第九章 半导体传感器-工程硕士
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半导体传感器
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。
2 湿敏传感器 ◆水的饱和蒸气压随温度的降低而逐渐下降。在同样的空气水
蒸气压下，温度越低，则空气的水蒸气压与同温度下水的饱 和蒸气压差值越小。当空气温度下降到某一温度时，空气中 的水蒸气压与同温度下水的饱和水蒸气压相等。此时，空气 中的水蒸气将向液相转化而凝结成露珠，相对湿度为100％ RH。该温度称为空气的露点温度，简称露点。如果这一温 度低于0℃时，水蒸气将结霜，又称为霜点温度。两者统称 为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因而可用露点表 示空气中的湿度。
1 半导体气敏传感器
1.1 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。
图10-3 湿敏电阻结构示意图 1-引线；2-基片；3-感湿层；4-金属电极
◆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。当溶液臵于一定温湿场中，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。 ◆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，不能用于露点以下测 量，器件性能的重复性不理想，使用寿命短。
第九章半导体传感器
3.
（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 - 7所示, 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。 整个器件安装在陶瓷基片上, 电 极引线一般采用铂-铱合金。
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。
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。
在势垒区内产生的光生电子和光生空穴, 则分别被电场 扫向N区和P区, 它们对电流也有贡献。 用能带图来表示上述 过程如图9 - 11（a）所示。 图中Ec表示导带底能量; Ev表示 价带顶能量。 “ ”表示带正电荷的空穴; “· ”表示电子。 IL表示光电流, 它由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载 流子和势垒区中产生的电子-空穴对构成, 其方向是由N区流 向P区, 即与无光照射P-N结的反向饱和电流方向相同。
（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 - 7所示, 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。 整个器件安装在陶瓷基片上, 电 极引线一般采用铂-铱合金。
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。
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。
在势垒区内产生的光生电子和光生空穴, 则分别被电场 扫向N区和P区, 它们对电流也有贡献。 用能带图来表示上述 过程如图9 - 11（a）所示。 图中Ec表示导带底能量; Ev表示 价带顶能量。 “ ”表示带正电荷的空穴; “· ”表示电子。 IL表示光电流, 它由势垒区两边能运动到势垒边缘的少数载 流子和势垒区中产生的电子-空穴对构成, 其方向是由N区流 向P区, 即与无光照射P-N结的反向饱和电流方向相同。
半导体传感器
1．霍尔效应
长为L、宽为b、厚为d的导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度
为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制 电流 I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制电流 I 和磁感应强度 B 乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。这 一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件。
2．输入电阻Ri和输出电阻R0 Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值， R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻， 单位为Ω。可以在无磁场即B＝0时，用欧姆表等测量。 3．不平衡电势U0 在额定控制电流 I 之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍 尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mV。不平衡电势和额定控 制电流 I 之比为不平衡电阻r0。 4．霍尔电势温度系数α 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔 电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数α，单位为1／℃。 4
的输入电阻随温
度的增加值为
ΔRi = Rit0βt。用
稳压源供电时， 控制电流和输出 电势的减小量为
IRIR t0iR t0i(t10tt)
UHUH0R R i0 tR it(0 t1 (1 t)t)
全 补 偿 条 件 ： U H U HR()R it0(1t)
在霍尔元件的β、α为已知的条件下，即可求得R与Rt0的关系。但是，R 仍然是温度t的函数。实际的补偿电路如上图 (c)所示。调节电位器W1可 以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上 并联热敏电阻Rt。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使补 偿温度电基桥本的无输关出。电压UH相应变化，只要仔细调节，即可使其输出电压12UH与
长为L、宽为b、厚为d的导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度
为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制 电流 I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制电流 I 和磁感应强度 B 乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。这 一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件。
2．输入电阻Ri和输出电阻R0 Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值， R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻， 单位为Ω。可以在无磁场即B＝0时，用欧姆表等测量。 3．不平衡电势U0 在额定控制电流 I 之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍 尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mV。不平衡电势和额定控 制电流 I 之比为不平衡电阻r0。 4．霍尔电势温度系数α 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔 电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数α，单位为1／℃。 4
的输入电阻随温
度的增加值为
ΔRi = Rit0βt。用
稳压源供电时， 控制电流和输出 电势的减小量为
IRIR t0iR t0i(t10tt)
UHUH0R R i0 tR it(0 t1 (1 t)t)
全 补 偿 条 件 ： U H U HR()R it0(1t)
在霍尔元件的β、α为已知的条件下，即可求得R与Rt0的关系。但是，R 仍然是温度t的函数。实际的补偿电路如上图 (c)所示。调节电位器W1可 以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上 并联热敏电阻Rt。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使补 偿温度电基桥本的无输关出。电压UH相应变化，只要仔细调节，即可使其输出电压12UH与
半导体传感器
半导体传感器半导体传感器利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器。
所采用的半导体材料多数是硅以及Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族元素化合物。
半导体传感器种类繁多，它利用近百种物理效应和材料的特性，具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉功能。
优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。
半导体传感器的主要应用领域是工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。
半导体传感器按输入信息分为物理敏感、化学敏感和生物敏感半导体传感器三类。
半导体传感器利用半导体性质易受外界条件影响这一特性制成的传感器。
根据检出对象,半导体传感器可分为物理传感器，检出对象为光、温度、磁、压力、湿度等；也可以是化学传感器，检出对象为气体分子、离子、有机分子等；还可以是生物传感器，检出对象为生物化学物质。
光传感器根据光和半导体的相互作用原理制成的传感器，如现在广泛使用的太阳能。
通过在半导体中掺进杂质可以在禁带中造成新的能级，可以人为地将光的吸收移至长波范围，所以现在在冬天也可以用太阳能热水器等等。
半导体光传感器种类很多，可以通过光导效应、光电效应、光电流等实现光的检出，如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等。
改变结构，还可以制成具有新功能的光传感器，例如灵敏度高和响应速度快的近红外检出器件、仅在特定波长范围灵敏的器件、发光与受光器件处于同一衬底的器件、可进行光检出和电流放大的器件、光导膜与液晶元件相结合的器件、电荷耦合器件等。
在物理传感器中，传感器的种类有很多，光电池就是其中一种物理传感器，它又叫做太阳能电池，它是直接把光能转化成电能的器件。
现在用得最多的是硅光电池，其开路电压一般在0.45～0.6v之间，当照度在2000Lx以下时，开路电压与照度近似成线性关系，而在超过2000Lx时开始显示出非线性。
其短路电流一般与照度呈线性关系，而受照面积越大，短路电流也越大，一般当照度在1000Lx以下时，短路电流在2～3mA/cm2之间。
第9章 半导体式传感器(《传感器基础》课件)
第9章 半导体式传感器 章
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， 又可分为表面电阻控制型 体电阻控制型 表面电阻控制型和体电阻控制型 表面电阻控制型 体电阻控制型。
第9章 半导体式传感器 章
9.1.2 电阻型半导体气敏传感器
1. 材料和结构
因为许多金属氧化物具有气敏效应，这些金属氧化 物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因 此称之为半导体陶瓷，简称半导瓷。由于半导瓷与半导 体单晶相比具有工艺简单、价格低廉等优点，因此已经 用它制作了多种具有实用价值的敏感元件。在诸多的半 导体气敏元件中，用氧化锡(SnO2)制成的元件具有结构 简单、成本低、可靠性高，稳定性好、信号处理容易等 一系列优点，应用最为广泛。 半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、 半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、 加热器和外壳。 加热器和外壳。
第9章 半导体式传感器 章
被吸附气体分子从气敏元件得到电子，使N型半 导体中载流子电子减少，因而电阻值增大。 如果被测气体为还原性气体(如H2、CO、酒精 等)，气体分子向气敏元件释放电子，使元件中 载流子电子增多，因而电阻值下降。 图所示为典型气敏元件的阻值－浓度关系。 图所示为典型气敏元件的阻值－浓度关系。
气敏传感器的性能必须满足下列条件： 气敏传感器的性能必须满足下列条件
(1) 能够检测易爆炸气体的允许浓度、有害气体 的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出 报警、显示和控制信号。 (2) 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。 (3) 性能长期稳定性好、重复性好、动态特性好、 响应迅速。 (4) 使用、维护方便，价格便宜等。
第9章 半导体式传感器 章
9.1.1 半导体气敏传感器的分类 半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷 材料作为敏感元件制作的气敏传感器以及用单晶 半导体器件制作的气敏传感器，分类如表9-1所 9-1 示。 按照半导体变化的物理特征，可分为电阻型 电阻型 和非电阻型 非电阻型两类。前者是利用敏感元件吸附气体 非电阻型 后电阻值随着被测气体的浓度改变来检测气体的 浓度或成分；后者是利用二极管伏安特性和场效 应管的阈值电压变化来检测被测气体。
第9章 半导体磁敏传感器
模拟检测出转角。
三、磁阻元件的应用
(3)无触点点开关。当磁阻元件接近永久磁铁时会 使元件阻值增大，再根据需要将信号放大或直 接驱动晶体管，就可以实现无触点开关功能或 计数功能。电路如图9-17所示。
§9-3 磁敏二极管和磁敏三极管
磁敏二极管和磁敏三极管是由锗 或硅半导体材料制成的，其中二极管 具有长基区的P+一i一N+型的二极管 结构，磁敏三极管则是具有双极型晶 体管结构的磁电转换元件。
1.不等位电动势U0及其补偿
当霍尔元件在额定控制电流作用下， 不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载 电动势，称为不等位电动势U0。
U0产生的原因：
(1)制造工艺不可能保证将两个霍尔电 极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电 极点不能完全位于同一等位面上，如图 5-8a所示。
(2)霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均 匀或控制电流极接触不良都将使等位面 歪斜(见图5-8b)，致使两霍尔电极不在同 一等位面上而产生不等位电动势。
磁阻效应与霍尔效应区别在于，霍尔电势是指 垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是 沿电流方向产生的阻值变化。磁阻效应与材料 性质及几何形状有关，一般迁移率愈大的材料， 磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻 效应愈大。
磁阻元件是利用半导体的磁阻效应而制作的元 件，这种元件的电阻值能够随着磁场的增加而 增大。它的优点是像电阻元件一样，只有两个 端子，结构简单，安装方便。缺点是磁阻元件 的电特性比霍尔元件的复杂，不是单一的线性 输出。半导体磁阻元件外形呈扁平状，非常薄， 它 是 在 0.1~0.5mm 的 绝 缘 基 片 上 蒸 镀 上 约 20~25μm 的 一 层 半 导 体 材 料 制 成 的 ， 也 有 在 半 导体薄片上腐蚀成型的。为了增加有效电阻， 将其制成电阻应变片那样的弯曲栅格，端子用 导线引出后，再用绝缘材料覆盖密封。常见的 磁阻元件有lnSb(栅格型)、lnSb—NiSb(共晶型) 和薄膜型等。
三、磁阻元件的应用
(3)无触点点开关。当磁阻元件接近永久磁铁时会 使元件阻值增大，再根据需要将信号放大或直 接驱动晶体管，就可以实现无触点开关功能或 计数功能。电路如图9-17所示。
§9-3 磁敏二极管和磁敏三极管
磁敏二极管和磁敏三极管是由锗 或硅半导体材料制成的，其中二极管 具有长基区的P+一i一N+型的二极管 结构，磁敏三极管则是具有双极型晶 体管结构的磁电转换元件。
1.不等位电动势U0及其补偿
当霍尔元件在额定控制电流作用下， 不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载 电动势，称为不等位电动势U0。
U0产生的原因：
(1)制造工艺不可能保证将两个霍尔电 极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电 极点不能完全位于同一等位面上，如图 5-8a所示。
(2)霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均 匀或控制电流极接触不良都将使等位面 歪斜(见图5-8b)，致使两霍尔电极不在同 一等位面上而产生不等位电动势。
磁阻效应与霍尔效应区别在于，霍尔电势是指 垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是 沿电流方向产生的阻值变化。磁阻效应与材料 性质及几何形状有关，一般迁移率愈大的材料， 磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻 效应愈大。
磁阻元件是利用半导体的磁阻效应而制作的元 件，这种元件的电阻值能够随着磁场的增加而 增大。它的优点是像电阻元件一样，只有两个 端子，结构简单，安装方便。缺点是磁阻元件 的电特性比霍尔元件的复杂，不是单一的线性 输出。半导体磁阻元件外形呈扁平状，非常薄， 它 是 在 0.1~0.5mm 的 绝 缘 基 片 上 蒸 镀 上 约 20~25μm 的 一 层 半 导 体 材 料 制 成 的 ， 也 有 在 半 导体薄片上腐蚀成型的。为了增加有效电阻， 将其制成电阻应变片那样的弯曲栅格，端子用 导线引出后，再用绝缘材料覆盖密封。常见的 磁阻元件有lnSb(栅格型)、lnSb—NiSb(共晶型) 和薄膜型等。
第九章-半导体式传感器可编辑全文
湿体的周围设置一个加热器。加热温度为450℃,加
热时间为1分钟。为保证传感器的测量精度,需要对湿 度传感器定时进行加热清洗。
负湿度系数
按指数规律下降
(a)电阻-湿度特性
(b)电阻-温度特性
图9.6 MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性
注意：
烧结型Fe3O4湿敏元件的阻值会随湿度的
增加而加大，具有正特性。
正湿度系数
高分子湿敏元件
❖ 能做成湿敏元件的高分子材料有醋酸纤维素、聚胺 树脂、聚乙烯醇、羟乙基纤维等。高分子湿敏元件 有电容式、电阻式、石英振动式等。
❖ 电容式湿敏元件所用到的高分子材料是醋酸纤维素， 高分子吸湿后电容变大，它的性能稳定，重复性好， 响应快，但环境温度不能超过80oC。
❖ 石英振动式是将聚胺树脂高分子涂在石英晶体表面， 形成吸湿膜，当湿度变化时，吸湿膜的重量发生变 化，从而使石英晶体振荡频率发生变化。这种湿敏 元件在测量范围0~100%RH，误差±5%RH。
❖ 半导体磁敏电阻 ❖ 磁敏二极管 ❖ 磁敏三极管
半导体磁敏电阻
❖ 利用半导体的磁阻效应制成的。 ❖ 磁阻效应：某些材料的电阻值受磁场的影响
而改变的现象。 ❖ 利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻，利
用磁敏电阻可以制成磁场探测仪、位移和角 度检测器、安培计及磁敏交流放大器等。 ❖ 磁敏电阻根据其制作材料的不同，可分为半 导体磁敏电阻和强磁性金属薄膜磁敏电阻。
❖ 优点：制作工艺简单、成本低、功耗小、可 以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃 气体泄漏报警器。
❖ 缺点：热容量小，易受环境气流的影响；测 量回路与加热回路间没有隔离，互相影响； 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩， 易造成接触不良。
旁热式
热时间为1分钟。为保证传感器的测量精度,需要对湿 度传感器定时进行加热清洗。
负湿度系数
按指数规律下降
(a)电阻-湿度特性
(b)电阻-温度特性
图9.6 MgCrO4―TiO2系陶瓷湿度传感器的特性
注意：
烧结型Fe3O4湿敏元件的阻值会随湿度的
增加而加大，具有正特性。
正湿度系数
高分子湿敏元件
❖ 能做成湿敏元件的高分子材料有醋酸纤维素、聚胺 树脂、聚乙烯醇、羟乙基纤维等。高分子湿敏元件 有电容式、电阻式、石英振动式等。
❖ 电容式湿敏元件所用到的高分子材料是醋酸纤维素， 高分子吸湿后电容变大，它的性能稳定，重复性好， 响应快，但环境温度不能超过80oC。
❖ 石英振动式是将聚胺树脂高分子涂在石英晶体表面， 形成吸湿膜，当湿度变化时，吸湿膜的重量发生变 化，从而使石英晶体振荡频率发生变化。这种湿敏 元件在测量范围0~100%RH，误差±5%RH。
❖ 半导体磁敏电阻 ❖ 磁敏二极管 ❖ 磁敏三极管
半导体磁敏电阻
❖ 利用半导体的磁阻效应制成的。 ❖ 磁阻效应：某些材料的电阻值受磁场的影响
而改变的现象。 ❖ 利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻，利
用磁敏电阻可以制成磁场探测仪、位移和角 度检测器、安培计及磁敏交流放大器等。 ❖ 磁敏电阻根据其制作材料的不同，可分为半 导体磁敏电阻和强磁性金属薄膜磁敏电阻。
❖ 优点：制作工艺简单、成本低、功耗小、可 以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃 气体泄漏报警器。
❖ 缺点：热容量小，易受环境气流的影响；测 量回路与加热回路间没有隔离，互相影响； 加热丝在加热和不加热状态下会产生涨缩， 易造成接触不良。
旁热式
第九章半导体传感器
9. 半导体传感器
半导体气敏器件的分类
9. 半导体传感器
二、电阻型半导体气敏传感器 1、导电机理 1）利用气体在半导体表面的氧化和还原反应使
敏感元件阻值变化而制成的传感器。
2）原理
如传感器的温度保持在高温状态，自由电子在内 部流动，清洁的空气中时，表面吸附氧，自由电子被 俘获，传感器阻值增加。如环境气氛中存在可燃性气 体等还原性气体，该气体与氧发生反应，吸附的氧减 少，电子又会移动，传感器阻值减小。
9. 半导体传感器
四、色敏传感器的应用 1、检测光波长的处理电路 由色敏光电传感器、两路对数电路及运算放大器
OP3构成。 色彩信号处理电路（如下）。
9. 半导体传感器
色彩信号处理电路：
对数二极管（IS002） R2
3 半导体
色传感器
2
VD2
VD1
OP2
R1
+ 对数二极管
（IS002） R3
OP1
+
OP3
+
输出电压 U0
输出电压经A/D变换，处理后 可判断出与电平对应的波长（即颜色）。
一般分为内热式和旁热式。
9. 半导体传感器
a、内热式器件 结构图：
管芯体积小， 加热丝直接埋在金属
SnO2烧结体 电极
电极
电极 电极
氧化半导体材料内。
特点：制作工艺简单。热容量小，易受环境气流 影响，测量回路与加热回路间互相影响，易造成加热 丝与材料接触不良的现象。
பைடு நூலகம். 半导体传感器
b、旁热式器件 结构图：
2）烧结型气敏器件
结构图：
电极（铂丝） 氧化物半导体
加热器 玻璃 （尺寸约1mm，也有全为半导体的）
传感器原理及应用-半导体传感器
测气体。
导致电导率等参量变化。
§9.1 气敏传感器
一、气敏传感器的定义和种类
半导体气敏传感器分类: 按照半导体变化的物理特性又 可分为：电阻型和非电阻型。
电阻型：通过半导体敏感材料 接触气体时阻值变化来检测气体的 成分或浓度。
非电阻型：通过半导体气敏元 件的其它参数变化来检测被测气体， 如二极管伏安特性和场效应晶体管 的阈值电压变化。
按构成气敏传感器材料可分为：
表面控制型和体控制型。
半导体和非半导体两大类。
表面控制型：半导体表面吸
目前半导体气敏传感器实际使用 附气体与半导体间发生电子接受，
最多。
结果使半导体的电导率变化，但内部化学组成不 变。
利用待测气体与半导体表面接触
体控制型：半导体与气体的
时产生的电导率等物理性质变化来检 反应，半导体内部组成发生变化，
气敏器件在洁净空气中工作 下的被测气体中的响应时间，通
和在规定浓度被测气体中工作时， 常用符号tr表示。
负 载 电 阻 上 的 输 出 电 压 Va 和 Vg ； 在i种气体浓度为规定值中工作时
负载电阻上的输出电压Vgi。
§9.1 气敏传感器
二、电阻型半导体气敏传感器 3、特性参数
（5）气敏器件的加热电阻和 加热功率
当 UGS<UT 时 ， MOSFET 的 沟 道未形成，无漏源电流。
UT的大小与金属和半导体 之间的功函数有关。当H2吸附 在Pd栅极上时会引起Pd的功函
数降低。
Pd-MOSFET 气 敏 器 件 就
利用这一特性来检测H2浓度。
第九章 半导体传感器
§9.1 气敏传感器 §9.2 湿敏传感 §9.3 色敏传感器 §9.4 半导体传感器应用
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9.2 湿 敏 传 感 器
湿度检测与控制的重要性
具有粉尘作业和电火工品生产的车间，当湿度小 而产生静电时，容易产生爆炸； 大规模集成电路生产过程中，当相对湿度低于30% 时，容易产生静电影响生产； 仓库湿度过大，会使存放的物资变质或霉烂； 纺织厂为了减少棉纱断头，车间要保持相当高的 湿度； 人类的居住环境要保持一定的湿度才能舒适。
9.1 气敏传感器 9.1.2 半导体气敏传感器的机理
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,而使电阻值增大.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.
器件电阻 / k 响应时间约1 min以内 100 稳定状 态 氧化型
9.1 气敏传感器 9.1.1 概述
按照半导体变化的物理特性,又可分为电阻型 和非电阻型,电阻型半导体气敏元件是利用敏 感材料接触气体时,其阻值变化来检测气体的 成分或浓度; 非电阻型半导体气敏元件是利 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.
9.1 气敏传感器 9.1.1 概述
9.1 气敏传感器 9.1.4 半导体气敏传感器的应用
半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和
恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得 到了广泛的应用。
9.1 气敏传感器 9.1.4 半导体气敏传感器的应用
1.可燃性气体泄漏报警器
为防止煤气（H2,CO），天然气（CH4），液化石油气 （C3H8、C4H10）及CO等气体泄漏引起中毒、燃烧或爆炸； 目前在该报警器上大都使用SnO2气体传感器。 在湿度大的场合如厨房，使用-Fe2O3气体传感器，此类传 感器对湿度敏感性小，稳定性好。
2
4 (b)
2 4
图 9-3 直热式气敏器件的结构及符号 (a) 结构； (b) 符号
9.1 气敏传感器 9.1.3 半导体气敏传感器类型与结构
旁热式气敏器件的结构及符号如图9-4所示
引线 引线 电极 加热丝 电极 绝缘瓷管 (a) SnO 2 烧结体 加热丝 (b) 测量 电极 加热丝
图 9-4 旁热式气敏器件的结构及符号 (a) 旁热式结构； (b) 符号
把大气的绝对湿度跟当时气温下的饱和水汽压 的百分比称为大气的相对湿度。
D H 100 %(RH ) DS
H--相对湿度； D--绝对湿度（mmHg）； Ds--当时气温下的饱和水气压（mmHg）。
大气的相对湿度表明了大气中的水汽离饱和状态的远近程 度。
湿度传感器的基本概念
2.露点
露点就是指使大气中原来所含有的未饱和水汽 变成饱和水汽所必须降低到的温度。 结露：大气中的未饱和水汽接触到温度较低的 物体时，就会使大气中的未饱和水汽达到或接 近饱和状态，在这些物体上凝结成水滴，这种 现象称为结露。
9.1 气敏传感器 9.1.1 概述
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。
9.1 气敏传感器 9.1.1 概述
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 体与气体的反应,使半导体内部组成发生变 化,而使电导率变化.
图9-8 氯化锂湿度—电阻特性曲线
9.2 湿 敏 传 感 器
二、半导体陶瓷湿敏电阻 通常，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
半导体 电极(铂丝) 氧化物半导体 0.5 m m 电极 0.6 m m
3m
m
绝缘基片 加热器 玻璃(尺寸约1 m m ，也有全为 半导体的) 加热器 电极 3 mm
(a)
(b)
图9-2 气敏半导体传感器的器件结构
9.1 气敏传感器 9.1.3 半导体气敏传感器类型与结构
0.5 3 3 (单位: m m ) 氧化物半导体 P t电极 氧化铝基片 7 器件加热用的加热器(印制 厚膜电阻)
矿物冶炼过程中常使用氧传感器（ ZrO2传感 器），满足耐高温，耐腐蚀； 半导体工业中需要多种气体传感器，需要使用检 测极低的浓度，可靠性好的传感器，常使用电化 学气体传感器。 食品工业，对水产物的鲜度进行科学评价，使用 电化学氧传感器。
9.1 气敏传感器 9.1.4 半导体气敏传感器的应用
9.2 湿 敏 传 感 器
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。
9.2 湿 敏 传 感 器
传感器原理及应用
第9章 半导体传感器
ห้องสมุดไป่ตู้
概述
半导体传感器是典型的物性型传感器。 利用被测量来改变半导体内载流子数目，就 可以构成以半导体材料作为敏感元件的各种 传感器。
§9.1
气敏传感器
9.1.1 概述 气敏传感器是用来检测气体类别,浓度和成分的传 感器 。 由于气体种类繁多, 性质各不相同,不可能用一种 传感器检测所有类别的气体,因此,能实现气-电转 换的传感器种类很多 。 按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两 大类.目前实际使用最多的是半导体气敏传感器.
毛发湿度计
利用脱脂人发（或牛的肠衣）具有空气潮湿 时伸长，干燥时缩短的特性，制成毛发湿度 表或湿度自记仪器。
它的测湿精度较差，毛发湿度表通常在气温 低于-10℃时使用。
干湿球湿度表
用一对并列装置的、形状完全相同的温度表，一支测气温， 称干球温度表，另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布， 称湿球温度表。 当空气未饱和时，湿球因表面蒸发需要消耗热量，从而使 湿球温度下降。与此同时，湿球又从流经湿球的空气中不 断取得热量补给。当湿球因蒸发而消耗的热量和从周围空 气中获得的热量相平衡时，湿球温度就不再继续下降，从 而出现一个干湿球温度差。 干湿球温度差值的大小，主要与当时的空气湿度有关。空 气湿度越小，湿球表面的水分蒸发越快，湿球温度降得越 多，干湿球的温差就越大；反之，空气湿度越大，湿球表 面的水分蒸发越慢，湿球温度降得越少，干湿球的温差就 越小。
碳膜及硒膜湿度传感器 金属氧化物陶瓷湿度传感器
金属氧化物膜湿度传感器
高分子材料湿度传感器 电解质湿度传感器 水晶振子湿度传感器 水分子亲和力型
9.2 湿 敏 传 感 器
非水分子亲和力型传感器
热敏电阻式湿度传感器
红外湿度传感器
微波湿度传感器 超声波湿度传感器
9.2 湿 敏 传 感 器
(c)
厚膜型器件 图9-2 气敏半导体传感器的器件结构
对半导体气敏传感器来讲，保持加热电压的恒定是至关重要的。 由于加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热
式和旁热式气敏元件。直热式气敏器件的结构及符号如图9-3所
示。
SnO 2 烧结体 1 2 3 4 Ir—Pd合金丝 (加热器兼电极) (a) 1 3 1 3
湿度两种表示方法。绝对湿度是指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 ，一 般用符号AH表示。相对湿度是指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，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。
1
一、
氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻是利
4
用吸湿性盐类潮解，离子 导电率发生变化而制成的
3 1—引线；2—基片； 3—感湿层；4—金电极
2
测湿元件。它由引线、基
片、感湿层与电极组成， 如图9-7所示。
图9-7 湿敏电阻结构示意图
7.0 6.5
电阻值的对数 /
吸附 脱附 15℃
6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 40 50 60 70 80 相对湿度 / %RH 90
湿度传感器的基本概念
1.绝对湿度和相对湿度
大气的干湿程度，通常是用大气中水汽的密度来 表示的。 每1m3大气所含水汽的克数，称为大气的绝对湿度。 大气的水汽密度又可以规定为大气中所含水汽的 压强，又把它称为大气的绝对湿度，用符号AH表 示，常用的单位是mmHg。
湿度传感器的基本概念
器件加热
50
5 2 min 4 min 加热开关 大气中
还原型
吸气时
图 9-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
9.1 气敏传感器 9.1.3 半导体气敏传感器类型与结构
1.电阻型半导体气敏传感器
组成：敏感元件、加热器、外壳。 烧结型、薄膜型和厚膜型。
9.1 气敏传感器 9.1.3 半导体气敏传感器类型与结构
2.汽车中应用的气体传感器
节省能源，防止环境污染，保持良好的车内环境； 控制燃空比，需用氧传感器（ZrO2传感器）； 控制污染，检测排放气体，需用CO,NO,HCL,O2等传感器； 内部空调，需用CO、烟、湿度传感器。
9.1 气敏传感器 9.1.4 半导体气敏传感器的应用
3.在工业中应用的气体传感器
9.1 气敏传感器 9.1.2 半导体气敏传感器的机理
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.