第12章 半导体传感器.ppt

第一节 气敏传感器 12.2 湿 敏 传 感 器 湿度传感器HS1101 第12章 半导体传感器 第12章 半导体传感器 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。 测量原理：以半导体为敏感材料，在某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。 定义：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（CO、CO2、甲醛、酒精、氧气、氢气等）或者测量其浓度，并将其变换成电信号输出的传感器的总称。 应用场合：一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警。 气敏传感器的基本要求： 1、气体选择性好（只能对一种气体敏感）。 2、对被测气体有较高的灵敏度。 3、能够长期稳定工作。 4、响应速度快。 一、 气敏电阻传感器 制作材料：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。 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, 制成半导体后才显示气敏特性，其导电率随气体的吸附而发生改变。 测量原理 ： 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, 使元件电阻迅速减小。 -----两种状态 一般该类气敏元件工作在高温状态（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。 图为氧化锡、 氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系。 可知：气敏元件工作时需要的温度比本身环境温度高很多。 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 气敏电阻电阻值的变化引起电路中电流的变化, 输出电压由电阻Ro上取出。 因此, 常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。 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, 按制造工艺可分为烧结型、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。可用来制造烟雾报警器。 （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0.1 μm以下） 。上下分别为输出电极和加热电极，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，厚膜型气敏元件较好。 以上三种气敏器件都附有加热器, 在实际应用时, 加热器能使附着在传感器上的油雾、尘埃等烧掉, 同时加速了气体氧化还原反应, 从而提高了器件的响应速度和灵敏度。 据此可知气敏电阻的工作原理 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或浓度。 三、 气敏传感器的应用 醉酒检测：气体传感器选用二氧化锡气敏元件。 当气体传感器探测不到酒精时, 加在A5脚的电平为低电平； 当气体传感器探测到酒精时, 其内阻变低, 从而使A5脚电平变高。 A为显示驱动器, 它共有10个输出端, 每个输出端可以驱动一个发光二极管, 显示驱动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数, 酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上5个发光二极管为红色, 表示超过安全水平。下5个发光二极管为绿色, 代表安全水平, 酒精含量不超过0.05%。 一、湿度概念及其测量方式 1