第9章 半导体2湿敏资料

如果对某一种半导瓷，它的晶粒间 的电阻并不比晶粒内电阻大很多，那么 表面层电阻的加大对总电阻并不起多大 作用。
不过，通常湿敏半导瓷材料都是多 孔的，表面电导占的比例很大，故表面 层电阻的升高，必将引起总电阻值的明
显升高。
但是，由于晶体内部低阻支路仍然
存在，正特性半导瓷的总电阻值的升高
没有负特性材料的阻值下降得那么明显。 图9-10给出了Fe3O4正特性半导瓷湿
由于水分子中的氢原子具有很强的 正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就
有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导
瓷表面带负电。
如果该半导瓷是Ｐ型半导体，则由
于水分子吸附使表面电势下降，将吸引
更多的空穴到达其表面，于是，其表面
层的电阻下降。
若该半导瓷为Ｎ型，则由于水分子 的附着使表面电势下降，
如果表面电势下降较多，不仅使表 面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴 达到表面层， 有可能使到达表面层的空穴浓度大 于电子浓度，出现所谓表面反型层，这 些空穴称为反型载流子。 它们同样可以在表面迁移而表现出 电导特性。
相对湿度给出大气的潮湿程度，无
量纲，在实际使用中多使用相对湿度。
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困难。
1.空气中水蒸气含量要比空气少得 多；
2.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，
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。 绝对湿度的定义：
在一定温度和压力条件下，每单位
体积的混合气体中所含水蒸气的质量， 单位为g/m3，用符号AH表示。
相对湿度的定义：
气体的绝对湿度与同一温度下达到
饱和状态的绝对湿度之比，用符号%RH
表示。
9.2.1
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。
1 4
2 3 1 —引 线 ； 2 —基 片 ； 3 —感 湿 层 ； 4 —金 电 极
图9-7 湿敏电阻结构示意图
氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，
在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以
正负离子的形式存在， 而Li＋对水分子的吸引力强，离子
氯化锂湿度—电阻特性曲线
在50%~80%相对湿度范围内，电阻 与湿度的变化成线性关系。 氯化锂湿敏元件的优点是滞后小， 不受测试环境风速影响，检测精度高达 ±５%，
但其耐热性差wk.baidu.com不能用于露点以下 测量，器件性能重复性不理想，使用寿 命短。
9.2.2 半导体陶瓷湿敏电阻 用两种以上的金属氧化物半导体材
料混合烧结而成为多孔陶瓷。
这些材料有：
ZnO-LiO2-V2O5系、
Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、 Fe3O4等。
前三种材料的电阻率随湿度增加而
下降，称为负特性湿敏半导体陶瓷。
最后一种的电阻率随湿度增加而增 大，称为正特性湿敏半导体陶瓷 (以下简 称半导瓷)。
1. 负特性湿敏半导瓷的导电机理
使湿敏材料受到腐蚀和老化，从而 丧失其原有的性质；
3. 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。
对湿敏器件要求：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。
金属 电极 湿敏 陶瓷片 加热 线圈 固定 端子
陶瓷 基片
引线
图9-11 MgCr2O4-TiO2陶瓷
在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆 有多孔金电极。 金电极与引出线烧结在一起，
为了减少测量误差，在陶瓷片外设 置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器 件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污 染。
几种半导瓷湿敏负特性
2. 正特性湿敏半导瓷的导电机理 正特性湿敏半导瓷的导电机理的解
释可以认为这类材料的结构、电子能量
状态与负特性材料有所不同。
当水分子附着半导瓷的表面使电势 变负时，导致其表面层电子浓度下降， 但这还不足以使表面层的空穴浓度增加 到出现反型程度，此时仍以电子导电为 主。
于是，表面电阻将由于电子浓度下 降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻 将随湿度的增加而加大。
敏电阻阻值与湿度的关系曲线。
2 20 2 00 1 80
电 阻 /
1 60 1 40 1 20 1 00 80 0 20 40 60 80 相 对 湿 度 / %R H 1 00
Fe3O4半导瓷的正湿敏特性
从图 9-9 与图 9-10 可以看出，当相 对湿度从 0%RH 变化到 100%RH 时，
因此，由于水分子的吸附，使N型
半导瓷材料的表面电阻下降。
由此可见，不论是P型还是N型半导 瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。
6 10
5 10
3
2
1
电 阻 /
4 10
3 10
0
2 0 4 0 6 0 8 0 1 00 相对湿度 / %R H
1 —Zn O—LiO 2 —V 2 O5 系； 2 —Si—Na 2 O—V 2 O5 系； 3 —TiO —MgO—Cr O 系 2 2 3
水合程度高，其溶液中的离子导电能力
与浓度成正比。
当溶液置于一定温湿场中，若环境
相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度
降低，因此，其溶液电阻率增高。
反之，环境相对湿度变低时，则溶 液浓度升高，其电阻率下降，从而实现
对湿度的测量。
7 .0 6 .5
电阻值的对 数 /
吸附 脱附 1 5℃
6 .0 5 .5 5 .0 4 .5 4 .0 40 50 60 70 80 相 对 湿 度 / %R H 90
整个器件安装在陶瓷基片上，电
极引线一般采用铂—铱合金。
8 10
7 10
6 10
电 阻 /
5 10
2 0℃
4 10
负特性材料的阻值均下降 3个数量级，
而正特性材料的阻值只增大了约一倍。
3. 典型半导瓷湿敏元件
（1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件 氧化镁复合氧化物——二氧化钛湿敏
材料通常制成多孔陶瓷型“湿—电”转 换器件，
它是负特性半导瓷， MgCr2O4 为 Ｐ型半导体，它的电阻率低，阻值温 度特性好， 结构如图9-11所示。