第09章 半导体传感器 69页VIP专享VIP免费

第9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9.4半导体式传感器应用9.1气敏传感器9.1.1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,性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气-电转换的传感器种类很多，按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气敏传感器。半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。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，前者半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子接受，结果使半导体的电导率等物理性质发生变化，但内部化学组成不变；后者半导体与气体的反应，使半导体内部组成发生变化，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；非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，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的。表9-1为半导体气敏元件的分类。表9-1半导体气敏元件的分类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。因此，对气敏元件有下列要求：能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质产生的影响小等。用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上的天然气、煤气，石油化工等部门的易燃、易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。9.1.2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。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。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。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，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。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。图9-1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。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，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。半导体气敏时间(响应时间)一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO等，P型材料有MoO2、CrO3等。图9-1N型半导体吸附气体时器件阻值变化图100550¼ÓÈÈ¿ª¹Ø´óÆøÖÐ2min4minÎüÆøʱ»¹ÔÐÍÑõ»¯ÐÍÎȶ¨×´Ì¬Æ÷¼þ¼ÓÈÈÏìӦʱ¼äÔ¼1minÒÔÄÚÆ÷¼þµç×è/k9.1.3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图9-2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0.6mmµç¼«0.5mm°ëµ¼Ìå¼ÓÈÈÆ÷µç¼«¾øÔµ»ùƬ(a)µç¼«(²¬Ë¿)Ñõ»¯Îï°ëµ¼Ìå¼ÓÈÈÆ÷²£Á§(³ß´çÔ¼1mm£¬Ò²ÓÐȫΪ°ëµ¼ÌåµÄ)3mm(b)3mm330.5(µ¥Î»:mm)7(c)Ñõ»¯ÂÁ»ùƬPtµç¼«Ñõ»¯Îï°ëµ¼ÌåÆ÷¼þ¼ÓÈÈÓõļÓÈÈÆ÷(Ó¡ÖƺñĤµç×è)图9-2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...