1、第六章 傳感器與敏感材料 6.1 氣敏傳感器6.2 濕敏傳感器 化學(xué)傳感器：能將各種化學(xué)物質(zhì)特性的變化定性或定量地轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器氣體濃度離子濃度空氣濕度氣敏傳感器的定義：是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強(qiáng)弱便可獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息。 6.1 氣敏傳感器 6.1.1 氣敏傳感器的基本概念及分類氣敏傳感器的性能要求： 對被測氣體具有較高的靈敏度對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感 性能穩(wěn)定，重復(fù)性好 動態(tài)特性好，對檢測信號響應(yīng)迅速使用壽命長 制造成本低，使用與維護(hù)方便等 氣敏傳感器的主要參數(shù)及特性

2、靈敏度：對氣體的敏感程度響應(yīng)時間 ：對被測氣體濃度的響應(yīng)速度選擇性：指在多種氣體共存的條件下，氣敏元件區(qū)分氣體種類的能力穩(wěn)定性：當(dāng)被測氣體濃度不變時，若其他條件發(fā)生改變，在規(guī)定的時間內(nèi)氣敏元件輸出特性保持不變的能力溫度特性：氣敏元件靈敏度隨溫度變化而變化的特性濕度特性：氣敏元件靈敏度隨環(huán)境濕度變化而變化的特性電源電壓特性：指氣敏元件靈敏度隨電源電壓變化而變化的特性 時效性與互換性：反映元件氣敏特性穩(wěn)定程度的時間，就是時效性；同一型號元件之間氣敏特性的一致性，反映了其互換性 氣敏傳感器的分類類 型原 理檢測對象特 點半導(dǎo)體式 若氣體接觸到加熱的金屬氧化物(SnO2、Fe2O3、ZnO2等)，電阻

3、值會增大或減小還原性氣體、城市排放氣體、丙烷氣等靈敏度高，構(gòu)造與電路簡單，但輸出與氣體濃度不成比例接觸燃燒式 可燃性氣體接觸到氧氣就會燃燒，使得作為氣敏材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大燃燒氣體輸出與氣體濃度成比例，但靈敏度較低化學(xué)反應(yīng)式利用化學(xué)溶劑與氣體反應(yīng)產(chǎn)生的電流、顏色、電導(dǎo)率的增加等CO、H2、CH4、C2H5OH、 SO2等氣體選擇性好，但不能重復(fù)使用光干涉式利用與空氣的折射率不同而產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象與空氣折射率不同的氣體，如CO2等壽命長，但選擇性差熱傳導(dǎo)式根據(jù)熱傳導(dǎo)率差而放熱的發(fā)熱元件的溫度降低進(jìn)行檢測與空氣熱傳導(dǎo)率不同的氣體，如H2等構(gòu)造簡單，但靈敏度低，選擇性差紅外線吸收散射式由

4、于紅外線照射氣體分子諧振而吸收或散射量進(jìn)行檢測CO、CO2等能定性測量，但裝置大，價格高6.1.2 半導(dǎo)體式氣敏傳感器的工作原理半導(dǎo)體式氣敏傳感器：利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)生變化的原理來檢測特定氣體的成分或者濃度半導(dǎo)體式氣敏傳感器可分為：電阻式非電阻式半導(dǎo)體式氣敏傳感器 電阻式 燒結(jié)型 薄膜型 厚膜型 二極管氣敏傳感器 MOS二極管氣敏傳感器 PdMOSFET氣敏傳感器 非電阻式 圖6.1 半導(dǎo)體式氣敏傳感器的分類 （1）電阻式氣敏傳感器基本原理是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時，

5、被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時， 吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附， 半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱悾鼈儽环Q為還原型氣體或電子供給性氣體。當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體（SnO2, ZnO)上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體(CrO3)上時，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使

6、電阻值增大。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。圖 6.2 N型半導(dǎo)體吸附氣體時器件阻值變化圖 規(guī)則總結(jié)：氧化型氣體N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加還原型氣體N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小氧化型氣體P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小還原型氣體P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加 SnO2的靈敏度特性和溫濕度特性SnO2氣敏電阻的基本檢測電路主要類型 燒結(jié)型氣敏器件 薄膜型氣敏器件 厚膜型氣敏器件 燒結(jié)型氣敏器件 燒結(jié)型氣敏器件的制作是將一定比例的敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些摻雜劑（Pt、Pb等）用水或粘合劑調(diào)合，經(jīng)研磨后

7、使其均勻混合，然后將混合好的膏狀物倒入模具，埋入加熱絲和測量電極，經(jīng)傳統(tǒng)的制陶方法燒結(jié)。最后將加熱絲和電極焊在管座上，加上特制外殼就構(gòu)成器件。 該類器件分為兩種結(jié)構(gòu)：直熱式和旁熱式。 直熱式氣敏器件 直熱式器件管芯體積很小，加熱絲直接埋在金屬氧化物半導(dǎo)體材料內(nèi)，兼作一個測量板缺點：熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響測量電路與加熱電路之間相互干擾，影響其測量參數(shù)加熱絲在加熱與不加熱兩種情況下產(chǎn)生的膨脹與冷縮，容易造成器件接觸不良旁熱式氣敏器件 旁熱式氣敏器件是把高阻加熱絲放置在陶瓷絕緣管內(nèi)，在管外涂上梳狀金電極，再在金電極外涂上氣敏半導(dǎo)體材料，就構(gòu)成了器件克服了直熱式結(jié)構(gòu)的缺點，器件的穩(wěn)定性得到提高薄

8、膜型氣敏器件 制作采用蒸發(fā)或濺射的方法，在處理好的石英基片上形成一薄層金屬氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出電極。實驗證明：SnO2和ZnO薄膜的氣敏特性較好優(yōu)點：靈敏度高、響應(yīng)迅速、機(jī)械強(qiáng)度高、互換性好、產(chǎn)量高、成本低等厚膜型氣敏器件 厚膜型氣敏器件是將SnO2和ZnO等材料與315重量的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印制到裝有鉑電極的氧化鋁基片上，在400800高溫下燒結(jié)12小時制成優(yōu)點：一致性好，機(jī)械強(qiáng)度高，適于批量生產(chǎn) 電阻式氣敏傳感器的特點 優(yōu)點：工藝簡單，價格便宜，使用方便；氣體濃度發(fā)生變化時響應(yīng)迅速；即使是在低濃度下，靈敏度也較高。缺點：穩(wěn)定性差，老化較快，

9、氣體識別能力不強(qiáng)，各器件之間的特性差異大等。 （2）非電阻式氣敏傳感器二極管氣敏傳感器 MOS二極管氣敏傳感器 PdMOSFET氣敏傳感器 二極管氣敏傳感器 二極管氣敏傳感器主要利用氣體濃度變化引起二極管整流特性發(fā)生改變的原理來實現(xiàn)測量。如在摻錮的硫化鎘上，薄薄地蒸發(fā)一層鈀薄膜，就形成了鈀硫化鎘二極管氣敏傳感器，這種傳感器可用來檢測氫氣。當(dāng)被測氫氣濃度急劇增高時，由于吸附在鈀表面的氧氣因氫氣濃度的增高而解析，使肖特基勢壘降低，從而引起正向偏置電流也急劇增大。所以在一定偏置條件下，通過測量電流值就可以獲知氫氣的濃度。MOS二極管氣敏傳感器 在P型半導(dǎo)體硅芯片上，采用熱氧化工藝生成一層厚度為501

10、00nm左右的SiO2層，然后再在其上蒸發(fā)一層鈀金屬薄膜作為柵電極。由于SiO2層電容Cx是固定不變的，SiSiO2界面電容Cx是外加電壓的函數(shù)，所以總電容C是柵極偏壓U的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系稱為MOS管的電容電壓特性（即CU特性）。 圖15.6 MOS二極管氣敏器件 結(jié)構(gòu)和等效電路 當(dāng)傳感器工作時，由于鈀在吸附H2后，會使鈀的功函數(shù)降低，從而引起MOS管的CU特性向負(fù)偏壓方向平移，如圖6.7所示，由此可測定H2濃度。圖6.7 MOS二極管氣敏器件 的CU特性 a吸附H2前 b吸附H2后 PdMOSFET氣敏傳感器 PdMOSFET氣敏傳感器是利用MOS場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的閥值電壓隨被測

11、氣體變化而變化的原理制成的氣敏器件。PdMOSFET與普通MOSFET的主要區(qū)別是采用鈀（Pd）薄膜取代鋁（Al）膜作為柵極，并將溝道的寬長比（W/L）增大到50100，所以又稱為鈀柵場效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)如圖6.8所示。(a)主視圖 圖6.8 PdMOSFET氣敏器件結(jié)構(gòu)示意圖 (b)俯視圖 原理由于鈀對H2吸附性很強(qiáng)，而H2在鈀上的吸附將導(dǎo)致鈀的功函數(shù)下降，從而引起閥值電壓發(fā)生改變。PdMOSFET氣敏傳感器正是利用H2在鈀上吸附后引起閥值電壓下降這一特性來檢測H2濃度的。吸附氫后其閥值電壓的變化值與環(huán)境中的氫分壓（Pa）之間滿足如下關(guān)系式中： PdSiO2界面吸附氫原子達(dá)到飽和時， 變化的

12、最大值； K氫分子離解的平衡常數(shù)。= 圖6.13 TGSl09型氣敏傳感器結(jié)構(gòu)圖 6.1.3 氣敏傳感器的應(yīng)用自動通風(fēng)扇氣敏電阻放大電路加熱電源比較器電路觸發(fā)電路晶閘管電路排風(fēng)扇溫度補(bǔ)償喇 叭聲光報警驅(qū)動 電 路閃光指示油煙(煤氣)圖6.14 自動通風(fēng)扇的原理框圖 圖6.15 家用有毒氣體報警器電路圖家用有毒氣體報警器6.2 濕敏傳感器 6.2.1 濕敏傳感器的基本概念及分類6.2.2 常用濕敏傳感器的基本原理 6.2.3 濕敏傳感器的應(yīng)用 濕度的定義及其表示方法 所謂濕度，是指大氣中水蒸氣的含量。它通常有如下幾種表示方法：絕對濕度（AH） 相對濕度（%RH） 露點 絕對濕度（AH） 絕對濕度

13、是指單位體積空氣內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 絕對濕度給出了水分在空氣中的具體含量。相對濕度（RH） 相對濕度是指待測空氣中實際所含的水蒸氣分壓與相同溫度下飽和水蒸氣壓比值的百分?jǐn)?shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 相對濕度給出了大氣的潮濕程度。實際中常用。露點（溫度）在一定大氣壓下，將含有水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)溫度下降到某一特定值時，空氣中的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結(jié)成露珠，這種現(xiàn)象稱為結(jié)露，這一特定溫度就稱為露點溫度濕敏傳感器的定義 就是一種能將被測環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換成電信號的裝置主要由兩個部分組成：濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路，除此之外還包括一些輔助元件，如輔助電源、溫度補(bǔ)償、輸出顯示設(shè)備等 一個

14、理想的濕敏傳感器應(yīng)具備的性能使用壽命長，穩(wěn)定性好 靈敏度高，線性度好，溫度系數(shù)小 使用范圍寬，測量精度高 響應(yīng)迅速 濕滯回差小，重現(xiàn)性好 能在惡劣環(huán)境中使用，抗腐蝕、耐低溫和高溫等特性好 器件的一致性和互換性好，易于批量生產(chǎn)，成本低 器件感濕特征量應(yīng)在易測范圍內(nèi)濕敏傳感器的主要參數(shù)及特性 感濕特性 濕度量程 靈敏度 濕滯特性 響應(yīng)時間 感濕溫度系數(shù) 老化特性 感濕特性 濕滯特性 濕敏傳感器的分類 界限電流式濕敏傳感器濕敏傳感器電阻式電容式其它電解質(zhì)式陶瓷式高分子式陶瓷式高分子式光纖濕敏傳感器二極管式、石英振子、SAW式、微波式、熱導(dǎo)式等圖6.14 濕敏傳感器的分類 6.2.2 常用濕敏傳感器的

15、基本原理 電阻式濕敏傳感器 電容式濕敏傳感器 電阻式濕敏傳感器電阻式濕敏傳感器是利用器件電阻值隨濕度變化的基本原理來進(jìn)行工作的，其感濕特征量為電阻值。 根據(jù)使用感濕材料的不同，電阻式濕敏傳感器可分為： 電解質(zhì)式 陶瓷式 高分子式電解質(zhì)式（氯化鋰）電阻濕敏傳感器 氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。它由引線、基片、感濕層與電極組成。 氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正負(fù)離子的形式存在，而Li對水分子的吸引力強(qiáng)，離子水合程度高，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。 當(dāng)溶液置于一定溫濕場中，若環(huán)境相對濕度高，溶液將吸收水分

16、，使?jié)舛冉档停虼?，其溶液電阻率增高。反之，環(huán)境相對濕度變低時，則溶液濃度升高，其電阻率下降，從而實現(xiàn)對濕度的測量。濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖 氯化鋰濕度電阻特性曲線 氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點：滯后小，不受測試環(huán)境風(fēng)速影響， 檢測精度高達(dá)%缺點：耐熱性差，不能用于露點以下測量， 器件性能重復(fù)性不理想，使用壽命短陶瓷式電阻濕敏傳感器 通常，用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增加而增大，故

17、稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷 1. 負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理 由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時，就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電如果該半導(dǎo)瓷是型半導(dǎo)體，則由于水分子吸附使表面電勢下降，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面，其表面層的電阻下降若該半導(dǎo)瓷為型，則由于水分子的附著使表面電勢下降，如果表面電勢下降較多，不僅使表面層的電子耗盡， 同時吸引更多的空穴達(dá)到表面層，有可能使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現(xiàn)所謂表面反型層，這些空穴稱為反型載流子。 它們同樣可以在表面遷移而表現(xiàn)出電導(dǎo)特性，使N型半導(dǎo)瓷材料的表面電阻下降不論是型還是型半導(dǎo)體陶瓷，其電阻率都隨

18、濕度的增加而下降 2. 正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理 正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理的解釋可以認(rèn)為這類材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性材料有所不同。當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢變負(fù)時， 導(dǎo)致其表面層電子濃度下降，但這還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，此時仍以電子導(dǎo)電為主。于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導(dǎo)瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔的，表面電導(dǎo)占的比例很大，故表面層電阻的升高， 必將引起總電阻值的明顯升高。 Fe3O4半導(dǎo)瓷的正濕敏特性 幾種 典型陶瓷濕敏傳感器 （1）MgCr2O4-TiO2濕敏元件 氧化鎂復(fù)合氧化物-二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕電”轉(zhuǎn)換器件，它是負(fù)特性半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好，MgCr2O4-TiO2陶瓷 MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器感濕特性 （2）ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件 ZnO-Cr2O3濕敏元件的結(jié)構(gòu)是將多孔材料的金電極燒結(jié)在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中用樹脂固定ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏傳感器結(jié)構(gòu) 陶瓷式電阻濕敏傳感器的特點 傳感器表面與水蒸氣的接觸面積大，易于水蒸氣的吸收與脫卻； 陶瓷燒結(jié)體能耐高溫，物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，適