[理学]传感器：第八章 固态传感器.ppt

第八章 固态传感器 8.1 磁敏传感器 8.2 光敏传感器 8.3 电荷耦合图像传感器 8.4 气体传感器 8.5 湿度传感器 （二）接触燃烧式气敏元件的结构 接触式气敏元件的结构以及感应特性参见下图。 二、半导体气体传感器 （一）半导体气敏原理概述 粗略地说，半导体气敏元件的工作原理，是当其氧化物半导体表面一旦吸附某些气体时，其电导率将发生改变。但是，电导率变化的机理却因元件本身的复杂因素而不易找出其相互间的明确规律。气敏元件体积虽小，其复杂因素大致表现为如下六个方面： ①气敏功能材料不是单晶体； ②为改善元件气敏选择性和灵敏度，一般要往金属氧化物内添加催化剂和其他金属氧化物，为提高元件强度还需添加粘合剂； ③利用的是物质的表面； ④元件工作在较高温度下(一般200一400℃)； ⑤被测气体种类繁多，它们各具不同特性； ⑥吸附现象本身就非常复杂，既有物理型吸附，同时还存在化学型吸附等。 通过长期的基础研究，将这些错综复杂的因素所形成的气敏现像，归纳成四种解释模式，并从不同角度来解释不同类型的半导体气敏元件的工作原理。 1. 能级生成理论 当还原性气体吸附到SnO2和ZnO等N型半导体表面时，还原性气体就把其电子给予半导体，以正离子形式吸附在半导体表面。进入到N型半导体内的电子，填充少数载流子空穴，使空穴与电子的复合率降低，导致电阻值减小。相反，若氧化性气体吸附到N型半导体元件表面时，将从半导体获取电子，以负离子形式吸附在半导体表面，其结果是使导带电子数目减少而使元件电阻值增加。 2. 接触粒界势垒理论 接触粒界势垒理论根据是多晶半导体能带模型。半导体气敏材料是半导体微粒的集合体，有如图所示的粒子接触界面势垒存在。当晶粒接触面吸附氧化性气体时，势垒增高；当吸附还原性气体时，势垒降低。势垒高度的变化引起元件电阻的变化。 晶粒 晶粒 晶粒 晶粒 晶粒 晶粒 粒界 粒界 粒界 氧化性气体 还原性气体 导带 禁带 价带 导带 禁带 价带 价带 禁带 导带 晶粒界面吸附氧化性气体，势垒增高。 晶粒界面吸附还原性气体，势垒降低。 较紧密接触时，势垒不收吸附气体影响 3. 表面电荷层理论 表面电荷层学说认为，由于金属氧化物表面结构的不连续性或晶格缺陷，在吸附种类不同的气体之后，将形成不同形式的表面能级，这些表面能级与金属氧化物本体能带之间有电子的接受关系，因而形成表面的空间电荷层。由于吸收不同种类气体后空间电荷层的变化从而引起气敏元件电阻值的变化。 4. 整体原于价控制理论 “整体原子价控制”学说，适用于MFeO3形的原于价控制复和氧化物气敏元件。 MFeO3形复合氧化物的一般表达式为ABOδ。其导电过程是通过B原素与氧的三维网状结构进行的。氧的解离作用可以把网状结构的某部分切断，使复合氧化物的电阻值显著增加。 （二）半导体气敏元件的特性参数 1. 气敏元件的电阻值 通常将电阻型气敏元件在常温洁净的空气中的电阻值，称为气敏元件的固有电阻值，用 表示。 2. 气敏元件的灵敏度 （1）电阻比灵敏度 （2）气体分离度 （2）输出电压比灵敏度 3. 气敏元件的分辨力 表示气敏元件对被测气体的识别以及对干扰气体的抑制能力。通常表示为 4. 气敏元件的响应时间 表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。 5. 气敏元件的恢复时间 表示在工作温度下，被测气体由该元件上解吸的速度。 6. 初期稳定时间 处于非工作状态的气敏元件恢复到工作状态需要的时间，成为初期稳定时间。 7. 气敏元件的加热电阻和加热功率 气敏元件一般要在高温（200℃以上）工作。为气敏元件加热的电阻，称为加热电阻。为气敏元件正常工作加热所需的电功率，称为加热功率。一般气敏元件的加热功率在0.5~2.0W范围。 （三）烧结型SnO2气敏元件 目前常见的烧结型SnO2气敏元件有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。烧结型使用最多。 1. 直接加热式SnO2气敏元件 2. 旁热式SnO2气敏元件 旁热式结构参见下图。 三、氧化锆氧气传感器 固体电解质是具有离子导电性能的固体物质。在固体电解质中参与导电的主要是离子。二氧化锆在高温下具有氧离子传导性。 在2700℃熔融状态的ZrO2中添加氧化钙等杂质后，形成稳定的正方晶型，称为稳定化二氧化锆。 二氧化锆氧