传感器与检测技术教学课件作者董春利第九章节半导体传感器课件

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1、传感器与检测技术董春利主编潘洪坤执笔大连职业技术学院电气电子工程系2008年3月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材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。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

2、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

3、或溅射方法，在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜（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

4、，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、气体传感器的应用该测试仪只要

5、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。1．实用酒精测试仪2．气体报警器家用气体报警器电路采用直热式气敏器件TGS109作气体传感器。3．自动空气净化换气扇自动换气扇电路原理图用于空气净化的自动换气扇。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。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

6、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。（1）负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）正特性湿敏半导瓷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

7、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

8、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