传感器第十章 半导体传感器(气湿)
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器 件 电 阻 /k
100
器件加热
稳定状 态
50
响 应 时 间 约 1 m in以 内 氧化型
5
还原型
加热开关
2 m in 4 m in 大气中
吸气时
图 9-1 N型半导体吸附气体时器件阻值变化图
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9.1.4 气敏传感器应用 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。 按其用途可分为以下几种类型：气体泄露报警、自动控制、自 动测试等。 表9-2给出了半导体气敏传感器的应用举例。
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表9-2 半导体气敏传感器的各种检测对象气体
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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。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。
U oC(1nSID 2I nS1 D I)C 1n1 1n nS SIID D 2 2
其正比于短路电流比ISD2/ISD1的对数。其中C为比例常数。将电 路输出电压经A/D变换、 处理后即可判断出与电平相对应的波 长（即颜色）。
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内部组成发生变化，而使电导率变化。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；
半导体气体传感器的结构及原理
一、在博物馆文物、档案管理方面的运用这是温湿度传感器应用的另一个领域。
档案的纸张在温湿度适宜的条件可以多存放一些时间，而一旦温湿度条件遭到破坏纸张将要变脆，重要资料也将随之荡然无存，对档案馆进行温湿度记录是必要的，可以预防恶性事故的发生。
使用温湿度传感器将使温湿度记录的工作得以简化，也将节约文物保管的成本，使这一工作得以科学化，不受到过多的人为因素的干扰。
二、在疫苗冷链中的运用气体传感器主要针对于行业中的气体进行检测，在工业、电子、电力、化工、治金等行业中都有一定的应用。
气体传感器的种类是比较多的，其中常用的主要有半导体式、接触燃烧方式、化学反应式、光干涉式、热传导式、红外线吸收散式等。
而这当中以半导体气体传感器应用更为广泛。
半导体气体传感器由气敏部分、加热丝以及防爆网等构成，它是在气敏部分的sno2、fe2o2、zno2等金属氧化物中添加pt、pd等敏化剂的传感器。
传感器的选择性由添加敏化剂的多少进行控制，例如，对于zno2系列传感器，若添加pt，则传感器对丙烷与异丁烷有较高的灵敏度;若添加pd，则对co与h2比较敏感。
气体传感器以陶瓷管为框架，外覆一层敏感膜的材料，利用膜两端的镀金引脚进行测量。
敏感膜的材料最常用的有金属氧化物、高分子聚合物材料和胶体敏感膜等。
它的两个关键部分是加热电阻和气体敏感膜。
金电极连接气敏材料的两端，使其等效为一个阻值随外部待测气体浓度变化的电阻。
由于金属氧化物有很高的热稳定性，而且这种传感器仅在半导体表面层产生可逆氧化还原反应，半导体内部化学结构不变，因此，长期使用也可获得较高的稳定性。
原理简介如下：金属氧化物一旦加热，空气中的氧就会从金属氧化物半导体结晶粒子的施主能级中夺走电子，而在结晶表面上吸附负电子，使表面电位增高，从而阻碍导电电子的移动，所以，气体传感器在空气中为恒定的电阻值。
这时还原性气体与半导体表面吸附的氧发生氧化反应，由于气体分子的离吸作用使其表面电位高低发生变化，因此，传感器的电阻值要发生变化。
简述半导体气体传感器工作原理
简述半导体气体传感器工作原理
半导体气体传感器是一种常用的气体检测设备，广泛应用于工业生产、环境监测、安全防护等领域。
其工作原理基于半导体材料对不同气体的吸附作用，通过测量半导体材料电阻的变化来实现气体浓度的检测。
半导体气体传感器的核心部件是由半导体材料制成的传感元件。
当目标气体接触到传感元件表面时，会发生化学反应，导致传感元件表面电子浓度的变化。
这种表面电子浓度的变化将影响半导体材料的电阻，从而实现对气体浓度的监测。
半导体气体传感器的工作原理是基于半导体材料的吸附作用。
不同的气体在半导体表面的吸附作用不同，导致表面电子浓度的变化也不同。
通过测量半导体材料电阻的变化，可以间接地反映出目标气体的浓度。
半导体气体传感器还可以通过加热传感元件来提高传感器的灵敏度。
加热传感元件可以促进目标气体在表面的吸附和反应，从而加快传感器的响应速度和稳定性。
总的来说，半导体气体传感器的工作原理是基于半导体材料表面对目标气体的吸附作用，通过测量半导体材料电阻的变化来实现对气体浓度的检测。
通过不断优化传感元件的材料和结构，可以提高传感器的检测灵敏度和稳定性，满足不同应用场景的需求。
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10.3 色敏传感器
10.3.1 半导体色敏传感器的基本原理 ◆半导体色敏传感器相当于两只结深不同的光电极
二极管的组合，故又称光电双结二极管。其结构 原理及等效电路如图10-9所示。为了说明色敏传 感器的工作原理，有必要了解光电二极的工作机 理。
图10-9 半导体色敏传感器结构
30
10.3 色敏传感器
7
10.1 半导体气敏传感器
10.1.2 气敏传感器的种类
◆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，
9
10.1 半导体气敏传感器
◆氧化锌（ZnO）薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶 瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀 锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片 上的锌氧化。氧化锌敏感材料是N型半导体，当 添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷 烃气体有较高的灵敏度，而对H2、CO2等气体灵 敏度很低。若用钯作催化剂时，对H2、CO有较 高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。因此， 这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500 ℃的较高温度。
第10章 半导体传感器
1 10.1 半导体气敏传感器 2 10.2 湿敏传感器 3 10.3 色敏传感器 4 10.4 半导体式传感器的应用
1
10.1 半导体气敏传感器
气敏传感器是用来测量气体的类别、浓度和成 分的传感器，而半导体气敏传感器是目前实际使用 最多的是半导体气敏传感器。 ◆由于气体种类繁多，性质也各不相同，不可能用一 种传感器检测所有类别的气体，因此半导体气敏传 感器的种类非常多。 ◆目前半导体气敏传感器常用于工业上天然气、煤气、 石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的 监测、预报和自动控制。
半导体气体传感器工作原理
半导体气体传感器工作原理半导体气体传感器，这名字听起来挺高大上的，但其实它就像是我们日常生活中的一个小帮手，默默无闻地在那儿工作。
想象一下，你在家里做饭，油烟机一开，厨房里瞬间弥漫着各种气味，这时候如果家里有个半导体气体传感器，它就会像一个小侦探一样，帮你检测空气中的气体成分。
肯定有人会问，它到底是怎么做到的？别急，我慢慢来给你讲。
半导体气体传感器的工作原理其实挺简单的。
它的核心材料通常是一些特定的半导体材料，比如说二氧化钛、锡氧化物等等。
这些材料在空气中待久了，会吸附一些气体分子，像是小海绵一样，滋润得不得了。
好吧，开个玩笑，实际上它们是通过化学反应来改变自己的电阻值。
当某种气体进入传感器时，这些气体分子就会和半导体材料发生反应，结果就是电阻值会发生变化。
没错，简单来说，就是电阻变了，电流也就随之变化了。
这就好比你在路上碰到朋友，跟他打招呼一样。
电阻和电流之间的这种互动就像你们之间的交流，友好、亲切，又有点紧张。
这种变化是可以通过电路来检测的，电路就像是个老好人，能够把这些变化转化成信号，告诉你“嘿，空气里有啥气体哦！”。
哇，听起来是不是有点像科幻电影里的高科技设备？半导体气体传感器的用途可不止检测厨房里的油烟。
它可以用在很多地方，比如说工业领域、环境监测、汽车排放检测等等。
你知道吗？在工厂里，如果有有害气体泄漏，传感器会立马报警，确保工人们的安全。
这就像一个忠实的守卫，时刻关注着你身边的一切。
真是让人感到安心。
再说说它的反应速度。
半导体气体传感器反应速度可快了！就像闪电一样，转眼之间就能给你答案。
因为它的结构很简单，不需要经过复杂的处理，就能在短时间内检测到气体的变化。
这样一来，很多场合都能用得上，生活中大大小小的问题，都能找到它的身影。
多实用啊，简直是“随叫随到”的小助手。
不过，半导体气体传感器也有自己的“小脾气”。
它对环境的变化可敏感了，比如温度、湿度这些，都可能影响它的表现。
想象一下，外面下雨了，空气湿气重，它可能就会有些“情绪波动”，导致检测结果不太准确。
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开拓新的应用领域，如医疗健康、环境监测、智能交 通和智能家居等，以满足不断增长的市场需求。
市场
加强国际合作与交流，推动传感器技术的国际市场拓展 ，提高国际竞争力。
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气体传感器
总结词
检测空气中的有害气体
详细描述
气体传感器利用半导体的气敏效应，能够检 测空气中的有害气体，如一氧化碳、二氧化 硫等。这些传感器在环境保护、工业安全等 领域有广泛应用。
紫外线传感器
总结词
监测紫外线的强度和照射时间
详细描述
紫外线传感器能够监测环境中紫外线的强度 和照射时间，对于预防紫外线辐射损伤和保 护皮肤健康具有重要意义。这些传感器广泛
敏感材料
敏感材料是半导体传感器的重要组成 部分，负责将待测物理量转换为电信 号。
选择敏感材料时需要考虑其稳定性、 灵敏度、响应速度和耐腐蚀性等性能 指标。
常见的敏感材料包括金属氧化物、硅 、陶瓷等，它们具有不同的特性，适 用于不同的应用场景。
敏感材料的制备方法包括化学气相沉 积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法等， 这些方法能够控制材料的成分和结构 ，从而影响传感器的性能。
测试的目的是检测传感器的性能指标是 否达到设计要求，以及在不同条件下的 稳定性和可靠性。
03
半导体传感器的性能参数
线性范围与灵敏度
线性范围
衡量传感器输出与输入之间线性关系 的参数，即输入量在一定范围内变化 时，输出量与输入量成正比。
灵敏度
表示传感器输出变化量与输入变化量 之比，即单位输入变化引起的输出变 化量。
半导体传感器的主要应用领域
医疗领域
用于生理参数的监测，如体温、血压、血氧 饱和度等。
环保领域
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旁热式气敏器件的结构及符号
它的特点是将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外 涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上Sn02等材 料。旁热式气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使 测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材料接触， 避免了测量回路和加热回路的相互影响，器件热容量 大，降低了环境温度对器件加热温度的影响，所以这 类结构器件的稳定性、可靠性都较直热式器件的好。
它以多孔质陶瓷如氧化硅为基材，添加不同物 质采用低温(700～900℃)制陶工艺进行烧结，烧结 时埋人铂电极和加热丝，最后将电极和加热丝引线 焊在管座上制成元件。由于制作简单，它是一种最 普通的结构形式，主要用于检测还原性气体、可燃 性气体和液体蒸气，但由于烧结不充分，器件的机 械强度较差，且所用电极材料较贵重，电性能误差 较大，所以应用受到一定的限制。
气敏传感器特点与特性
（1）气敏传感器的电阻变化率与气体浓度变化有关； （2）气敏传感器一般受环境温度、湿度影响； （3）上述三种传感器的共同之处是都附有加热器。
加热器的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，从而提高器件的灵敏度和响应速度。 加热器的温度一般控制在200～400℃左右。加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式气 敏器件和旁热式气敏器件。
烧结型半导体气敏传感器结构
（2）薄膜型气敏传感器结构
薄膜型器件结构
利用蒸发或溅射方法，以石英或陶瓷为绝缘基片， 在基片的一面镀上加热元件，在基片的另一面上形成 金属氧化物薄膜（厚度在100 nm以下）。
用这种方法制成的敏感膜颗粒很小，因此具有
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， 所以是一种很有前途的器件。制作方法也很简单，实 验证明，二氧化硅半导体薄膜的气敏特性最好，但这 种半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性能差异较 大。
气体和湿度传感器及其应用1
第十章气体和湿度传感器及其应用10.1气体传感器气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。
气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。
所以对气敏传感器有下列要求：能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小等。
由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有气体，所以气敏传感器的种类也有很多。
近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用最多的是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。
半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。
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。
第一类，半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受，结果使半导体的电导率等物性发生变化，但内部化学组成不变；第二类，半导体与气体的反应，使半导体内部组成(晶格缺陷浓度)发生变化，而使电导率改变。
按照半导体变化的物理特性，又可分电阻型和非电阻型两类。
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他参数，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。
10.1.1电阻型半导体气敏传感器电阻型半导体气敏传感器大多使用金属氧化物半导体材料作为气敏元件。
它分 N 型半导体如 SnO2、Fe2O3、ZnO等；P 型半导体，如 CoO、P b O、CuO、N i O 等。
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。
10-其他传感器
(9)生物传感器成本低，便于推广普及。
10.3 生物传感器
3.生物传感器的分类
根据传感器输出信号的产生方式，可分为亲和型生物传感器、代谢型生 物传感器和催化型生物传感器。
根据生物传感器中分子识别元件(敏感元件)分类。生物传感器可分为
酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞传感器、基因传感器、 免疫传感器等。生物学工作者习惯于采用这种分类方法。
10.3 生物传感器
10.3.2 工作原理
生物传感器是通过被测定分子与固定在生物接受器上的敏感材料(称为
生物敏感膜)发生特异性结合，并发生生物化学反应，产生热焓变化、
离子强度变化、pH值变化、颜色变化或质量变化等信号，产生信号的 强弱在—定条件下与特异性结合的被测定分子的量存在一定的数学关系， 这些信号经换能器转变成电信号后被放大测定，从而间接测定被测定分 子的量。
10.3 生物传感器
1.生物传感器的概念
生物传感器是指利用固定化的生物分子作为敏感元件，用来侦测生物体内或生物 体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置。 基本结构包括： 一是生物分子识别元件(感受器)，是具有分子识别能力的固定化生物活性物 质(如酶、蛋白质、微生物、组织切片、抗原、抗体、细胞、细胞器、细胞
10.3 生物传感器
2.生物放大
生物放大作用是指模拟和利用生物体内的某些生化反应，通过对反应过 程中产量大、变化大或易检测物质的分析来间接确定反应中产量小、变化
小、不易检测物质的(变化)量的方法。通过生物放大原理可以大幅度提高
分析测试的灵敏度。 生物传感器常用的生物放大作用有酶催化放大、酶溶出放大、酶级联放 大、脂质体技术、聚合酶链式反应和离子通道放大等。
10.2 湿度传感器
半导体敏感元件(湿度)
高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的结构
高分子薄膜
上部电极
下部电极
9.高分子湿度传感器
传感器特性
沈 阳 工 业 大 学
（1）电容—湿度特性
传感器的电容量变化很大, 线性度欠佳,可外接 转换电路, 电容—湿度特性趋于理想直线。
C/pF 350 （f=1.5MHZ） 300 250
（2）响应特性
高分子薄膜可以做得极薄，吸湿响应时间都 200 很短，一般都小于5s，有的响应时间仅为1s。
感湿机理 沈 阳 工 业 大 学
可得：
C2 R 2 2 C P C0 2 2 (R 1 R 2 ) 4 2 f 2 C 2 R 1 R 2 2 2
2 R1 R 2 2 C2 R1 R 2 1 1 2 2 2 R p R 0 (R 1 R 2 ) 2 4 2 f 2 C 2 R 1 R 2 2 2
湿敏二极管
沈 阳 工 业 大 学
结构 表面态能级填充引 起肖特基势垒变化。 I-V曲线
8半导体结型和MOS型湿敏元件
湿敏MOSFET
（MOSFET）的栅极上涂覆一层感湿薄膜，再在感湿薄膜上增
设一个金属电极构成。
沈 阳 工 业 大 学
湿敏MOSFET是N沟道耗尽型，在栅 压为零时，有沟道存在，工作时，无需外
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湿度传感器
课程内容
1 湿度表示方法
沈 阳 工 业 大 学
2 湿敏传感器分类
3 湿度传感器的主要参数 4 几种常用测量湿度方法 5 半导体陶瓷湿敏元件 6 元素半导体湿敏元件
7 半导体结型和MOS型湿敏元件
8 分子湿度传感器 9 湿敏传感器的应用 10 典型湿度传感器
传感器第十章 半导体传感器(气湿)
13 SnO2 烧结体 3
4
1 Ir—Pd合金丝
2
(加热器兼电极)
24
(a)结构
（b)符号
国产QM-N5型和日本费加罗TGS＃812、813型等气敏传感 器都采用这种结构。
第10章 半导体式传感器 传感器原理及应用
10.1 气敏传感器 10.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 (1) 电阻型半导体气敏传感器
加热器 电极 3 mm
(b)
烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材 料（SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（Pt、Pb等） 用水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合， 然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝 和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将 加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳就构 成器件。
当还原型气体吸附到N型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻值下降；
当还原型气体吸附到P型半导体上， N型半导体与气体接
半导体的载流子减少，电阻值上升； 触时的氧化还原反映
第10章 半导体式传感器 传感器原理及应用
10.1 气敏传感器 10.1.1 半导体气敏传感器工作原理
➢ 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 TiO • P型半导体，如：CoO2 PbO MoO2 CrO3
❖ 电阻型气敏元件通常工 作在高温状态，气敏元 件的加热作用：
➢ 为加速气体吸附和上述 的氧化还原反应，提高 灵敏度和响应速度；
半导体传感器
E g ( T ) = E g (0 ) −
γT
2
T +β
α 0 与材料有关, GaAs半导体材料中 α 0 =2.462×104(cm·eV)-1；γ 为 光子频率。
根据Beer-Lambert的吸收定律,并综合以上三式，可以得到半导体 光强I与温度T的关系：
I ( T ) = I 0 (1 − R ) • e x p { − α 0
NTC热敏电阻 •以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料， 采用陶瓷工艺制造而成； •电阻随温度上升呈指数关系减小； •温度测量范围-100℃~300℃； •应用于测温、控温、温度补偿等方面；
光敏元件： 光敏元件： 光电转换传感器是基于半导体的光电效应，半导体光敏元件按光电效 应的不同而分为光导型和光生伏特型。光导型如光敏电阻，是一种半导体 均质结构；光生伏特型包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电场效 应管和光控可控硅等，它们属于半导体结构型器件。 主要参数有灵敏度、光照率、伏安特性、频率响应特性等，主要由材 料、结构和工艺决定。 半导体光敏元件广泛应用于精密测量、光通信、摄像、夜视、遥感、 制导、机器人、质量检查、安全报警以及测量和控制装置中。
光敏电阻： 光敏电阻 •以硫化镉、硫化铝、硫化铅等为主要材料； •电阻值随入射光的强弱而改变； •应用于光的测量、光的控制和光电转换等方面；
湿敏元件： 湿敏元件： 特性参数随环境湿度变化而明显变化的敏感元件。当半导体表面或界 面吸附气体水分子时，半导体的电学特性等物理性质发生变化，从而检测 湿度。 半导体湿度传感器具有体积小、重量轻、测量精度高、稳定性好，耐 水性好、价格低廉等特点。湿度传感器广泛应用于监控大气环境湿度变化、 仓贮、粮食及食品质量、交通运输、仪表电器等方面。
第10章 气、湿敏传感器分析
一、概述
N 型 —— 如氧化锡 (SnO2)、氧化铁 (Fe2O3)、氧 化锌(ZnO)，WO2等。 ii. P 型 —— 如氧化钴 (CoO)、氧化铅 (PbO)、氧化 铜(CuO)、NiO等。 实验证明，在上述氧化物半导体材料中，掺入 适量的添加物作为催化剂，如钯(Pd)、铂(Pt)、 钛(Ti)、银(Ag)等，可提高对某些气体的选择性 和灵敏度。 在诸多半导体中，用SnO2制成的气敏电阻有很 多优点，故应用最为广泛，其特点为： 1) 气敏元件的阻值随检测气体浓度按指数关系 变化，因此适宜测量低浓度的气体。 i.
一、概述
2) SnO2 的物理、化学性能稳定、寿命长、耐腐蚀。 3) SnO2 对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时 间短，可连续长时间使用。 4) 元件结构简单，成本低，可靠性高，机械性能 好。 5) 被检测气体浓度可通过元件电阻的变化直接转 换为电信号，且灵敏度高，因此信号处理不用 放大器或不需高倍数放大电路就可实现。 由于 SnO2 具有上述特点，因此是目前生产量最 大，应用范围最广泛的一种气体敏感元件。本 节以SnO2气敏元件为主做以介绍。
二、SnO2气敏元件的工作原理
如果亲电性高 ( 即氧化 性气体 ) ，产生的表面 能级将位于费米能级 上方，如图 10-4(a) 所 示，被吸附分子从空 间电荷吸取电子而成 为负离子吸附在半导 体表面，使空间电荷 层 宽 度 增 加 ( Δd)， 势 垒高度增加 ( Δφ ) ，其 结果是空间电荷层内 由1 O2 e O 2 式中：O — 吸附氧； e — 电子的电荷量
二、SnO2气敏元件的工作原理
由于氧吸附力很强，因 此， SnO 2 气敏器件在 空气中放置时，其表面 总是会有吸附氧的， 其 吸 附 状 态 可 以 2 O 、 O 、 O 是 2 等等， 均是负电荷吸附状态， 使接触晶界电子势垒高 度升高，如图 10-2(a) 电子势垒从虚线升至实 线 ， 使 SnO2 表 面 区 载 流子浓度下降，器件电 阻升高。
ZnO气体半导体传感器简单介绍可修改全文
ZnO半导体传感器检测气体
• ZnO器件主要用来检测可燃性和还原性气体。 • 完整的氧化物不具有半导体的性质，因此，常利用掺杂ZnO或
其复合材料作为气敏材料。例如：将Cr203一ZnO复合材料对 NH3具有了很高的灵敏度和选择性；ZnO／Zn2Sn04 、 ZnO— CuO复合材料可以选择性地检测CO气体；Zn2Fe2SO4／ZnO 复合材料甲醇、乙醇和丙醇都具有较高的灵敏度。
ZnO的制备
• ZnO在自然界中是以矿物的形式存在，在研究过程中人 们制备出了很多形态的ZnO材料，其中研究最多的是单 晶、薄膜和纳米结构。
• 单晶普遍采用的方法有：水热法、熔融法、气相法。 • 薄膜制备技术有：金属有机物化学气相沉积、磁控溅射、
激光脉冲沉积、分子束外延、原子层沉积、热蒸发、溶 胶——凝胶等。 • 纳米：制备方法非常多，总的来说按照制备环境不同可 以分为气相法和液相法。气相法是在制备过程中，作为 源的物质是气相或者通过一定的过程转化为气相，然后 通过一定的机理形成所需的纳米结构。
• 另外ZnO表面修饰上ห้องสมุดไป่ตู้金属也可以极大地改变其气敏性质。例
如：在ZnO纳米线上面修饰Au以后，对CO体具有高的灵敏度；
• 在ZnO薄膜和棒上负载上Pt发现负载后的样品在室温下可以极
大地提高对H2敏感度：ZnO纳米线上吸附上Pd发现可以提高 材料对乙醇的灵敏度。
ZnO半导体传感器检测气体
不足之处
ZnO的制备
• 液相法是在制备过程中，通过化学溶液作为传递能量的 媒介，从而制备各种纳米、溶剂热法、微乳液法、化学 反应自组装法（、液相模板法等。随着研究发展，目前 也发展了一些不属于以上两种的方法，比如像光刻也可 以用来制备纳米材料。
ZnO气敏性原理
半导体气体传感器原理
半导体气体传感器原理
半导体气体传感器是一种常见的气体检测技术，其原理基于半导体材料对气体的敏感性。
半导体气体传感器通常由半导体材料制成，如锡二氧化物（SnO2）、氧化锌（ZnO）等。
这些材料具有半导体性质，能够在一定条件下改变电阻，其导电性能会随着周围气体组分的变化而发生变化。
当半导体气体传感器暴露于待测气体环境中时，被检测的气体分子会与半导体材料表面相互作用。
这些气体分子会吸附在半导体材料表面，导致电荷转移和电子掺杂效果的改变。
这种改变会导致半导体材料的电阻产生变化。
通过测量半导体材料电阻的变化，可以判断待测气体环境中的气体浓度或种类。
一般来说，气体浓度的增加会导致电阻的减小，而不同气体的作用对电阻的影响程度也不同。
因此，半导体气体传感器可以通过测量电阻的变化来间接检测气体的存在和浓度。
一般情况下，传感器上会通过一定的电路进行电阻读数，并将读数转换成与气体浓度相关的信号输出。
需要注意的是，半导体气体传感器的灵敏度和选择性可能会受到环境条件的影响。
例如，温度、湿度等因素都可能对传感器的检测能力产生影响。
因此，在使用半导体气体传感器时，需要根据具体应用场景对传感器进行校准和适配，以确保可靠的气体检测结果。
半导体湿度传感器的原理
半导体湿度传感器的原理
半导体湿度传感器又称为电阻式湿度传感器，其原理是将半导体材料作为感湿元件，将电导率的变化关联准确测量出相对湿度的变化。
半导体湿度传感器中主要的感湿元件是一种吸水性化合物，当空气中的水分子被吸到感湿元件表面时，化合物吸水量增加，导致感湿元件的电阻值随之发生变化，从而可以测量出相对湿度。
当空气中的水分子越多，感湿元件吸收的水分就越多，电阻值也就越小。
当空气中的水分减少时，感湿元件的吸湿量也会减小，电阻值也会增加。
半导体湿度传感器通过测量电阻值的变化来计算相对湿度的值，并将其转换为数字信号输出，以便于读取和处理。
该传感器具有响应速度快、精度高、可靠性强等优点，被广泛应用于环境监测、气象预测、工业生产等领域。
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电极(铂丝) 氧化物半导体
3 mm
加热 器
玻璃 (尺寸 约1 mm，也有 全为 半导 体的 )
(a) 烧结型(a)气可编敏辑器ppt 件
加热器 电极 3 mm
11 (b)
烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材 料（SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（Pt、Pb等） 用水或粘合剂调合，经研磨后使其均匀混合， 然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝 和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将 加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳就构 成器件。
非电阻型气半导体敏传感器主要类型：
➢ 利用MOS二极管的电容—电压特性变化； ➢ 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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第10章 半导体传感器 传感器原理及应用
10.1 气敏传感器 10.1.3 半导体气敏传感器应用
当氧化型气体吸附到N型半导体上， 半导体的载流子减少，电阻值上升；
当氧化型气体吸附到P型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻值下降；
当还原型气体吸附到N型半导体上， 半导体的载流子增多，电阻值下降；
当还原型气体吸附到P型半导体上， N型半导体与气体接
半导体的载流子减少，电阻值上升； 触时的氧化还原反映
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第10章 半导体式传感器 传感器原理及应用
10.1 气敏传感器 10.1.1 半导体气敏传感器工作原理
➢ 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 TiO • P型半导体，如：CoO2 PbO MoO2 CrO3
第10章 半导体式传感器
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第10章 半导体传感器 传感器原理及应用
主要内容：
1 气敏传感器 2 湿敏传感器 3 色敏传感器
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第10章 半导体传感器
概述
传感器原理及应用
➢ 半导体传感器是典型的物性型传感器，它是利用
某些材料的电特征的变化实现被测量的直接转换， 如改变半导体内载流子的数目。 ➢ 凡是用半导体材料制作的传感器都属于半导体传 感器。 ➢ 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、气敏、湿敏等等。
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第10章 半导体式传感器 传感器原理及应用
10.1 气敏传感器 10.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 (1) 电阻型半导体气敏传感器
➢ 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，根据这一特性，从阻值的变化测出气体的种 类和浓度。
量参数；
– 加热丝在加热与不加热两种情况下产生的膨胀与冷缩，容 易造成器件接触不良。
SnO2 烧结体
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Ir—Pd合金丝 (加热器兼电极)
(a)结构
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（b)符号
国产QM-N5型和日本费可加编辑罗pptTGS＃812、813型等气敏1传4 感 器都采用这种结构。
第10章 半导体式传感器 传感器原理及应用
氧气、NO2等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；
H2、CO、碳氢化合物（烃）、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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第10章 半导体式传感器 传感器原理及应用
10.1 气敏传感器 10.1.1 半导体气敏传感器工作原理
工业天然气、煤气等易燃易爆的安全监测； 环境保护，有害、有毒气体监测； 酒后驾车，乙醇浓度检测。
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第10章 半导体式传感器 传感器原理及应用
10.1 气敏传感器 10.1.1 半导体气敏传感器工作原理
➢ 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：
该类器件分为两种结构：直热式和旁热式。
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• 直热式器件管芯体积很小，将加热丝、测量丝直接埋在 金属氧化物半导体粉末材料内烧结而成。加热丝兼做一
个测量电极，工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量 器件的阻值。
• 缺点：
– 热容量小，易受环境气流的影响； – 测量电路与加热电路之间没有隔离而相互干扰，影响其测
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，气敏器件阻值也相对固定。若气体浓
度发生变化，器件表面将产生吸附作用，其阻值也将
随气体浓度变化而变化。根据这一特性，可以从阻值
的变化得知吸附气体的可编种辑类ppt 和浓度。
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第10章 半导体式传感器 传感器原理及应用
10.1 气敏传感器 10.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 (1) 电阻型半导体气敏传感器
将SnO2和ZnO等材料与3 ％～15％重量的硅凝胶混合 制成能印刷的厚膜胶，把厚 膜胶用丝网印制到装有铂电 极的氧化铝基片上，在 400～800℃高温下烧结1～2 小时制成。
优点：一致性好，机械强度高，适于批量生产。
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第10章 半导体式传感器 传感器原理及应用
10.1 气敏传感器 10.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 (2) 非电阻型半导体气敏传感器
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第10章 半导体传感器
概述
湿度传感器
传感器原理及应用
木材烘干
纸品
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芯片生产要求最高的湿度稳定性
第10章 半导体传感器
概述
传感器原理及应用
湿敏 传感器
气
敏
传
感器Βιβλιοθήκη 可编辑ppt5第10章 半导体传感器
10.1 气敏传感器
传感器原理及应用
➢ 气敏传感器是用来检测气体浓度和成份的器件， 由于气体种类很多，性质各不相同，不可能 用同 一种气体传感器测量所有气体，如：
10.1 气敏传感器 10.1.2 半导体气敏传感器类型及结构 (1) 电阻型半导体气敏传感器
❖ 电阻型气敏元件通常工 作在高温状态，气敏元 件的加热作用：
➢ 为加速气体吸附和上述 的氧化还原反应，提高 灵敏度和响应速度；
➢ 另外使附着在壳面上的 油雾、尘埃烧掉。
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厚膜型气敏器件