《传感器技术》习题答案第10章

第十章气敏和湿敏传感器

1.

答：按照半导体变化的物理性质，可分为电阻型和非电阻型两种。电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度，是目前广泛应用的气体传感器之一，按结构分：烧结型、薄膜型和厚膜型三种，敏感体一般都需要在一定的温度下才能正常工作，保证测量灵敏度和响应速度，加热器是不可缺少的。这类气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜，使用方便；对气体浓度变化响应快；即使在低浓度（3000mg/kg）下，灵敏度也很高。其缺点在于：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强；各器件之间的特性差异大等，在使用中受环境温湿度影响较大，需要改进。。

非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸附反应，使其某些有关特性发生变化，对气体进行直接或间接检测。这类器件的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳定且价格便宜。利用特定材料还可以使器件对某些气体特别敏感。

2.

答：导电机理可以用吸附效应来解释。在半导体表面原子性质特别活跃，很容易吸附气体分子。当气体分子的亲和能（电势能）大于半导体表面的电子逸出功时，吸附分子将从半导体表面夺取电子而变成负离子吸附，被称为氧化型气体，是电子接收性气体，如氧气、氧化氮等。当N型半导体表面形成负离子吸附时，表面多数载流子（电子）浓度减少，电阻增加；对于P型半导体，则表面多数载流子（空穴）浓度增大，电阻减小。若气体分子的电离能小于半导体表面的电子逸出功时，则气体供给半导体表面电子，形成正离子吸附，被称为还原型气体，是电子供给性气体，如H2、CO、C2H5OH（乙醇）及各种碳氢化合物。当N型半导体表面形成正离子吸附时，多数载流子（电子）浓度增加，电阻减小；对于P型半导体，则多数载流子（空穴）浓度减少，电阻增加。利用半导体表面电阻变化就可以检测出气体的种类和浓度。

3.

答：传感器均由三部分组成：敏感体及其依附的基底、加热器以及信号引出电级，按其结构不同分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种。

烧结型气敏传感器长期稳定性、气体识别能力等不太令人满意，且工作温度较高会使敏感膜层发生化学反应或物理变化。烧结型又分为内热式和旁热式，旁热式相比内热式稳定性、可靠性好。薄膜型气敏传感器具有很高的灵敏度和响应速度，敏感体的薄膜化有利于器件的低功耗、小型化，以及与集成电路制造技术兼容，同时具有较高的机械强度，而且具有互换性好、产量高、成本低等优点。厚膜型气敏传感器一致性较好，机械强度高，适于批量生产。

4.

答：气敏器件的加热器作用是加速气体吸附，提高测量灵敏度和响应速度；同时加热器能烧掉附着在测控部分中的油雾、尘埃等。

6.

答：MOS二级管的结构和等效电路如图所示。在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为（50～100）nm左右的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯（Pd）的金属薄膜，作为栅电极。由于SiO2层电容C a固定不变，而Si和SiO2界面电容C s是外加电压的函数，因此由等效电路可知，总电容C也是栅偏压的函数。其函数关系称为该类MOS二极管的C-V特性，如图曲线a所示。由于钯对氢气（H2）特别敏感，当钯吸附了H2以后，会使钯的功函数降低，导致MOS管的C-V特性向负偏压方向平移，如曲线b所示。根据这一特性就可用于测定H2的浓度。

7.

答：气敏半导体器件易受环境条件变化的影响。为了使器件处于最佳工作状态，使用时需注意控制以下因素：

1）气敏半导体器件使用之前，必须经过一定的电老化时间。器件从开始通电到达稳态所需时间与器件存放的条件和时间有关。经过长时间存放的元件在标定使用之前，一般需要

1~2周的老化时间。连续测试时要注意保持前后测试条件一致。老化一般可以采用加热及两端加一定电压的方式实现。

2）在精度要求较高的检测中要注意保持环境的温湿度的一致性，因为器件表面吸附羟基（-OH ）的量与环境湿度关系极为密切，需要较长时间才能达到平衡状态。

3）一般烧结型气敏元件对某种气体的检测并不具有绝对的选择性，不同种类、不同浓度的气体传感器有不同的电阻值，因此在使用时，一般可通过标准被测气体对传感器灵敏度进行调整和校正。同时在应用中要注意环境气氛的清洁。

8.

答：湿度是大气中含水的量，表明了大气的干湿程度。绝对湿度是指一定大小空间中水蒸气的绝对含量，可用“kg/m 3”表示，其定义式为：V

m V =ρ。相对湿度是待测空气的水汽分压与相同温度下水的饱和水汽压的比值的百分数。这是一个无量纲的量，常表示为%RH 。相对湿度RH %100)(

⨯=T W V P P 。

9.

答：对于负特性湿敏半导瓷，如果该半导瓷是Ｐ型半导体（多数载流子是空穴），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（多数载流子是电子），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。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。不论是Ｎ型还是Ｐ型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。

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。

10.

答：电解质溶液的导电能力，既与电解质本身的性质有关，又与电解质溶液的浓度有关，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温度场中，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，即电解质溶液的电导率是环境湿度的函数。利用这一特性，在绝缘基板上制作一对金属电极，其上再覆一层电解质溶液，即可形成一层感湿膜，感湿膜可随空气中湿度的变化吸湿或脱湿，同时引起感湿膜电导的变化，通过测量电路就可测得环境的湿度。