升，电阻率ρ 下降。 RH 吸湿——浓度 R RH 脱湿——浓度 R
通过测量溶液电阻R值实现对湿度测量。
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半导体陶瓷湿敏电阻（半导瓷）
通常用两种以上的金属—氧化物—半导体烧结成多孔 陶瓷，材料有正特性系数和负特性系数两种。
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光电二极管的工作原理
对于用半导体硅制造的光电二极管，在受光照射时，若入射
负特性湿敏半导体瓷的导电机理 水分子氢原子具有很强的正电场，水分子在半导瓷表面 吸附时从表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。 P型半导体 —— 水分子吸附表面电势下降，吸引空穴 到达表面， 使表面层电阻下降； N型半导体—— 水分子吸附表面电势下降，表面电势 下降较多时，电子耗尽，同时吸引更多的空穴到达表面， 可能使表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现反型层，这 些反型载流子同样可以在表面迁移而表现出电导特 性。 水 分子吸附时表面电阻也会下降。
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2）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 UGS>UT 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S—D间加电压UDS，S—D间有电流IDS流过，IDS随UDS、UGS变化。 当UGS<UT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。 Pd—MOSFET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。
测量露点的仪器
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湿度通常用绝对湿度和相对湿度表示： 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；
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湿敏传感器的应用
电子湿度计模块
封装后 的外形
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电子式温湿度计
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机械式、电子式温湿度计对比
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土 壤 湿 度 测 量
• RH为VT提供偏流，RH插入土壤，湿度不同传感器阻值不 同，基极电流不同， 使VT的Ie变化，在R2上转换为电压变化， 送运放A放大； • RH放在水中湿度100%，调节RP2使增益输出满量程5V； • RH擦（吹）干湿度0%，调节RP1比较端电压，使输出0V。
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为什么要测量湿度？
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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。
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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。
再者，湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成， 因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。 通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性 好，响应时间短，寿命长，有互换性，耐污染和受温度影响小 等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。
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氯化锂湿敏电阻
氯化锂湿敏电阻——电解质湿敏电阻 利用物质吸收水分子使导电率发生变化检测湿度。 在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl以正负离子的形式存在， 锂离子（Li+）对水分子的吸收力强，离子水合成度高， 溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加， 导电率上升,电阻率ρ下降 。
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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; 加热时间2～3分钟，加热电源一般为5V; 加热方式分为直热式和旁热式。
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3
1 3
引线 电极 加热 丝
引线 测量 电极 加热 丝 加热 丝
电极 绝缘 瓷管 SnO2 烧 结 体
2
4
2 4
(a )
直热式 (b )
旁热式
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(b )
组成：敏感元件、加热器、外壳； 制造工艺：烧结型、薄膜型、厚膜 型。 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 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。
金属氧化物有： • N型半导体，如：SnO2 Fe2O3 ZnO MnO2 TiO CrO3 敏感元件
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最新湿度测量应用领域 条烘干
面
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最新湿度测量应用领域 生产过程的空气质量
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色敏传感器
半导体色敏传感器是一种半导体光敏器件， 工作原理基于光电效应，可将光信号转换为 电信号的光辐射探测器。 一般光电器件是检测在一定波长范围内的光 强度或光子数目。而色敏器件可以直接测量 从可见光到近远红外波段内单色辐射波长。
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P N
• 负特性湿敏半导体瓷湿敏电阻， 电阻随湿度增加而下降。由于 水分子中氢原子具有很强的正 电场，当水分子在半导体瓷表 面吸附时可能从半导体瓷表面 俘获电子，使半导体表面带负 电，相当表面电势变负，电阻 率随湿度增加而下降。 • 正湿敏特性半导体瓷湿敏电阻 （例：Fe3O4），材料结构、 电子能量状态与负特性不同， 总的电阻值升高没有负特性阻 值下降的明显。 •
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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 变化； 如： 氧气具有负离子吸附倾向的气体，被称为 氧化型气体——电子接收性气体； 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——电子 供给性气体。
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当氧化型气体吸附到N型半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升； 当氧化型气体吸附到P型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降； 当还原型气体吸附到N型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻率下降； 当还原型气体吸附到P型半导体上， 半导体的载流子减少，电阻率上升；
利用MOS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
进行气体检测。
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1）MOS二极管气敏元件（电容—电压） • 在P型硅氧化层上蒸发一层钯（Pd）金属膜作电极。氧化层 （SiO2）电容Ca是固定不变的。而硅片与氧化层电容Cs是外 加电压的功函数，总电容C也是偏压的函数。MOS二极管的等 效电容C随电压U变化。 • 金属钯（Pd）对氢气（H2）特别敏感。当Pd吸附金属膜以后， 使Pd的功函数下降，使MOS管C—U特性向左平移，利用这一 特性用于测定氢气的浓度。
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气敏电阻外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
酒精测试仪
呼气管
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家庭用煤气报警器
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家庭用液化气 报警器
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一氧化碳传感器
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其他气体传感器
甲烷传感器
NH3传感器
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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。
气体与半导体接触时情况 N型半导体多电子 P型半导体多空穴
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N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。
多种气体检测系统
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红外吸收 (IR-process)
测量原理
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湿敏传感器
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。
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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 7－TiO2氧敏电阻 8－进气口 22 9－引脚