第十二章 半导体物性传感器

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1、气敏传感器湿敏传感器半导体传感器它是利用某些材料的电特性的物性变化来实现信息的直接变换的。半导体材料导电能力的大小，是由半导体内载流子的数目决定的。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，就可反映被测参数值。半导体传感器定义：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。检测气体中的特定成分（CO、CO2、甲醛、酒精、氧气、氢气等），将其变换成电信号输出。应用场合：一般用于易燃、易爆、有毒

2、、有害气体的检测和报警。基本要求：1、对被测气体有高的灵敏度。2、气体选择性好。3、能够长期稳定工作。4、响应速度快。第一节气敏传感器一、气敏电阻的工作原理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,金属氧化物半导体分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

3、特性，其导电率随气体的吸附而发生改变。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。该类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。例如,用氧化锡制成的气敏元件,在常温下吸附某种气体后,其电导率变化不大,若保

4、持这种气体浓度不变,该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加,尤其在100~300℃范围内电导率变化很大。显然,半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。氧化锡、氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图所示。气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。气敏元件输出电压与温度的关系因此,气敏元件结构上,有电阻丝加热,结构如图所示,1和2是加热电极,3和4是气敏电阻的一对电极。气敏元件的基本测量电路电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化,输出电压（信号电压）由电阻Ro上取出。因此,常用来检查可燃性气体

5、泄漏并报警等。EH为加热电源,EC为测量电源二、电阻型气敏器件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。内热式气敏器件结构旁热式气敏器件结构（2）薄膜型在石英基片上蒸发或溅射一层半导体薄膜制成（厚度0.1μm以下）。上下为输出电极

6、和加热电极，中间为加热器。（3）厚膜型将金属氧化物粉末、添加剂粘合剂等混合配成浆料，将浆料印刷到基片上，制成数十微米的厚膜。灵敏度、工艺性、机械强度和一致性等方面，厚膜气敏元件较好。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,同时加速气体氧化还原反应,从而提高器件的灵敏度和响应速度。烧结型厚膜型薄膜型输出极加热电极输出极加热器金属氧化物金属氧化物氧化铝基片半导体氧化物Pt电极加热器加热电极工作原理利用半导体材料与气体相接触时，材料电阻发生变化的效应来检测气体的成分

7、或浓度。气敏元件多采用SnO2、ZnO等。SnO2、ZnO属于N型半导体，工作时加热。元件加热到稳定状态时，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元件表面自由扩散，一部分分子蒸发，一部分分子固定在吸附处。当吸附还原性气体时，半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子吸附。载流子数增加，半导体电阻率减少阻值降低。当吸附氧化性气体时，半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负离子吸附。半导体载流子数减少，电阻率增大，阻值增大。元件加热正常状态吸附还原气体吸附氧化气体吸附气

8、体后空气中元件电阻100500元件阻值变化时间吸附分子与半导体相互争夺电子。工作温度在200~400℃范围内吸附效果较好，电导率变化较大。注1：加热器的作用（1）使附着在元件上的油污、尘埃烧掉。（2）加速气体的氧化、还原反应，提高器件的灵敏度及响应速度。注2：检测不同气体，加热温度及添加物质不同，目的是使传感器对不同气体有选择性。三、气敏传感器的应用1、实用