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1、传感器课程电子教案第十二章 半导体式物性传感器1970年，荷兰科学家Bergveld研制出了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管，标志着离子敏半导体传感器的诞生。由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世。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。与各种结构型传感器相比，具有如下特点：1）由于传感器原理是基于物理变化的，因而没有相对运动部件，可以做到结构简单，微型化。2）灵敏度高，动态性能好，输出为电物理量。
2、3）采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化和智能化。4）功耗低，安全可靠。半导体传感器也存在以下一些缺点：1）线性范围窄，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路。2）与所有半导体元件一样，输出特性易受温度影响而漂移，所以应采用补偿措施。3）性能参数离散性大。虽然存在上述问题，但半导体传感器仍是目前传感器发展的重要方向，尤其是大规模集成电路技术的不断发展，半导体传感器的技术也日臻完善。本章主要介绍气敏、湿敏和磁敏半导体式传感器。第一节 气敏传感器第二节 湿敏传感器第三节磁敏传感器定义：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
3、、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。第一节气敏传感器半导体气敏传感器的种类如表主要物理特性传感器举例工作温度典型被测气体电阻式表面控制型氧化银、氧化锌室温～450℃可燃性气体体控制型氧化钛、氧化镁、氧化钴室温～700℃酒精、氧气非电阻式表面电位氧化银室温硫醇二极管整流特性铂/硫化镉、铂/氧化钛室温～200℃氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅MOS场效应晶体管室温～150℃氢气、硫化氢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、。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
5、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
6、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0.1μm以
7、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
