傳感器原理及工程應(yīng)用 第9章w

第9章半導(dǎo)體傳感器9.1氣敏傳感器氣敏元件是以化學(xué)物質(zhì)的成分為檢測(cè)參數(shù)的化學(xué)敏感元件。9.1.1概述氣敏傳感器用于檢測(cè)氣體類(lèi)別、濃度和成分的傳感器，主要是半導(dǎo)體氣敏傳感器。用于易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制。由半導(dǎo)體氣敏元件組成利用待測(cè)氣體與半導(dǎo)體表面接觸時(shí)產(chǎn)生物性變化來(lái)檢測(cè)。根據(jù)作用是在表面或內(nèi)部分為表面控制型與體控制型根據(jù)物性分電阻型與非電阻型（如伏安特性）。特點(diǎn)：暴露在氣體中溫度濕度變化大，存在粉塵油污等氣敏元件要求:能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，共存物質(zhì)影響小。9.1.2半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，氣體被吸附，在表面自由擴(kuò)散,部分被蒸發(fā)，殘余部熱分解固定在吸附處(化學(xué)吸附).9.1.2半導(dǎo)體氣敏傳感器的機(jī)理

利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致阻值變化的。半導(dǎo)體功函數(shù)小(大)于親和力，成負(fù)(正)離子氧（氫）吸附，如氧（氫）表面成電荷層。為提高氣敏元件對(duì)氣體成分的選擇性和靈敏度，有時(shí)還滲入催化劑，如鈀（Pd）。氧化型氣體吸附到N型，還原型氣體吸附到P型上電阻增加氧化型氣體吸附到P型，還原型氣體吸附到N型上電阻下降半導(dǎo)體電導(dǎo)率的增加是由于多數(shù)載流子濃度增加的結(jié)果氣敏元件結(jié)構(gòu)上,有電阻絲加熱,結(jié)構(gòu)如圖,1和2是加熱電極,3和4是氣敏電阻的一對(duì)電極氧化錫、氧化鋅材料氣敏元件輸出電壓與溫度的關(guān)系如圖氣敏元件工作時(shí)需要本身的溫度比環(huán)境溫度高很多。氣敏元件的基本測(cè)量電路,如右圖所示,圖中EH為加熱電源,EC為測(cè)量電源,在低濃度下靈敏度高,而高濃度下趨于穩(wěn)定值。用來(lái)檢查可燃性氣體泄漏并報(bào)警1）燒結(jié)型氣敏元件：將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中,燒結(jié)而成。9.1.2氣敏傳感器的應(yīng)用

氣敏電阻元件按制造工藝上分燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型。常用的是氧化錫(SnO2)燒結(jié)型氣敏元件,它的加熱溫度較低SnO2氣敏半導(dǎo)體對(duì)可燃性氣體,如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等有較高的靈敏度2）薄膜型氣敏元件:采用真空鍍膜或?yàn)R射方法,在石英或陶瓷基片上制成金屬氧化物薄膜而成3)厚膜型氣敏元件將氣敏材料與硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠。用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有電極的基片上,燒結(jié)制成用厚膜工藝制成的器件一致性較好,機(jī)械強(qiáng)度高。三種氣敏器件都附有加熱器,使用時(shí),加熱器能使測(cè)控部分上的油霧、塵埃等燒掉,同時(shí)加速氣體氧化還原反應(yīng),從而提高器件的靈敏度和響應(yīng)速度。氧化鋅是N型半導(dǎo)體,添加鉑催化劑時(shí),對(duì)烷烴氣體有較高的靈敏度,而對(duì)H2、CO2等氣體靈敏度很低。用鈀催化劑時(shí),對(duì)H2、CO有較高的靈敏度,而對(duì)烷烴類(lèi)氣體靈敏度低。它有良好的選擇性,工作溫度在400~500℃的較高溫度。9.2濕敏傳感器9.2.1氯化鋰濕敏電阻

氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類(lèi)潮解,離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測(cè)濕元件。該元件的結(jié)構(gòu)如圖所示,由引線、基片、感濕層與電極組成。濕敏傳感器是能感受到濕度變化并通過(guò)器件材料的物化性質(zhì)變化將濕度轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫男盘?hào)的器件濕度檢測(cè)較困難，濕敏器件需暴露在被測(cè)環(huán)境中濕敏元件要求:穩(wěn)定性好，重復(fù)性好，響應(yīng)速度快，壽命長(zhǎng)，耐污染，溫度影響小。氯化鋰溶液中,Li和Cl以正負(fù)離子的形式存在,而Li+對(duì)水分子的吸引力強(qiáng),水合程度高,離子導(dǎo)電能力與濃度成正比溶液置于溫濕場(chǎng)中,相對(duì)濕度高,溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?電阻率增高。反之電阻率下降,實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。為擴(kuò)大濕度測(cè)量的線性范圍,可將多個(gè)氯化鋰含量不同的器件組合使用,自動(dòng)地轉(zhuǎn)換完成整個(gè)濕度范圍的濕度測(cè)量氯化鋰濕敏元件的濕度——電阻特性曲線如圖所示。在50%~80%相對(duì)濕度范圍內(nèi),電阻與濕度的變化呈線性關(guān)系耐熱性差,不能用于露點(diǎn)以下測(cè)量,重復(fù)性差,使用壽命短優(yōu)點(diǎn)是滯后小,不受風(fēng)速影響,檢測(cè)精度高達(dá)±５%,半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。（簡(jiǎn)稱為半導(dǎo)瓷）9.2.2半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻

Fe3O4的電阻率隨濕度增大，稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系的電阻率隨濕度增加而下降,稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷。水在半導(dǎo)瓷表面吸附時(shí),可從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子,使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電,水分子吸附使表面電勢(shì)下降1.負(fù)特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理

表面層的空穴濃度大于電子濃度,出現(xiàn)表面反型層。半導(dǎo)瓷電阻率隨濕度增加而下降。當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢(shì)變負(fù)時(shí),導(dǎo)致其表面層電子濃度下降,但表面層不出現(xiàn)反型,仍以電子導(dǎo)電為主。2.正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理這類(lèi)半導(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增