第八章半导体式传感器.pptVIP

* 一、湿度 二、氯化锂湿敏电阻 三、半导体陶瓷湿敏电阻 四、湿敏电阻传感器的应用 2.湿 敏 传 感 器 * 一、湿度 在四五月份，人们经常会感到闷热不适，地面返潮，这种现象的本质是空气中的相对湿度太大造成的。 湿度的检测与控制在现代科研、生产、生活中的地位越来越重要。例如：许多储物仓库在湿度超过一定程度时，物品易发生变质或者霉变现象；居家的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的湿度保持在60%-70%RH；在农业生产中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。 2.湿 敏 传 感 器 * 湿度的概念是空气中含有水蒸气的多少。它有三种表示方法：1.绝对湿度，它表示每立方米空气中所含的水蒸气的量，单位是千克/立方米，一般用符号AH表示。 2.含湿量，它表示每千克干空气所含有的水蒸气量，单位是千克/千克·干空气;3.相对湿度，表示空气中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值，得数是一个百分比。(也就是指在一定时间内，某处空气中所含水汽量与该气温下饱和水汽量的百分比，用RH表示。 2.湿 敏 传 感 器 * 一定温度和压力下，一定数量的空气只能容纳一定限度的水蒸气。当一定数量的空气在该温度和压力下最大限度容纳水蒸气，这样的空气称饱和空气；未能最大限度容纳水蒸气，这样的空气称未饱和空气。 在一定大气压力下，温度和大气中水汽含量的最大值之间的关系是确定的，可以查表得到。例如，同样是17g/m3的绝对湿度，如果是在炎热的夏天中午，由于离当时的饱和状态尚远，人就感到干燥；如果是在初夏的傍晚，虽然水汽密度仍为17g/m3，但气温比中午下降很多，使大气水汽密度接近饱和状态，人们就会感到汗水不易挥发，因此觉得闷热。 2.湿 敏 传 感 器 * 二、氯化锂湿敏电阻 是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。由引线、基片、感湿层与电极组成，如图6所示。氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li＋对水分子的吸引力强，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。 2.湿 敏 传 感 器 图6 湿敏电阻结构示意图 * 当溶液置于一定温湿场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏元件的电阻—湿度特性曲线如图7所示。 2.湿 敏 传 感 器 图7 氯化锂湿度—电阻特性曲线 * 三、半导体陶瓷湿敏电阻 通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。如ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等。 1.负特性湿敏半导瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，如果该半导瓷是Ｐ型半导体，则水分子吸附将吸引更多的空穴到达其表面（电子和空穴分离，电子被吸附），于是，其表面层的电阻下降。 2.湿 敏 传 感 器 * 若该半导瓷为Ｎ型，则由于水分子的附着使半导瓷表面带负电，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。因此，由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见，不论是Ｎ型还是Ｐ型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。 2.湿 敏 传 感 器 * 2.正特性湿敏半导瓷的导电机理 正特性湿敏半导瓷导电机理的解释认为，这类材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的表面导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，表面电阻将随湿度的增加而加大。 通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占的比例很大，故表面层电阻的升高，必将引起总电阻值的明显升高。 2.湿 敏 传 感 器 * 图9 Fe3O4半导瓷的正湿敏特性 图8 几种半导瓷湿敏负特性 2.湿 敏 传 感 器 * 3.典型半导瓷湿敏元件 （1）MgCr2O4-TiO2湿敏元件 氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件，它是负特性半导瓷，结构如图10所示，在元件陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极，与引出线烧结在一起，整个器件安装 在陶瓷基片上，电极 引线一般采用铂-铱 合金。 2.湿 敏 传 感 器 图10 MgCr2O4-TiO2陶瓷 * （2）Z