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1、12.1 气敏传感器 12.2 湿敏传感器,第12章 半导体传感器,返回主目录,第12章 半导体传感器,它是利用某些材料的电特性的物性变化来实现信息的直接变换的。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。,以半导体为敏感材料，在各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。,定义：是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或者测量其浓度的传感器的总称。检测气体中的特定成分（CO、CO2、甲醛、酒精、氧气、氢气等），将其变换成电信号输出。应用场合：一般用于易燃、易爆、有毒、有害气体的检测
2、和报警。基本要求：1、对被测气体有高的灵敏度。2、气体选择性好。3、能够长期稳定工作。4、响应速度快。,第一节 气敏传感器,一、气敏电阻的工作原理 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,金属氧化物半导体分N型半导体,如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等,P型半导体,如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。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,制成半导体后却显示气敏特性，其导电率随气体的吸附而发生改变。,通常器件工作在空气中,空气中的氧和NO2 这样的电
3、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,使元件电阻减小。该类气敏元件通常工作在高温状态（200450）,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100300范围内电导率变化很大。显然,半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。,氧化锡、氧化锌
4、材料气敏元件输出电压与温度的关系如图所示。气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。,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。,气敏元件的基本测量电路,电阻中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化,输出电压（信号电压）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,按制造工艺上分烧结型、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
5、结型气敏元件,它的加热温度较低,一般在200300,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。,内热式气敏器件结构,旁热式气敏器件结构,（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0.1 m以下）。上下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,加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉,同时加速气体氧化还原反应,从而提高器件的灵敏度和
6、响应速度。,加热电极,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。气敏元件多采用SnO2、ZnO等。,SnO2、ZnO属于N型半导体，工作时加热。元件加热到稳定状态时，当有气体吸附时，吸附分子在气敏元件表面自由扩散，一部分分子蒸发，一部分分子固定在吸附处。当吸附还原性气体时，半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子向半导体释放电子成为正离子吸附。载流子数增加，半导体电阻率减少阻值降低。当吸附氧化性气体时，半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力，吸附分子从半导体夺走电子成为负离子吸附。半导体载流子数减少，电阻率增大，阻值增大。,元件加热,正常状态,吸附
7、还原气体,吸附氧化气体,吸附气体后,空气中,元件电阻,100,50,0,元件阻值变化,时间,吸附分子与半导体相互争夺电子。工作温度在200400范围内吸附效果较好，电导率变化较大。注1：加热器的作用（1）使附着在元件上的油污、尘埃烧掉。（2）加速气体的氧化、还原反应，提高器件的灵敏度及响应速度。注2：检测不同气体，加热温度及添加物质不同，目的是使传感器对不同气体有选择性。,三、气敏传感器的应用1、实用酒精测试仪 测试驾驶员醉酒的程度。气体传感器选用二氧化锡气敏元件。当气体传感器探测不到酒精时,加在A5脚的电平为低电平;当气体传感器探测到酒精时,其内阻变低,从而使A5脚电平变高。A为显示驱动器,它共有10个输出端,每个输出端可以驱动一个发光二极管,显示推动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数,酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上5个发光二极管为红色,表示超过安全水平。下5个发光二极管为绿色,代表安全水平,酒精含量不超过0.05%。,
