《传感器与检测技术》第九章半导体传感器
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第九章 半导体传感器
9.1 气敏传感器 9.2 湿敏传感器 9.3 色敏传感器
第一节 气敏传感器
一、气敏电阻工作原理
1．气敏电阻的材料
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：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。
而半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到 近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现 的一种新型光敏器件。
MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器湿度—阻值关系曲线
3．响应时间
响应时间是在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传 感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。
4．稳定性 湿度传感器，需要进行下列实验： 高温负荷实验 高温高湿负荷试验 油气循环试验
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性
（1）负特性湿敏半导瓷 （2）正特性湿敏半导瓷 半导瓷为Ｎ型，则由于水分子的附着使表面电势下降
Ｐ型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降
几种半导瓷湿敏负特性
正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线
2．电解质湿敏电阻的工作机理
原理:将空气的相对湿度的测量转换为元件电阻值的测量。 氯化锂性质:不分解、不挥发，不变质、具有稳定性质的物
在低浓度下灵敏度高，而高浓度下趋于稳定值。 因此，常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。
二、气敏元件的结构
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。 常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件 3．厚膜型气敏元件 采用真空镀膜或溅射方法，在石英或陶瓷基片上制成金属氧
湿敏传感器是利用空气水分子对材料的影响制成 的测量空气中水份的传感器，其中比较常用的是 半导体陶瓷型的湿敏电阻，此外，还有电解质型、 有机高分子型等。
一、湿敏电阻的工作原理
1．湿敏半导体陶瓷的导电机理 半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧
化物半导体材料百度文库合烧结而成的多孔陶瓷。
这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。
1-引线； 2-基片
3-感湿层； 4-金属电极
四、湿敏传感器的应用
1．自动去湿装置
自动去湿装置电路图
2．直读式湿度计
直读式湿度计电路图
第三节 色敏传感器
半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。 它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光 辐射探测器件。
但不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它 们检测的都是在一定波长范围内光的强度，或者 说光子的数目。
化物薄膜（厚度0.1μm以下），构成薄膜型气敏元件。 这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500℃的较高温
度。 2．薄膜型气敏元件 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。
三、气敏传感器的分类
1．气敏传感器的应用场合
2．气敏传感器及其应用
（1）表面控制型气体传感器 常用的材料为氧化锡和氧化锌等较难还原的氧化物，也有研究用有机半
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。
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。
2．气敏电阻的工作过程
气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）， 目的是为了加速上述的氧化还原反应。
3．气敏电阻的结构与工作电路
三、湿敏传感器的结构
1．氧化镁系湿敏元件
氧化镁复合氧化物-二氧化钛（MgCr2O4-TiO2）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。
2．氧化锌系湿敏元件
ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的电极 烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线， 然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中 用树脂固定而做成的。
1．实用酒精测试仪
该测试仪只要被试者向传感器吹一口气，便可显示出 醉酒的程度，确定被试者是否还适宜驾驶车辆。
2．气体报警器
采用直热式气敏器件TGS109作气体传感器。
家用气体报警器电路
3．自动空气净化换气扇
用于空气净化的自动换气扇。
自动换气扇电路原理图
第二节 湿敏传感器
湿敏传感器常用于精密仪器、半导体集成电路与 元器件制造场所，在气象预报、医疗卫生、食品 加工等行业都有广泛的应用。
导体材料的。
一旦器件与被测气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电子 释放出来，使敏感膜表面电导率增大，器件电阻减少。
（2）体电阻控制型气体传感器 体控制型电阻式气体传感器是利用体电阻的变化来检测气体的半导体器
件。
检测对象主要有：液化石油气，主要是丙烷；煤气，主要是CO、H2；天 然气，主要是甲烷。
工作时要提供加热电源。
（3）非电阻型气体传感器 二极管气体传感器是利用一些气体被金属与半导体的界面吸收，对半导
体禁带宽度或金属的功函数的影响，而使二极管整流特性发生性质变化 而制成。
电容型气体传感器是根据CaO-BaTiO3等复合氧化物随CO2浓度变化、其 静电容量有很大变化而制成。
四、气体传感器的应用
质，在空气中有很强的吸湿性，且极易溶解于水中。其吸 湿量与空气的相对湿度成一定关系。
氯化锂吸收的水分也就越多，其电阻率愈小氯化锂放出水 分，导致电阻增大。
二、湿敏电阻的主要特性
1．电阻—湿度特性 随着相对湿度的增加，半导体陶瓷的电阻值急骤
下降，基本按指数规律下降 2．电阻—温度特性 指湿度传感器的电阻 随温度的变化而变化的特性
3．氯化锂湿敏传感器
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。该元件由引线、基片、感湿层与 电极组成。
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， 其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。
氯化锂湿敏元件结构 氯化锂湿敏元件湿度—电阻特性曲线
9.1 气敏传感器 9.2 湿敏传感器 9.3 色敏传感器
第一节 气敏传感器
一、气敏电阻工作原理
1．气敏电阻的材料
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：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。
而半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到 近红外波段内单色辐射的波长。这是近年来出现 的一种新型光敏器件。
MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器湿度—阻值关系曲线
3．响应时间
响应时间是在一定温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传 感器的电参量达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。
4．稳定性 湿度传感器，需要进行下列实验： 高温负荷实验 高温高湿负荷试验 油气循环试验
MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的时间响应特性
（1）负特性湿敏半导瓷 （2）正特性湿敏半导瓷 半导瓷为Ｎ型，则由于水分子的附着使表面电势下降
Ｐ型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降
几种半导瓷湿敏负特性
正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线
2．电解质湿敏电阻的工作机理
原理:将空气的相对湿度的测量转换为元件电阻值的测量。 氯化锂性质:不分解、不挥发，不变质、具有稳定性质的物
在低浓度下灵敏度高，而高浓度下趋于稳定值。 因此，常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。
二、气敏元件的结构
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。 常用的是氧化锡（SnO2）烧结型气敏元件 3．厚膜型气敏元件 采用真空镀膜或溅射方法，在石英或陶瓷基片上制成金属氧
湿敏传感器是利用空气水分子对材料的影响制成 的测量空气中水份的传感器，其中比较常用的是 半导体陶瓷型的湿敏电阻，此外，还有电解质型、 有机高分子型等。
一、湿敏电阻的工作原理
1．湿敏半导体陶瓷的导电机理 半导体陶瓷湿敏电阻通常是用两种以上的金属氧
化物半导体材料百度文库合烧结而成的多孔陶瓷。
这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。
1-引线； 2-基片
3-感湿层； 4-金属电极
四、湿敏传感器的应用
1．自动去湿装置
自动去湿装置电路图
2．直读式湿度计
直读式湿度计电路图
第三节 色敏传感器
半导体色敏传感器是半导体光敏感器件中的一种。 它是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光 辐射探测器件。
但不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它 们检测的都是在一定波长范围内光的强度，或者 说光子的数目。
化物薄膜（厚度0.1μm以下），构成薄膜型气敏元件。 这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500℃的较高温
度。 2．薄膜型气敏元件 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。
三、气敏传感器的分类
1．气敏传感器的应用场合
2．气敏传感器及其应用
（1）表面控制型气体传感器 常用的材料为氧化锡和氧化锌等较难还原的氧化物，也有研究用有机半
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。
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。
2．气敏电阻的工作过程
气敏元件通常工作在高温状态（200~450℃）， 目的是为了加速上述的氧化还原反应。
3．气敏电阻的结构与工作电路
三、湿敏传感器的结构
1．氧化镁系湿敏元件
氧化镁复合氧化物-二氧化钛（MgCr2O4-TiO2）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。
2．氧化锌系湿敏元件
ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的电极 烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线， 然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中 用树脂固定而做成的。
1．实用酒精测试仪
该测试仪只要被试者向传感器吹一口气，便可显示出 醉酒的程度，确定被试者是否还适宜驾驶车辆。
2．气体报警器
采用直热式气敏器件TGS109作气体传感器。
家用气体报警器电路
3．自动空气净化换气扇
用于空气净化的自动换气扇。
自动换气扇电路原理图
第二节 湿敏传感器
湿敏传感器常用于精密仪器、半导体集成电路与 元器件制造场所，在气象预报、医疗卫生、食品 加工等行业都有广泛的应用。
导体材料的。
一旦器件与被测气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电子 释放出来，使敏感膜表面电导率增大，器件电阻减少。
（2）体电阻控制型气体传感器 体控制型电阻式气体传感器是利用体电阻的变化来检测气体的半导体器
件。
检测对象主要有：液化石油气，主要是丙烷；煤气，主要是CO、H2；天 然气，主要是甲烷。
工作时要提供加热电源。
（3）非电阻型气体传感器 二极管气体传感器是利用一些气体被金属与半导体的界面吸收，对半导
体禁带宽度或金属的功函数的影响，而使二极管整流特性发生性质变化 而制成。
电容型气体传感器是根据CaO-BaTiO3等复合氧化物随CO2浓度变化、其 静电容量有很大变化而制成。
四、气体传感器的应用
质，在空气中有很强的吸湿性，且极易溶解于水中。其吸 湿量与空气的相对湿度成一定关系。
氯化锂吸收的水分也就越多，其电阻率愈小氯化锂放出水 分，导致电阻增大。
二、湿敏电阻的主要特性
1．电阻—湿度特性 随着相对湿度的增加，半导体陶瓷的电阻值急骤
下降，基本按指数规律下降 2．电阻—温度特性 指湿度传感器的电阻 随温度的变化而变化的特性
3．氯化锂湿敏传感器
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。该元件由引线、基片、感湿层与 电极组成。
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， 其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。
氯化锂湿敏元件结构 氯化锂湿敏元件湿度—电阻特性曲线