1、主要內容：主要內容：概述概述半導體電特性被測量電信號概述概述 氣敏元件濕敏元件 ； 氧氣氧氣氫氣氫氣-+半導體半導體電阻變化電阻變化氣體氣體N-氧氧N-氫氫P+N -氧氧N-氫氫- 電阻式氣敏傳感器可以等效為電阻電阻式氣敏傳感器可以等效為電阻氣敏傳感器氣敏傳感器電路符號電路符號a. 固有電阻固有電阻RaF 氣敏元件在氣敏元件在潔凈空氣潔凈空氣中的電阻值稱為中的電阻值稱為固有電阻固有電阻Ra ，固有電，固有電阻值一般阻值一般在在幾十幾十kk到數幾百到數幾百kk范圍內。范圍內。F 氣敏傳感器的分辨率反映氣體元件對被測氣體的識別氣敏傳感器的分辨率反映氣體元件對被測氣體的識別以及對干擾氣體的抑制能力，

2、即以及對干擾氣體的抑制能力，即gagiaUUsUUb. 分辨率分辨率式中，式中，Ugi 在規定濃度下，元件在第在規定濃度下，元件在第i 種氣體中負載電阻上電壓。種氣體中負載電阻上電壓。c. 靈敏度靈敏度 表征氣敏元件的靈敏度通常有下列幾個參數：表征氣敏元件的靈敏度通常有下列幾個參數：F 電阻靈敏度電阻靈敏度: 氣敏元件的氣敏元件的固有電阻固有電阻Ra與在與在規定氣體濃度下規定氣體濃度下氣敏元件的電阻氣敏元件的電阻Rg 之比為電阻靈敏度，即之比為電阻靈敏度，即/agkRRF 氣體分離度氣體分離度: 氣體濃度分別為氣體濃度分別為g1、g2 時，氣體元件的電阻時，氣體元件的電阻Rg1、R g2 之比

3、為氣體分離度，可表示為之比為氣體分離度，可表示為12/ggRR/uagKUUF 電壓靈敏度電壓靈敏度，氣敏元件在，氣敏元件在固有電阻值固有電阻值時的輸出電壓時的輸出電壓Ua 與在與在規定濃度下負載規定濃度下負載電阻的兩端電壓電阻的兩端電壓Ug 之比為電壓靈敏度之比為電壓靈敏度d.時間常數時間常數F 從氣敏元件與某一特定濃度的從氣敏元件與某一特定濃度的氣體接觸開始氣體接觸開始，到元件的阻，到元件的阻 值達到此濃度下值達到此濃度下穩定阻值穩定阻值的的63.2%為止所需要的時間稱為為止所需要的時間稱為 元件在該濃度下的元件在該濃度下的時間常數時間常數 。e. 恢復時間恢復時間 trF 由氣敏元件由氣

4、敏元件脫離脫離某一濃度的氣某一濃度的氣體開始，到氣敏元件的阻值恢體開始，到氣敏元件的阻值恢復到復到固有電阻固有電阻Ra的的36.8%為止為止所需要的時間稱為元件的恢復所需要的時間稱為元件的恢復時間時間tr。氣敏傳感器測量電路氣敏傳感器測量電路 測量電路是將元件測量電路是將元件電阻的變化轉化成電壓電流的變化電阻的變化轉化成電壓電流的變化。 測量電路包括測量電路包括加熱回路加熱回路和和測試回路測試回路兩部分：兩部分： A、B端為傳感器測量電極回路，端為傳感器測量電極回路，F、F引腳為加熱回路。引腳為加熱回路。 加熱電極加熱電極F、F電壓電壓UH = 5V， A-B之間電極端等效為電阻之間電極端等效

5、為電阻Rs， 負載電阻負載電阻RL兼做取樣電阻；兼做取樣電阻；0LSLRUURR 可見可見 輸出電壓與氣敏電阻有對應關系輸出電壓與氣敏電阻有對應關系F 負載電阻上輸出電壓為：負載電阻上輸出電壓為：MOSMOS二極管二極管元件結構元件結構MOSMOS二極管二極管CU CU 特性特性MOSMOS二極管氣敏二極管氣敏元件等效電路元件等效電路 UGSUT（閾值電壓）時柵極氧化層（閾值電壓）時柵極氧化層 下的硅從下的硅從P變為變為N型，型，N型區將型區將S（源）（源）和和D（漏）連接起來，形成導電通（漏）連接起來，形成導電通道，道，MOSFET進入工作狀態。進入工作狀態。在電壓在電壓UDS作用下作用下D

6、-S有電流有電流IDS流過。流過。F IDS隨隨UDS、UGS變化；變化；當當UGS UT時溝道沒形成時溝道沒形成, 無漏源電流無漏源電流, IDS=0。UT稱為閾值電壓稱為閾值電壓（2 2）MOSFET(MOSFET(場效應管場效應管) )氣敏元件氣敏元件鈀鈀Pd Pd MOSFET MOSFET管結構與工作原理管結構與工作原理DGSbU UT TI IDSDSUGS N溝道溝道MOSFET，當柵（，當柵（G）源（）源（S）間加正）間加正向偏壓向偏壓 （電場作用下空間電荷區逐漸增大）（電場作用下空間電荷區逐漸增大）- 閾值電壓閾值電壓UT大小大小與材料有關外，與材料有關外， 與與金屬與半導體

7、間的功函數有關金屬與半導體間的功函數有關。Pd對對H2吸附性很強，吸附性很強，H2吸附在吸附在Pd柵上引起柵上引起Pd功函數降低。功函數降低。PdMOSFET器件就是利用器件就是利用H2在在鈀柵極吸附后改變功函數使鈀柵極吸附后改變功函數使UT下下降降引起引起漏漏-源電流源電流的變化檢測的變化檢測H2濃度。濃度。 氫氣擴散到鈀氫氣擴散到鈀- -硅介質邊界時形成硅介質邊界時形成電偶層，從而使電偶層，從而使MOSMOS場效應管的閾場效應管的閾值電壓下降，值電壓下降，當滲透到鈀中的氫氣當滲透到鈀中的氫氣被釋放逸散時，閾值電壓恢復常態被釋放逸散時，閾值電壓恢復常態。 Pd 5V（半定量）信號M LM39

8、14LM3914LEDLED驅動器驅動器集成電路內部電路集成電路內部電路 條形條形LEDLED器件封裝器件封裝Ceramic substrateConnection wiresBase electrode Porouscover-electrode Polymer layer絕緣層絕緣層上電上電 極極 下下 電電 極極v 濕度是指空氣中的水蒸氣含量，干燥或潮濕對我們的生活有很大濕度是指空氣中的水蒸氣含量，干燥或潮濕對我們的生活有很大 影響，潮濕影響，潮濕發霉，干燥發霉，干燥不舒服。不舒服。u 濕度傳感器主要應用于溫濕度傳感器主要應用于溫 濕度檢測控制濕度檢測控制, ,如：軍械倉庫、糧倉、水果如

9、：軍械倉庫、糧倉、水果 保鮮等場合。保鮮等場合。v 最早人們用頭發隨濕度變化而伸長或縮短現象做最早人們用頭發隨濕度變化而伸長或縮短現象做毛發濕度計毛發濕度計，逐，逐 漸有了漸有了電阻濕度計電阻濕度計，半導體濕度計半導體濕度計是近年來才出現的。是近年來才出現的。v 濕度通常用濕度通常用絕對濕度絕對濕度和和相對濕度相對濕度表示：表示： 絕對濕度絕對濕度：單位空間所含水蒸汽的絕對含量或濃度，：單位空間所含水蒸汽的絕對含量或濃度，用符號用符號 AH 表示，單位（表示，單位（g/m3）。）。 露點：露點：當空氣中的溫度下降到某一溫度時，空氣中的當空氣中的溫度下降到某一溫度時，空氣中的水汽就有可能轉化為液

10、相而凝結成露珠水汽就有可能轉化為液相而凝結成露珠，這一特定溫，這一特定溫度稱為空氣的露點或度稱為空氣的露點或露點溫度露點溫度。 此時空氣的水汽分壓此時空氣的水汽分壓將與同溫度下水的將與同溫度下水的飽和水汽壓飽和水汽壓相等相等J 相對濕度相對濕度: 被測氣體中被測氣體中蒸汽壓蒸汽壓和該氣體在相同溫度下和該氣體在相同溫度下飽合水蒸氣壓飽合水蒸氣壓的百分比，一般用的百分比，一般用 %RH 表示，表示，無量綱無量綱。 氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻是一種電解質濕敏電阻是一種電解質濕敏電阻氯化鋰電阻是利用氯化鋰電阻是利用吸濕性鹽類潮解吸濕性鹽類潮解，離子導電率發生變化檢離子導電率發生變化檢測濕度測濕度。在

11、氯化鋰（在氯化鋰（LiCl）溶液中，）溶液中，Li和和Cl以正負離子的形式存在，以正負離子的形式存在，鋰離子（鋰離子（Li+）對水分子的吸收力強，離子水合成度高，）對水分子的吸收力強，離子水合成度高， 溶液中的溶液中的離子導能力與溶液濃度成正比。離子導能力與溶液濃度成正比。氯化鋰濕敏電阻結構氯化鋰濕敏電阻結構 晶體吸濕潮解產生離子晶體吸濕潮解產生離子( (離子導電離子導電) )，濕度增加時離子增多，濕度增加時離子增多（水分子的（水分子的氫原子氫原子具有很強的具有很強的正電場）正電場），導電率上升，電導電率上升，電阻率下降阻率下降 。 當溶液置于一定濕度場中，若環境當溶液置于一定濕度場中，若環境

12、RH上升上升，溶液吸收，溶液吸收水分子使水分子使離子離子濃度上升濃度上升電阻率下降；電阻率下降； 反之，反之，RH下降，溶液濃度下降電阻率上升。下降，溶液濃度下降電阻率上升。 %RH吸濕吸濕濃度濃度 R %RH脫濕脫濕濃度濃度 R v 通過測量溶液電阻通過測量溶液電阻R值實現對值實現對 濕度測量。檢測精度達濕度測量。檢測精度達5%。氯化鋰濕敏電阻特性氯化鋰濕敏電阻特性 半導體陶瓷濕敏電阻半導體陶瓷濕敏電阻又稱半導瓷又稱半導瓷 用兩種以上的金屬用兩種以上的金屬氧化物氧化物半導體燒結成多孔陶瓷；半導體燒結成多孔陶瓷； 多孔陶瓷表面吸收水分的情況可以分為三個階段：多孔陶瓷表面吸收水分的情況可以分為三

13、個階段： 第一階段，陶瓷在低濕區域或剛接觸水汽；第一階段，陶瓷在低濕區域或剛接觸水汽； 第二階段，進一步吸收水分子或中等濕度環境；第二階段，進一步吸收水分子或中等濕度環境； 第三階段，大量水汽存在使晶粒界充滿水分子。第三階段，大量水汽存在使晶粒界充滿水分子。典型半導體陶瓷濕敏傳感器典型半導體陶瓷濕敏傳感器負特性負特性濕敏半導體瓷濕敏電阻，電濕敏半導體瓷濕敏電阻，電阻隨濕度增加而下降。由于水分子阻隨濕度增加而下降。由于水分子中氫原子具有很強的正電場，當水中氫原子具有很強的正電場，當水分子在半導體瓷表面吸附時可能從分子在半導體瓷表面吸附時可能從半導體瓷表面俘獲電子，使半導體半導體瓷表面俘獲電子，使

14、半導體表面帶負電，相當表面電勢變負，表面帶負電，相當表面電勢變負，電阻率隨濕度增加而下降。電阻率隨濕度增加而下降。正濕敏正濕敏特性半導體瓷濕敏電阻特性半導體瓷濕敏電阻 （例：（例：FeFe3 3O O4 4），材料結構、電子能），材料結構、電子能量狀態與負特性不同，總的電阻值量狀態與負特性不同，總的電阻值升高沒有負特性阻值下降的明顯。升高沒有負特性阻值下降的明顯。F 半導瓷材料有半導瓷材料有正濕度系數正濕度系數和和負濕度系數負濕度系數兩種：兩種： 濕度上升濕度上升RH下降下降VT3截止，截止，VT4導通，導通，J2接通干燥設備，接通干燥設備，LED2點亮；點亮； 同時同時VT2截止，截止，VT

15、1截止，截止，J1失去電流釋放，關閉增濕設備；失去電流釋放，關閉增濕設備； 濕度下降濕度下降RH上升上升VT3導通，導通，VT4截止，截止，J2釋放。釋放。濕度控制電路濕度控制電路濕度傳感器應用水質檢測儀器水質檢測儀器筆筆式式酸酸度度計計純水測試儀純水測試儀 便攜式鹽度計便攜式鹽度計便攜式濁度測定儀便攜式濁度測定儀酸酸度度計計溶液中離子濃度是指含離子的多少，溶液中離子濃度是指含離子的多少，單位：單位：mol(摩爾）摩爾）/ L（升）（升） 。氫離子濃度對化學生物反映起著支配氫離子濃度對化學生物反映起著支配作用作用，為判斷水中氫離子濃度（活度），為判斷水中氫離子濃度（活度）用一個特殊的量值用一個

16、特殊的量值“PH值值”來表示。來表示。 測量溶液（體液）中離子濃度測量溶液（體液）中離子濃度器件器件，是一種對是一種對離子具有選擇敏感作用離子具有選擇敏感作用的的場場效應晶體管效應晶體管。PH PH 計計 離子敏傳感器離子敏傳感器由由離子選擇電極（離子選擇電極（ISE）-氧化物氧化物-半導體（半導體（MOSFET）組成，）組成， 簡稱簡稱ISFET-離子場效應晶體管。離子場效應晶體管。與普通與普通MOSFET管結構不同之處是管結構不同之處是沒有金屬柵極；沒有金屬柵極；在絕緣柵極上制作一層在絕緣柵極上制作一層敏感膜敏感膜，測，測量時將絕緣柵膜直接與被測溶液接量時將絕緣柵膜直接與被測溶液接觸。觸。離子傳感器離子傳感器是通過是通過測定溶液與電極測定溶液與電極的界面電位的界面電位來檢測溶液中離子濃度。來檢測溶液中離子濃度。將普通將普通MOSFET的金屬柵去掉，讓絕緣氧化層直的金屬柵去掉，讓絕緣氧化層直接與溶液相接觸，柵極用接與溶液相接觸，柵極用鉑金屬膜作引線鉑金屬膜作引線，在鉑，在鉑膜上涂一層離子敏感膜，構成離子敏場效應管膜上涂一層離子敏感膜，構