传感器第4版教学课件作者唐文彦第12章节半导体式物性传感器

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1、传感器课程电子教案哈尔滨工业大学光电信息与检测技术研究所lihuipeng@.hit.edu.cn第十二章　半导体式物性传感器1970年，荷兰科学家Bergveld研制出了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管，标志着离子敏半导体传感器的诞生。由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世。这类传感器主要是以半导体为敏感材料，在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化，通过检测这些物理特性的变化，即可反映被测参数值。与各种结构型传感器相比，具有如下特点：1）由于传感器原理是基于物理变化的，因而

2、没有相对运动部件，可以做到结构简单，微型化。2）灵敏度高，动态性能好，输出为电物理量。3）采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化和智能化。4）功耗低，安全可靠。半导体传感器也存在以下一些缺点：1）线性范围窄，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路。2）与所有半导体元件一样，输出特性易受温度影响而漂移，所以应采用补偿措施。3）性能参数离散性大。虽然存在上述问题，但半导体传感器仍是目前传感器发展的重要方向，尤其是大规模集成电路技术的不断发展，半导体传感器的技术也日臻完善。本章主要介绍气敏、湿敏、磁敏、色敏和离子敏半导体

3、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第五节　离子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，借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。半导体气敏传感器的种类如表主要物理特性传感器举例工作温度典型被测气体电阻式表面控制型氧化银、氧化锌室温～450℃可燃性气体体控制型氧化钛、氧化镁、氧化钴室温～700℃酒精、氧气非电阻式表面电位氧化银室温硫醇二极管整流特性铂/硫化镉、铂/氧化钛室温～200℃氢气、一氧化碳、酒精晶

4、体管特性铂栅MOS场效应晶体管室温～150℃氢气、硫化氢一、气敏半导体材料的导电机理图a为烧结体N型半导瓷的模型。它是多晶体，晶粒间界有较高的电阻，晶粒内部电阻较低。图中分别以空白部分和黑点部分示意表示。导电通路的等效电路如图b所示。图中Rn为颈部等效电阻，Rb为晶粒的等效体电阻，Rs为晶粒的等效表面电阻。其中Rb的阻值较低，它不受吸附气体影响。Rs和Rn则受吸附气体所控制，且Rs>>Rb，Rn>>Rb。由此可见，半导体气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和种类而改变。氧化型气体吸附到N型半导体上，将使载流子减少，从而使材料的电

5、阻率增大。还原型气体吸附到N型半导体上，将使载流子增多，材料电阻率下降。根据这一特性，就可以从阻值变化的情况得知吸附气体的种类和浓度。二、电阻型气敏器件电阻型气敏器件在目前使用的比较广泛。按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型这种器件一般分为内热式和旁热式两种结构,如图1、2、4、5—电极3—SnO2烧结体1、2、4、5—电极3—加热器6—SnO2烧结体7—陶瓷绝缘管内热式器件管芯体积一般都很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量板，该结构制造工艺简单。其缺点是：①热容量小，易受环境气流的影响；

6、②测量电路和加热电路之间相互影响；③加热丝在加热和不加热状态下产生胀、缩，容易造成与材料接触不良的现象。旁热式气敏器件的管芯是在陶瓷管内放置高阻加热丝，在瓷管外涂梳状金电极，再在金电极外涂气敏半导体材料。这种结构形式克服了内热式器件的缺点，使器件稳定性有明显提高。2.薄膜型薄膜型气敏器件的制作首先需处理基片（玻璃石英式陶瓷），焊接电极，之后采用蒸发或溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导体薄膜。实验测得SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好。薄膜型器件外形结构如图所示1、2、5、7—引线3—半导体4—电极－6—绝缘基片8—加热

7、器这种器件具有较高的机械强度，而且具有互换性好、产量高、成本低等优点。3.厚膜型其结构如图所示1—加热器2—电极3—湿敏电阻4—基片此种元件一致性较好，机械强度高，适于批量生产，是一种有前途的器件。以上三种气敏器件都附有加热器。在实际应用时，加热器能使附着在测控部分上的油雾，尘埃等烧掉，同时加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度，一般加热到200～400℃，具体温度视所掺杂质不同而异。气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜，使用方便；对气体浓度变化响应快；即使在低浓度（3000mg/kg）下，灵敏度也很高。其缺点

8、在于：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强；各器件之间的特性差异大等。各种可燃性气体的浓度与SnO2半导瓷传感器的电阻率变化的关系如图SnO2气敏器件易受环境温度和湿度的影响。温湿度综合特性曲线图如下三、非电阻型气敏器件1.二极管气敏传感器2.MOS二极管气敏器件3.P