《传感器与检测技术》第九章半导体传感器
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传感器与检测技术 第九章
制造半导体陶瓷湿敏电阻的材料，主要是不同类型的
金属氧化物。有些半导体陶瓷材料的电阻率随湿度增加 而下降，称为负特性湿敏半导体陶瓷，还有一类半导体 陶瓷材料的电阻率随湿度增大而增大，称为正特性湿敏 半导体陶瓷。
半导体陶瓷湿敏电阻按其结构可以分为烧结型和涂 覆膜型两大类。
S108 湿敏电容器
9.2.3
以半导瓷材料SnO2为例
N型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻变化曲线
可见：
当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热时， 其阻值急剧下降，阻值发生变化的时间(称响应时间)不到 1min，然后上升，经2min～10min后达到稳定，这段时间 为初始稳定时间，元件只有在达到初始稳定状态后才可用 于气体检测。 当电阻值处于稳定值后，会随被测气体的吸附情况而 发生变化，其电阻的变化规律视气体的性质而定： 被测气体是氧化性气体(如O2和NOx)，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。 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。
第9章 气敏和湿敏传感器
9.1 半导体气敏传感器
9.2 半导体湿敏传感器
以半导体敏感元件为核心的半导体传感器， 具有灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小、 重量轻、成本低、便于集成化和智能化的优点， 但是由于特性的分散性、温度不稳定性和易受干 扰的缺点，在某些情况下又限制了半导体传感器 的应用。
氯化锂湿敏电阻是典型的电解质湿敏元件，利用吸 湿性盐类潮解，离子电导率发生变化而制成的测湿元件。 典型的氯化锂湿敏传感器有登莫式和浸渍式两种：
环境相对湿度高，LiCl溶液吸收水分，浓度降低，电阻率 增加 环境相对湿度低，LiCl溶液浓度增加，电阻率下降 可见，LiCl湿敏电阻的阻值随环境相对湿度的改变而变 化，从而实现湿度测量。
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。
传感器与检测技术-周杏鹏-清华大学出版社 (9)教材
t——摄氏温度值。
2.热力学温标
➢ 热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的， 以卡诺循环(Carnot cycle)为基础。
➢ 热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之 一。
➢ 热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把 理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度与 水的三相点温度分为273.16份，每份为1 K (Kelvin) 。
4.国际实用温标
表9-1 ITS-90温标17固定点温度
9.1.2 测温方法分类及其特点
➢根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常 可分成接触式和非接触式两大类。
9.1.2 标定
1 标准值法
用适当的方法建立起一系列国际温标定义的 固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温度计(或 传感器)依次置于这些标准温度值之下，记录下温 度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据国际温 标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度进行对 比记录，从而完成对温度计的标定；被定后的温 度计可作为标准温度计来测温度。
当 50 t 150 ℃时 Rt R0 1 At Bt2 Ct3
铜电阻和热敏电阻测温
➢ 热敏电阻的优点：
①灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大1～2个数 量级；
②很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时 几乎无需考虑连线电阻的影响；
③体积小； ④热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的 测量场合； ⑤结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。
3.绝对气体温标
➢ 从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫 绝对气体温标。由波义耳定律：
PV RT
当气体的体积为恒定(定容)时，其压强就是温度 的单值函数。这样就有：
T2 P2
T1
P1
4.国际实用温标
2.热力学温标
➢ 热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的， 以卡诺循环(Carnot cycle)为基础。
➢ 热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之 一。
➢ 热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把 理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度与 水的三相点温度分为273.16份，每份为1 K (Kelvin) 。
4.国际实用温标
表9-1 ITS-90温标17固定点温度
9.1.2 测温方法分类及其特点
➢根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常 可分成接触式和非接触式两大类。
9.1.2 标定
1 标准值法
用适当的方法建立起一系列国际温标定义的 固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温度计(或 传感器)依次置于这些标准温度值之下，记录下温 度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据国际温 标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度进行对 比记录，从而完成对温度计的标定；被定后的温 度计可作为标准温度计来测温度。
当 50 t 150 ℃时 Rt R0 1 At Bt2 Ct3
铜电阻和热敏电阻测温
➢ 热敏电阻的优点：
①灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大1～2个数 量级；
②很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时 几乎无需考虑连线电阻的影响；
③体积小； ④热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的 测量场合； ⑤结构简单坚固，能承受较大的冲击、振动。
3.绝对气体温标
➢ 从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫 绝对气体温标。由波义耳定律：
PV RT
当气体的体积为恒定(定容)时，其压强就是温度 的单值函数。这样就有：
T2 P2
T1
P1
4.国际实用温标
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》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。
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
陈杰 传感器与检测技术课后答案
第一章习题答案1．什么是传感器？它由哪几个部分组成？分别起到什么作用？解：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为和之有确定对应关系的、便于使用的某种物理量的测量装置，能完成检测任务；传感器由敏感元件，转换元件，转换电路组成。
敏感元件是直接感受被测量，并输出和被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。
2．传感器技术的发展动向表现在哪几个方面？解：（1）开发新的敏感、传感材料：在发现力、热、光、磁、气体等物理量都会使半导体硅材料的性能改变，从而制成力敏、热敏、光敏、磁敏和气敏等敏感元件后，寻找发现具有新原理、新效应的敏感元件和传感元件。
（2）开发研制新型传感器及组成新型测试系统①MEMS技术要求研制微型传感器。
如用于微型侦察机的CCD传感器、用于管道爬壁机器人的力敏、视觉传感器。
②研制仿生传感器③研制海洋探测用传感器④研制成分分析用传感器⑤研制微弱信号检测传感器（3）研究新一代的智能化传感器及测试系统：如电子血压计，智能水、电、煤气、热量表。
它们的特点是传感器和微型计算机有机结合，构成智能传感器。
系统功能最大程度地用软件实现。
（4）传感器发展集成化：固体功能材料的进一步开发和集成技术的不断发展，为传感器集成化开辟了广阔的前景。
（5）多功能和多参数传感器的研究：如同时检测压力、温度和液位的传感器已逐步走向市场。
3．传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意义？动态参数有那些？应如何选择？解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。
衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。
1）传感器的线性度是指传感器的输出和输入之间数量关系的线性程度；2）传感器的灵敏度S是指传感器的输出量增量Δy和引起输出量增量Δy的输入量增量Δx的比值；3）传感器的迟滞是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象；4）传感器的重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。
《传感器与检测技术》半导体扩散硅压式阻式压力传感器实验报告
《传感器与检测技术》半导体扩散硅压式阻式压力传感器实验报告课程名称：传感器与检测技术实验类型：验证型实验项目名称：半导体扩散硅压式阻式压力传感器实验一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器的工作原理和工作情况。
二、基本原理：压阻式传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，是的它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。
一般半导体一般采用N 型单晶硅为传感器的弹性元件，在它的上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄膜（扩散出P 型或N 型电阻条）组成电桥。
在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电阻应变薄膜的电阻率产生很大的变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其输出电压的变化反映了所受到的压力的变化。
三、需用器件与单元：主、副电源、可调直流稳压电源、差动放大器、电压/频率表、压阻式传感器、压力表及加压配件。
四、实验步骤：1、了解所需单元、部件、传感器的符号及在仪器上的位置。
2、按图5-2 将连接，注意接线正确，否则容易损坏元器件，差放接成同相反相均可。
3、按图5-3 接好传感器供压回路，传感器具有两个气咀，上面的是高压咀，下面的是低压咀，当高压咀接入正压力时（相对于低压咀）输出为正电压，反之为负。
将引压胶管接到高压咀（或低压咀），将加压皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝拧紧，使压力表示数指示为0Kpa.4、开启主、副电源，可调直流稳压电源选择±4V 档，电压/频率表量程切换开关置 2V 档，调节差放调零旋钮，使电压/频率表示数为零，记下此时电压/频率表读数。
轻按加压皮囊，注意不要用力太大，每隔 5Kpa 记录电压/频率表读数并填入下表 5-1：五.注意事项1、如在实验中压力不稳定，应检查加压气体回路是否有漏气现象。
气囊上单向调节阀的锁紧螺丝是否拧紧。
2、如读数误差较大，应检查气管是否有折压现象，造成传感器的供气压力不均匀。
《测试技术与传感器》课件第9章
图 9-19 光电耦合器组合形式
2. 光电开关 光电开关的典型结构如图9-20所示，图(a)为透射式，图 (b)为反射式。当有不透光的物体位于透射式开关中间或物体 经过反射式开关时，接收元件收到的信号将发生变化，产生 一个检测脉冲。
图 9-20 光电开关的结构
光电开关响应速度快，有非接触测量的特点，可用于物 体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警等，是 工业控制系统中常用的光控制和光探测装置，其基本电路示 例如图9-21所示。
图 9-3 光敏电阻的光谱特性
3) 温度特性 温度特性反映的是温度变化对光敏电阻的光谱响应、灵
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线如图9-4所示。可见， 该光敏电阻受温度影响很大，其峰值随着温度的上升向波长 短的方向移动，故该光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。
图 9-4 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
图 9-10 硅光敏管的伏安特性
2) 光谱特性 光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图9-11所示，峰 值处灵敏度最大。可见，硅的峰值波长约为0.9 μm，锗的峰 值波长约为1.5 μm，都在近红外区域。当入射光的波长自峰 值波长处增加或缩短时，硅和锗的相对灵敏度均下降。实际 应用时，可见光或赤热状态物体的探测，一般都用硅管；对 红外光的探测，锗管较适合。相对而言，锗管的暗电流较大， 性能较差。
图 9-9 NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路 (a) 光敏晶体管结构简图； (b) 光敏晶体管基本电路
2. 基本特性 1) 伏安特性 硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线如图9-10所示。 光敏三极管在不同照度下的伏安特性和晶体管在不同基极电 流下的输出特性一样。 图9-10(a)是光敏二极管的伏安特性。反向电流随光照强 度的增大而增大，不同照度下，曲线几乎平行，不受偏压影 响。 图9-10(b)是硅光敏晶体管的伏安特性。和图9-10(a)相比， 由于晶体管的放大作用，在同样的照度下，光敏晶体管输出 的光电流比相同管型的二极管大上百倍。
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）
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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
化物半导体材料混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。
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。
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
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
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
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
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
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
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。
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。
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。
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
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。
（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
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。
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
化物半导体材料混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。
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。
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
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
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
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
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
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
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。
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。
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。
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
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。
（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
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。