第十章氣敏和濕敏傳感器1.答：按照半導體變化的物理性質，可分為電阻型和非電阻型兩種。電阻型半導體氣敏元件是利用半導體接觸氣體時，其阻值的改變來檢測氣體的成分或濃度，是目前廣泛應用的氣體傳感器之一，按結構分：燒結型、薄膜型和厚膜型三種，敏感體一般都需要在一定的溫度下才能正常工作，保證測量靈敏度和響應速度，加熱器是不可缺少的。這類氣敏器件的優點是：工藝簡單，價格便宜，使用方便；對氣體濃度變化響應快；即使在低濃度（3000mg/kg）下，靈敏度也很高。其缺點在于：穩定性差，老化較快，氣體識別能力不強；各器件之間的特性差異大等，在使用中受環境溫濕度影響較大，需要改進。。非電阻型半導體氣敏元件根據其對氣體的吸附反應，使其某些有關特性發生變化，對氣體進行直接或間接檢測。這類器件的制造工藝成熟，便于器件集成化，因而其性能穩定且價格便宜。利用特定材料還可以使器件對某些氣體特別敏感。2.答：導電機理可以用吸附效應來解釋。在半導體表面原子性質特別活躍，很容易吸附氣體分子。當氣體分子的親和能（電勢能）大于半導體表面的電子逸出功時，吸附分子將從半導體表面奪取電子而變成負離子吸附，被稱為氧化型氣體，是電子接收性氣體，如氧氣、氧化氮等。當N型半導體表面形成負離子吸附時，表面多數載流子（電子）濃度減少，電阻增加；對于P型半導體，則表面多數載流子（空穴）濃度增大，電阻減小。若氣體分子的電離能小于半導體表面的電子逸出功時，則氣體供給半導體表面電子，形成正離子吸附，被稱為還原型氣體，是電子供給性氣體，如H2、CO、C2H5OH（乙醇）及各種碳氫化合物。當N型半導體表面形成正離子吸附時，多數載流子（電子）濃度增加，電阻減??；對于P型半導體，則多數載流子（空穴）濃度減少，電阻增加。利用半導體表面電阻變化就可以檢測出氣體的種類和濃度。3.答：傳感器均由三部分組成：敏感體及其依附的基底、加熱器以及信號引出電級，按其結構不同分為燒結型、薄膜型和厚膜型三種。燒結型氣敏傳感器長期穩定性、氣體識別能力等不太令人滿意，且工作溫度較高會使敏感膜層發生化學反應或物理變化。燒結型又分為內熱式和旁熱式，旁熱式相比內熱式穩定性、可靠性好。薄膜型氣敏傳感器具有很高的靈敏度和響應速度，敏感體的薄膜化有利于器件的低功耗、小型化，以及與集成電路制造技術兼容，同時具有較高的機械強度，而且具有互換性好、產量高、成本低等優點。厚膜型氣敏傳感器一致性較好，機械強度高，適于批量生產。4.答：氣敏器件的加熱器作用是加速氣體吸附，提高測量靈敏度和響應速度；同時加熱器能燒掉附著在測控部分中的油霧、塵埃等。6.答：MOS二級管的結構和等效電路如圖所示。在P型半導體硅片上，利用熱氧化工藝生成一層厚度為（50～100）nm左右的二氧化硅(SiO2)層，然后在其上面蒸發一層鈀（Pd）的金屬薄膜，作為柵電極。由于SiO2層電容Ca固定不變，而Si和SiO2界面電容Cs是外加電壓的函數，因此由等效電路可知，總電容C也是柵偏壓的函數。其函數關系稱為該類MOS二極管的C-V特性，如圖曲線a所示。由于鈀對氫氣（H2）特別敏感，當鈀吸附了H2以后，會使鈀的功函數降低，導致MOS管的C-V特性向負偏壓方向平移，如曲線b所示。根據這一特性就可用于測定H2的濃度。7.答：氣敏半導體器件易受環境條件變化的影響。為了使器件處于最佳工作狀態，使用時需注意控制以下因素：1）氣敏半導體器件使用之前，必須經過一定的電老化時間。器件從開始通電到達穩態所需時間與器件存放的條件和時間有關。經過長時間存放的元件在標定使用之前，一般需要1~2周的老化時間。連續測試時要注意保持前后測試條件一致。老化一般可以采用加熱及兩端加一定電壓的方式實現。2）在精度要求較高的檢測中要注意保持環境的溫濕度的一致性，因為器件表面吸附羥基（-OH）的量與環境濕度關系極為密切，需要較長時間才能達到平衡狀態。3）一般燒結型氣敏元件對某種氣體的檢測并不具有絕對的選擇性，不同種類、不同濃度的氣體傳感器有不同的電阻值，因此在使用時，一般可通過標準被測氣體對傳感器靈敏度進行調整和校正。同時在應用中要注意環境氣氛的清潔。8.答：濕度是大氣中含水的量，表明了大氣的干濕程度。絕對濕度是指一定大小空間中水蒸氣的絕對含量，可用“kg/m3”表示，其定義式為：。相對濕度是待測空氣的水汽分壓與相同溫度下水的飽和水汽壓的比值的百分數。這是一個無量綱的量，常表示為%RH。相對濕度。 9.答：對于負特性濕敏半導瓷，如果該半導瓷是Ｐ型半導體（多數載流子是空穴），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其表面，于是，其表面層的電阻下降。若該半導瓷為Ｎ型（多數載流子是電子），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到表面層，有可能使到達表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現所謂表面反型層，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出電導特性。因此，由于水分子的吸附，使N型半導瓷材料的表面電阻下降。不論是Ｎ型還是Ｐ型半導瓷，其電阻率都隨濕度的增加而下降。正特性濕敏半導瓷的導電機理的解釋可以認為這類材料的結構、電子能量狀態與負特性材料有所不同。當水分子附著半導瓷的表面使電勢變負時，導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反型程度，此時仍以電子導電為主。于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。10.答：電解質溶液的導電能力，既與電解質本身的性質有關，又與電解質溶液的濃度有關，其溶液中的離子導電能力與濃度成正比。當溶液置于一定溫度場中，若環境相對濕度高，溶液將吸收水分，使濃度降低，因此，其溶液電阻率增高。反之，環境相對濕度變低時，則溶液濃度升高，其電阻