检测与传感技术 教学课件 作者 冯柏群 祁和义 (第9章)半导体传感器.ppt

第9章 半导体传感器 9.1 气敏传感器 9.1.1 概述 1、用途 用来检测气体类别、浓度和成分。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。 2、分类、原理 按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。 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，按照半导体变化的物理特性，又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他参数，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。 3、特性 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，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。 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，当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，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。如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，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，使半导体电阻值下降。 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。 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结构和类型 1）半导体气敏传感器的组成 敏感元件、加热器和外壳。 2）类型 按其制造工艺来分有烧结型、薄膜型和厚膜型3类。 烧结型气敏器件以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加压、温度为700℃～900℃的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷。 薄膜型器件 它采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下） 制作方法也很简单。 厚膜型器件 这种器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成的，适合大批量生产。 这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附。加热器的温度一般控制在200～400℃左右。 3）加热方式 一般有直热式和旁热式两种，直热式器件是将加热丝、测量丝直接埋入SnO2或ZnO等粉末中烧结而成的，工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。测量回路和加热回路间没有隔离而相互影响。国产QN型和日本费加罗TGS#109型气敏传感器均属此类结构。 旁热式气敏器件的特点是将加热丝放置在一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂上SnO2等材料，旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量极和加热极分离，而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响，稳定性、可靠性都较直热式器件好，国产QM-N5型和日本费加罗TGS# 812、813型等气敏传感器都采用这种结构。 2．测量电路 SiO2气敏器件所用检测电路如图9-5所示，当所测气体浓度变化时，气敏器件的阻值发生变化，从而使输出发生变化。 9.1.4 气敏传感器应用 1．矿井瓦斯超限报警器 1）电路组成及作用 QM-N5为旁热式气敏传感器，它和R1、RP组成瓦斯气体检测电路；晶体管VS作为无触点电子开关。 LC179型三模拟声报警专用集成电路，它采用双列8脚直插塑料硬封装，内部集成了功率放大器，可直接驱动扬声器发声，可产生