传感器基础第章.pptVIP

第9章 半导体式传感器 以半导体敏感元件为核心的半导体传感器，具有灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小、重量轻、成本低、便于集成化和智能化的优点，但是由于特性的分散性、温度不稳定性和易受干扰的缺点，在某些情况下又限制了半导体传感器的应用。 本章将介绍半导体气敏传感器、湿敏传感器、磁敏传感器和离子敏传感器。 9.1 半导体气敏传感器 气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警，还可以通过接口电路与计算机或单片机组成自动检测、控制和报警系统。 气敏传感器的性能必须满足下列条件： (1) 能够检测易爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度，并能及时给出报警、显示和控制信号。 (2) 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。 (3) 性能长期稳定性好、重复性好、动态特性好、响应迅速。 (4) 使用、维护方便，价格便宜等。 9.1.1 半导体气敏传感器的分类 半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感元件制作的气敏传感器以及用单晶半导体器件制作的气敏传感器，分类如表9-1所示。 按照半导体变化的物理特征，可分为电阻型和非电阻型两类。前者是利用敏感元件吸附气体后电阻值随着被测气体的浓度改变来检测气体的浓度或成分；后者是利用二极管伏安特性和场效应管的阈值电压变化来检测被测气体。 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，又可分为表面电阻控制型和体电阻控制型。 9.1.2 电阻型半导体气敏传感器 1. 材料和结构 因为许多金属氧化物具有气敏效应，这些金属氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因此称之为半导体陶瓷，简称半导瓷。由于半导瓷与半导体单晶相比具有工艺简单、价格低廉等优点，因此已经用它制作了多种具有实用价值的敏感元件。在诸多的半导体气敏元件中，用氧化锡(SnO2)制成的元件具有结构简单、成本低、可靠性高，稳定性好、信号处理容易等一系列优点，应用最为广泛。 半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。 按其结构可分为烧结型、薄膜型和厚膜型，如图所示。 图 (a)所示为烧结型气敏元件，它以多孔质陶瓷如SnO2为基材，添加不同物质采用低温(700℃～900℃)制陶方法进行烧结，烧结时埋入铂电极和加热丝，最后将电极和加热丝引线焊在管座上制成元件。 图 (b)所示为薄膜型气敏元件，是用蒸发或溅射方法，在石英或陶瓷基片上形成金属氧化物薄膜(厚度在100nm以下)，用这种方法制成的敏感膜颗粒很小，因此具有很高的灵敏度和响应速度。 图c)所示为厚膜型气敏元件，将气敏材料(SnO2、ZnO)与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝的基片上，在400℃～800℃的温度下烧结1个～2个小时便制成厚膜型气敏元件。 这些气敏元件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应，从而提高元件的灵敏度和响应速度，一般加热到200℃～400℃。 2. 工作原理 电阻型半导体气敏传感器气敏元件的敏感部分是金属氧化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被测气体时，半导体微结晶粒子接触介面的导电电子比例就会发生变化，从而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而变化。 电阻值的变化是伴随着金属氧化物半导体表面对气体的吸附和释放而产生的，为了加速这种反应，通常要用加热器对气敏元件加热. 下面以半导瓷材料SnO2为例，说明表面电阻控制型气敏传感器的工作原理。 半导瓷材料SnO2属于N型半导体，N型半导体气敏传感器吸附被测气体时的电阻变化曲线如图所示。 从图中可见，当半导体气敏传感器在洁净的空气中开始通电加热时，其阻值急剧下降，阻值发生变化的时间(称响应时间)不到1min，然后上升，经2min～10min后达到稳定，这段时间为初始稳定时间，元件只有在达到初始稳定状态后才可用于气体检测。 当电阻值处于稳定值后，会随被测气体的吸附情况而发生变化，其电阻的变化规律视气体的性质而定，如果被测气体是氧化性气体(如O2和NOx)， 被吸附气体分子从气敏元件得到电子，使N型半导体中载流子电子减少，因而电阻值增大。 如果被测气体为还原性气体(如H2、CO、酒精等)，气体分子向气敏元件释放电子，使元件中载流子电子增多，因而电阻值下降。 图所示为