第八章半导体式传感器
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2024年半导体式传感器
1.场论。场论(field theory)是美国心理学家勒温（Lewin， 1951)率先提出的理论。
2.团体动力学理论。团体动力学理论（group dynamic theory），又称群体动力学，是20世纪40年代由社会心理 学家勒温在场论的基础上提出的。
3.需求－压力论。需求－压力论(need-press)是在勒温的 “场论”基础上，用来说明个人行为是个人与环境的互动结 果的一种理论。
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第一节 气敏传感器
各种可燃性气体的浓度与SnO2半导体瓷传感器的电阻率变 化的关系如图7-6所示。对各种气体的相对灵敏度，可以通 过不同的烧结条件和添加增感剂在某种程度上进行调整。一 般说，烧结型S2气敏器件在低浓度下灵敏度高，而高浓度下 趋于稳定值。这一特点非常适宜检测低浓度微量气体。因此， 这种器件常用来检查可燃性气体的泄漏，定限报警等。目前， 检测液化石油气、管道空气等气体泄漏传感器已付诸实际应 用。
未来我们会创造一个更经济、更有效 率的世界，但是让人担心的是，人们 却没有现在过得幸福。
2024/11/21
13
[学习与实践目标]
1.掌握班级气氛的涵义和班级气氛的理论 2.编制班级气氛的测量量表和测量工具 3.掌握师生冲突问题的诊断与解决方法 4.开展教室环境布置与设计的活动
2024/11/21
第七章 半导体式传感器
第一节 气敏传感器 第二节 湿敏传感器 第三节 磁敏传感器 第四节 色敏传感器
第一节 气敏传感器
所谓半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触， 造成半导体性质变化，借此检测特定气体的成分或者测量其 浓度的传感器的总称。
一、气敏半导体材料的导电机理
这里我们以半导瓷材料SnO2为例说明气敏半导材料的导电 机理。SnO2是N型半导体，其导电机理可以用吸附效应来 解释。
2.团体动力学理论。团体动力学理论（group dynamic theory），又称群体动力学，是20世纪40年代由社会心理 学家勒温在场论的基础上提出的。
3.需求－压力论。需求－压力论(need-press)是在勒温的 “场论”基础上，用来说明个人行为是个人与环境的互动结 果的一种理论。
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第一节 气敏传感器
各种可燃性气体的浓度与SnO2半导体瓷传感器的电阻率变 化的关系如图7-6所示。对各种气体的相对灵敏度，可以通 过不同的烧结条件和添加增感剂在某种程度上进行调整。一 般说，烧结型S2气敏器件在低浓度下灵敏度高，而高浓度下 趋于稳定值。这一特点非常适宜检测低浓度微量气体。因此， 这种器件常用来检查可燃性气体的泄漏，定限报警等。目前， 检测液化石油气、管道空气等气体泄漏传感器已付诸实际应 用。
未来我们会创造一个更经济、更有效 率的世界，但是让人担心的是，人们 却没有现在过得幸福。
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[学习与实践目标]
1.掌握班级气氛的涵义和班级气氛的理论 2.编制班级气氛的测量量表和测量工具 3.掌握师生冲突问题的诊断与解决方法 4.开展教室环境布置与设计的活动
2024/11/21
第七章 半导体式传感器
第一节 气敏传感器 第二节 湿敏传感器 第三节 磁敏传感器 第四节 色敏传感器
第一节 气敏传感器
所谓半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触， 造成半导体性质变化，借此检测特定气体的成分或者测量其 浓度的传感器的总称。
一、气敏半导体材料的导电机理
这里我们以半导瓷材料SnO2为例说明气敏半导材料的导电 机理。SnO2是N型半导体，其导电机理可以用吸附效应来 解释。
传感器原理半导体式课件
词
光电传感器利用光敏元件将光信号转换为电信号，广泛应用于光照强度、光亮度、颜色等参数的检测 。
详细描述
光电传感器通常由光敏元件和辅助元件组成，当光敏元件受到光照时，其电阻值会发生变化，从而产 生电信号。在实践中，光电传感器常用于自动控制、机器人视觉、安全监控等领域。
热电偶传感器的应用实例
光电传感器在环境监测、图像识别、 光通信等领域有广泛应用，例如在自 动控制系统中用于检测物体位置和运 动速度等。
热电偶传感器
热电偶传感器利用热电效应，将温度差转换为电信号。热电偶传感器具有测量精 度高、稳定性好、响应速度快等优点。
热电偶传感器广泛应用于温度测量和控制系统，如工业炉温控制、发动机温度监 测等。
、噪声等环境参数。
在医疗健康领域，传感器 用于监测生理参数，如血
压、血糖、心电等。
02
半导体式传感器原理
半导体材料特性
半导体材料具有导电 性，介于金属和非金 属之间。
半导体材料中载流子 的种类和浓度对传感 器的性能有重要影响。
半导体材料的电阻率 随温度、光照、磁场 等外部条件的变化而 变化。
半导体式传感器工作原理
传感器分类
根据不同的分类标准，传感器可以分 为多种类型，如按工作原理可分为机 械式、光学式、半导体式等；按输出 信号可分为模拟式和数字式等。
传感器的工作原理
转换原理
传感器的工作原理是将输入的非电信号转换为电信号。不同的传感器采用不同 的转换原理，如电阻式传感器利用电阻随压力变化的原理，电容式传感器利用 电容量随位移变化的原理等。
未来发展方向
未来半导体式传感器的发展方向包 括高精度、高稳定性、微型化、集 成化、智能化和网络化等，同时将 不断拓展新的应用领域。
光电传感器利用光敏元件将光信号转换为电信号，广泛应用于光照强度、光亮度、颜色等参数的检测 。
详细描述
光电传感器通常由光敏元件和辅助元件组成，当光敏元件受到光照时，其电阻值会发生变化，从而产 生电信号。在实践中，光电传感器常用于自动控制、机器人视觉、安全监控等领域。
热电偶传感器的应用实例
光电传感器在环境监测、图像识别、 光通信等领域有广泛应用，例如在自 动控制系统中用于检测物体位置和运 动速度等。
热电偶传感器
热电偶传感器利用热电效应，将温度差转换为电信号。热电偶传感器具有测量精 度高、稳定性好、响应速度快等优点。
热电偶传感器广泛应用于温度测量和控制系统，如工业炉温控制、发动机温度监 测等。
、噪声等环境参数。
在医疗健康领域，传感器 用于监测生理参数，如血
压、血糖、心电等。
02
半导体式传感器原理
半导体材料特性
半导体材料具有导电 性，介于金属和非金 属之间。
半导体材料中载流子 的种类和浓度对传感 器的性能有重要影响。
半导体材料的电阻率 随温度、光照、磁场 等外部条件的变化而 变化。
半导体式传感器工作原理
传感器分类
根据不同的分类标准，传感器可以分 为多种类型，如按工作原理可分为机 械式、光学式、半导体式等；按输出 信号可分为模拟式和数字式等。
传感器的工作原理
转换原理
传感器的工作原理是将输入的非电信号转换为电信号。不同的传感器采用不同 的转换原理，如电阻式传感器利用电阻随压力变化的原理，电容式传感器利用 电容量随位移变化的原理等。
未来发展方向
未来半导体式传感器的发展方向包 括高精度、高稳定性、微型化、集 成化、智能化和网络化等，同时将 不断拓展新的应用领域。
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
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
半导体传感器的原理与应用
半导体传感器的原理与应用一、什么是半导体传感器半导体传感器是一种利用半导体材料特性进行物理、化学量测量的传感器。
半导体材料是指在温度较高时，导电性大致介于导体和绝缘体之间的物质。
半导体传感器广泛应用于环境监测、工业自动化、医疗仪器等领域。
二、半导体传感器的工作原理半导体传感器的工作原理基于半导体材料的特性，主要包括以下步骤：1.材料选择：选择合适的半导体材料，如硅、锗等。
材料的选择取决于传感器要测量的物理或化学量的特性。
2.材料加工：对半导体材料进行加工，通常包括晶体生长、切割、抛光等工艺，以获得符合要求的传感器元件。
3.接触电极制备：通过沉积金属薄膜或其他电导材料，制备出用于与被测物接触的电极或反应层。
接触电极的材料和形状也是根据要测量的物理或化学量的不同而选择的。
4.电流或电压测量：将电流或电压施加到半导体传感器中，根据传感器的特性，通过测量电阻、电导率、电容等参数，计算出被测量物理或化学量的值。
三、半导体传感器的应用领域半导体传感器由于其高灵敏度、快速响应和可靠性等优势，广泛应用于以下领域：1.环境监测：半导体传感器可以用于检测温度、湿度、气体浓度等环境参数。
在空气质量监测、室内空调控制和农业温室管理等方面发挥重要作用。
2.工业自动化：在工业自动化领域，半导体传感器被用于测量压力、流量、位移等物理量。
通过实时监测和控制，提高生产效率和产品质量。
3.医疗仪器：半导体传感器可以测量血氧浓度、体温等生命体征参数，用于医疗仪器中，如血氧仪、体温计等。
在医疗诊断和治疗中起到重要作用。
4.汽车电子：半导体传感器在汽车电子中广泛应用，如气囊传感器、氧气传感器等。
提高汽车安全性能和燃油效率。
四、半导体传感器的发展趋势随着科技的不断发展，半导体传感器也在不断创新和进步。
未来的发展趋势主要包括：1.小型化和集成化：半导体传感器的体积将越来越小，以适应微型化设备和系统的需求。
同时，将更多的传感器集成在一个芯片上，提高系统的集成度和简化制造工艺。
半导体传感器
2 湿敏传感器
2.2 半导体陶瓷湿敏电阻 ◆半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧化物半导 体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiOV2O5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，故称为负特性湿 敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增大而增大，故 称为正特性湿敏半导体陶瓷（为叙述方便，有时将半导体 陶瓷简称为半导瓷）。
2 湿敏传感器
2 湿敏传感器
图10-6 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器结构
ห้องสมุดไป่ตู้
2 湿敏传感器
图10-7 MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器相对湿度与电阻的关系
● MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之
间的关系，见图10-7所示。传感器的电阻值既随所处环 境的相对湿度的增加而减少，又随周围环境温度的变化 而有所变化。
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。
2 湿敏传感器
图10-5 Fe3O4半导瓷湿敏电阻特性
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10-6 所示。
《半导体传感器》课件
应用领域
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。
THANKS
感谢观看
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
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
8-半导体传感器可修改全文
0.5 33
(单 位 : mm )
氧 化 物半 导 体 Pt电 极 氧 化 铝基 片
7
器 件 加热 用 的 加 热 器(印 制 厚 膜 电阻 )
(c)
图8-1
(c) 厚膜型器件
图8-1(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2半导体材 料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加 压、温度为700~900℃的制陶工艺烧结成形。因此，被称为 半导体陶瓷，简称半导瓷。半导瓷内的晶粒直径为1μm左右， 晶粒的大小对电阻有一定影响，但对气体检测灵敏度则无很 大的影响。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；但由于 烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能 一致性较差，因此应用受到一定限制。
这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感元件 表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，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：直热式 旁热式
直热式器件是将加热丝、 测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中 烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。 这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小，可以在高电压回路下 使用， 但热容量小， 易受环境气流的影响，测量回路和加热回 路间没有隔离而相互影响。
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， 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。
半导体传感器
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烧结型气敏元件，它的加 热温度较低，一般在200~300度，并且对可燃性气 体都有较高的灵敏度。
（2）薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法，
磁敏传感器是传感器产品的一个重要组成部 分, 随着我国磁敏传感器技术的发展,其产品种类 和质量将会得到进一步发展和提高,进军汽车、民 用仪表等这些量大面广的应用领域即将实现。
国产的电流传感器,高斯计等产品日前已经开 始走入国际市场,与国外产品的差距 正在快速缩 小。
色敏传感器
半导体色敏电阻传感器是半导体光敏器件的一 种，它也是基于半导体的内光效应，将光信号变 成电信号的光辐射探测器件。 在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有 不同的灵敏度。这一特性给我们提供了将这种器 件用于颜色识别的可能性，即可以用来测量入射 光的波长。 将两只结深不同的光敏二极管组合，就构 成了可以测定波长的半导体色敏传感器。
二、半导体陶瓷湿敏电阻
半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属 氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。电 阻率随湿度增加而下降为负特性湿敏半导体陶瓷； 随湿度增加而增加为正特性湿敏半导体陶瓷。
磁敏传感器
磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。 磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏 三极管和霍尔式磁敏传感器。它们主要特点有： 一、磁敏电阻的应用广泛，除了可以做成探头， 配上简单的线路可以探测各种磁场，制成位移检 测器、角度检测器、功率计、安培计。此外还可 以用磁敏电阻制成交流放大器、振荡器等。
1.气敏传感器 2.湿敏传感器 3.磁敏传感器 3.色敏传感器 4.半导体式传感器的特点
第八章霍尔传感器-PPT课件
路状态下工作时，可在输入回路中串人适当电 阻来补偿温度误差，其分析过程与结果同式
pptcn
温度误差及其补偿
温度误差产生原因： 霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温
度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移 率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。 当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数， 如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生 变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。
恒流源及输入并联电阻温度补偿电路
pptcn
由补偿电路图知，在温度t0和t时
当温度影响完全补偿时，UH0=UHt，则 将式(9-8)~式(9-11)代入式(9-12)，可得
(9-8) (9-9) (9-10) (9-11)
(9-12)
(9-13,14)
pptcn
2．选取合适的负载电阻RL 霍尔元件的输出电阻R。和霍尔电势都是温度的函数
移动距离与输出关系
pptcn
2．霍尔开关集成器件 常用的霍尔开关集成器件有UGN3000系列，
其外形与UGN3501T相同。
+
霍尔开关集成器件 (a) 内部结构框图；（b）工作特性；（c）工作电路；（d）锁定型器件工作特性
pptcn
第三节 霍尔传感器应用
霍尔电势是关于I、B、θ 三个变量的函数，即 E=kIBcosθ ，人们利用这个关系可以使其中两个变量 不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量、 其余两个量都作为变量。三个变量的多种组合使得霍 尔传感器具有非常广阔的应用领域。霍尔传感器由于 结构简单、尺寸小、无触点、动态特性好、寿命长等 特点，因而得到了广泛应用。如磁感应强度、电流、 电功率等参数的检测都可以选用霍尔器件。它特别适 合于大电流、微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场 参数的测量。此外，也可用于位移、加速度、转速等 参数的测量以及自动控制。归纳起来，霍尔传感器主 要有下列三个方面的用途：
pptcn
温度误差及其补偿
温度误差产生原因： 霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温
度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移 率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。 当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数， 如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生 变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。
恒流源及输入并联电阻温度补偿电路
pptcn
由补偿电路图知，在温度t0和t时
当温度影响完全补偿时，UH0=UHt，则 将式(9-8)~式(9-11)代入式(9-12)，可得
(9-8) (9-9) (9-10) (9-11)
(9-12)
(9-13,14)
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2．选取合适的负载电阻RL 霍尔元件的输出电阻R。和霍尔电势都是温度的函数
移动距离与输出关系
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2．霍尔开关集成器件 常用的霍尔开关集成器件有UGN3000系列，
其外形与UGN3501T相同。
+
霍尔开关集成器件 (a) 内部结构框图；（b）工作特性；（c）工作电路；（d）锁定型器件工作特性
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第三节 霍尔传感器应用
霍尔电势是关于I、B、θ 三个变量的函数，即 E=kIBcosθ ，人们利用这个关系可以使其中两个变量 不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量、 其余两个量都作为变量。三个变量的多种组合使得霍 尔传感器具有非常广阔的应用领域。霍尔传感器由于 结构简单、尺寸小、无触点、动态特性好、寿命长等 特点，因而得到了广泛应用。如磁感应强度、电流、 电功率等参数的检测都可以选用霍尔器件。它特别适 合于大电流、微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场 参数的测量。此外，也可用于位移、加速度、转速等 参数的测量以及自动控制。归纳起来，霍尔传感器主 要有下列三个方面的用途：
传感器原理与检测技术第8章 集成温度传感器
3、试分别用LM3911，AD590集成温度传感器设计 一个直接显示摄氏温度-50～50℃的数字温度计。 若被测温度点距离测温仪500cm。应用何种温度 传感器？为什么？
1〉电压输出型
U out
I2
R2
U BE R1
R2
R2 kT ln
R1 q
电压输出感温部分基本电路
2〉电流输出型
IT
2I1
2U BE R
2kT qR
ln
CT
dIT dT
2k ln
qR
1 A / K
第三节 常用集成温度传感器
集成温度传感器与热敏电阻等温度传感器相比，它 具有良好的线性度和一致性。
电压型
使用温度范围 －40～125℃
温度系数 10mV/℃
μPC616CSL616C
LX5600 LX5700 LM3911 LM134LS134M SL334 AD590LS590 AN6701S
电压型
电压型 电压型 电压型 电流型 电流型 电流型 电压型
－25～85℃
－55～85℃ －55～85℃ －25～85℃ －55～125℃ －0～70℃ －55～155℃ －10～80℃
双 金 属 片 －20～200
1～10
较差
0.5～5
热 敏 电 阻 －50～300 0.2～2.0 不良 0.2～2.0
半 导 体 管 －40～150
1.0
良
0.2～1.0
集成温度传感器 －55～150
1.0
优
0.3
不高 不高 不高
高 高 高
几种集成温度传感器
型号
1〉电压输出型
U out
I2
R2
U BE R1
R2
R2 kT ln
R1 q
电压输出感温部分基本电路
2〉电流输出型
IT
2I1
2U BE R
2kT qR
ln
CT
dIT dT
2k ln
qR
1 A / K
第三节 常用集成温度传感器
集成温度传感器与热敏电阻等温度传感器相比，它 具有良好的线性度和一致性。
电压型
使用温度范围 －40～125℃
温度系数 10mV/℃
μPC616CSL616C
LX5600 LX5700 LM3911 LM134LS134M SL334 AD590LS590 AN6701S
电压型
电压型 电压型 电压型 电流型 电流型 电流型 电压型
－25～85℃
－55～85℃ －55～85℃ －25～85℃ －55～125℃ －0～70℃ －55～155℃ －10～80℃
双 金 属 片 －20～200
1～10
较差
0.5～5
热 敏 电 阻 －50～300 0.2～2.0 不良 0.2～2.0
半 导 体 管 －40～150
1.0
良
0.2～1.0
集成温度传感器 －55～150
1.0
优
0.3
不高 不高 不高
高 高 高
几种集成温度传感器
型号
半导体传感器的工作原理
半导体传感器的工作原理半导体传感器是一种利用半导体材料特性制作的传感器，它可以将被测量的物理量转换为电信号输出，广泛应用于工业控制、环境监测、医疗诊断等领域。
它的工作原理主要包括材料特性、电子结构和电荷传输等方面。
下面将详细介绍半导体传感器的工作原理。
首先，半导体传感器的工作原理与半导体材料的特性密切相关。
半导体材料是指在绝缘体和导体之间的一类材料，它的导电性介于绝缘体和导体之间。
当半导体材料受到外界刺激时，会发生电子结构的变化，导致电子的能带结构发生变化，从而影响了材料的导电性能。
这种特性使得半导体材料可以用来制作传感器，通过外界物理量的作用，改变半导体材料的电子结构，从而实现对被测物理量的敏感检测。
其次，半导体传感器的工作原理还涉及到电子结构的变化。
在半导体材料中，电子的能级分布和运动规律对于传感器的性能起着至关重要的作用。
当外界物理量作用于半导体材料时，会改变材料中电子的分布和运动状态，从而影响了材料的导电性能。
传感器可以通过检测电子结构的变化，实现对外界物理量的测量和检测。
最后，半导体传感器的工作原理还涉及到电荷传输的过程。
半导体材料中电子和空穴的运动规律对于传感器的灵敏度和响应速度有着重要的影响。
当外界物理量作用于半导体材料时，会引起电荷的重新分布和传输，从而产生电信号输出。
传感器可以通过检测电荷传输的过程，实现对外界物理量的准确测量和快速响应。
综上所述，半导体传感器的工作原理主要包括材料特性、电子结构和电荷传输等方面。
通过对半导体材料的特性和电子结构的变化进行检测和分析，可以实现对外界物理量的敏感检测和精准测量。
半导体传感器在工业控制、环境监测、医疗诊断等领域具有重要的应用价值，其工作原理的深入理解对于传感器的设计和优化具有重要意义。
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8章半导体传感器
★主要特点 机械强度高、各传感器的重复性好、而且生产工艺简单．
气敏传感器特点与特性
★ 上述三种气敏传感器的共同之处是皆附有加热
丝，加热的方式有直热式和旁热式。
★ 气敏传感器的电阻变化率与气体浓度变化有关。 ★ 气敏传感器一般受环境温度、湿度影响。
SnO2气敏传感器特性： 电阻变化率与气体浓度变化关系
8.3.2 磁敏二极管
1 结构 磁敏二极管(SMD)的结构
在高阻半导体芯片（本征区I）的两端，分别 制作P、N两个电极，形成P-I-N结。
2 工作原理
（a）图a未加磁场时，如果外加正偏压，则： ● 有大量的空穴从P区通过I 区进入N区； ● 同时应有大量电子注入P区，形成电流； ● 只有少量电子和孔穴在I区复合。
磁敏晶体管的放大系数是随着磁场方向变 化的； 而且具有正反向不同的磁灵敏度。
8.4
色敏传感器（不讲）
● 色敏传感器是基于半导体的内光电效应， 将光信号变为电信号的光辐射探测器件。 ● 可直接用来测量从可见光到近红外光波段 内单色辐射光波。
8.4.1 半导体色敏传感器基本原理
价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带,从而使光在半 导体中传播时衰减.这种吸收光子的过程称为本征吸收 ,其 特性曲线如图8.23所示;
0
L f( ) b
L K ( B) [1 f ( )] b
2
L、b—分别为电阻的长度和宽度；
—形状效应函数
常见的磁敏电阻是圆盘形的，如图8.15.
图8.16为磁阻率与磁感应强度及几何形状的关系
3、磁敏电阻特性
在低磁场范围内，其电阻值与磁场强度的平方成 正比关系；在高磁场范围内，其电阻值与磁场强 度成线性关系。
★ 相对湿度---空气中所含水蒸气分压和在相同温 度下饱和水蒸气分压之比。
气敏传感器特点与特性
★ 上述三种气敏传感器的共同之处是皆附有加热
丝，加热的方式有直热式和旁热式。
★ 气敏传感器的电阻变化率与气体浓度变化有关。 ★ 气敏传感器一般受环境温度、湿度影响。
SnO2气敏传感器特性： 电阻变化率与气体浓度变化关系
8.3.2 磁敏二极管
1 结构 磁敏二极管(SMD)的结构
在高阻半导体芯片（本征区I）的两端，分别 制作P、N两个电极，形成P-I-N结。
2 工作原理
（a）图a未加磁场时，如果外加正偏压，则： ● 有大量的空穴从P区通过I 区进入N区； ● 同时应有大量电子注入P区，形成电流； ● 只有少量电子和孔穴在I区复合。
磁敏晶体管的放大系数是随着磁场方向变 化的； 而且具有正反向不同的磁灵敏度。
8.4
色敏传感器（不讲）
● 色敏传感器是基于半导体的内光电效应， 将光信号变为电信号的光辐射探测器件。 ● 可直接用来测量从可见光到近红外光波段 内单色辐射光波。
8.4.1 半导体色敏传感器基本原理
价带电子吸收光子而从价带跃迁到导带,从而使光在半 导体中传播时衰减.这种吸收光子的过程称为本征吸收 ,其 特性曲线如图8.23所示;
0
L f( ) b
L K ( B) [1 f ( )] b
2
L、b—分别为电阻的长度和宽度；
—形状效应函数
常见的磁敏电阻是圆盘形的，如图8.15.
图8.16为磁阻率与磁感应强度及几何形状的关系
3、磁敏电阻特性
在低磁场范围内，其电阻值与磁场强度的平方成 正比关系；在高磁场范围内，其电阻值与磁场强 度成线性关系。
★ 相对湿度---空气中所含水蒸气分压和在相同温 度下饱和水蒸气分压之比。
1半导体温度传感器
第8章 半导体传感器
（一）半导体热敏电阻主要特点
(1)灵敏度高,有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变 的三种热敏电阻元件。其电阻温度系数要比金属大10～100倍以 上,能检测出10-6℃温度变化。
(2)小型,材料加工容易、性能好，最小的珠状热敏电阻可做到直径 为0.2mm,能够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、 生物体血管等处的温度。
成分中加入少量Y2O3和Mn2O3构
105
② P TC
成的烧结体。其特性曲线是随温度升 高而阻值增大,其色标标记为红色。
104
开关型正温度系数热敏电阻在居里点
附近阻值发生突变,有斜率最大的区
103
段,通过成分配比和添加剂的改变,可 使其斜率最大的区段处在不同的温度
102
① NTC
范围里,例如加入适量铅其居里温度 升高;若将铅换成锶,其居里温度下降 。
Rt=R0[1+α（t-t0）]
第8章 半导体传感器
1.热电阻传感器
对热电阻材料的要求：
①电阻温度系数α要尽可能大，且稳定； ②电阻率ρ要高； ③比热小，亦即热惯性小； ④电阻值随温度变化关系最好是线性关系； ⑤在较宽的测量范围内具有稳定的物理化学性质； ⑥良好的工艺性，即特性的复现性好，便于批量生产。
负温度系数（NTC）型半导体 热敏电阻研究最早,生产最成熟,是 应用最广泛的热敏电阻之一, 特别 适合于-100～300°C之间的温度 测量,其色标标记为绿色。
/ c·m
108
107
106
③ CTR
105
② P TC
104
103 ① NTC
102
101 0 40 80 120 160 200 t/℃
半导体式co传感器
半导体式co传感器1.引言1.1 概述半导体式CO传感器是一种基于半导体材料技术的一种气体传感器，专门用于检测和监测一氧化碳（CO）气体浓度。
随着工业化进程的加快以及日益严重的空气污染问题，CO传感器的需求日益增长。
相比传统的CO传感器，半导体式CO传感器具有灵敏度高、成本低、功耗低等优点，因此在环境保护、工业安全、智能家居等领域得到广泛应用。
半导体式CO传感器的工作原理基于半导体材料与CO气体之间的化学反应。
当CO气体与半导体材料接触时，会发生氧化还原反应，导致半导体材料的电阻发生变化。
通过测量电阻的变化，就可以确定CO气体的浓度。
与传统的CO传感器相比，半导体式CO传感器的灵敏度更高，可以检测到更低的CO浓度，并且响应速度更快。
半导体式CO传感器的应用领域广泛。
在室内环境监测中，它可以用于检测燃气、车辆尾气、室内加热设备等产生的CO气体，及时发现CO 泄漏并采取相应的安全措施。
在工业领域，半导体式CO传感器可以应用于煤矿、化工厂、燃煤发电厂等危险环境下的CO检测，预防CO中毒事故的发生。
此外，半导体式CO传感器还可以集成到智能家居系统中，实现自动报警和联动控制，提高居民生活的安全性和舒适度。
综上所述，半导体式CO传感器以其灵敏度高、成本低、功耗低等优势，成为现代气体传感器领域的重要技术。
随着科技的不断进步和应用需求的增加，半导体式CO传感器在环境保护、工业安全等方面发挥着重要的作用。
在未来的发展中，我们可以期待半导体式CO传感器在精度、稳定性、响应速度等方面进一步提升，为人类创造更加安全和健康的生活环境。
1.2 文章结构文章结构部分的内容包括：本文共分为三个主要部分：引言、正文和结论。
引言部分首先对半导体式CO传感器进行概述，介绍其定义、原理和应用。
然后给出本文的结构安排，说明各个部分的主要内容和目的。
正文部分则主要分为两个小节：半导体式CO传感器的原理和半导体式CO传感器的应用。
其中，2.1小节将详细介绍半导体式CO传感器的工作原理，包括半导体式CO传感器的基本结构、工作原理和检测原理等。
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气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和
测量氧气浓度的两大类。
表二给出了半导体气敏传感器的应用举例。
23
1.气 敏 传 感 器
表二 半导体气敏传感器的各种检测对象气体
24
1.气 敏 传 感 器
一、还原性气体传感器
所谓还原性气体就是在化学反应中能给出 电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属 于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲 烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
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
半导体分为：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 化铜等。为提高选择性和灵敏度，还会渗入催化剂， 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
4
1.气 敏 传 感 器
（1）体电阻控制型气敏传感器 利用体电阻的变化来检测气体，主要对象有液化 石油气（主要是丙烷）、煤气（主要是氢气、CO）、 天然气（主要是甲烷）。
12
1.气 敏 传 感 器
图1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。空 气中气体含量恒定，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。N型材料有 SnO2、ZnO、TiO2等，P 型材料有MoO2、Cr2O3等。
7
1.气 敏 传 感 器
表一 半导体气敏元件的分类
8
1.气 敏 传 感 器
二、半导体气敏传感器 的机理 半导体气敏传感器 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而
制成的。
9
1.气 敏 传 感 器
当半导体材料的分子相对于吸附分子来说 易于失去电子，吸附分子将从器件夺得电子而变
测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、 ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、 激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的 半导体器件。
25
1.气 敏 传 感 器
气敏电阻外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
26
1.气 敏 传 感 器
家庭用煤气报警器
27
1.气 敏 传 感 器
其他气体传感器
成负离子吸附，半导体表面呈现正电荷层。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。如果半导体材料的分子
相对于吸附分子来说易于得到电子，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。 10
36
2.湿 敏 传 感 器
二、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。 由引线、基片、感湿层 与电极组成，如图6所示。 氯化锂通常与聚乙烯醇 组 成 混 合 体， 在 氯 化 锂 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， 其溶液中的离子导电能 力与浓度成正比。
图2 (c) 厚 膜型器件
18
1.气 敏 传 感 器
加热方式一般有直热式和旁热式两种，直热式气敏 器件的结构及符号如图3所示，它是将加热丝、测量丝 直接埋入SnO2 或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热 丝通电，测量丝用于测量器件阻值。制造工艺简单、成 本低、功耗小，但热容量小，易受环境气流的影响，测 量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。
31
休息一下
班主任张老师怒气冲冲的走进教室厉声说：你 们叫我语文张，我忍了。但新来的政治老师范 老师，你们为什么叫她政治犯呢？
32
2.湿 敏 传 感 器
一、湿度 二、氯化锂湿敏电阻 三、半导体陶瓷湿敏电阻 四、湿敏电阻传感器的应用
33
2.湿 敏 传 感 器
一、湿度 在四五月份，人们经常会感到闷热不适，地 面返潮，这种现象的本质是空气中的相对湿度太 大造成的。 湿度的检测与控制在现代科研、生产、生活 中的地位越来越重要。例如：许多储物仓库在湿 度超过一定程度时，物品易发生变质或者霉变现 象；居家的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的 湿度保持在60%-70%RH；在农业生产中的温室育 苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行 34 检测和控制。
2.湿 敏 传 感 器
三、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。如ZnO-LiO2-V2O5系、 Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。 1.负特性湿敏半导瓷的导电机理 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，如果该半导瓷是Ｐ型半导体，则水 分子吸附将吸引更多的空穴到达其表面（电子和 空穴分离，电子被吸附），于是，其表面层的电 39 阻下降。
料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一
定限制。
16
1.气 敏 传 感 器
图2(b)为薄膜型器件。 它采用蒸发或溅射工艺， 在石英基片上形成氧化物 半导体薄膜（其厚度约在 100nm 以 下 ） ， 制 作 方 法 简单。实验证明，SnO2 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 图2 气敏半导体传感器的器件结构 (b) 薄膜型器件 差异较大。
甲烷传感器
NH3传感器
28
1.气 敏 传 感 器
二、氧浓度传感器 氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
29
1.气 敏 传 感 器
汽车尾气分析
30
1.气 敏 传 感 器
三、自动空气净化装置 当室内空气污浊，烟雾或者其他污染气体使气 敏元件阻值下降，电路导通，接通风扇，排放污浊 气体，或者使用燃烧装置烧掉，换进新鲜空气。 当室内污 浊气体浓度下降 到希望的数值时， 气敏元件阻值上 升，电路断开， 加热器和风扇停 止工作。
1.气 敏 传 感 器
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。
N型半 导体
P型半 导体
11
1.气 敏 传 感 器
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。
35
2.湿 敏 传 感 器
一定温度和压力下，一定数量的空气只能容纳 一定限度的水蒸气。当一定数量的空气在该温度和 压力下最大限度容纳水蒸气，这样的空气称饱和空 气；未能最大限度容纳水蒸气，这样的空气称未饱 和空气。 在一定大气压力下，温度和大气中水汽含量的 最大值之间的关系是确定的，可以查表得到。例如， 同样是17g/m3的绝对湿度，如果是在炎热的夏天中 午，由于离当时的饱和状态尚远，人就感到干燥； 如果是在初夏的傍晚，虽然水汽密度仍为17g/m3， 但气温比中午下降很多，使大气水汽密度接近饱和 状态，人们就会感到汗水不易挥发，因此觉得闷热。
17
1.气 敏 传 感 器
厚膜型器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能 印刷的厚膜胶，再印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制 成。这种工艺制成的元件机械强度高，离散度小，适合大批 量生产。这些器件全部附有加热器，作用是将附着在敏感元 件表面的尘埃、油雾等烧掉，加速气体吸附和反应，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。
C SiO 2 Ca P—Si Cs O (a) (b) (c)
22
a b
图5 MOS二极管结构 和等效电路 (a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
V
1.气 敏 传 感 器
四、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，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。
第八章 半导体式传感器
1. 气敏传感器 2. 湿敏传感器 3.色敏传感器
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1.气 敏 传 感 器
一、概述
二、半导体气敏传感器的机理
三、半导体气敏传感器类型及结构
四、气敏传感器应用
可燃气体报警器
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1.气 敏 传 感 器
一、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
图1 N型半导体吸附 气体时器件阻值变化图 13
1.气 敏 传 感 器
三、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
按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚膜 型三种。
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1.气 敏 传 感 器
图2 气敏半导体传感器的器件结构 (a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
图6 湿敏电阻结构示意图
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2.湿 敏 传 感 器
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，溶液电阻率 增高。反之，环境相对湿 度变低时，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 敏元件的电阻—湿度特性 曲线如图7所示。
图7 氯化锂湿度—电阻特性 曲线 38
15
1.气 敏 传 感 器
图2(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2
半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2
材料中，用加热、加压、温度为700~900℃的制陶 工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称 但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材
半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；
测量氧气浓度的两大类。
表二给出了半导体气敏传感器的应用举例。
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1.气 敏 传 感 器
表二 半导体气敏传感器的各种检测对象气体
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1.气 敏 传 感 器
一、还原性气体传感器
所谓还原性气体就是在化学反应中能给出 电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属 于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲 烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。
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
半导体分为：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 化铜等。为提高选择性和灵敏度，还会渗入催化剂， 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
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1.气 敏 传 感 器
（1）体电阻控制型气敏传感器 利用体电阻的变化来检测气体，主要对象有液化 石油气（主要是丙烷）、煤气（主要是氢气、CO）、 天然气（主要是甲烷）。
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1.气 敏 传 感 器
图1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。空 气中气体含量恒定，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。N型材料有 SnO2、ZnO、TiO2等，P 型材料有MoO2、Cr2O3等。
7
1.气 敏 传 感 器
表一 半导体气敏元件的分类
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1.气 敏 传 感 器
二、半导体气敏传感器 的机理 半导体气敏传感器 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而
制成的。
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1.气 敏 传 感 器
当半导体材料的分子相对于吸附分子来说 易于失去电子，吸附分子将从器件夺得电子而变
测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、 ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、 激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的 半导体器件。
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1.气 敏 传 感 器
气敏电阻外形
其他可燃性 气体传感器
酒精传感器
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1.气 敏 传 感 器
家庭用煤气报警器
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1.气 敏 传 感 器
其他气体传感器
成负离子吸附，半导体表面呈现正电荷层。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。如果半导体材料的分子
相对于吸附分子来说易于得到电子，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。 10
36
2.湿 敏 传 感 器
二、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。 由引线、基片、感湿层 与电极组成，如图6所示。 氯化锂通常与聚乙烯醇 组 成 混 合 体， 在 氯 化 锂 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， 其溶液中的离子导电能 力与浓度成正比。
图2 (c) 厚 膜型器件
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1.气 敏 传 感 器
加热方式一般有直热式和旁热式两种，直热式气敏 器件的结构及符号如图3所示，它是将加热丝、测量丝 直接埋入SnO2 或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热 丝通电，测量丝用于测量器件阻值。制造工艺简单、成 本低、功耗小，但热容量小，易受环境气流的影响，测 量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。
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休息一下
班主任张老师怒气冲冲的走进教室厉声说：你 们叫我语文张，我忍了。但新来的政治老师范 老师，你们为什么叫她政治犯呢？
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2.湿 敏 传 感 器
一、湿度 二、氯化锂湿敏电阻 三、半导体陶瓷湿敏电阻 四、湿敏电阻传感器的应用
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2.湿 敏 传 感 器
一、湿度 在四五月份，人们经常会感到闷热不适，地 面返潮，这种现象的本质是空气中的相对湿度太 大造成的。 湿度的检测与控制在现代科研、生产、生活 中的地位越来越重要。例如：许多储物仓库在湿 度超过一定程度时，物品易发生变质或者霉变现 象；居家的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的 湿度保持在60%-70%RH；在农业生产中的温室育 苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行 34 检测和控制。
2.湿 敏 传 感 器
三、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。如ZnO-LiO2-V2O5系、 Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。 1.负特性湿敏半导瓷的导电机理 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，如果该半导瓷是Ｐ型半导体，则水 分子吸附将吸引更多的空穴到达其表面（电子和 空穴分离，电子被吸附），于是，其表面层的电 39 阻下降。
料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一
定限制。
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1.气 敏 传 感 器
图2(b)为薄膜型器件。 它采用蒸发或溅射工艺， 在石英基片上形成氧化物 半导体薄膜（其厚度约在 100nm 以 下 ） ， 制 作 方 法 简单。实验证明，SnO2 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 图2 气敏半导体传感器的器件结构 (b) 薄膜型器件 差异较大。
甲烷传感器
NH3传感器
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1.气 敏 传 感 器
二、氧浓度传感器 氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
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1.气 敏 传 感 器
汽车尾气分析
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1.气 敏 传 感 器
三、自动空气净化装置 当室内空气污浊，烟雾或者其他污染气体使气 敏元件阻值下降，电路导通，接通风扇，排放污浊 气体，或者使用燃烧装置烧掉，换进新鲜空气。 当室内污 浊气体浓度下降 到希望的数值时， 气敏元件阻值上 升，电路断开， 加热器和风扇停 止工作。
1.气 敏 传 感 器
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。
N型半 导体
P型半 导体
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1.气 敏 传 感 器
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。
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2.湿 敏 传 感 器
一定温度和压力下，一定数量的空气只能容纳 一定限度的水蒸气。当一定数量的空气在该温度和 压力下最大限度容纳水蒸气，这样的空气称饱和空 气；未能最大限度容纳水蒸气，这样的空气称未饱 和空气。 在一定大气压力下，温度和大气中水汽含量的 最大值之间的关系是确定的，可以查表得到。例如， 同样是17g/m3的绝对湿度，如果是在炎热的夏天中 午，由于离当时的饱和状态尚远，人就感到干燥； 如果是在初夏的傍晚，虽然水汽密度仍为17g/m3， 但气温比中午下降很多，使大气水汽密度接近饱和 状态，人们就会感到汗水不易挥发，因此觉得闷热。
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1.气 敏 传 感 器
厚膜型器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能 印刷的厚膜胶，再印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制 成。这种工艺制成的元件机械强度高，离散度小，适合大批 量生产。这些器件全部附有加热器，作用是将附着在敏感元 件表面的尘埃、油雾等烧掉，加速气体吸附和反应，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。
C SiO 2 Ca P—Si Cs O (a) (b) (c)
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a b
图5 MOS二极管结构 和等效电路 (a) 结构； (b) 等效电路； (c) C-U特性
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1.气 敏 传 感 器
四、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，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。
第八章 半导体式传感器
1. 气敏传感器 2. 湿敏传感器 3.色敏传感器
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1.气 敏 传 感 器
一、概述
二、半导体气敏传感器的机理
三、半导体气敏传感器类型及结构
四、气敏传感器应用
可燃气体报警器
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1.气 敏 传 感 器
一、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
图1 N型半导体吸附 气体时器件阻值变化图 13
1.气 敏 传 感 器
三、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
按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚膜 型三种。
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1.气 敏 传 感 器
图2 气敏半导体传感器的器件结构 (a) 烧结型气敏器件； (b) 薄膜型器件； (c) 厚膜型器件
图6 湿敏电阻结构示意图
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2.湿 敏 传 感 器
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，溶液电阻率 增高。反之，环境相对湿 度变低时，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 敏元件的电阻—湿度特性 曲线如图7所示。
图7 氯化锂湿度—电阻特性 曲线 38
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1.气 敏 传 感 器
图2(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2
半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2
材料中，用加热、加压、温度为700~900℃的制陶 工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷，简称 但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材
半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；